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七种类型的电源问题(下)

日期:2022-10-13

本期我们来了解电流的波形畸变、电压波动和频率抖动对设备的影响及其防范措施。不二师兄还将用图表的形式来总结这三期我们介绍的这7种电源现象的波形、影响、可能的原因以及可行的解决方法。

 

波形畸变

 

有五种主要类型的波形畸变:1.直流偏置,2.谐波,3.谐间波,4.毛刺,5.噪音

 

01.

直流偏置

之所以交流配电系统中可能会感生出直流电(DC),原因通常是遍布于现代设备中的交流转直流的整流器出现了故障。直流电流过交流电系统,使已按运行在额定电平装置中流过不必要的电流。直流电的流动会导致变压器过热和饱和。当变压器饱和时,它不仅仅会变热,而且将无法向负载传输充足的电力,而随之产生的波形畸变进一步会使电子负载设备运行不稳定。直流偏置的示意图如图11所示。

 

图11 直流偏置

 

解决直流偏置的方法是更换导致问题的故障设备。模块化、可更换的设备大大简化了解决故障设备所导致的直流偏置问题,并且降低了需要专业维修人员维修人力成本。

 

02.

谐波

谐波畸变(图12)是指基波的倍频正弦波造成的波形畸变。(例如,180Hz是基波为60Hz的三次谐波;3X60=180)。

 

图12 典型的谐波畸变

 

谐波问题的征兆包括变压器、零线以及其它电力传输设备过热,还包括断路器动作以及依赖于干净的正弦波过零点触发的时间同步电路失效。

 

过去由于开关电源(SMPS)的特性,IT设备带来的谐波畸变是一个很严重的问题。非线性负载以及许多容性设计仅在电压的每个正向和反向峰值附近“吸吮”电力,而不是在每个全半周期吸收电流。开关电源一般使用配电系统中三相中的某个单相,其大约三分之一周期的导通产生的电流流过零线。所有开关电源的回流在零线叠加而不是抵消,产生非常高的零线电流,理论上是最大相电流的1.73倍。超负荷的零线会导致配电的路线上出现极高的电压,导致连接其中的设备严重损坏。同时,这么多的开关电源每个电压半周期的峰值吸收能量,由此导致变压器饱和以及随之而来的过热现象。造成此问题的其它负载包括变速电动机驱动器、灯具镇流器以及大型的传统UPS系统。用于缓解此问题的方法包括加粗零线、安装K级变压器以及谐波滤波器。

 

03.

谐间波

谐间波(图13),通常是由电气设备,如静止变频器、感应电动机和电弧装置,施加于供电电压上的信号一种波形畸变。控制滚轧机、搅拌机和矿山设备中使用的大型线性马达的周波变换器会造成一些最显著的谐间波电源问题。这些设备可将供电电压转换为频率低于或高于供电频率的交流电压。

 

图13 谐间波波形畸变

 

谐间波最明显的影响是可以通过显示器和白炽灯闪烁注意到,并且可能会导致变热以及通信干扰。解决谐间波的方法包括使用滤波器、UPS系统和线路调节器。

 

04.

毛刺

毛刺(图14)是一种由电子设备,如变速传动装置、调光器和弧焊机,在正常运行条件下导致的周期性电压扰动。此问题可能会被描述为瞬时脉冲问题,但是,由于毛刺在每半个周期上呈周期性出现的,因此毛刺被认为是波形畸变问题。毛刺的常见后果是系统停机、数据丢失和数据传输问题。

 

图14 毛刺

 

解决毛刺问题的一种方法是尽可能将负载远离以上电子设备。如果无法移动设备的位置,那么UPS和滤波器也是可行的解决毛刺问题方法。

 

05.

噪音

噪音(图15)是叠加在电力系统电压或电流波形上的多余电压或电流。噪音可能是由电力电子设备、控制电路、弧焊机、开关电源、无线电发射机等所产生的。不良接地使系统更易受到噪音的影响。噪音可导致诸如数据错误、设备失效、元件长久失效、硬盘故障和视频显示失真等问题。

图15 噪音

 

有多种不同的噪音控制方法,有时必须要结合使用多种不同的方法才能达到所需的效果。下面是其中一些方法:

 

 

#1

通过UPS隔离负载

安装接地的屏蔽绝缘变压器

 

#2

 

#3

移动负载使其远离干扰源

安装噪音滤波器

 

#4

 

#5

屏蔽电缆

 

 

噪音最常见的后果之一是数据损坏。如图16所示,EMI(电磁干扰)和RFI(射频干扰)可能会在传输数据线上产生感应电流和感应电压。由于数据是数字信号(电压有无分别用1和0表示)传播的,因此,数据线上的额外电压可能会导致出现不匹配或相反数据。典型案例是当网络布线穿越吊顶上的荧光灯时,网线就会有感应的噪音。荧光灯会产生明显的电磁干扰,如果网络布线的距离过近,将可能会导致数据出错。当网络布线位置离高负载输电线路的距离过近时,通常也会发生这种情况。

 

图16 电磁感应

 

解决这类问题的方法是将数据传输设备和/或布线远离EMI/RFI源的位置,或者为数据设备和/或布线加上额外的屏蔽以减轻或抵消EMI/RFI的影响。

 

 

电压波动

 

电压波动与其它波形异常有着根本的不同,因此电压波动将它们放在独自的类别中。如图17所示,电压波动是指电压波形连续的改变,或是一连串小幅度的电压随机变动,即按电压变动频率低于25Hz频率电压有效值为标称值的95%到105%。

 

图17 电压波动

 

任何负载的明显电流变化会导致电压波动。在输配电系统上,导致电压波动的最常见原因是电弧炉。此问题的表征之一是白炽灯闪烁。解决电压波动的方法有:移去造成问题的负载,重新部署敏感设备,或者安装电力调节器或UPS设备。

 

频率抖动

 

01.

电流频率抖动的产生原因及预防措施

频率抖动(图18)现象在稳定的电力系统中极为罕见,尤其是通过电力网互连的系统。在配有专用备用发电机或电源基础设施不齐全的地方,如果发电机负荷过重,就特别容易发生频率抖动。IT设备具有适应频率抖动的能力,通常不会受到局部的发电机频率轻微变化的影响。任何依赖于电力系统中平稳的周期信号电机或敏感设备会受频率抖动的影响。频率抖动可能会导致电机按输入电力的频率较快或较慢速度运行,这样将会使电机的运行效率低,并且/或者电机速度的提高和/或额外的电流消耗的增加会导致电机变热和性能降低。

 

图18 频率抖动

 

为了应对频率抖动的问题,应对导致频率抖动的所有发电设备及其它电源进行评估,然后修复、校正或更换。

 

02.

电压不平衡

电压不平衡不是一种波形畸变。但是,由于在评估电源质量问题时必须注意电压不平衡,因此应该在本系列文章中对其加以讨论。

 

简而言之,电压不平衡,如其名称所示,是指供电电压不相等。尽管外部的市电供电可能导致这些问题,但电压不平衡的常见根源在内部,由设备负载所导致的。更具体地说,在三相配电系统给三相负载供电的同时,其中的某一相也会给某些单相设备供电,就发生电压不平衡问题。

 

通常,这些不平衡表现为发热,特别是对于固态电机尤为如此。较严重的不平衡可能会导致电机部件过热,以及电机控制器出现间歇性故障。

 

判断电压不平衡的一种快速方法是取三相供电电压之中最高和最低电压差不应超过最低供电电压的4%。下面举例介绍这种快速简单的判定方法。

 

01

举例:

 

A相供电电压:220V

B相供电电压:225V

C相供电电压:230V

最低相电压:220V

 

220V的4%=8.8V

最高电压和最低电压的差:10V

10V>8.8V–过于不平衡!

 

纠正电压不平衡的方法包括重新配置负载,或者让电力公司改变输入电压(如果不平衡不是由内部负载造成的)。

 

可行的解决方法

 

下表汇总了上述讨论的各种电源扰动,并提供了可能的解决方法以缓解这些问题可能对业务运营造成的影响。

 

 

结论

 

电子产品的广泛使用,已经唤起了人们对电源质量及其对企业使用的关键电子设备所造成影响的关注。商业运作越来越依赖于小型微处理器,而这些微处理器对很小的电力波动都非常敏感。这些微处理器可以控制速度极快的自动化机械设备,以及不能宕机的包装生产线。因此本系列文章介绍了一些经济的解决方法来限制或消除电源质量扰动的影响。但是,为了便于行业沟通并了解电力扰动以及如何防止电力扰动,需要采用通用的术语和详细说明来描述不同的现象。不管企业规模如何,其目标都是缩短设备停机时间和降低生产费用,提高利润。通过对电气环境以及设备易受电源质量扰动的程度加以了解沟通,将有助于找到实现业务目标的更好方法。

 

再微小的电源质量扰动,带来的损失也是巨大的。本系列文章通过三期内容为邦友们介绍了电源的七种扰动现象以及预防的措施,并用图表更直观地为邦友们展示,希望有助于您在工作中找到实现业务目标的更好方法。

 

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