印鈔設備諧波的測量與分析

印鈔設備諧波的測量與分析

1波形理論1.1諧波次數(shù)的定義電氣系統(tǒng)濾波器的定義是對非線性不規(guī)則電流的周期序列進行分解。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)中有時也存在非整數(shù)倍諧波,稱為非諧波(Non-harmonics)或分數(shù)諧波。諧波實際上是一種干擾量,使電網(wǎng)受到“污染”。電工技術(shù)領域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、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載引起的,諧波電壓是諧波電流和配電系統(tǒng)上的阻抗導致的電壓降。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行。然而在非線性負載接入系統(tǒng)時,產(chǎn)生的諧波電流會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,因此凡用電設備不論自身是線性負載還是非線性負載都會受到電壓失真的影響。例如:一些敏感性負載受到干擾,如計算機出錯、死機,計算機控制的設備出現(xiàn)異常故障等;保護裝置異常動作,開關(guān)誤跳閘等;伺服電機產(chǎn)生脈動,異步交流電機產(chǎn)生振動,噪音增大等;負載電路中產(chǎn)生傳導干擾,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電纜非線性負載過濾法供電設備主要指電力變壓器、電纜、發(fā)電機、電力電容等。由于諧波在這些設備上產(chǎn)生明顯的集膚效應,使得:電力變壓器、發(fā)電機等鐵磁設備損耗明顯增大,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)電機組供電的用戶,發(fā)電機出力明顯不足,過熱,噪音大,振動大等。2印刷設備的風水分析2.1變壓器產(chǎn)生的諧波隨著技術(shù)進步,現(xiàn)代印鈔機中各種技術(shù)含量較高的新裝置都得到廣泛應用,內(nèi)含有大量變頻器。變頻器屬于典型諧波源負載,其工作過程中會產(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。因印鈔機內(nèi)的變頻器數(shù)量多,每個變頻器產(chǎn)生的諧波互相疊加,使整個印鈔機用電系統(tǒng)諧波污染嚴重。圖1為某印鈔機在工作時產(chǎn)生的諧波畸變波形及頻譜。2.2驅(qū)動電機缺乏故障由于諧波的大量存在,對印鈔設備可靠、安全、穩(wěn)定運行造成很大威脅,尤其是印鈔系統(tǒng)最新研制的一批印鈔機。比如,設備中輸墨棍轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)應用大量倫茨伺服控制器,應該驅(qū)動伺服電機按照預設角度進行輸墨,但是由于存在諧波干擾,導致輸墨電機經(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,嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量安全。再比如,有的設備一合主斷路器,設備得電后,還沒有任何操作,設備就自動響笛、運轉(zhuǎn),操作人員必須馬上斷電。如果有人對設備正在進行靜態(tài)操作,后果不堪設想,因此,這對設備安全和人身安全造成相當大的威脅。類似諧波對印鈔設備的危害實例還有一些,不再列舉。有鑒于此,對印鈔設備的諧波治理勢在必行。3印版設備的微波治理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,下面對不同的諧波治理技術(shù)做簡要的分析和比較。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.諧波頻譜的適應范圍較小,大多是針對某一次或某幾次諧波進行抑制,如果負載是一個寬頻譜或頻譜發(fā)生變化時,就很難獲得理想的效果。b.適應負載特性的能力較差,如果負載特性頻繁變化,或是負載系統(tǒng)是由眾多的不同特性的設備群組成的,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,會產(chǎn)生一定的附加損耗,其結(jié)果不是設備方面的效率降低(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就是總諧波電流失真度的衰減率(THDIAttenuationRatio),通常對某一次或某幾次諧波可能有5～8倍的衰減,而對總諧波失真度一般僅能達到2～3倍。e.過載能力較差,使負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)阻抗變化時有共振的危險。h.整體尺寸、重量、造價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性,能補償各次諧波,可抑制閃變、補償無功,有一機多能的特點;在性價比上較為合理;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;具有自適應功能,可自動跟蹤補償變化的諧波。因其具有動態(tài)濾波能力,濾波效果好等優(yōu)勢,被越來越廣泛地應用,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含有大量變頻器,變頻器位置分散,單臺變頻器容量不大,因此最佳的諧波治理方案是在印鈔機電源進線位置并聯(lián)安裝有源電力濾波器。根據(jù)北京印鈔廠單臺印鈔機工作過程中產(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為諧波問題經(jīng)常引起印鈔機發(fā)生故障和誤動作,北京印鈔廠決定對印鈔機進行諧波治理。根據(jù)對市場同類產(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,印鈔機產(chǎn)生的諧波電流畸變率由22.4%降到2.4%。以前如設備無開機指令而自行運轉(zhuǎn)的誤動作現(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。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AccuSine有源濾波裝置并聯(lián)于電網(wǎng)系統(tǒng)中,通過實時檢測非線性負載產(chǎn)生的諧波電流,快速產(chǎn)生與其大小相等、方向相反的補償電流并注入系統(tǒng),從而將電源側(cè)電流補償為正弦波,達到濾除諧波的目的。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首先通過預充電電阻對DC母線的電容器充電,當母線電壓Vdc達到額定值后,預充電接觸器閉合。直流電容作為儲能元件,為通過IGBT逆變器和內(nèi)部電抗器向外輸出補償電流提供能量。同時,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)測模塊。該模塊會將采集到的系統(tǒng)諧波成分和AccuSine已發(fā)出的補償電流比較,得到差值作為實時補償信號輸出到驅(qū)動電路,觸發(fā)IGBT逆變器將補償諧波電流注入到電網(wǎng)中,實現(xiàn)濾除諧波的功能。3.5印鈔機內(nèi)部用電設備及其控制系統(tǒng)的可靠性印鈔機是印制行業(yè)的核心生產(chǎn)設備,而鈔票屬于特殊產(chǎn)品,對質(zhì)量的要求高