简析有源滤波器和主动前端整流单元（AFE）在谐波失真方面的区别

2015-06-08鲁恩琼

科学中国人 2015年17期

关键词：整流器有源驱动器

鲁恩琼

哈尔滨电气集团阿城继电器有限责任公司

简析有源滤波器和主动前端整流单元（AFE）在谐波失真方面的区别

鲁恩琼

哈尔滨电气集团阿城继电器有限责任公司

简述谐波对电网质量的影响，介绍几种解决谐波失真的方案，对有源滤波器和主动前端整流单元（AFE）在使用效果和实用性方面进行了比较。

谐波；有源滤波器；主动前端整流单元（AFE）

1 谐波

谐波是指正常电流波形的一种失真，一般是由非线性负载引起的。开关模式电源(SMPS)、调速电机及驱动器等都属于非线性负载。

变频驱动器的整流过程是把市电交流电压转换为稳定直流电。这会产生高振幅短脉冲电流，造成电流和电压波形严重失真—谐波失真，一般按总谐波失真(THD)衡量。该失真向后传播回电源系统，将影响连接在同一电源上的其他设备。

多数电力系统可以容忍一定程度的谐波电流，但当谐波在总负载中所占比例较为明显时就会出现问题。随着这些频率较高的电流流经电力系统，它们会造成通信错误、过热和硬件受损等问题。

在过去几十年中，有很多种解决变频器导致谐波失真的方案。主动前端整流单元，谐波减缓式变压器、有源滤波器或无源滤波器，这些方法都可以维持电能质量。当然，所有的这些方法也会增加额外的成本。

下面我们将对有主动前端整流单元和有源滤波器进行比较，这些都是降低谐波失真有效的方法。简单介绍一下这两个不同的方案是如何帮助设备解决谐波畸形的。

2 主动前端整流单元（AFE）

在常规变速传动中，整流是通过二极管控制的。AFE是一个带有IGBT的主动控制整流器，这个主动整流器能有效的消除变频器产生的谐波。下面的图1中可以看出，一个AFE系统由主动整流器、直流储能和逆变器组成。由于是串联安装，主动前端整流器需要通过负载的全部功率。除了进行谐波补偿，主动前端整流单元还具有在制动过程中将电能回馈到网测的能力。AFE通常具有非常低的电流畸形（小于5%THD）和高功率因数。回馈制动能量在应用中非常的有用。

图1 AFE系统结构图

为了使AFE更轻更紧凑，有源整流电路的开关频率是比较低的。然而，这种较低的开关频率会产生较高的开关纹波，可以高达50次谐波，；这些高次谐波会对一些设备的性能产生负面影响。为了减轻这些问题，开关频率必须增加。然而，这会使AFE变得更大和更昂贵。相比传统的6脉冲驱动的整流器，主动整流单元也提高了DC总线的电压。这个电压在电机侧产生了更高的纹波，这时，需要一个DV/DT滤波器来保护电机或负载。

3 有源滤波器

有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。

图2 有源滤波器工作结构图

多个有源谐波滤波器可以并行安装。即使存在电压不平衡，他们也可以正常工作。有源谐波滤波器应用在一个驱动应用中比较昂贵，但一个过滤器，用于校正多个负载时是更有成本效益的解决方案。

4 综合比较

4.1 主动前端整流单元（AFE）的优点：如果应用在大的、单一的驱动器中，AFE可以节省一些成本；加强了变频器的输入保护和对半导体的保护；不需要会造成严重损耗的阻尼电抗器,因此它在主电源电压严重失真的情况下特别可靠；主动前端整流单元系统中，变压器损耗以及连线和开关装置都得以减少；主电源电压可下降达40%而不中断运行；主动前端整流单元可以使电网功率因数高达0.99；在制动时向电网中回馈能量，AFE能有效的降低成本。

4.2 有源滤波器的优点：如果一个有源谐波滤波器规格满足要求，能保证THD小于5%，变频器就不会有什么危害或问题；增加滤波器时，安装方便，不需要太大的返工，而AFE系统增加容量需要完全更换每个驱动器；由于有源滤波器有更高的开关频率，它的开关纹波比AFE明显要少很多；有源谐波滤波器如果大小合适，可以校正功率因数和平衡曲线，也可以纠正设备的谐波失真；有源滤波器可以与开关电器集成在一起，这大大节省了空间和成本；和AFE相比有源滤波器耗费的电力和冷却成本比较低，增加了用电效率；维修、维护和更换更快也更简单。