关于半导体电子类厂房谐波治理的探讨以及相关治理方案

关键词：电子厂房；谐波；治理

  近些年来，随着科技水平的不断革新，大部分电子产品采用了非线性的可控变流装置、变频调速装置等符合设施，其产生的谐波问题导致了公用电网电能品质降低。因此，相关工作人员需要知晓谐波产生的原因及影响，便于今后做好防控和治理，提升电能品质。

 

1.1发生谐波的主要因素

  现阶段，需要把电网当中的频率为工频整数倍成分的谐波，以及基波频率非整数成分的间接谐波作为主要谐波关注点，并且二者皆是电网电能质量附着脏东西的主要因素。然而，在电力系统中谐波发生重点谐波源就是电力变压器。其问题出现在激磁电流、铁心饱和与三相电路荷磁路不对称，造成在变压器三角绕组的线电压与线电流会出现三次谐波分量，尤其是低谷时期，电网逐步提升电压，而变压器铁心饱和使情况变得更加糟糕，谐波发生的数量逐渐增高。随后电网中电容装置的大数量的运用，经过当场谐波实际检测结果得知，谐波不单只存在零序分量能够让变压器三角绕组所环路，实际还会扩张到全电网，导致电容装置及其电网稳定运行有一定风险。

 

1.2谐波源的剖析

电力电子设备产生的谐波

  当前整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统以及其它SCR控制系统等被称为电力电子基础设备。在工业与日常生活用电范围内会运用到基础设备与电路，感性负载的单相整流电路为仅含奇次谐波的电流源型谐波源。此外，单相整流电路位于电容电压通过整流管正向电源反映，归为电压型谐波源为容性负载，而谐波数量与电容数值大小相联系，即电容数值提升，导致谐波数量随之变大。

 

可饱和设备

可饱和设备属于非线性设施，将电弧设施和电力电子设施做对比，可饱和设备上的谐波在未饱和的情况下，实际中的谐波幅值可忽略不计。其中变压器、电动机、发电机等属于可饱和设备。

 

电弧炉及其气体电光源设备产生的谐波

  首先，实践中电弧炉设备在治炼金属过程中非线性作用能生成很多的谐波。其次，气体电光源设备依照气体释放电光源伏安特性。产生的非线性特性有一定作用，同时出现负的伏安特性。由于镇流器非线性有很大影响，这里面三次谐波具有数量在百分之二十之上，其对称函数是特性，需具备奇次谐波，而电流源性谐波源主要指全部气体电光源设备。

 

2.1谐波对电网产生的影响

  首先，导致电网功率消耗变大、设备试用时间降低、接地保护功能和遥控功能出现异常、线路与设备热量变大等，特别是三次谐波导致非常大的中性线电流，造成配电变压器零线电流大于相线电流数值，致使设备不能平稳运行。因此，谐波还能引发造成谐振在电网中发生，则会将运行正常的供电停止、情况严重、电网解裂等情况发生。其次，谐振造成变电站局部并联与串联，致使电压互感器设施损坏；造成变电站系统当中的设备与元件生成附加的谐波损耗，导致电力变压器、电力电缆、电动机等设备温度上升，电容器损坏，进而促进了绝缘材料发生质变的速率；造成断路器电弧熄灭时长变长，阻碍断路器正常开端功能；导致电子元器件的继续电保护或主动装置发生操纵失误；阻止了电子仪表与通信系统的正常化运行，减少通信质量；增加接近电磁振荡。

2.2对用电安全造成的影响

  第一，失火造成灾害。有些意外失火状况的起因多数跟电力谐波有联系。现阶段节能灯、调光器设施中关开电源很普及，最初为了节约能源，之后这些设施却产生了谐波源，导致电网的危险系数增加。在相关测验之后，运用电器设施很多的酒店、写字楼、小区等，如果不做滤波等举措，最终中性线电流很强，严重的超出线电流，结果就会变成失火的潜在安全风险。

  第二，有关设备损坏。电能质量附着上脏物会带给继电保护、计算机系统与精细仪器和机械等，造成其不能平稳运转和操控，减少设施利用期限，进而导致继电保护错误操作出现可避免的意外损失，造成不同情况的干扰。

  第三，通信扰乱。其电网扰乱的主要因素为发生谐波，通过基本静电感应和电磁感应，经过通信线路导致声频混乱。其谐波频率提升，则会有杂音问题，通过通信线路上导致音频混乱。之后采取遮蔽电缆通信，基本上可以消灭静电感应的作用，最终还是不可能消灭电磁感应的扰乱。

2.3谐波对于电气设备产生的影响

  第一，电力电容器产生的影响。而电容器在电网无功配置容量中占有比重很大，其中少数电容器安排只参照无功补偿量，不会参照装置点电能质量现实存在的污染状况。至此，运行点电能质量标准过低，经常出现意外损失，比如：安装不了补偿装置、分开电容器保护熔丝，恶劣情况下会出现串联并联谐振，造成电容器谐波过电压与过电流，导致电容器开裂。

  第二，变压器产生影响。谐波电流在变压器中发生，致使铜耗提高，造成局部过热、震荡、声音变大、绕组附加过热等。其变压器中的谐波电流被励磁电流所包含，致使合闸涌流之后谐波电流提升，出现的谐波电流导致谐振问题，结果造成变压器的日常运行有风险。

  第三，同步发电机产生的影响。在系统里面的同步发电机中流入负序电流与谐波电流，造成多余的损耗，导致发电机局部过热，绝缘力度降低。由于多余谐波分量在输出电压波形产生，导致扭振现象在负载同步发电机转子中发生，运用时间缩短。

  第四，断路器产生的影响。局部断路器磁吹线圈不能正常运行是由谐波造成的，致使遮断能力降低，不能遮断波形畸变率大于一般控制的故障电流，导致中压断路器阻止电流，则会使谐频涌波电压与重燃情况发生，导致断路器触头断开。

  第五，自动控制器产生的影响。现如今，数字控制技术已投入到更加广泛领域，诸多精细负载针对受电电能质量指标有更高要求。基于此，电能质量被沾上脏物则会导致设备的监测模块中引发畸变量、扰乱一般分解计算、造成出错的输出结果的损害。

3.1采取主动措施，减少电子设备谐波含量

多脉波变流技术

  针对功率的电力电子装置,经常把原本六脉波变流器改变为十二脉波和二十四脉波变流器，从而降低交流侧谐波电流含量。

 

脉宽调制技术

  主要思路为把控PWM输出波形中各种转换时刻,确保四分之一波形的对等性。促使应该消灭的谐波幅值为零，基波幅值为给定量，实现消灭谐波和把控基波幅值的目标。

 

多电平变流技术

  对各式各样电力电子变流器采取移相多重法、顺序控制和非对称控制多重化等方式,把方波电流和电压叠加,促使变流器能够在交流电网侧生成电流和电压为靠近正弦阶梯波,并电源电压维持特定相位关联。

 

3.2安装电力滤波器，提高滤波性能

传统无源滤波器

  无源电力滤波器即PPF采取电容和电抗器合成LC调谐电路，可以为谐波供给并联低阻通路，产生滤波影响。采取电容能够补足无功功率，改变电网功率因数。介于PPF构造不复杂，生成成本低、运转消耗小及其技术需求低等优势变为改变电能质量的设备。介于构造上面因素，致使PPF有许多不容易解决的难题，例如：滤除此谐波，谐波补足频带较窄，平稳性很差、占有空间很大等。

 

新型有源滤波器

  有源滤波器即APF有关原理。主要经过检查电网中谐波电流，之后把控逆变电路生成相对应补充电流分量汇入电网实现消除谐波结果。并联型APF则适合于感性电流源负载谐波补充。串联型APF则适合于消除带电容二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的作用。串-并联型APF兼顾有串、并联APF的功能。APF特点不会受到系统阻抗作用，不能和电网阻抗发生串联和并联谐振的状况，并且对外部电路谐振具备阻尼影响。另外,APF具备很高操控性可和极快反应性，不但可以补充各次谐波，也可以抑制无功电流，具有合适价格。

 

混合型滤波器

  混合型电力滤波器是把无源滤波器和有源滤波器合理连接在一起。然而，有源滤波器不接续承担电网电压和负载的基波电流，简单引起负载电流和电网电压高次谐波隔离器的影响，所以有源滤波器容量安排的很小，采取串联有源滤波器变大高次谐波阻抗而对基波无作用的性质，能够改变无源滤波器的滤波成效，避免和电网联系产生谐振，其不足就是有源滤波器性能较大层次上取决于电流互感器*性质。

 

  安科瑞电气提出的电能质量监测与治理系统解决方案可满足电力监控管理、运维与电能质量治理等方面的需求，致力于为电子厂房提供一站式的整体解决方案，从产品、系统、服务等不同方面来满足电子厂房的需要，为电子厂房的整体运作创造价值。

4.1方案特点

电能质量监测与治理系统除作为本地终端为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能外，亦可通过接入AcrelEMS-SEMI电子厂房能效管理平台，为用户提供远程在线服务；

采用全控型技术实现电能质量；

专业化的电能质量监测：电能质量实时在线监测，测量精度高、测得准，符合IEC61000-4-30标准；

电能质量监测与治理系统装置采用整体设计，并可通过上位平台实现统一管理和闭环控制；

高品质电能质量治理：配套电力电子装置技术过关、质量过硬，具备网络化、可调控、快速响应的性能；

电能管理务业务综合协同：配电监控管理与运维、电能分析与电能质量数据共享融通，为电子厂房的电能供给与消费提供控制手段。

4.2方案价值

  全面监测电能质量，保障供电可靠性

对供电回路的电气参数进行全面监测，确保设备用电符合标准要求。微秒级故障录波与SOE告警能够及时记录故障发生时全部数据信息，支持开展故障追踪与问题定位。

 

完整电能质量治理

  通过集中+就地（终端）整体电能质量治理模式，更大程度满足无功和谐波治理的要求，提高整个电子厂房供配电系统的电能质量，减少对其它供电及制造设备造成危害。

5.1集中治理

  针对电子厂房行业配电系统中涉及到的空调、风机、电动机等电器设备及数量较多的计算机等网络通信设备，为减少谐波对电网侧的危害，同时确保无功功率因数达到国标要求值，避免罚款，可采用配电房集中治理的方式，同时也可对整个低压供配电系统进行电能质量在线监测，其中包含谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测等，其集中治理的产品选型见表1。

表1电能质量监测及集中治理产品选型表

 

 

5.2末端治理

  电子厂房各个生产车间内，单晶炉、多晶炉、IC测试台、PLC控制的机械手、芯片制造用的晶圆机或变频控制的半导体机台都会产生大量的谐波，它们不但会造成机台设备自身的坏机现象，回流进电网的谐波电流还会引起其它回路的发热、电子开关误动作、供电电压不稳，甚至引起生产线停线、半成品的报废。其损失不可谓不大。而且高能设备如：外延设备、扩散设备、离子注入设备的频繁加卸载，更加重了用电环境的恶化。针对上述负载情况，建议在各个重要设备的配电箱增加电能质量补偿设备进行就地治理，以达到末端治理谐波的目的，避免影响到整个配电系统的和其他的用电设备。其末端治理的产品选型见表2。

 

表2末端治理产品选型表

 

  谐波污染状况越来越加重随即引发大家的极度关注，再加上对现有谐波实际存在状态有一定了解和相应处理措施，为了更高效实现抑制谐波成效，针对不一样谐波源负载需要采取对应结构滤波装置才能达到消除谐波效果。

 

 

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