变频器负载低压配电系统谐波治理方案 本文关键词：谐波，变频器，负载，治理，方案
变频器负载低压配电系统谐波治理方案 本文简介：谐波治理方案变频器负载低压配电系统变频器负载低压配电系统1系统概述系统概述22测试与设计依据标准测试与设计依据标准33配电系统测试配电系统测试33.1谐波基础知识43.1.1关键词语的基本概念43.1.2谐波的产生和危害43.1.3谐波含量的国标要求53.1.4配电系统测量53.1.5测量仪器53.
变频器负载低压配电系统谐波治理方案 本文内容：
谐波治理方案
变频器负载低压配电系统变频器负载低压配电系统
1系统概述系统概述
2
2测试与设计依据标准测试与设计依据标准
3
3配电系统测试配电系统测试
3
3.1谐波基础知识4
3.1.1关键词语的基本概念4
3.1.2谐波的产生和危害4
3.1.3谐波含量的国标要求5
3.1.4配电系统测量5
3.1.5测量仪器5
3.1.6测量内容5
3.1.7被测供电系统简介及说明5
3.2测试数据报告6
3.2.12#变压器二次侧测试数据图表6
3.2.23#变压器二次侧测试数据图表6
3.2.34#变压器二次侧测试数据图表7
4
4、谐波治理方案分析设计、谐波治理方案分析设计.12
4.1
谐波治理方案设计15
4.2
安装方案.15
4.3
APF
供货清单.16
5有源电力滤波器介绍有源电力滤波器介绍
17
5.1
有源电力滤波器的基本原理17
5.2电气设计18
5.3控制系统18
5.4简单易操作的人机交互系统19
5.5外形尺寸及产品图片预览19
6治理效果评估及系统可靠性评估治理效果评估及系统可靠性评估
20
6.1治理效果评估20
6.1.1先进的技术保证20
6.1.2治理效果20
6.2系统可靠性评估20
6.2.1完备的系统检测及软硬件保护单元20
6.2.2可靠的硬件系统设计21
6.2.3成功的工业现场应用案例21
7APF
技术指标技术指标21
8出厂试验出厂试验
21
9质量责任承诺质量责任承诺
22
9.1质量保证22
9.2售后服务22
系统概述
河北某塑编制品有限公司始建于
1998
年，是一家专业生产塑料编制袋的企业，公司位于邢台
市隆尧县工业园区，拥有国内最先进的真空拉丝机、涂膜机、圆织机等
150
多台套，可年产成
品袋
2
亿条，产品主要远销河北、山东、天津、北京等地，深受用户好评。
该公司配电系统目前使用一台容量
800KVA
的变压器分为
10
路出线，给所属几个生产车
间负载供电，负载中包含
90
多台产生谐波的变频电机分布在五条出线支路上，在低压母线上
还配有两面电容补偿柜，投产运行半年多来，谐波干扰问题日益严重，不仅电容柜开关被炸坏，
而且目前还烧毁了两台
55KW
变频器，故障情况图示如下：
电容补偿柜发生谐振开关放炮炸毁
三台
55KW
变频器损毁了两台
需要对该配电系统进行谐波治理，以期消除谐波引发的生产运行设备故障，并降低谐波电
流消耗的电能浪费。
受某塑编制品有限公司的邀约，领步（北京）电能质量设备有限公司派技术工程师前去进
行电能质量测试并受委托依据测试概括设计谐波治理方案，方案中所规定的电源规格及配置构
成、技术参数、接口等指标，可作为设备设计、制造、验收、交货和质量保证的依据。
1
测试与设计依据标准测试与设计依据标准
设计标准如下：
GB/T
2900.1-2008电工术语
基本术语
GB/T
2900.17-1994电工术语电气继电器(IEC
6005(IEV446)-1977,EQV）
GB/T
2900.32-1994电工术语
电力半导体器件
GB/T
2900.33-2004电工术语
电力电子技术（IEC
60050-551：1998，IDT）
GB/T
12325-2008电能质量
供电电压偏差
GB/T
12326-2008电能质量
电压波动和闪变
GB/T
14549
电能质量
公用电网谐波
GB/T
15543-2008电能质量
三相电压不平衡
GB/T
15576-2008低压成套无功功率补偿装置
GB/T
15945-2008电能质量
电力系统频率偏差
GB/T
18481电能质量
暂时过电压和瞬态过电压
GB/T
3797-2005电气控制设备
GB
4208-2008外壳防护等级（IP
代码）
（IEC60529-2001,IDT）
GB/T
7261-2008继电保护和安全自动装置基本试验方法
GB
16836-2003量度继电器和保护装置安全设计的一般要求
DL/T
478-2001静态继电保护及安全自动装置通用技术条件
JB/T
5777.2-2002电力系统二次电路用控制及继电保护屏（柜、台）通用技术条件
JB/T
7828-1995继电器及其装置包装贮运技术条件
JB/T
9568-2000电力系统继电器、保护及自动装置通用技术条件
DL/T
620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合
DL/T
672-1999变电所电压无功调节控制装置订货技术条件
GB
7251.1-2005低压成套开关设备和控制设备
第
1
部分：型式试验和部分型式试验
GB
311.1-1997
高压输配电设备的绝缘配合
注：所有标准规范执行最新版本注：所有标准规范执行最新版本
2
配电系统测试配电系统测试
2.1谐波基础知识谐波基础知识
2.1.1谐波含量的国标要求谐波含量的国标要求
国标
GB/T
14549-93
规定的谐波电流和谐波电压畸变率要求如下：
表
1
注入
PCC
点各次谐波电流国标限值
标准
基准短路
电压谐波次数及谐波电流允许值,A
KV
容
量
MVA2345678910
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
2425
0.41078
62
39
62
26
44
19
21
16
28
13
24
11
12
9.7
18
8.6
16
7.8
8.9
7.1
14
6.512
当电网公共连接点的最小短路容量不同于表
1
基准短路容量时，按下式修正表
1
中的谐
波电流允许值：
式中
SK1—公共连接点的最小短路容量，MVA；
SK2—基准短路容量，MVA；
Ihp—表
2
中的第
h
次谐波电流允许值，A；
Ih—短路容量为
Sk1
时的第
h
次谐波电流允许值。
表
2
PCC
点谐波电压畸变率国标要求
各次谐波电压含有率％电网标称电压
Kv
电压总谐波畸变率
％奇
次偶
次
0.45.04.02.0
2.1.2配电系统测量配电系统测量
在河北某塑编制品有限公司相关部门的大力支持下，我方工程师于
2014
年
5
月
10
日应邀
对该公司变压器低压
400V
母线和负载有变频器的
5
条出线支路进行了电能质量测试，量测情况
如下：
2.1.3测量仪器测量仪器
美国
FLUKE
公司的
Fluke
435
电能质量分析仪。此设备用于监测电能质量，可以在线连
续长时间测量电压、电流的谐波，三相不平衡，闪变，暂态过程，波形变动，频率变化等。
设备技术参数：
·电压精确度:
0.1%
·电流精确度:
0.5%
·采样频率:1kHz~64kHz
·脉冲采样频率:100kHz~10MHz
·符合
EN610529
标准
2.1.4测量内容测量内容
此次测量使用
Fluke
435
电能质量测试仪进行不间断连续测量，获得连续的电流、电压、
谐波情况及瞬时的波形、功率、谐波等详细数据。
2.1.5被测供电系统简介及说明被测供电系统简介及说明
1）系统简图
分别对配电间
3
台变压器二次侧进行了电压谐波、电流谐波、功率因数等测试。测试点如
系统简图中所示。系统简图如下：
图
1
现场供电系统示意图
2.2测试数据测试数据报告报告
2.2.1变压器二次侧变压器二次侧
400V
母线测试数据图表母线测试数据图表
测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表可知，变压器低压
400V
母线在无功补偿柜损坏未投入情况
下，系统内谐波电压总畸变率达到
4.8%，非常接近国标谐波电压总畸变率
5%的安全限值，而系
统内的谐波电流总畸变率达到
29.1%，最大值达到
275.8A，远大于国家谐波标准的安全限值要
求，功率因数达到
0.94
以上，满足≥0.9
的考核要求。
2.2.2变压器低压侧变压器低压侧
1#变频器负载出线支路测试数据图表变频器负载出线支路测试数据图表
测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，负载有
55KW
和
15KW
变频器设备的
1#
出线支路的谐波电压总畸变率达到
5.7%，超出国标谐波电压总畸变率
5%的安全限值，而系统内
的谐波电流总畸变率达到
18.4%，最高值达到
34.4A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，功
率因数达到
0.97
以上，满足≥0.9
的考核要求。
2.2.3变压器低压侧变压器低压侧
2#变频器负载出线支路测试数据图表变频器负载出线支路测试数据图表
测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，负载有
55KW
和
15KW
变频器设备的
2#
出线支路的谐波电压总畸变率达到
5.0%，达到国标谐波电压总畸变率
5%的安全限值，而系统内
的谐波电流总畸变率达到
27%，最高值达到
64.2A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，功率
因数达到
0.96
以上，满足≥0.9
的考核要求。
2.2.4变压器低压侧变压器低压侧
3#变频器负载出线支路测试数据图表变频器负载出线支路测试数据图表
测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，负载有
55KW
和
15KW
变频器设备的
3#
出线支路的谐波电压总畸变率达到
5.0%，达到国标谐波电压总畸变率
5%的安全限值，而系统内
的谐波电流总畸变率达到
12.3%，最高值达到
26.3A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，功
率因数达到
0.98
以上，满足≥0.9
的考核要求。
2.2.5变压器低压侧变压器低压侧
4#变频器负载出线支路测试数据图表变频器负载出线支路测试数据图表
测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，负载有
38
台
2.2KW
变频器设备的
4#
出线支路的谐波电压总畸变率达到
4.9%，接近国标谐波电压总畸变率
5%的安全限值，而系统内
的谐波电流总畸变率达到
44.1%，最高值达到
52.2A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，功
率因数达到
0.92
以上，满足≥0.9
的考核要求。
2.2.6变压器低压侧变压器低压侧
5#变频器负载出线支路测试数据图表变频器负载出线支路测试数据图表
测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，负载有
52
台
1.5KW
变频器设备的
5#
出线支路的谐波电压总畸变率达到
5.0%，达到国标谐波电压总畸变率
5%的安全限值，而系统内
的谐波电流总畸变率达到
46%，最高值达到
67.1A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，功率
因数达到
0.9
以上，满足≥0.9
的考核要求。
4、谐波治理方案分析、谐波治理方案分析设计设计
4.14.1
谐波治理方式比较分析：谐波治理方式比较分析：
目前对用户配电系统中的谐波治理主要有无源滤波和有源滤波两类方式，由于无源滤波装
置是由滤波电抗器和滤波电容器组成的
LC
滤波回路，谐波流入
LC
回路易于电网发生谐振，因
此无源滤波装置设计需要综合考虑功率因数、谐波含量、特征谐波、电网阻抗等，同时结合工
程实际，选择电抗器和电容器参数，最后需要通过仿真验证谐波滤波效果，因此无源滤波装置
的设计是一个较为复杂的系统工程，特别是给各设计单位提出了较大的困难，由于其均为非标
设备和非标安装，同一项目各家设计方案不同，从而导致投入和滤波效果产生比较大的差异。
而随着目前电网中谐波源的多样化、分散化、复杂化，如节能灯、气体灯具、变频空调，
在一般工业领域使用的变频器、软启动以及各类节电装置的应用，虽然单个容量相比较小，但
由于存在同时使用概率大而产生的谐波叠加效应，使电网中的谐波呈现特征谐波复杂、谐波含
量变化大等特点，采用传统的无源滤波装置不能动态跟踪治理，因此近几年中出现了有源滤波
装置
APF，有源滤波装置本身作为一个谐波源，通过检测电网中的谐波，迅速产生与检测的谐
波相反的谐波，以抵消电网中的谐波。有源滤波装置动态跟踪电网中不断变化的谐波，实时发
出相反的谐波，由于其只针对谐波，因此解决了无源滤波装置易与电网发生谐振的问题，同时
不需要经过复杂的电网阻抗计算，只需估算谐波量，大大减少了设计工作量，因有源滤波装置
为标准设备，可保证设计方案统一性。
4.24.2
有源滤波装置在设计和使用上的优势有源滤波装置在设计和使用上的优势
谐波治理随着谐波源的复杂化和电力电子技术的突飞猛进发展，不管是从谐波治理装置的
设计还是实际应用，有源电力滤波装置必将取代无源滤波装置，成为未来谐波治理的主要方式：
1）从设计角度分析：有源滤波装置与无源滤波装置相比较，有源滤波装置只需估算谐波电流最
大值，而无需考虑电网阻抗、特征谐波以及仿真验证等因素，绝不会产生类似无源滤波装置设
计不当而发生谐振事故的可能。设计简单，可实现标准化设计，使方案统一。
2）从安装角度分析：无源滤波装置只适用于在谐波源处就地治理安装，集中补偿将不能避免谐
振发生，采用有源滤波装置既可以在谐波源处安装，也可以在变电所集中治理，以减少治理成
本。
3）从治理效果分析：有源滤波装置专门检测谐波，治理谐波，而且可以同时针对多次谐波同时
滤波，理论滤波率大于
90%，而无源滤波装置由于必须考虑电网谐振，LC
回路一般必须偏离谐
振点，导致理论滤波率小于
70%。
4）从经济角度分析：同一谐波含量的电网采用有源滤波装置比采用无源滤波装置更经济，主要
体现在装置容量较小，滤波率高，如采用集中治理取代分散治理则装置容量与分散治理的无源
滤波装置更小。从经济角度来讲，有源滤波装置具有更高的性价比。
5）从治理方式分析：有源滤波装置可实现动态全自动实时治理，而无源滤波装置只能进行静态
治理，而且必须要人工操作，根据谐波源工作状态决定投切。
6）从节能角度分析：有源滤波装置由于容量要远远小于无源滤波装置，因此损耗小于无源滤波
装置，采用有源滤波装置更加节能。
4.34.3
本项目中谐波治理方式的选择确定本项目中谐波治理方式的选择确定
在本项目中，用户对配电系统谐波治理的要求是严格消减抑制系统内的谐波含量，消除谐
波引起的损毁变频器和电容补偿装置的危害。而无论是变压器
400V
母线还是各个变频器负载支
路上的功率因数都能达到
0.9
以上，因此现有的无功补偿装置可以不用投入系统，治理谐波的
重点集中于消除对大功率变频器的危害，而整个配电系统内谐波源负载变频器数量多分布广，
设备与设备之间也会形成谐波叠加和干扰，因此采用有源滤波方式来实行精确谐波治理，可以
更好地解决对变频器负载的谐波危害。
4.4
谐波治理方案设计谐波治理方案设计
现场生产线中的变频器负载集中在五条出线支路上，而当前容易损坏的
55KW
变频器叁台
也分布在三条出线支路上，因此针对要解决的问题有两种费用不同的治理方法，具体分述如下：
1、400V
母线集中治理方法：
这种方法需要在变压器低压
400V
母线加装较大容量的有源滤波器，来吸收消减所有负载
支路产生谐波经过汇聚叠加到
400V
母线后的总谐波，根据测试数据分析，400V
总谐波电流最
高达到
275.8A，考虑到进一步满足运行还会引起谐波的增加，因此需要配置一台
300A
三相三
线有源滤波柜，应选择领步公司的
CAPF3L-400/300
三相三线有源滤波器一套，同时还需在五
条变频器出线支路上加装五台
XGB
谐波隔离保护装置来隔离五条出线之间的相互干扰，安装
方式如下图所示
费用投入详见附件，或联系公司。
此方法的优势：治理消减变压器低压母线整个谐波，对变压器的运行损耗和
96
台变频器负载实
行全部防护，可以确保长期稳定运行，免受谐波的危害和干扰。
2、出线支路分散治理
谐波对变频器的危害，大功率变频器受到的危害更明显，96
台变频器中当前主要危害发生
在叁台
55KW
大功率变频器上，因此从节约费用投入角度，可以选择在负载有
55KW
变频器的
三条出线支路上加装三台
75A
壁挂式有源滤波器来治理这三条支路的谐波，对这三条出线支路
的六台大功率变频器进行重点治理保护，而在另外两条很多台小功率变频器的出线支路上各一
加装台
XGB
谐波隔离保护装置进行初步防护，也能实现对变频器受谐波危害发生损毁的问题，
安装方式如下图所示
费用投入详见附件，或联系公司。
此方法的优势：针对性直接治理大功率变频器产生谐波引起的危害，投入费用比较低。
以上谐波补偿容量，均在此次测量的基础上进行的计算，如果客户今后有增容的计划，请以上谐波补偿容量，均在此次测量的基础上进行的计算，如果客户今后有增容的计划，请
提前说明，否则，我方认为此次测量为最大负荷。提前说明，否则，我方认为此次测量为最大负荷。
5有源电力滤波器介绍有源电力滤波器介绍
5.1
有源电力滤波器的基本原理有源电力滤波器的基本原理
图
6
并联型有源电力滤波器系统结构
通用的并联型有源电力滤波器系统构成原理图如图
6
所示。图中负载为谐波源，系统由指
令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路及主电路四部分组成，其中后三部分共同构成
并联型有源电力滤波器的补偿电流发生电路。指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象中的
谐波和无功分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根
据指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。有源电力滤波器的主电
路目前均采用
PWM
变流器电路，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，在电网向有源电力
滤波器直流侧贮能元件充电时，则作为整流器工作。也就是说，它既工作于逆变状态，也工作
于整流状态。
有源电力滤波器的基本工作方式是检测补偿对象的电压与电流，经指令电流运算电路计算
得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流。补偿电流与负载
电流中要补偿的谐波及无功电流相抵消，得到期望的电源电流。当只补偿负载产生的谐波电流
时，可使补偿电流与负载电流的谐波分量大小相等、极性相反，两者相抵，使得电源电流等于
负载电流的基波分量，成为正弦波。
上述工作方式可用如下的一组公式描述：
（1）
cLs
iii+=
（2）
LhLfL
iii+=
（3）
Lhc
ii
=
（4）
LfcLs
iiii=+=
式中，—电源电流、—负载电流、—补偿电流、—负载电流的谐波分量、—负
s
i
L
i
c
i
Lh
i
Lf
i
载电流的基波分量。
如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的
指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流与负载电流中
的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。
5.2电气设计电气设计
我公司
APF
设备，其主回路关键电器件，均采购自国际知名厂商，最大限度保证了产品的
可靠、稳定。并且功率器件都留有足够大的安全裕量。
表
8
APF
设备关键器件
序号型
号名称厂商
1SEMiX604GB12T4SIGBT
赛米控
2SKYPER
32PRO
R
IGBT
驱动板赛米控
3NSX160N3160
塑壳断路器施耐德
4LC1D11500M7C
三相交流接触器施耐德
5LC1D0900M7C
三相交流接触器施耐德
6C65N1PC6A
微型断路器施耐德
7CR-M024DC4L
继电器
ABB
8LT208-S7/SP1
电流传感器
LEM
93214JH3
/
QFR0924UHE
风机EBM/台达
10STM-1200-1.0-US8
吸收电容
EACO
5.3控制系统控制系统
APF
控制板由本公司自主开发，选用德州半导体生产的
TMS320F28335
32
位浮点型
DSP
作
为核心处理器，实现对整套系统的控制。控制示意图如图
12
所示：
控制板
人机交互
RS485
AD采样
驱
动
控
制
IGBT
逆变
电路
图
7
控制器设计示意图
?
控制器采用全数字控制芯片，数字采样，数字信号传输，保证在信号传输过程中的稳定性。
?
数字控制器采用美国德州仪器
TI
公司生产的
TMS320F
系列数字信号处理器，电力电子及电
机控制专业
DSP
数字芯片，TMS320F
系列
DSP
芯片具有
150MHz
的高速处理能力，具备
32
位
浮点处理单元，6
个
DMA
通道支持
ADC、McBSP
和
EMIF，有多达
18
路的
PWM
输出，其中有
6
路为
TI
特有的更高精度的
PWM
输出(HRPWM)。
?
信号采样采用外扩
16
位
ADC（模数转换）芯片，使控制精度达到
1/32768（一位符号位）,应用于晶闸管控制线路上，其控制精度(分辨率)达到
400/32768
安培，约为
0.01
安，为电
压的精确控制和系统稳定性提供保证。
?
TMS320F
系列
DSP
的高精度，快速运算能力，保证控制输出脉冲
20ms
内不变化，脉冲的分
辨率和脉冲对称度高，避免了由于脉冲不对称造成输出电流不平衡。
?
控制器具有自检自适应功能：控制器自身故障检测、同步丢失、过压、过流、欠压保护功
能；
?
控制器每一部件均经过软件测试和硬件老化测试，确保系统可靠工作。
?
封锁脉冲功能。
?
丢失同步报警保护功能。
?
停机时设置给定自动回零。
?
具有
RS485
通讯接口，支持
MODBUS
网络。
5.4简单易操作的人机交互系统简单易操作的人机交互系统
控制与监控系统，我公司在昆仑通态
TPC7062KD
7
寸全彩触摸屏的基础上自主开发。较好
的实现了：
1)
系统参数监控：交流电压、网侧电流、输出电流、APF
直流电压、补偿后电流畸变率，各次
谐波含量分析等。
2)
系统故障监控：过压、过流、欠压等故障报警，其他（根据还可以按客户需求进行定制）
；
3)
系统操作：设备启动、设备停止、设备复位、自动补偿模式、手动补偿模式、设备组态等。
6
治理效果评估及系统可靠性评估治理效果评估及系统可靠性评估
6.1治理效果评估治理效果评估
6.1.1先进的技术保证先进的技术保证
1)
产品完全由本公司自主研发，并拥有发明专利。具有根据不同的工业现场定制性和针对
性设计的有源电力滤波器的能力。
2)
使用了先进的可以克服电网电压畸变数字锁相技术。
3)
采用外扩的
16
位高精度
AD
采用芯片，采用速度快，精度高。
4)
采用了快速的指定次谐波提取算法，具有指定次谐波补偿的特点。补偿效果好，并可以
避免系统谐振，可靠性高。
5)
调制采用目前最先进的电压空间矢量（SVPWM）技术。
6.1.2治理效果治理效果
根据现场测试情况及数据的分析，本公司具有指定次补偿功能的有源电力滤波器可以有效
的对变压器二次侧的谐波治理。安装本公司有源滤波器后预估的治理效果如下：
表
9
谐波滤波补偿效果评估表
补偿对象PCC
电压畸变率谐波电流畸变率
2#变压器二次侧3%各次谐波均满足国家标准
3#变压器二次侧4%各次谐波均满足国家标准
4#变压器二次侧4%各次谐波均满足国家标准
6.2系统可靠性评估系统可靠性评估
6.2.1
完备的系统检测及软硬件保护单元完备的系统检测及软硬件保护单元
㈠
电压保护
①
直流侧过压保护
高速的电压信号采集和快速的中断响应保证了直流侧电压发生过压时系统快速封脉冲
②
欠压保护
检测到系统发生欠压时，系统封脉冲。如果电压恢复，可以自动恢复启动。
㈡
过流保护
当元件因击穿发生短路时，系统封波停机，若保护未起作用，串联在故障支路的快熔立即
分断并隔离该支路，防止故障扩大。
当直流侧发生短路时，系统封波停机。
正常运行情况下，过流检测系统会监视电流的变化。发生低倍过流时延时向主控板发出预
告信号。高倍过流时，立即向主控板发出紧急信号，功率控制板直接封波停机。
㈢
冷却系统故障保护
每个功率单元都有大功率风机进行风冷散热
如果功率单元过热：发报警信号，停机。
发生故障时，控制柜上有相应的声光报警指示。
6.2.2可靠的硬件系统设计可靠的硬件系统设计
设备控制系统：
核心控制器采取
TI
最新推出的专门用于电机控制的
TMS320F28335DSP
芯片，此芯片主频可
达
150MHz，且自带浮点库，可实现数据的直接浮点运算。另外此处理器有
32
×32
位的乘法器,具
有
64
位的处理能力,有效处理高数字分辨率问题，且运行可靠性极高。此控制器外带标准
RS485
及
CAN
通讯接口，可以与客户机进行通讯，实现远程及本地双控制。
设备散热系统：
为降低
APF
柜内温度，保证
IGBT
的可靠工作，我公司采用进口（德国/台湾）的风机，最
大限度保证了设备的通风及散热。且对于设备中局部过热点，例如电抗器等，也增加了散热风
机，以减低设备温升，保证整机设备的可靠运行。
整机出场时，会经过单元检测、调试、整机检测、调试、检验等环节，单元及整机环节均会进
行拷机及老化试验，保证出场设备可靠性。
6.2.3成功的工业现场应用案例成功的工业现场应用案例
目前本公司的有源电力滤波器已经在新疆某能源股份有限公司高频硅芯炉谐波治理（新
疆现场谐波治理效果分析见附录
2）
，南通某罐式储运设备制造有限公司中频炉谐波治理，江苏
某新能源股份有限公司开关电源谐波治理、内蒙某氧化矿变频器群谐波治理等不同的负载工况
下成功应用，对于贵公司的加热电源的谐波治理有一定的经验基础。
7
APF
技术指标技术指标
7.1
设备使用环境设备使用环境
?
海拔高度：≤1000m；
?
最高气温：≤+40℃；
?
最低气温：≥-15℃；
?
最高空气相对湿度（20℃）：≤90%；
?
最低空气相对湿度（20%）：≥15%；
?
每小时环境湿度变化率：≤5℃/h;
?
地震基本烈度：地震烈度不大于里氏
8
度；
?
环境污染等级：IV
级；
?安装地点：户内。
7.2
设备电气指标设备电气指标
?额定电源电压(V)：
AC400±10%
?额定频率(Hz)：
50±5%
?额定补偿容量：
100A
?补偿方式：指定次，5、7、11、13、17
?谐波补偿率：
≥95%（额定内）
?全响应时间：
＜10ms
?损
耗：
3%(额定功率输出)
?开关频率(Hz)：
10kHz
?并联运行：可多台并联
?过载保护：最大值自动限流
?通讯方式：标准
485/Modbus
?人机界面：
7
寸触摸屏
?防护等级：
IP20
?冷却方式：
强迫风冷
?进出线方式：上进线
?整体结构：
立柜式和壁挂式可选，
立柜式：宽
1000mm×深
800mm×高
2200mm
壁挂式：宽
460mm×深
282mm×高
800mm
外
观如下
图所示
8
出厂试验出厂试验
每套设备装置均必须按照
IEC
标准及相关的国家标准、规范的要求进行出厂试验，经质量检验
部门确认合格后方能出厂，并具有证明产品合格的出厂证明书。试验内容包括但不限于以下内
容：
对所有外协器件产品进行入厂试验检查；
?绝缘试验；
?保护电路动作试验
?耐压试验；
?冷却系统试验；
?对整个控制和所有相互作用进行功能试验（现场试验）
；
?在全电压和小电流负荷方式下进行试验；
9
质量责任承诺质量责任承诺
9.1质量保证质量保证
为了保证项目实施后的设备质量和性能达到用户要求，卖方需在设计、生产过程中采取一系
列质量保证措施。
?严格按照
ISO9001-2000
质量管理体系要求运作。
?针对此项目，制定特定的生产、检验要求。
?做到工厂全面调试，按设计的参数进行有限的假负荷试验。
?加强质量管理工作，保证出厂产品达到相应标准或合同规定的技术条件。
?为了控制产品质量和安全，与买方紧密联系、合作，并接买方的检查。
?保证按合同要求交货，对需要技术服务的派专业技术服务人员进行技术指导、安装、调
试工作，使产品正常运行。
?在设计、安装、试车、生产中遇到的问题，卖方应协助买方及时解决。
?对卖方提供的技术资料，买方有权提出局部整改意见，并维持合同价不变。
?对买方进行免费技术培训，卖方应帮助用户培训操作、保养、维修等有关人员，技术服
务及培训主要包括以下内容：
a）设计和编制阶段的培训；
b）出厂调试阶段的培训
(15
天)；
c）现场调试和运行阶段的培训
(30
天)。
?若在产品使用过程中出现问题，卖方接到用户通知时，将在
1
小时内作出回应；若需要到
现场解决问题，专业技术服务人员将在
24
小时内赶到
?整个电气系统质量保证期为满负荷运行验收合格，双方签字转入正常生产后
12
个月。
?任何更换附件的质量保证期应从更换完成、验收合格之日起计算。
?设备投入运行后达不到卖方提供的相关技术参数，由卖方承担责任并赔偿买方经济损失。
9.2售后服务售后服务
卖方技术人员应在合同设备安装期间、到现场进行技术服务，其内容包括：
（1）会同业主对设备进行开箱检验
（2）协调、指导整流装置及附属设备的安装、调试
（3）会同业主对设备安装进行确认
（4）参加并指导通电试验
（5）参加设备
72
小时工艺满负荷考核,然后与买方签署设备验收报告
（6）卖方技术人员在现场工作期间,应负责对买方人员进行业务培训
注：本方案仅作为技术方案供贵公司参考，一经选定，我方会对技术细节做进一步调整。注：本方案仅作为技术方案供贵公司参考，一经选定，我方会对技术细节做进一步调整。
篇2：外文翻译---基于DDS参数可调谐波信号发生器的研究
外文翻译---基于DDS参数可调谐波信号发生器的研究 本文关键词：可调，外文，谐波，翻译，参数
外文翻译---基于DDS参数可调谐波信号发生器的研究 本文简介：附录AResearchofParameterAdjustableHarmonicSignalGeneratorBasedonDDSLIWeiCollegeofComputerandInformationEngineeringHohaiUniversityChangzhou,213022,China[
外文翻译---基于DDS参数可调谐波信号发生器的研究 本文内容：
附录A
Research
of
Parameter
Adjustable
Harmonic
Signal
Generator
Based
on
DDS
LI
Wei
College
of
Computer
and
Information
Engineering
Hohai
University
Changzhou,213022,China
[email protected]
ZHANG
Jinbo
College
of
Computer
and
Information
Engineering
Hohai
University
Changzhou,213022,China
[email protected]
Abstract
Harmonic
signal
generator
whose
frequency,phase
and
harmonic
proportion
are
adjustable
is
designed
for
the
detecting
equipment
of
power
system.
The
principle
of
DDS
and
the
design
requirement
are
introduced.
Then
the
algorithm
of
ROM
compression
based
on
the
symmetry
of
sine
wave
is
expounded.
Finally,using
Altera
FPGA,the
detail
design
of
the
whole
system
is
presented
and
test
waveforms
are
given.
Test
results
indicate
that
the
system
fulfils
the
design
requirements.
1.
Introduction
An
ideal
power
system
supplies
power
with
sine
wave,but
the
practical
waveform
of
power
supply
often
has
many
harmonic
components.
The
basic
reason
of
harmonic
is
that
the
power
system
supplies
power
to
the
electrical
equipment
with
nonlinear
characteristic.
These
nonlinear
loads
feed
higher
harmonic
back
to
the
power
supply,and
make
the
waveform
of
current
and
voltage
in
power
system
produce
serious
distortion.
In
the
detection
field
of
power
system,standard
signal
generators
which
can
simulate
the
power
harmonic
are
highly
needed
to
calibrate
the
power
detecting
equipment,such
as
phase
detector,PD
detector,and
so
on.
So
the
research
of
parameter
adjustable
harmonic
signal
generator
provides
the
exact
basis
for
the
stable
operation
of
power
detecting
equipment,and
has
great
economic
benefit
and
social
value.
2.
Principle
of
direct
digital
synthesis
Direct
digital
synthesis
(DDS)
is
a
new
frequency
synthesis
technology
which
directly
synthesizes
waveform
on
the
basis
of
phase.
Using
the
relationship
between
phase
and
amplitude,the
phase
of
waveform
is
segmented
and
assigned
relevant
addresses.
In
each
clock
period,these
addresses
are
extracted
and
the
relevant
amplitudes
are
sampled.
The
envelope
of
these
sampled
amplitudes
is
the
expected
waveform.
If
the
clock
frequency
is
constant,the
frequency
of
output
signal
is
adjustable
with
different
extracted
steps
of
addresses.
DDS
is
composed
of
phase
accumulator,ROM
table,DAC
and
LPF.
In
each
clock
period,the
output
of
phase
accumulator
is
accumulated
with
frequency
control
word,and
high
L-bit
of
the
output
are
used
as
address
to
query
the
ROM
table.
In
the
ROM,these
addresses
are
converted
to
the
sampled
amplitudes
of
the
expected
waveform.
Then
DAC
converts
the
sampled
amplitudes
to
ladder
wave.
In
the
LPF,the
ladder
wave
is
smoothed,and
the
output
is
the
continuous
analog
waveform.
Suppose
that
the
clock
frequency
is
fc,frequency
control
word
is
K,phase
accumulator
is
N-bit,then
output
frequency
is
fout=(K/2N)fc,frequency
resolution
is
Δfmin=fc/2N.
According
to
the
Nyquist
Sample
Criterion,output
frequency
upper
limit
is
fmax<0.5fc.
Because
of
the
non-ideal
characteristic
of
LPF,output
frequency
upper
limit
of
DDS
is
fmax=0.4fc.
3.
Scheme
design
3.1.
Design
requirements
The
goal
of
the
system
is
to
design
a
harmonic
signal
generator,whose
frequency,phase
and
harmonic
proportion
are
adjustable.
The
output
waveform
is
composed
of
fundamental
wave,3th
harmonic,5th
harmonic
and
7th
harmonic.
Frequency
resolution
is
1Hz.
The
adjustable
range
of
initial
phase
is
0~2π
and
its
resolution
is
1o.
The
adjustable
range
of
harmonic
proportion
is
0~50%
and
its
resolution
is
1%.
According
to
the
design
requirements,system
clock
frequency
is
15MHz
and
phase
accumulator
is
24-bit.
In
order
to
make
the
most
of
EAB,211×8
bits
ROM
table
is
adopted.
11-bit
phase
control
word
is
used
to
meet
the
requirement
of
initial
phase
resolution.
7-bit
proportion
control
word
is
adopted
to
realize
the
setting
of
harmonic
proportion.
3.2.
Algorithm
of
ROM
compression
As
is
known,phase
truncation
error
is
the
main
factor
of
output
waveform
distortion.
To
avoid
this,the
ROM
size
must
be
exponentially
increased,however
the
EAB
of
FPGA
is
limited.
So
the
algorithm
of
ROM
compression
based
on
the
symmetry
of
sine
wave
is
adopted
in
the
system.
Sine
wave
of
one
period
is
divided
into
4
sections:
[0~π/2]
、[π/2~π]
、[π~3π/2]
、[3π/2~2π].
Using
the
symmetry
of
sine
wave,sampled
amplitudes
of
the
first
section
are
stored
in
the
ROM
table.
By
address
conversion
and
amplitude
conversion,sampled
amplitudes
of
one
period
sine
wave
can
be
generated.
By
this
means,the
ROM
size
is
a
quarter
of
the
previous
size.
In
the
same
ROM,sampling
points
can
be
increased
by
4
times
with
this
method.
Sampled
amplitudes
of
quarter
wave
are
stored
in
the
ROM
table.
The
output
address
of
phase
accumulator
is
(L+2)-bit.
The
low
L-bit
are
used
to
query
the
ROM
table
while
the
high
2-bit
are
used
to
identify
phase
sections.
When
the
highest
bit
is
1,the
output
of
ROM
table
should
be
symmetrically
converted
by
the
amplitude
convertor.
When
the
second
highest
bit
is
1,the
L-bit
address
should
be
symmetrically
converted
by
the
address
convertor.
4.
System
design
based
on
FPGA
The
system
can
be
divided
into
two
function
modules:
sine
wave
generation
module
and
harmonic
synthesis
module.
Sine
wave
generation
module
is
the
key
part
of
the
system.
It
can
be
divided
into
phase
accumulator
module
and
ROM
compression
module
.
Altera
FPGA
EP2C5Q208C8
is
adopted
as
the
core
component
of
the
system.
VHDL
is
used
to
program
the
whole
system.
Compilation
and
simulation
are
implemented
in
Quartus
Ⅱ.
4.1.
Sine
wave
generation
module
phase
accumulator
module
is
composed
of
24-bit
accumulator
and
11-bit
adder.
Under
the
control
of
system
clock,the
output
of
24-bit
accumulator
is
accumulated
with
9-bit
frequency
control
word.
Then
11-bit
adder
adds
11-bit
phase
control
word
to
the
output
of
accumulator.
High
13-bit
of
the
final
result
are
used
as
address
to
query
the
ROM
compression
module.
ROM
compression
module
is
composed
of
address
convertor,amplitude
convertor
and
ROM
table.
13-bit
address
of
phase
accumulator
module
is
divided
into
three
parts.
The
highest
bit
is
used
as
trigger
signal
of
the
amplitude
convertor.
The
second
highest
bit
is
used
as
trigger
signal
of
the
address
convertor.
The
low
11-bit
are
used
to
query
the
ROM
table.
Then
sampled
amplitudes
of
sine
wave
are
generated.
Simulation
result
of
sine
wave
generation
module
is
shown
in
Fig.4.
Frequency
control
word
is
set
as
50
while
phase
control
word
is
set
as
180.
When
the
enable
signal
is
turned
into
low
level,the
first
output
value
is
the
waveform
data
of
address
180
in
the
ROM
table.
With
each
rising
edge
of
system
clock,the
waveform
data
of
address
180,181,182,183
are
sent
out.
The
output
values
are
respectively
76,76,77,77.
4.2.
Harmonic
synthesis
module
Harmonic
synthesis
module
implements
the
synthesis
of
fundamental
wave,3th
harmonic,5th
harmonic
and
7th
harmonic.
The
3th,5th
and
7th
harmonic
data
are
respectively
multiplied
by
their
proportion
control
words.
Then
the
results
of
multiplication
are
added
to
the
fundamental
wave
data.
The
realization
of
multiplication
is
the
emphasis
of
the
module.
Because
it
is
difficult
to
implement
the
multiplication
of
floating-point
format
on
FPGA,harmonic
proportion
is
divided
into
numerator
and
denominator.
The
numerator
is
defined
as
proportion
control
word
while
the
denominator
is
100.
Firstly,harmonic
data
is
multiplied
by
the
proportion
control
word
in
the
multiplier.
Then,the
product
of
multiplier
is
divided
by
100
in
the
divider.
Finally,the
remainder
is
excluded
and
the
quotient
is
preserved.
Using
Altera
IP
tools,the
multiplier
and
the
divider
of
harmonic
synthesis
module
are
realized.
Block
diagram
of
harmonic
synthesis
module
is
shown.
Simulation
result
of
harmonic
synthesis
module
is.
Control
words
are
set
before
2.0ms.
Fundamental
wave
frequency
is
50Hz,and
its
initial
phase
is
0o.
The
3th
harmonic
frequency
is
150Hz,initial
phase
is
45o
and
proportion
is
50%.
The
5th
harmonic
frequency
is
250Hz,initial
phase
is
90o
and
proportion
is
25%.
The
7th
harmonic
frequency
is
350Hz,initial
phase
is
135o
and
proportion
is
17%.
When
enable
signal
is
turned
into
low
level,harmonic
synthesis
module
begins
to
generate
the
harmonic
synthesis
data.
5.
Test
results
Figure
7.
Two-channel
sine
waves
(frequency
is
50Hz
and
phase
difference
is
180o)
Figure
8.
Two-channel
sine
waves
(frequency
is
50Hz
and
phase
difference
is
120o)
Figure
9.
Harmonic
synthesis
waveform
After
the
design
of
the
system,the
whole
function
is
tested.
Fig.7
shows
two-channel
sine
waves
whose
frequency
is
50Hz
and
phase
difference
is
180o.
Fig.8
shows
two-channel
sine
waves
whose
frequency
is
50Hz
and
phase
difference
is
120o.
Fig.9
shows
the
harmonic
synthesis
waveform,whose
fundamental
wave
proportion
is
100%,3th
harmonic
proportion
is
25%,and
5th
harmonic
proportion
is
10%.
Test
waveforms
indicate
that
the
parameter
adjustable
harmonic
signal
generator
fulfils
the
design
requirements.
6.
Conclusion
In
the
detection
field
of
power
system,standard
signal
generators
which
can
simulate
the
power
harmonic
are
highly
needed
to
calibrate
the
power
detecting
equipment.
To
solve
this
problem,a
harmonic
signal
generator
whose
frequency,phase
and
harmonic
proportion
are
adjustable
is
presented.
Using
Altera
FPGA,the
whole
system
is
implemented.
Test
results
indicate
that
the
adjustment
and
stabilization
precision
of
parameters
meet
the
design
requirements.
This
subject
provides
the
exact
basis
for
the
stable
operation
of
power
detecting
equipment,and
has
great
economic
benefit
and
social
value.
References
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Li
Xiaoming
and
Qu
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mapping
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output
DDSs
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survey
of
the
state
of
the
art”,1998
IEEE
International
Frequency
Control
Symposium,1998：370-376.
附录B
基于DDS参数可调谐波信号发生器的研究
李炜
学院计算机与信息工程河海大学
常州，
213022
，中国[email protected]
张金波
学院计算机与信息工程河海大学
常州，
213022
，中国[email protected]
摘要
谐波信号发生器的频率，相位和谐波比例可调的目的是为检测设备的电源系统。介绍了DDS的原理和设计要求。然后在ROM的压缩算法的基础上阐述了正弦波的对称性。最后，利用Altera的FPGA详细的设计了整个系统，并给出了测试波形。实验结果表明，该系统满足了设计要求。
1简介
一个理想的电力系统是正弦波供电，但实际波形电源往往有许多谐波成分。产生谐波的基本原因是电力系统供电的电气设备的非线性特性。这些非线性负载依靠高次谐波回到电源，使波形的电流和电压的电力系统产生严重的失真。在电力系统的检测领域，标准信号发生器可以模拟电力谐波非常需要标定功率检测设备，如相位检测器，局部放电检测仪，等等。因此，为参数可调谐波信号发生器的研究提供准确的依据和稳定运行的电力检测设备，并具有很大的经济利益和社会价值。
2直接数字频率合成的原理
直接数字合成（
DDS
）是一种在相位的基础上直接合成波形的新的频率合成技术，利用相位和振幅之间的关系，对相位的波形分割和分配有关的地址。在每一个时钟周期，提取这些地址和有关振幅采样。系统中这些被抽样幅度是预期的波形。如果时钟频率是恒定的，频率可调输出信号的地址可有不同提取步骤。
直接数字频率合成器由累加器，存储器，
DAC和低通滤波器组成。在每一个时钟周期，输出相位累加器是由频率控制字累计，高左旋位输出作为地址查询存储器。在ROM中，这些地址被转换为预期波形的抽样振幅。然后数模转换器转换采样振幅为阶梯波。在低通滤波器，平滑阶梯波，输出的是连续的模拟波形。
假设时钟频率是fc，频率控制字为K
，相位累加器为N位，则输出频率fout
=
（
K/2N
）fc，频率分辨率是Δfmin
=
fc/2N
。根据奈奎斯特采样标准，输出频率上限是fmax<0.5fc
。由于非理想特性的低通滤波器，DDS的输出频率上限的是fmax
=
0.4fc。
3方案设计
3.1设计要求
该系统的目标是设计一个谐波信号发生器，其频率相位和谐波比例可调。输出波形是由基波，第三谐波，第五次谐波和第七次谐波构成。频率分辨率是1赫兹。可调范围的初始阶段为0~2π，其图形分辨率为1。可调范围的谐波比例为0~50％，其图形分辨率是1％。根据设计要求，系统时钟频率是15MHz，相位累加器是24位。为了产生最多的EAB,采用211×8位ROM。11位相位控制字是用来满足初始阶段的图形分辨率。7位比例控制字采用正确设定的谐波比例。
3.2ROM的算法
正如人们所知，相位截断误差的主要因素是输出波形畸变。为避免出现这种情况，ROM大小必须成倍增加，但EAB的FPGA是有限的。因此，该算法压缩的ROM基于系统中正弦波的对称性。正弦波一期分为4个部分：[0~π/2]，[π/2~
π]，[π~3π/2]，[3π/2~2π]。使用对称的正弦波，取样振幅的第一部分都存储在ROM。通过地址转换和振幅转换，一期正弦波的采样振幅可以生成。通过这一手段，ROM大小是之前大小的四分之一。在相同的ROM中应用这种方法，采样点可提高4倍。
采样波振幅分块存储在ROM中。输出相位累加器地址是（L+2）-bit。低左旋位是用来查询表的ROM，而高2位是用来识别阶段部分。当最高位为1
，输出的ROM表为对称转换的幅度变换器。当第二个最高位是1
，L型位地址为对称转换的地址转换。
4基于FPGA的系统设计
该系统可分为两个功能模块：正弦波代模块和谐波合成模块。正弦波代模块是系统中关键的部分。它可分为阶段累加器模块和ROM压缩模块。Altera的FPGA
EP2C5Q208C8是该系统的核心组成部分，VHDL语言用来设计整个系统。汇编和仿真使用Quartus
Ⅱ
实现。
4.1正弦波生成模块
相位累加器模块由24位累加器和11位加法器组成的。系统时钟所控制的是9位频率控制字与24位累加器的相加的输出。然后11位相位控制字增加了11位加法器和累加器的输出。高13位的最后结果被用作处理查询正弦数据查询ROM模块。正弦数据查询ROM模块是由地址转换，振幅转换器和ROM模块组成的。13位地址相位累加器模块分为三部分。最高位被用作触发信号的幅度变换器。第二个最高位被用作触发信号的地址转换。低11位是用来查询正弦数据查询ROM模块。然后取样振幅产生正弦波。正弦波信号发生器模块的仿真结果正确。频率控制字设置为50，而相位控制字设置为180。当时钟控制信号变成低电平时，第一个产生数值是ROM模块中地址为180时所对应的正弦波的值。系统时钟的每个上升沿产生波形数据地址所对应的180，181，182，183。其产生的数值分别为76，76，77，77。
4.2谐波合成模块
谐波合成模块完成的是基波，第三次谐波，第五次谐波和第七次谐波的合成。第三次，第五次和第七次谐波数据分别乘以其比例控制字。然后其相乘的结果再加上基波数据。其结果实现的是增强电路模块。因为基于FPGA很难实施多元化的浮点格式，调和比例的划分结果分为分子和分母。分子被定义为比例控制字而分母为100。首先,谐波的数据是乘以这个比例控制字的乘数。然后，这个相乘后的结果再在触发其里除以100。最后，剩下的是余数和商被保存了下来。使用Altera
IP工具、乘法器和除法来实现器谐波合成模块。框图的谐波合成将被显示。谐波合成模块的仿真结果正确。使用2.0ms以内的控制字的话。基波的频率为50赫兹，其初始相位是0度。第三次谐波频率为150赫兹，其初始相位是45度和比例为50%。第五次谐波频率是250赫兹,其初始相位是90度和比例是25%。第七次谐波频率是350Hz,其初始相位是135度和比例是17%。当时钟控制信号转变成低电平时，谐波合成模块开始产生所合成的谐波的数据。
5测试结果
经过系统的设计，整体功能的测试。图7显示双通道正弦波，其频率为50赫兹和相位差是180度。图8显示双通道正弦波，其频率为50赫兹和相位差是120度。图9显示了谐波合成波形，其基波比例为100％，第三谐波的比例是25％，和第5次谐波的比例是10％。试验表明，波形参数可调谐波信号发生器满足了设计要求。
图
7
双通道正弦波（频率
50，相位差是180o
）
图
8
双通道正弦波（频率
50，相位差是120o
）
图9
谐波合成波形
6结论
在电力系统的检测领域，标准信号发生器模拟电力谐波非常精确的标定功率检测设备。为了解决这个问题，介绍了一种频率，相位和谐波比例可调的谐波信号发生器。利用Altera的FPGA实现了整个系统的实施。试验结果表明，调整和稳定精度的参数达到设计要求。这一主题提供了准确的依据，稳定运行的电力检测设备，具有强大的经济利益和社会价值。
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