浅析电子类工业厂房谐波产生及治理

浅析电子类工业厂房谐波产生及治理

屈春

中国电子系统工程第四建设有限公司  河北省 050000

【摘要】电子厂房具有工艺制程复杂，洁净度等级高，工艺设备精密，厂务端供电稳定性及供电质量要求高等特点。此类厂房在建设中大量使用LED灯具、大量使用变频器对风机、水泵进行精准控制、工艺流程中存在单晶炉、多晶炉类工艺设备、安装了其他类非线性设备，会造成配电系统中存在大量谐波。电网中谐波的大量存在会破坏配电系统的稳定性及降低电能质量，所以在电子类厂房中对谐波需做好防控及治理至关重要。

【关键词】电子类;工业厂房；LED灯具;变频器；谐波;谐波治理

一、谐波的定义、分类及计算

1.谐波的定义：对周期性交流量进⾏傅⾥叶级数分解,其中频率与工频相同的部分称为基波，频率为基波频率大于1整数倍的部分称为谐波。

2.谐波的分类：谐波按照相序可分为正序谐波、负序谐波、零序谐波；谐波按照次数可分为偶次谐波、奇次谐波、间歇波(非整数次谐波)。由于偶次谐波的特性，其在电路工作时会被大部分抵消，奇次谐波则不一样，它会不断叠加，因此奇次谐波对电网运行影响较大。

3.根据《电能质量 公用电网谐波》GB/T14549-93及《工业与民用供配电设计手册》第四版 谐波含有率是周期性交流量中含有的第h次谐波分量均方根值与基波分量均方根值之比，常用百分数表示。第h次谐波电流(电压)含有率分别表示为 ，其计算公式如下：

谐波含量(电压或电流)是周期性电气量中含有的各次谐波分量的均方根值。谐波电压含量U和谐波电流含量I分别为：

谐波电流(电压)含量

电流/电压总谐波畸变率

二、谐波的来源

电子类工业厂房的谐波来源较多，主要来源于交流电网中非线性设备(变压器、各种交直流换流装置、电弧炉、铁芯设备、电焊机、照明设备、生活日用电器等)的使用会造成电网中电压、电流波形畸变。

1.LED灯具类设备：为执行国家的节约能源、保护生态环境的政策要求，提前实现碳中和任务，提高能源资源利用效率非常重要。LED灯具的技术目前逐步成熟，LED灯具在工业厂房中的应用比率达到95%以上。LED灯具使用情况一般分为如下两类：一类LED灯为24V直流供电，通过 UPS 对灯具进行集中供电使用，这种情况下不易产生谐波;另外一类LED灯具为220V 交流供电，灯管/面板灯为LED灯带，此类 LED灯的电源是开关电源(变压器)，开关电源内部含整流电路，是典型的谐波源。LED灯具的谐波电流有3次、5次、7次等奇次谐波，其中以3次谐波含量最多。3次谐波电流在中性线导体上呈现3倍叠加，如若选择电缆截面时按常规方案(零线的截面积与相线的截面积相同)选择会导致中性线导体电流过高，易引起导致零线过热、开关不明原因跳闸。

2.变频器类设备：在电子厂房的建设中，MAU、废水、酸、碱、有机排风、纯水等系统中大量使用变频器。目前常规的变频器一般采用交-直-交组成结构。该变频器系统具有能耗低、控制精度高、高效率和节能性、多种保护功能、无级调速、便于接入DC-BANK后备电源等优点，被广泛应用于工业厂房中。变频器主要组成部分可分为整流器、直流中间电路、逆变电路、控制电路、辅助电路。 变频器切换电路特性，使电源产生典型的非线性负载。变频器运行时，变频器的输入电流随附加电压变化，同时会产生一定强度的高次谐波电流和电压。电机的输入电压为非正弦波时，电机运行会有一些电能损耗，变频器运行产生的谐波电流会增加电动机的铜损、铁损。这些损耗一般会使电动机产生发热，电动机的绝缘部分劣化，导致电动机的使用效率降低。

3.生产用的工艺设备：电子类厂房建设中使用的好多机台也会产生大量谐波，如：芯片制造工艺中用的晶圆机、晶圆制造中使用的单晶炉类、测试阶段使用的IC测试机台、自动化系统控制的机械手/臂、带变频控制的一些半导体机台，这些机台在运行中都会产生大量的谐波。谐波会造成工艺设备坏机，如果现场不进行谐波处理，还会引起同一配电网络中的其它回路的发热、设备误动作、供电电压不稳，甚至引起产线产品的良率。单晶炉、多晶炉此类工艺设备的加热系统是采用电力电子变频的中频感应加热装置，由于变频器频繁的开关作用，在消耗大量电能的同时会产生很多高次谐波。谐波电流导致电压、电流波形严重畸变，会使功率因数变低、变压器利用率下降、电气设备发热等。谐波分量有可能会干扰拉晶工艺的控制系统，造成错位、断晶等现象，严重时会引起跳闸，影响生产的安全进行和产品质量。外延、扩散备、离子注入工艺段的这些高耗能设备的频繁加卸载，会使用电环境的恶化。

三、谐波的防治及治理

电子类工业厂房的谐波来源众多，针对不同类型的设备采取不同的防治及治理措施尤为重要。

1.LED灯具类设备的谐波防治及治理主要分为如下几种措施：1）选用低电流谐波含量的LED灯具；2）照明回路的负载尽可能平衡，避免其中任一单相回路电流过大；3）线路N线的截面选择根据谐波电流的计算公式及工业级及民用配电设计手册第四版表9.2.2进行计算选择，避免N线电流过大、发热、引起火灾；4）在LED照明配电箱的电源输入端安装三次谐波电流零线滤波器。

2.变频器类设备的防治及治理主要分为如下几种措施：1）利用集中/就地形式的电能质量治理模式，可以很好的满足无功补偿和谐波治理的要求，提高电子厂房整体供配电系统的电能质量；2）变频器到电机类设备的线缆选用变频专用电缆，其电缆选用相线（3芯）+PE(3芯)的规格；3）大功率的变频器建议设备自带滤波器；4）有源电力滤波器( APF)。有源电力滤波器可以对电网中的谐波进行快速跟踪补偿，最大限度地消除电网中的谐波。

3.生产工艺类设备：针对电子厂房非线性半导体设备及变频控制的半导体机台，建议在这些重要设备的配电箱附近处就地设置电能质量补偿治理设备，起到末端治理谐波的目的，避免谐波影响到整个配电系统的和其他的用电设备。主要分为以下三类：1）无源电力滤波器即PPF由电容器和电抗器组成调谐电路，可以为谐波提供并联低阻通路，从而起到滤波的作用；2）有源滤波器的原理是通过互感器检查电网中谐波电流，再控制控逆变电路补充相应的电流分量汇入电网，实现消除谐波结果。根据连接方式的不同，可将有源滤波器分为并联型和串联型，并联型一般应用于感性电流源负载谐波补充，串联型一般应用于消除带电容二极管整流电路等电压型谐波源负载；3）混合型电力滤波器，此类滤波器就是把无源滤波器和有源滤波器合理组合在一起。

四、结论

电子厂房生产过程中具有不同类型的谐波源，准确分析谐波源的类型并采取相对应的治理措施非常重要，这样可以高效抑制谐波，提高电能质量，增加配电系统的稳定性。

参考文献：

[1]【工业与民用供配电设计手册】第四版

[2]【电能质量 公用电网谐波】GB/T14549-93

[3]【关于半导体电子类厂房谐波治理的探讨以及相关治理方案】王主

[4]【关于电子厂房谐波治理的探讨】王毅;欧丽 《电子元器件与信息技术 》2020