印鈔設(shè)備諧波的測(cè)量與分析

印鈔設(shè)備諧波的測(cè)量與分析

1波形理論1.1諧波次數(shù)的定義電氣系統(tǒng)濾波器的定義是對(duì)非線性不規(guī)則電流的周期序列進(jìn)行分解。除了獲得頻率和電網(wǎng)波頻率相同的分量外，還獲得頻率高于電網(wǎng)波頻率的多個(gè)頻率分量的這些分量，這些噪聲被稱為波形。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數(shù)倍諧波,稱為非諧波(Non-harmonics)或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實(shí)際上是一種干擾量,使電網(wǎng)受到“污染”。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測(cè)量、危害及抑制,其頻率范圍一般為2≤n≤40。諧波電流是由非線性負(fù)載引起的,諧波電壓是諧波電流和配電系統(tǒng)上的阻抗導(dǎo)致的電壓降。諧波的次數(shù)越高,振幅越低。在頻率恒定情況下,電壓和電流均以正弦波波形運(yùn)行。然而在非線性負(fù)載接入系統(tǒng)時(shí),產(chǎn)生的諧波電流會(huì)引起電流和電壓畸變。1.2波形的傷害1.2.1電壓失真的影響這主要來自諧波對(duì)電網(wǎng)的大量注入引起的電壓失真度。電壓失真度上升,意味著電源已經(jīng)不再是純凈的正弦波,因此凡用電設(shè)備不論自身是線性負(fù)載還是非線性負(fù)載都會(huì)受到電壓失真的影響。例如:一些敏感性負(fù)載受到干擾,如計(jì)算機(jī)出錯(cuò)、死機(jī),計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備出現(xiàn)異常故障等;保護(hù)裝置異常動(dòng)作,開關(guān)誤跳閘等;伺服電機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng),異步交流電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng),噪音增大等;負(fù)載電路中產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾,數(shù)據(jù)傳送故障,通訊、廣播間斷并伴有工頻交流噪聲等;含有電感、電容器件的電路溫度升高,損耗增大,提前老化,使用壽命明顯縮短等。1.2.2電纜非線性負(fù)載過濾法供電設(shè)備主要指電力變壓器、電纜、發(fā)電機(jī)、電力電容等。由于諧波在這些設(shè)備上產(chǎn)生明顯的集膚效應(yīng),使得:電力變壓器、發(fā)電機(jī)等鐵磁設(shè)備損耗明顯增大,產(chǎn)生過熱,絕緣提前老化;電纜產(chǎn)生過熱,絕緣提前老化;電力電容器介質(zhì)損耗增大,過熱,甚至爆炸;中性線電流明顯增大。由于非線性負(fù)載通常功率因數(shù)較低,造成:無功功率增大;電流有效值增大;電網(wǎng)的可用容量下降;電網(wǎng)的品質(zhì)變壞,波形失真,頻率改變等;利用發(fā)電機(jī)組供電的用戶,發(fā)電機(jī)出力明顯不足,過熱,噪音大,振動(dòng)大等。2印刷設(shè)備的風(fēng)水分析2.1變壓器產(chǎn)生的諧波隨著技術(shù)進(jìn)步,現(xiàn)代印鈔機(jī)中各種技術(shù)含量較高的新裝置都得到廣泛應(yīng)用,內(nèi)含有大量變頻器。變頻器屬于典型諧波源負(fù)載,其工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量5、7、11等次數(shù)典型諧波電流和其他高頻諧波電流。因印鈔機(jī)內(nèi)的變頻器數(shù)量多,每個(gè)變頻器產(chǎn)生的諧波互相疊加,使整個(gè)印鈔機(jī)用電系統(tǒng)諧波污染嚴(yán)重。圖1為某印鈔機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的諧波畸變波形及頻譜。2.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)缺乏故障由于諧波的大量存在,對(duì)印鈔設(shè)備可靠、安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成很大威脅,尤其是印鈔系統(tǒng)最新研制的一批印鈔機(jī)。比如,設(shè)備中輸墨棍轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)應(yīng)用大量倫茨伺服控制器,應(yīng)該驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按照預(yù)設(shè)角度進(jìn)行輸墨,但是由于存在諧波干擾,導(dǎo)致輸墨電機(jī)經(jīng)常不規(guī)則停轉(zhuǎn),而且也沒有任何故障指示,造成大量印刷產(chǎn)品由于缺少墨色而形成大張廢品,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量安全。再比如,有的設(shè)備一合主斷路器,設(shè)備得電后,還沒有任何操作,設(shè)備就自動(dòng)響笛、運(yùn)轉(zhuǎn),操作人員必須馬上斷電。如果有人對(duì)設(shè)備正在進(jìn)行靜態(tài)操作,后果不堪設(shè)想,因此,這對(duì)設(shè)備安全和人身安全造成相當(dāng)大的威脅。類似諧波對(duì)印鈔設(shè)備的危害實(shí)例還有一些,不再列舉。有鑒于此,對(duì)印鈔設(shè)備的諧波治理勢(shì)在必行。3印版設(shè)備的微波治理3.1諧波治理的原則根據(jù)技術(shù)原理的不同,諧波治理的解決方案有多種,下面對(duì)不同的諧波治理技術(shù)做簡(jiǎn)要的分析和比較。傳統(tǒng)的諧波抑制方式有以下幾種:(1)增大供電容量,(2)采用特殊的變壓器變換,(3)雙橋或多橋式整流器,(4)無源濾波器,(5)串聯(lián)電抗器。上述的這些傳統(tǒng)的諧波抑制方式,雖然能在一定程度上解決諧波對(duì)電網(wǎng)注入的問題,但普遍存在著效果不理想的情況,主要表現(xiàn)在:a.諧波頻譜的適應(yīng)范圍較小,大多是針對(duì)某一次或某幾次諧波進(jìn)行抑制,如果負(fù)載是一個(gè)寬頻譜或頻譜發(fā)生變化時(shí),就很難獲得理想的效果。b.適應(yīng)負(fù)載特性的能力較差,如果負(fù)載特性頻繁變化,或是負(fù)載系統(tǒng)是由眾多的不同特性的設(shè)備群組成的,則上述這些抑制方式均受到局限。c.效率低也是上述抑制方式的局限性,不論是串聯(lián)電抗器還是變壓器變換或者是低通濾波,這些功率器件本身都存在著阻抗,會(huì)產(chǎn)生一定的附加損耗,其結(jié)果不是設(shè)備方面的效率降低(大約2%～3%),就是供電系統(tǒng)的帶載能力降低。d.抑制的效果仍然不夠理想,作為衡量抑制效果的指標(biāo)就是總諧波電流失真度的衰減率(THDIAttenuationRatio),通常對(duì)某一次或某幾次諧波可能有5～8倍的衰減,而對(duì)總諧波失真度一般僅能達(dá)到2～3倍。e.過載能力較差,使負(fù)載電流增大受到約束。f.基波頻率不能改變,例如:不能由50Hz變?yōu)?0Hz。g.系統(tǒng)阻抗變化時(shí)有共振的危險(xiǎn)。h.整體尺寸、重量、造價(jià)都是不可忽略的因素。與無源電力濾波器相比,有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性,能補(bǔ)償各次諧波,可抑制閃變、補(bǔ)償無功,有一機(jī)多能的特點(diǎn);在性價(jià)比上較為合理;濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響,可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn);具有自適應(yīng)功能,可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。因其具有動(dòng)態(tài)濾波能力,濾波效果好等優(yōu)勢(shì),被越來越廣泛地應(yīng)用,是諧波治理的技術(shù)發(fā)展方向。圖2為有源電力濾波器工作原理圖。3.2最佳諧波治理方案印鈔機(jī)含有大量變頻器,變頻器位置分散,單臺(tái)變頻器容量不大,因此最佳的諧波治理方案是在印鈔機(jī)電源進(jìn)線位置并聯(lián)安裝有源電力濾波器。根據(jù)北京印鈔廠單臺(tái)印鈔機(jī)工作過程中產(chǎn)生的諧波電流有效值,選擇合適容量的有源濾波器。濾波器安裝位置示意見圖3。3.3同源濾波器效果分析因?yàn)橹C波問題經(jīng)常引起印鈔機(jī)發(fā)生故障和誤動(dòng)作,北京印鈔廠決定對(duì)印鈔機(jī)進(jìn)行諧波治理。根據(jù)對(duì)市場(chǎng)同類產(chǎn)品的比較,選擇施耐德公司AccuSine有源電力濾波器作為諧波治理一期改造方案選用的有源濾波器。濾波器投入前后的電流、電壓波形及數(shù)據(jù)分別見圖4～圖7和下表。投入AccuSine有源電力濾波器前后效果對(duì)比顯示,有源電力濾波器諧波治理效果明顯,投入AccuSine有源電力濾波器后,印鈔機(jī)產(chǎn)生的諧波電流畸變率由22.4%降到2.4%。以前如設(shè)備無開機(jī)指令而自行運(yùn)轉(zhuǎn)的誤動(dòng)作現(xiàn)象等都隨著諧波的治理而消失了,這在很大程度上保障了人身安全,提高了設(shè)備系統(tǒng)的安全可靠性,并為產(chǎn)品質(zhì)量安全的提高奠定了基礎(chǔ)。3.4源能源濾波器的acce技術(shù)原理3.4.1諧波電流的檢測(cè)AccuSine有源濾波裝置并聯(lián)于電網(wǎng)系統(tǒng)中,通過實(shí)時(shí)檢測(cè)非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流,快速產(chǎn)生與其大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流并注入系統(tǒng),從而將電源側(cè)電流補(bǔ)償為正弦波,達(dá)到濾除諧波的目的。工作原理如圖8所示。3.4.2諧波分離模塊內(nèi)部原理如圖9所示,斷路器合閘后,AccuSine首先通過預(yù)充電電阻對(duì)DC母線的電容器充電,當(dāng)母線電壓Vdc達(dá)到額定值后,預(yù)充電接觸器閉合。直流電容作為儲(chǔ)能元件,為通過IGBT逆變器和內(nèi)部電抗器向外輸出補(bǔ)償電流提供能量。同時(shí),直流電容器通過電源PCB向內(nèi)部的控制PCB和電子電路提供工作電源。AccuSine通過外部CTe采集電流信號(hào)送至控制PCB的諧波分離模塊,該模塊將基波成分分離,將諧波成分送至調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)模塊。該模塊會(huì)將采集到的系統(tǒng)諧波成分和AccuSine已發(fā)出的補(bǔ)償電流比較,得到差值作為實(shí)時(shí)補(bǔ)償信號(hào)輸出到驅(qū)動(dòng)電路,觸發(fā)IGBT逆變器將補(bǔ)償諧波電流注入到電網(wǎng)中,實(shí)現(xiàn)濾除諧波的功能。3.5印鈔機(jī)內(nèi)部用電設(shè)備及其控制系統(tǒng)的可靠性印鈔機(jī)是印制行業(yè)的核心生產(chǎn)設(shè)備,而鈔票屬于特殊產(chǎn)品,對(duì)質(zhì)量的要求高