电源质量问题之波形畸变

什么是电源质量问题?现代电力系统提出电源质量问题的概念是:“任何出现的电压、电流以及频率偏移导致的用户设备损坏或运行不正常的电源问题”。电源质量问题是非正常停机、设备故障、甚至是设备损坏的主要原因之一。工厂、医疗设施、数据中心、办公大楼供电的可靠性和连贯性,是电力供应系统的重中之重。

五种主要类型的波形畸变:直流偏置、谐波、谐间波、毛刺、噪音。

直流偏置

之所以交流配电系统中可能会感生出直流电 (DC),原因通常是遍布于现代设备中的交流转直流的整流器出现了故障。直流电流过交流电系统,使已按运行在额定电平装置中流过不必要的电流。直流电的流动会导致变压器过热和饱和。当变压器饱和时,它不仅仅会变热,而且将无法向负载传输充足的电力,而随之产生的波形畸变进一步会使电子负载设备运行不稳定。直流偏置的示意图如图所示。

直流偏置

解决直流偏置的方法是更换导致问题的故障设备。模块化、可更换的设备大大简化了解决故障设备所导致的直流偏置问题,并且降低了需要专业维修人员维修人力成本。

谐波

谐波畸变(如图)是指基波的倍频正弦波造成的波形畸变。(例如,180Hz 是基波为 60Hz的三次谐波;3 X 60 = 180)。

谐波

谐波问题的征兆包括变压器、零线以及其它电力传输设备过热,还包括断路器动作以及依赖于干净的正弦波过零点触发的时间同步电路失效。

过去由于开关电源 (SMPS) 的特性,IT 设备带来的谐波畸变一个很严重的问题。非线性负载以及许多容性设计仅在电压的每个正向和反向峰值附近“吸吮”电力,而不是在每个全半周期吸收电流。开关电源一般使用配电系统中三相中的某个单相,其大约三分之一周期的导通产生的电流流过零线。所有开关电源的回流在零线叠加而不是抵消,产生非常高的零线电流,理论上是最高是最大相电流的 1.73 倍。超负荷的零线会导致配电的路线上出现极高的电压,导致连接其中的设备严重损坏。同时,这么多的开关电源每个电压半周期的峰值吸收能量,由此导致变压器饱和以及随之而来的过热现象。造成此问题的其它负载包括变速电动机驱动器、灯具镇流器以及大型的传统 UPS 系统。用于缓解此问题的方法包括加粗零线、安装 K 级变压器以及谐波滤波器。

过去十年来IT 行业引人注目的发展的驱使下,IT 设备的电源设计已经通过国际标准加以改进。在不久的过去,主要的改进用以补偿系统内产生过多谐波电流的大量 IT 设备电源还会对电气基础设施造成的压力。许多新的 IT 设备电源设计有功率因数校正电路,使其以以线性、无谐波负载方式运行。这样的电源不会产生多余的谐波电流。

谐间波

谐间波(如图),通常是由电气设备,如静止变频器、感应电动机和电弧装置,施加于供电电压上的信号一种波形畸变。控制滚轧机、搅拌机和矿山设备中使用的大型线性马达的周波变换器会造成一些最显著的谐间波电源问题。这些设备可将供电电压转换为频率低于或高于供电频率的交流 电压。

谐间波

谐间波最明显的影响是可以通过显示器和白炽灯闪烁注意到,并且可能会导致变热以及通信干扰。解决谐间波的方法包括使用滤波器、UPS 系统和线路调节器。

毛刺

毛刺(如图)是一种由电子设备,如变速传动装置、调光器和弧焊机,在正常运行条件下导致的周期性电压扰动。此问题可能会被描述为瞬时脉冲问题,但是,由于毛刺在每半个周期上呈周期性出现的,因此毛刺被认为是波形畸变问题。毛刺的常见后果是系统停机、数据丢失和数据传输问题。

毛刺

解决毛刺问题的一种方法是尽可能将负载远离以上电子设备。如果无法移动设备的位置,那么UPS 和滤波器也是可行的解决毛刺问题方法。

噪音

噪音(如图)是叠加在电力系统电压或电流波形上的多余电压或电流。噪音可能是由电力电子设备、控制电路、弧焊机、开关电源、无线电发射机等所产生的。不良接地使系统更易受到噪音的影响。噪音可导致诸如数据错误、设备失效、元件长久失效、硬盘故障和视频显示失真等问题。

噪音

有多种不同的噪音控制方法,有时必须要结合使用多种不同的方法才能达到所需的效果。下面是其中一些方法:

  • 通过 UPS 隔离负载
  • 安装接地的屏蔽的绝缘变压器
  • 移动负载使其远离干扰源
  • 安装噪音滤波器
  • 屏蔽电缆

噪音最常见的后果之一是数据损坏。如图所示,EMI(电磁干扰)和 RFI(射频干扰)可能会在传输数据线上产生感应电流和感应电压。由于数据是数字信号(电压有无分别用 1 和 0 表示)传播的,因此,数据线上的额外电压可能会导致出现不匹配或相反数据。典型案例是当网络布线穿越吊顶上的荧光灯时,网线就会有感应的噪音。荧光灯会产生明显的 电磁干扰,如果网络布线的距离过近,将可能会导致数据出错。当网络布线位置离高负载输电线路的距离过近时,通常也会发生这种情况。在装有高架地板的数据中心内,电线线路通常与网络布线并排放在一起,因此会增加出现噪音的几率。