專利名稱：動態(tài)諧波濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及克服諧波危害，提高電能質(zhì)量等技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用來在電容器容 量發(fā)生變化時，動態(tài)地調(diào)節(jié)可變電抗器的電感來穩(wěn)定諧振頻率的動態(tài)諧波濾波器。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，諸多非線性負荷，如直流電機、直流電源、變頻調(diào)速器、整 流設(shè)備、電鍍電解設(shè)備、中高頻感應(yīng)加熱設(shè)備、電池充電機、晶閘管溫控加熱設(shè)備、電力機 車、通訊設(shè)備、音像設(shè)備、變頻器、計算機等接入電網(wǎng)，電網(wǎng)諧波含量逐年升高。電網(wǎng)諧波 導致的各種危害日益突出，如增加電力設(shè)施負荷，降低系統(tǒng)功率因數(shù)，降低發(fā)電、輸電及用 電設(shè)備的有效容量和效率；產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩致使電動機振動，影響產(chǎn)品質(zhì)量和電機壽命；由于 渦流和集膚效應(yīng)，使電機、變壓器、輸電線路等產(chǎn)生附加功率損耗而過熱；引起無功補償電 容器諧振和諧波放大，導致電容器因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行；干擾鄰近的電 力電子設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備和通訊設(shè)備，影響設(shè)備的正常運行等。這些危害使我們認識到電 力諧波進行治理刻不容緩。
治理諧波有主動治理，即從諧波源本身出發(fā)，通過改進用電設(shè)備，使其不產(chǎn)生或少產(chǎn)生 諧波；受端治理，即從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高它們抗諧波干擾能力；被動治 理，即通過安裝濾波器，阻止諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，或者阻止電力系統(tǒng)的諧波流人負 載端。主動治理受到諧波源的不明確性和復(fù)雜性等的影響使得治理方案復(fù)雜，可靠性低；受 端治理增加了設(shè)備或者系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性；安裝諧波濾波器這一被動治理方案在現(xiàn)階段發(fā)展 較快、應(yīng)用較廣。
針對安裝諧波濾波器方案來治理諧波這一方案，設(shè)計出一種精度高、效果好的諧波濾波 器己經(jīng)受到廣泛的關(guān)注。在專利CN200480021730.4中，發(fā)明了一種有源濾波器，它包括三級 濾波，通過檢測補償對象的電壓和電流，得出與負載電流中的諧波電流大小相等、方向相反 的補償電流，從而使電網(wǎng)的電壓、電流恢復(fù)為正弦波形。但是有源濾波器的缺點為價格高， 容量小。由于目前國際上大容量硅閥技術(shù)還不成熟，所以當前常見的有源濾波容量不超過 600kvar。其運行可靠性也不及無源濾波器。專利CN200620097951. 6提出了一種諧波濾波器， 它由若干個濾波單元并接而成，每一濾波單元中的諧振電路頻率中心各不相同，若干單元即 可構(gòu)成很寬的濾波頻率，它可有效改善電力品質(zhì)，提高功率因素，達到凈化工頻電源和節(jié)能 效果。然而此類諧波濾波器的電抗器是針對于濾除固定頻率的諧波而言的，它的電抗器的感 抗和電容器的容抗都是經(jīng)過計算后進行精確設(shè)定的，在濾波器投入運行過程中是要求固定不 變的。這樣就存在著一些問題，如在基波頻率下，傳統(tǒng)諧波濾波器投入固定的電容器組補償 系統(tǒng)的無功功率，但是由于容抗不變?nèi)菀自斐上到y(tǒng)的過補償；在傳統(tǒng)諧波濾波器投入使用一 段時間后，電容器容量會發(fā)生變化，如電容器的容量會隨著溫度和時間發(fā)生衰減而導致容量降低，電容器的容抗將增大，而電容就減小，這樣諧振頻率將增大，而此類濾波器的每單元 濾波頻率是固定不變的，這樣濾波效果就會受到很火的影響。所以針對以上問題，提出一種 實用于濾波器在長期工作過程中濾波精度和濾波效果始終不變的方案是至關(guān)重要的，這將有 利于大幅度的減少諧波危害，提高電能質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種動態(tài)諧波濾波器，以便解決傳統(tǒng)濾波器在基波 頻率下存在無功功率過補償，而在諧波頻率下電容器容量受時間和環(huán)境的影響而發(fā)生變化，
電抗器的感抗又是固定不變的，這樣導致實際的濾波頻率和預(yù)先設(shè)定的不一致而影響濾波精 度和濾波效果的問題。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案
本發(fā)明提供的動態(tài)諧波濾波器，其主要由可變電抗器、反并聯(lián)晶間管觸發(fā)電路、控制線 圈和電容器組組成。其中可變電抗器的一端與電容器組串聯(lián)；反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路的兩 接線端分別與控制線圈的兩端相連接構(gòu)成回路；多組快速熔斷器和電容接觸器與電容器的串 聯(lián)電路經(jīng)過并聯(lián)后形成電容器組，當電容器組的容抗發(fā)生變化時，控制線圈在反并聯(lián)晶閘管 觸發(fā)電路的作用下開啟，動態(tài)地調(diào)整可變電抗器的電感。
本發(fā)明提供的動態(tài)諧波濾波器，其用于電容器容量發(fā)生變化時，動態(tài)地調(diào)節(jié)可變電抗器 的電感來穩(wěn)定諧振頻率，同時降低諧波對電氣設(shè)備的危害，并且提高電氣設(shè)備在電網(wǎng)中運行 的效率和使用壽命所述電氣設(shè)備是指變壓器、電力電纜、電動機、控制系統(tǒng)或通信系統(tǒng)。
本發(fā)明提供的動態(tài)諧波濾波器與傳統(tǒng)諧波濾波器相比具有如下優(yōu)點
1. 為無源濾波器，其濾波支路主要由可變電抗器和電容器組串聯(lián)組成串聯(lián)諧振濾波電路， 它與有源濾波器相比具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等特點，因此在工業(yè)應(yīng)用屮有利于節(jié)省投資。
2. 能夠?qū)崿F(xiàn)可變電抗器的感抗可調(diào)在傳統(tǒng)的諧波電抗器上增加了一組控制線圈，該線 圈在滿足濾波頻率時不工作。而在實際生產(chǎn)需要時(例如電容器容量發(fā)生變化)，控制線圈在 晶閘管的不同導通角度下開啟，控制電路電流發(fā)生變化，使得可變電抗器和控制線圈之間的 互感發(fā)生變化，從而可動態(tài)調(diào)整可變電抗器的感抗X,.，動態(tài)實時的改變可變電抗器的感抗L。
3. 在基波頻率下，不會造成系統(tǒng)的無功功率過補償。在基波頻率下，傳統(tǒng)的濾波器固定 地投入電容器組來補償系統(tǒng)的無功，故容易造成系統(tǒng)的過補償；而動態(tài)諧波濾波器由于可變 電抗器的感抗X,.可調(diào)，電容器組又可以分段地投入和切除，容抗也能分段調(diào)節(jié)，使得補償給 系統(tǒng)的無功功率也能進行調(diào)節(jié)，而不至于造成系統(tǒng)無功功率的過補償。
4. 在諧波頻率下，能夠高效地吸收諧波并且保證濾波精度和效果不受電容容量變化的影 響。無源濾波器只能濾除固定次數(shù)的諧波，因此傳統(tǒng)無源諧波濾波器的濾波頻率都是在投入
使用前固定設(shè)計的，當使用一段時間后，電容器容量降低導致電容C變小，而電抗器電感L
固定不變，這樣使得諧振頻率變大，濾波效果和精度均降低。而動態(tài)諧波濾波器的電抗和容 抗均口J調(diào)，能夠保證諧振頻率始終不變，因此濾波效果和精度均能得到保證。為了說明優(yōu)點4所述問題，以五次諧波為例諧波頻率/o計算見公式(1)，基波頻率/g
為50Hz，可以求得五次諧波頻率/5見公式(2)。對于傳統(tǒng)的諧波濾波器而言，當電容器容量 2一咸少了4%時，電容容抗變?yōu)閄^見公式(3)，電容變?yōu)镃'見公式(4),五次諧波頻率變?yōu)?/5'見公式(5),則求得實際五次諧波頻率/5'為255Hz與諧波濾波器設(shè)計時的五次諧波濾波頻 率/s理論值250HZ不符，所以濾波效果和精度變差；若使用動態(tài)諧波濾波器，當容量降低而 導致電容器電容C變小后，通過控制晶閘管的導通與關(guān)斷，使得可變電抗器的電感產(chǎn)生相應(yīng) 的改變，保持LC的乘積不變，則諧波頻率/。不會變化，濾波頻率能夠滿足要求，保證了濾波 和精度不變。
總之，本發(fā)明中電容器組中的電容器可動態(tài)實時的投入和切除，使得容抗可調(diào)，加之電 抗也可調(diào)，這樣在基波頻率下電容器分段投入系統(tǒng)中，補償系統(tǒng)的無功功率而不至于造成過 補償；在諧波頻率下通過動態(tài)地調(diào)節(jié)可變電抗器的電感保持LC乘積不變來穩(wěn)定諧振頻率，使 得濾波精度和濾波效果始終保持不變；同時能夠降低諧波對變壓器、電力電纜、屯動機、控 制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等的危害，從而提高電能質(zhì)量，在工業(yè)應(yīng)用中利于節(jié)省投資。


圖1是木發(fā)明的動態(tài)諧波濾波器回路簡圖。
圖2是本發(fā)明的動態(tài)諧波濾波器的安裝位置示意圖。
圖中l(wèi).電網(wǎng)；2.隔離開關(guān)；3.快速斷路器；4.可變電抗器；5.反并聯(lián)晶間管觸發(fā) 電路；6.控制線圈；7.電容器組；8.快速熔斷器；9.電容接觸器；10.電容器11.變 壓器；12.非線性設(shè)備；13.非線性設(shè)備；14.非線性設(shè)備；15.5th諧波濾波器；16. 7讓
諧波濾波器；17. llth諧波濾波器。
具體實施例方式
下面結(jié)合實例對本發(fā)明作進一步說明，但不限定本發(fā)明。 本發(fā)明提供的動態(tài)諧波濾波器，其電路回路結(jié)構(gòu)如圖l所示。在電路中，動態(tài)諧波濾波
器主要由可變電抗器4 (KL)、控制線圈6、反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路5和電容器組7組成。該 動態(tài)諧波濾波器裝置經(jīng)過隔離開關(guān)2 (QS)和快速斷路器3 (QF)連接至電網(wǎng)l中。動態(tài)諧 波濾波器裝置中，多組快速熔斷器8、電容接觸器9與電容器10 (C)的串聯(lián)電路經(jīng)過并聯(lián) 后形成電容器組7;可變電抗器4的一端與電容器組7串聯(lián)，由此組成串聯(lián)諧振濾波電路； 反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路5的兩接線端分別與控制線圈6的兩端相連接構(gòu)成回路，在需要時用 來動態(tài)的調(diào)節(jié)可變電抗器4的電感；當電容器組7的容抗Xc發(fā)生變化時，控制線圈6在反并 聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路5的不同觸發(fā)角度下丌啟，動態(tài)地調(diào)整可變電抗器4的電感，保持濾波頻 率/。始終不變，從而使濾波效果不受影響。
所述電容器組7，可由一組電容容量不同的電容器IO并聯(lián)組成，每一個電容器支路上都 串聯(lián)一個電容接觸器9，根據(jù)濾波需要將電容接觸器9接通或者斷開，來控制電容器10的投 入和切除，實現(xiàn)所述動態(tài)調(diào)節(jié)動態(tài)諧波濾波器的電容容量。
所述可變電抗器4為一感抗可調(diào)的電抗器，當電容器組7的容抗Xc發(fā)生變化時，反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路5在脈沖作用下觸發(fā)開啟，改變流經(jīng)控制線圈6的電流，從而改變可變電抗 器4與控制線圈6之間產(chǎn)生的互感，使得可變電抗器4的感抗XL可動態(tài)調(diào)整，保持濾波頻率
始終一致。
本發(fā)明提供的動態(tài)諧波濾波器在線路中的安裝位置如圖2所示。在線路中，變壓器ll用 來實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換或者起隔離作用。有多組非線性設(shè)備，本例只給出了三組非線性設(shè)備即非 線性設(shè)備12、非線性設(shè)備13和非線性設(shè)備14，它們是產(chǎn)生諧波的負荷，例如是直流電機、 變頻調(diào)速器、整流設(shè)備，或者是直流電源等非線性負荷。在非線性設(shè)備的右邊線路上，是三 個動態(tài)諧波濾波器，分別為5th諧波濾波器15、 7th諧波濾波器16和llth諧波濾波器17，這 些動態(tài)諧波濾波器的結(jié)構(gòu)均與本發(fā)明介紹的一致，區(qū)別在于其電容器和電抗器的參數(shù)設(shè)置不 一樣，因此待濾除諧波的頻率不一樣，5th諧波濾波器用來濾除五次諧波，7th諧波濾波器用 來濾除七次諧波，1 lth諧波濾波器用來濾除十一次諧波。
本發(fā)明提供的動態(tài)諧波濾波器直接安裝在母線上，這樣，在母線上一并治理諧波和進行 無功功率補償效果更佳，投資費用較合理。如圖2所示在線路中，假設(shè)每個非線性設(shè)備產(chǎn) 生的諧波電流中均包含有50A的五次諧波，20A的七次諧波和10A的H^—次諧波，那么5th 諧波濾波器15對五次諧波的耐流為150A， 7th諧波濾波器16對七次諧波的耐流為60A， llth 諧波濾波器17對十一次諧波的耐流為30A。動態(tài)諧波濾波器的阻抗與變壓器11的阻抗要配 合使用，這樣才能保證在變壓器阻抗較大時，諧波電流絕大部分被濾波器吸收，而僅有一小 部分通過變壓器注入電網(wǎng)。各動態(tài)諧波濾波器的投入和切除也是具有規(guī)定的順序的，即先投 入后切除。按照先5th，后7th，再llth的順序投入；按照先llth，后7th,再5th的順序切除。 當5th切除后，7th和llth也必須切除；當7th和llth切除后，5th可以繼續(xù)運行。
本發(fā)明提供的動態(tài)諧波濾波器，其用于電容器容量發(fā)生變化時，動態(tài)地調(diào)節(jié)可變電抗器 4的電感來穩(wěn)定諧振頻率，同時降低諧波對電氣設(shè)備的危害，并且提高電氣設(shè)備在電網(wǎng)中運 行的效率和使用壽命；所述電氣設(shè)備是指變壓器、電力電纜、電動機、控制系統(tǒng)或通信系統(tǒng)。
該動態(tài)諧波濾波器應(yīng)用時，既吸收諧波又補償無功功率，其過程是動態(tài)諧波濾波器經(jīng)
過隔離開關(guān)2和快速斷路器3連接至電網(wǎng)1中，在諧波頻率下，當動態(tài)諧波濾波器使用一段 時間后，電容器組7的電容容量會降低，容抗Xe變大，電容C變小，諧振頻率會變大，此時 通過控制反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路5的導通與關(guān)斷，改變流經(jīng)控制線圈6的電流，從而改變可 變電抗器4與控制線圈6之間產(chǎn)生的互感，動態(tài)實時調(diào)整可變電抗器4的電感L，使諧振頻 率保持不變，由此構(gòu)成一低阻抗回路以吸收諧波；在基波頻率下，電容器組7可分段地投入 和切除，并且可變電抗器4的電抗可調(diào)，使動態(tài)諧波濾波器能夠補償系統(tǒng)需求的無功功率而 不至于造成過補償。
下面簡述本發(fā)明動態(tài)諧波濾波器的工作過程。
動態(tài)諧波濾波器經(jīng)過隔離開關(guān)2和快速斷路器3連接至電網(wǎng)1中。在基波頻率下，動態(tài) 諧波濾波器主要用來補償系統(tǒng)的無功功率。本發(fā)明可動態(tài)實時的投入和切除電容器IO,使得 整體的容抗可調(diào)。這樣，在基波頻率下，電容器10可按照實際需要分段投入系統(tǒng)中，加之可變電抗器4感抗可調(diào)，動態(tài)諧波濾波器能夠補償系統(tǒng)需求的無功功率而不至于造成過補償。 在諧波頻率下，動態(tài)諧波濾波器主要用來吸收諧波。本發(fā)明相當于在傳統(tǒng)的濾波電抗器上， 增設(shè)一組控制線圈6。在滿足濾波頻率時，控制線圈6不工作。當電容器組7的容量發(fā)生變 化時，例如隨溫度變化和時間推移，電容器組7的容量變小，容抗Xc變大，電容器組7的電 容將變小，若電感L不變，則實際諧振頻率/。(例如y;-250HZ,即五次諧波諧振頻率)將 變大，濾波效果將受到較大的影響。但是動態(tài)諧波濾波器將改善這種情況，當電容器組7的 容量發(fā)生變化時，控制線圈6在反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路5的不同觸發(fā)角度下開啟，流經(jīng)控制 線圈6的電流發(fā)生變化，該控制線圈6和可變電抗器4產(chǎn)生的互感發(fā)生變化，從而可動態(tài)調(diào) 整可變電抗器4的感抗XL，使得其感抗Xl突大，那么可變電抗器4的電感L變大，使得LC 的乘積不變，這樣就能保持濾波頻率/。始終不變，從而使濾波精度和濾波效果效果不受影響。 上述說明中/。= /5 =12W仏' 1=5/汰=5*50 = 250Hz公式(1) 公式(2)C =96%Q 1100=0.96C12W丄CVC/C'— = Vl/0.96./5 =255Hz公式(3)公式(4)公式(5)上述公式中Ze為電容器容量改變前的容抗，義纟為電容器容量改變后的容抗，Uc為電 容器兩端電壓，C為電容器容量改變前的電容值，C'為電容器容量改變后的電容值，L為電 抗器電感。權(quán)利要求
1.一種動態(tài)諧波濾波器，其特征在于該動態(tài)諧波濾波器主要由可變電抗器(4)、反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路(5)、控制線圈(6)和電容器組(7)組成，其中可變電抗器(4)的一端與電容器組(7)串聯(lián)；反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路(5)的兩接線端分別與控制線圈(6)的兩端相連接構(gòu)成回路；多組快速熔斷器(8)和電容接觸器(9)與電容器(10)的串聯(lián)電路經(jīng)過并聯(lián)后形成電容器組(7)，當電容器組(7)的容抗發(fā)生變化時，控制線圈(6)在反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路(5)的作用下開啟，動態(tài)地調(diào)整可變電抗器(4)的電感。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)諧波濾波器，其特征在于所述電容器組(7)由一組電 容容量不同的電容器(10)并聯(lián)組成，每一個電容器支路上都串聯(lián)一個電容接觸器(9)， 根據(jù)濾波需要將電容接觸器(9)接通或者斷開，來控制電容器(10)的投入和切除，實 現(xiàn)所述動態(tài)調(diào)節(jié)動態(tài)諧波濾波器的電容容量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的動態(tài)諧波濾波器，其特征在于可變電抗器(4)與電 容器組(7)串聯(lián)組成串聯(lián)諧振濾波電路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)諧波濾波器，其特征在于所述可變電抗器(4)為一感 抗可調(diào)的電抗器，當電容器組(7)的容抗Xc發(fā)生變化時，反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路(5) 在脈沖作用下觸發(fā)開啟，改變流經(jīng)控制線圈(6)的電流，從而改變可變電抗器(4)與控 制線圈(6)之間產(chǎn)生的互感，使得可變電抗器(4)的感抗XL可動態(tài)調(diào)整，保持濾波頻 率始終一致。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述動態(tài)諧波濾波器的用途，其特征在于該 動態(tài)諧波濾波器用于電容器容量發(fā)生變化時，動態(tài)地調(diào)節(jié)可變電抗器(4)的電感來穩(wěn)定 諧振頻率，同時降低諧波對電氣設(shè)備的危害，并且提高電氣設(shè)備在電網(wǎng)中運行的效率和使 用壽命；所述電氣設(shè)備是指變壓器、電力電纜、電動機、控制系統(tǒng)或通信系統(tǒng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述動態(tài)諧波濾波器的用途，其特征在于該動態(tài)諧波濾波器應(yīng)用 時，既吸收諧波又補償無功功率，其過程是動態(tài)諧波濾波器經(jīng)過隔離開關(guān)(2)和快速 斷路器(3)連接至電網(wǎng)(1)中，在諧波頻率下，當動態(tài)諧波濾波器使用一段時間后，電 容器組(7)的電容容量會降低，容抗Xc變大，電容C變小，諧振頻率會變大，此時通 過控制反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路(5)的導通與關(guān)斷，改變流經(jīng)控制線圈(6)的電流，從而 改變可變電抗器(4)與控制線圈(6)之間產(chǎn)生的互感，動態(tài)實時調(diào)整可變電抗器(4) 的電感L，使諧振頻率保持不變，由此構(gòu)成一低阻抗回路以吸收諧波；在基波頻率下，電 容器組(7)分段地投入和切除，并且可變電抗器(4)的電抗可調(diào)，使動態(tài)諧波濾波器能 夠補償系統(tǒng)需求的無功功率而不至于造成過補償。
全文摘要
本發(fā)明提供的動態(tài)諧波濾波器，主要由可變電抗器(4)、反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路(5)、控制線圈(6)和電容器組(7)組成，其中可變電抗器的一端與電容器組串聯(lián)；反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路的兩接線端分別與控制線圈的兩端相連接構(gòu)成回路；多組快速熔斷器(8)和電容接觸器(9)與電容器(10)的串聯(lián)電路經(jīng)過并聯(lián)后形成電容器組，當電容器組的容抗發(fā)生變化時，控制線圈在反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路的作用下開啟，動態(tài)地調(diào)整可變電抗器的電感。本發(fā)明在諧波頻率f₀下，構(gòu)成一低阻抗回路以吸收諧波；在基波頻率下，提供無功電流以改善功率因素。本動態(tài)諧波濾波器為減少諧波對變壓器、電力電纜、電動機、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和電容器等的危害創(chuàng)造了條件。
文檔編號H02J3/01GK101630841SQ20091006364
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月18日
發(fā)明者彭友亮, 宇 王, 羅文周, 肖義平, 袁佑新, 剛 陳, 敏 陳, 靜 陳 申請人:武漢理工大學