半导体电子类厂房谐波治理的探讨及方案

摘要：各种电器设备在运行时，会产生大量的谐波，对电力系统造成污染，造成电网中的谐波。因此，文章分析了谐波的成因和影响，并就目前的谐波处理方法做了简要的归纳。

关键词：电子厂房；谐波；治理

0引言

近年来，由于科学技术的进步，许多电器都采用了非线性可控变流装置、变频调速装置等配套设备，从而造成电力系统的电能质量下降。为此，有关部门必须了解谐波的成因和危害，以便更好地控制和控制电网，提高电力质量。

1发生谐波的主要因素及其谐波源的剖析

1.1发生谐波的主要因素

目前，电网中的谐波是工频的整数倍，而非整数的基频的间接谐波，都是影响电网电能质量的重要因素。但是，变压器是电网中最重要的谐波源。它主要是由于激磁电流、铁心饱和、三相荷磁路不对称，导致了三相线圈的线路电压和线路电流产生三次谐波，特别是在低谷时，电网的电压会逐渐升高，而铁心饱和则加剧了这种现象，使得谐波产生的频率越来越高。后来大量使用了大量的电容设备，现场测试发现，并不是只有零序电流才能引起变压器的三相线圈，而且还会扩展到整个电网，导致电容装置和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

目前，整流器，变频器，开关电源，静态换流器，可控硅系统和其他 SCR控制系统，是电力电子的基本装置。基本设备和电路都是应用于工业和日常生活中的基本设备和线路，感性负荷的单相整流电路是只有奇次谐波的电流源。另外，在电容电压经二极管正向电源反映的情况下，将其归类为电容性负荷，而谐波的数目则与电容的数值有关，也就是电容值的增大，从而使谐波的数目增加。

 

可饱和设备

可饱和装置是一种非线性装置，把电弧装置与电力电子装置作比较，在不饱和状态下，可饱和装置的谐波振幅可以忽略不计。其中变压器，电动机，发电机等属于饱和装置。

 

电弧炉及其气体电光源设备产生的谐波

首先，中电弧炉设备对熔炼金属的加工过程中存在着较多的谐波。其次，利用气体放电的电压特征，对电光源进行气体放电。由此得出的非线性特性是负的伏安特性。由于镇流器的非线性特性，三次谐波的频率都在百分之二十以上，这是一个需要奇次谐波的特殊对称函数，而电流源就是全部的气体来源。

2谐波产生的干扰

2.1谐波对电网产生的影响

首先，会增加电力消耗，缩短设备试用时间，异常接地保护功能和远程控制功能，线路和设备发热，尤其是三次谐波会产生很大的中性线，从而使配电变压器的零线电流超过相线，从而使设备无法正常工作。因此，谐波也会引起电网内的共振，从而导致电力供应停止、情况严重、电网分裂等。其次，由于共振导致了变电站的部分并联和串联，从而导致了变压器设备的故障；导致变压器、电缆、电动机等设备的温度升高、电容器受损，从而加速绝缘材料的质量变化；使断路器的电弧熄火时间延长，使其不能正常启动；造成电器持续电气保护或有源设备操作错误；阻碍了电子仪器和通讯系统正常工作，降低了通讯品质，提高了近地电磁振动。

2.2对用电安全造成的影响

第一，火灾会带来灾难。火灾事故一般都是由电网的谐波引起的。目前节能灯和调光器在节能灯和调光器上都有很大的应用，一开始是为了节省能量，但后来这些设备都会产生谐波，从而增加了电力系统的危险性。经过测试，酒店、写字楼、小区等使用了大量的电子设备，如果不进行过滤等措施，那么中性线的电流就会变得很大，甚至会出现短路的危险。

第二，相关设备的损坏。电气设备上的污垢，会对继电保护、计算机系统、精密仪器、机器等设备产生故障，使设备无法正常工作，缩短设备使用寿命，从而使继电保护工作发生不可预见的损失，从而产生各种干扰。

第三，通讯中断。造成其电网扰动的主要原因是由于谐波的产生，以及通过通信线路的基本电感和电磁感应引起的干扰。它的谐波频率越高，就越容易产生干扰，造成通讯线路上的音频干扰。然后再通过屏蔽线进行通讯，基本消除了静电感应的影响，但终究无法消除干扰。

2.3谐波对于电气设备产生的影响

第一，电容器的作用。但由于电容器占电网的比例较大，所以仅参考了无功补偿量，并没有参考实际的电能质量污染情况。目前，运行点的电力品质标准偏低，经常会发生一些事故，例如：不能安装补偿装置，不能单独设置电容器的保护保险丝，严重时会发生串联并联共振，引起电容器的谐波和过电流，使电容器产生裂纹。

第二个因素是，变压器会有效果。谐波电流会在变压器内产生，导致铜损耗增加，局部过热，振动，声音增大，绕组附加过热等。其变压器的谐波电流中含有励磁电流，使得合闸涌流后的谐波电流升高，产生谐波，从而引起谐波，从而影响到变压器的正常使用。

第三，同步发电机的作用。同时，由于同步发电机内部的负序电流和谐波电流的涌入，会产生额外的损失，从而使发电机出现局部发热，从而使绝缘强度下降。由于在输出电压波形中会产生过多的谐波成分，从而使负载同步发电机的转子出现扭振，从而缩短了使用寿命。

第四，对断路器的作用。局部断路器磁吹绕绕组失效是由于谐波引起的，使屏蔽性能下降，无法屏蔽波形失真比常规控制的失效电流大，从而引起中压断路器的阻流，从而产生谐波涌波和重燃现象，从而使断路器触点断开。

第五种是由 Automatic引起的效果。目前，随着数字化技术的应用越来越广泛，许多精密负荷的应用也越来越严格。因此，如果电能质量被污染，将会在监控模块中引发畸变，扰乱一般的分解计算，造成错误的输出结果。

3电子厂房谐波的治理策略

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

对于功率最大的电器，通常会将原来的六脉波变换为十二、二十四脉冲，以减少交流侧的谐波。

脉宽调制技术

其基本思想是控制 PWM输出波形的各个变换时间，保证四分之一波形的相等。将应当消除的谐波振幅变为0，基波幅值达到给量化，从而达到消除特定的谐波并控制基波振幅的目的。

多电平变流技术

采用移相多重法、顺序控制和不对称多重控制等方法，将方波电流与电压叠加，从而使得变流器在交流电网一侧产生接近于正弦波形的电流和电压，并且保持一定的相位相关。

3.2安装电力滤波器，提高滤波性能

传统无源滤波器

无源滤波器即 PPF采用电容与电抗器构成的 LC调谐电路，它能提供一种并联的低电阻通道，从而达到滤波效果。采用电容可以对电网的无功进行补偿，从而使电网的功率因数发生变化。由于 PPF结构简单、生产成本低、运行费用低、技术要求低等优点，成为电力品质变化的主要手段。由于结构的原因，使得 PPF存在着很多难以求解的问题，比如：滤除特定的谐波，窄的谐波补偿频段，低的平滑度，大的空间。

新型有源滤波器

有源滤波器相关的基本原理。主要是通过对电网的谐波进行检测，然后控制逆变器产生相应的补偿电流，从而达到消除谐波的目的。而并联 APF更适用于具有感应电流源的负载补偿。串联式 APF适用于消除电压型谐波源负载，如带电容的二极管整流器。串-并联型有源滤波器兼顾有串和并联有源滤波器的特点。APF特性不受系统阻抗的影响，不能与电网的阻抗产生串联或并联共振，而且对外部电路的共振有一定的阻尼效果。此外， APF的操纵性和响应速度都很高，不仅能补偿谐波，还能抑制无功电流，性价比很高。 

混合型滤波器

混合型电力滤波器是将有源和被动两种滤波器有机地结合起来的。由于有源滤波器不能继续承受电网的电压和负荷，只会造成负荷和电网电压的高次谐波隔离，因此有源滤波器的容量很少，如果采用串联有源滤波器，使高次谐波阻抗增大，对基波没有任何影响，可以通过改变滤波器的滤波效果，避免与电网发生共振，缺点在于，有源滤波器的性能依赖于电流互感器的特性。

4安科瑞电能质量监测与治理系统在电子厂房的解决方案

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了作为一个局域网终端，向用户提供电能质量监测、治理和设备维护等方面，还可以通过AcrelEMS-SEMI公司的能源效率管理平台，实现对客户的远程在线服务；

采用全控制技术，达到优质的电能品质；

电力品质专用监控：对电力品质进行实时在线监控，精度高，测量精度高，满足IEC61000-4-30要求；

电力品质监控及治理系统的设备采用一体化的设计，可以通过上层的平台进行统一的管理和闭环的控制；

优质电能质量管理：配套的电力电子设备技术过硬，质量过硬，具有网络化、可调节、快速响应等特点；

电力管理务一体化：电力系统的管理与运维、电能分析与电能质量信息的共享与协调，为电力设备的供电和使用提供了有效的控制手段。

4.2方案价值

全面监测电能质量，保障供电可靠性

全面监控电力系统的运行状态，保证电力供应满足规范的使用。微秒级的故障录波和 SOE报警可以实时地将所有的数据信息记录下来，从而为故障的跟踪和定位提供了有力的支撑。

完整电能质量治理

采用集中+现场（终端）一体化的电力品质管理方式，更好地解决了电网的无功、谐波问题，改善了电力系统的电力品质，降低了其他电力供应和生产设备的风险。

 

5安科瑞电能质量监测与治理产品选型

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

单晶炉、多晶炉、 IC测试台、 PLC控制机械手、晶圆晶圆机、变频晶圆机、晶圆机、变频器等，都会产生大量的谐波，这些谐波不仅会导致机器本身的故障，还会导致其他电路的发热、误动作、供电电压不稳定，严重时会导致生产线停机，半成品报废。这是一个巨大的损失。此外，外延设备、扩散设备、离子注入设备的频繁加、卸等，都会加剧电力系统的使用状况。根据以上负荷状况，提出了在各主要设备配电箱加装电能质量补偿装置，以实现终端治理谐波，同时也不会对其它电力设备造成影响。其最终处理方法的选择如表2所示。

表2末端治理产品选型表

 

6结论

谐波污染问题日益严重，引起了所有人的高度重视，而且我们已经摸清了当前谐波的真实情况，并提出了相应的解决办法，为了有效地降低谐波的影响，我们必须对不同的谐波源进行相应的滤波。

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