有源濾波器在中頻爐諧波治理的應(yīng)用

1、有源濾波器在中頻爐諧波治理中的應(yīng)用有源濾波器在中頻爐諧波治理中的應(yīng)用遼寧東盛安信電能控制技術(shù)有限公司2016、11針對(duì)中頻爐的諧波危害性，應(yīng)采取有效的措施對(duì)其諧波進(jìn)行治理，確保電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文介紹3種治理方案，并選用有源濾波器對(duì)中頻爐的諧波進(jìn)行治理。將有源濾波器，在某鑄造公司投入運(yùn)行，結(jié)果表明將有源濾波器應(yīng)用于6脈沖中頻的諧波治理中有很好的諧波治理效果。一、引言 晶閘管中頻電源的應(yīng)用是從1996年瑞士BBC公司研制成功第一臺(tái)感應(yīng)熔煉的電源開(kāi)始的，并得到了廣泛的應(yīng)用，遍及熔煉、透熱、種子處理、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)晶閘管中頻電源已發(fā)展成為電力系統(tǒng)中最重要的非線性負(fù)荷。由于中頻電源裝置在實(shí)現(xiàn)

2、功率控制和處理的同時(shí)，會(huì)不可避免地產(chǎn)生非正弦波形，向電力系統(tǒng)注人諧波電流，使公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)(PPC)的電壓波形嚴(yán)重畸變，給周?chē)娖鳝h(huán)境帶來(lái)極大的污染，會(huì)對(duì)電網(wǎng)與用戶本身產(chǎn)生不利的影響，使電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴(yán)重下降，電能損耗顯著上升，被公認(rèn)為電力系統(tǒng)的一大公害，諧波治理工作尤為重要。為了減少中頻爐帶來(lái)的諧波污染，國(guó)內(nèi)已經(jīng)采用多脈沖整流技術(shù)，研制出了多種中頻爐設(shè)備，包括6脈沖、12脈沖、24脈沖中頻爐等，由于后面兩者成本相對(duì)較高，因此大多煉鋼企業(yè)仍舊采用6脈沖中頻爐進(jìn)行金屬熔煉，其諧波污染問(wèn)題仍不能忽視?，F(xiàn)階段對(duì)于中頻爐諧波的治理方法主要有兩種方法:一種是補(bǔ)救性的治理方法，即為克服既存諧波問(wèn)題所采用的方法；

3、一種是避免中頻爐諧波出現(xiàn)的預(yù)防性的措施。雖然第二種方法可以從根本上解決日益嚴(yán)重的諧波污染，但對(duì)于現(xiàn)已大量使用的中頻爐，則只有采用第一種方法補(bǔ)償其產(chǎn)生的諧波。本文將結(jié)合中頻爐的工作原理及其諧波治理措施進(jìn)行討論，提出利用有源濾波器(Active Power Filter，APF)對(duì)6脈沖中頻爐工作的不同階段產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償與治理分析。二、中頻爐電氣原理 中頻爐是一種快速穩(wěn)定的金屬加熱裝置，其核心設(shè)備是中頻電源。中頻爐的電源通常采用AC一DC一AC變換方式，將輸人的工頻交流電輸出為中頻交流電，且頻率變化不受電網(wǎng)頻率的限制，其電路框圖如圖1所示：圖1中，整流電路部分主要作用是把輸人的三相工頻交流電流

4、轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娏?，它包括輸人電路、橋式整流電路、濾波電路以及整流控制電路，逆變部分主要作用是把直流電流轉(zhuǎn)換為單相中頻交流電流(5010000Hz)，它包括逆變電路、啟動(dòng)電路、負(fù)載電路。最終，單相中頻交流電流在熔爐的感應(yīng)線圈中產(chǎn)生中頻交變磁場(chǎng)，使熔爐中的爐料產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而在爐料中產(chǎn)生很大的渦流，致使?fàn)t料被加熱升溫，直至熔化。三、諧波分析 中頻電源注人電網(wǎng)的諧波主要是由整流裝置產(chǎn)生的，這里以三相6脈沖全控橋式整流電路為例來(lái)分析其諧波含量。忽略三相橋式晶閘管整流電路換相過(guò)程和電流脈動(dòng)，假定交流側(cè)電抗為零，直流電感為無(wú)窮大，利用傅里葉分析方法，將電流負(fù)、正兩半波的中點(diǎn)作為時(shí)間零點(diǎn)，可推出交流側(cè)a相

5、電流的表達(dá)式：式中：Id為整流電路直流側(cè)電流的平均值。 由上式可知，對(duì)于6脈沖的中頻爐來(lái)說(shuō)，它可產(chǎn)生大量的5次、7次、1次、13次、17次、19次等諧波，可歸納為6k士1(k為正整數(shù))次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。四、中頻爐介紹可控硅中頻電源是一種將工頻電變?yōu)橹蓄l電的變頻器，它把工頻交流電經(jīng)整流后，利用逆變器變換為較高頻率的電流，且頻率變化范圍不受電網(wǎng)頻率的限制。中頻電源主要分為主電路和控制電路兩部分，主電路包括整流電路、逆變電路和負(fù)載諧振電路3部分。控制電路是由整流觸發(fā)、逆變觸發(fā)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓電源和保護(hù)這5部分組成。五、中頻爐電路結(jié)構(gòu) 根據(jù)直

6、流儲(chǔ)能元件的不同，一般可將中頻爐分為電流型中頻爐和電壓型中頻爐。電流型中頻爐的儲(chǔ)能元件為大電感，而電壓型中頻爐的儲(chǔ)能元件為大電容。兩者還存在其他不同，如:電流型中頻爐采用晶閘管控制，負(fù)載諧振電路為并聯(lián)諧振，而電壓型中頻爐采用IGBT來(lái)控制，負(fù)載諧振電路為串聯(lián)諧振。其基本結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。.六、治理方案 中頻爐的大量掛網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)致了電網(wǎng)諧波污染日益嚴(yán)重，對(duì)于中頻爐的諧波治理問(wèn)題的研究已迫在眉睫，受到了學(xué)者們的廣泛重視。為了使中頻爐產(chǎn)生的諧波對(duì)公共電網(wǎng)的影響符合設(shè)備使用地供電系統(tǒng)的要求，應(yīng)采取積極有效的治理措施以消除諧波污染，具體治理措施如下： 一是變壓器采用Y/Y/接線方式。對(duì)于大容量的中頻爐

7、，其供電變壓器可以采用Y/Y/接線方式，通過(guò)改變整流器交流側(cè)的變壓器的接線形式來(lái)抵消較低次的特征諧波。但成本較高。 二是采用LC無(wú)源濾波器，主要結(jié)構(gòu)是用電容器與電抗器串聯(lián)起來(lái)，組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中。這種方法比較傳統(tǒng)，既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無(wú)功功率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一直被廣泛使用。但補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，且只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不甚理想。 三是采用APF有源濾波器，這是諧波抑制比較新的方法。APF是一種動(dòng)態(tài)諧波補(bǔ)償設(shè)備，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)特性好，且補(bǔ)償特性不受阻抗的影響，諧波補(bǔ)償效果最佳，因

8、而受到廣泛重視。七、APF工作原理東盛電氣的有源濾波器通過(guò)外部電流互感器CT，實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流，并通過(guò)內(nèi)部的DSP計(jì)算，提取出負(fù)載電流的諧波成分，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)處理器中的控制信號(hào)。同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生一系列PWM脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)給內(nèi)部IGBT功率模塊，控制逆變器輸出相位正好與負(fù)載諧波電流方向相反，而幅值大小相等的電流，兩種諧波電流正好相互抵消，從而達(dá)到濾除諧波的功能。八、APF的技術(shù)特點(diǎn)更優(yōu)異的濾波效果u 諧波治理率高達(dá)97%，諧波治理范圍寬至250次。更安全穩(wěn)定的濾波方式；u 行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的顛覆性控制模式，開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)20KHz，使濾波損耗降到最小，濾波速度和輸出精度大幅提高。并對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)呈

9、無(wú)窮大阻抗，不影響電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗；且輸出波形精確無(wú)瑕疵，不會(huì)影響其他設(shè)備。更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力u 可兼容柴油發(fā)電機(jī)，提高備電分流的能力；u 對(duì)輸入電壓波動(dòng)及畸變的承受能力更高；u 標(biāo)配C級(jí)防雷裝置，提高天氣惡劣狀況下的耐受能力；u 環(huán)境溫度適用范圍更強(qiáng)，可達(dá)-2070。更多的使用功能u 一機(jī)多能：一臺(tái)濾波器可同時(shí)治理諧波、無(wú)功和三相不平衡；u 友好中文操作界面：事件記錄、自動(dòng)故障報(bào)警、EEPROM 故障記錄及參數(shù)設(shè)置功能； u 多種保護(hù)功能：具備過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、超溫、測(cè)量電路故障等多種保護(hù)功能。更靈活的應(yīng)用方式u 先進(jìn)模塊化結(jié)構(gòu)、體積小、容量配比性高；u 單柜容量，最多可6臺(tái)APF并柜安裝，也可

10、方便的嵌入到第三方機(jī)柜使用；u 簡(jiǎn)單靈活的插撥式接線方式，確保無(wú)需專(zhuān)業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝、增容及維護(hù)。九、應(yīng)用實(shí)例某鑄造公司主要設(shè)備為中頻電爐，中頻電爐屬于典型諧波源，產(chǎn)生大量諧波，造成補(bǔ)償電容器無(wú)法正常投入運(yùn)行，功率因數(shù)達(dá)不到供電要求的0.9以上，每月產(chǎn)生無(wú)功罰款1.2萬(wàn)元左右，變壓器溫度在夏季達(dá)75度，造成電能浪費(fèi)，壽命縮短。中頻爐鑄造車(chē)間以0.4KV電壓供電，其主要負(fù)荷為6脈沖整流中頻爐，整流設(shè)備在工作中在把交流變?yōu)橹绷鞯耐瑫r(shí)產(chǎn)生大量的諧波，屬典型諧波源；諧波電流注入電網(wǎng)，在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生諧波電壓，引起電網(wǎng)電壓電流畸變，影響供電質(zhì)量及運(yùn)行安全，使線路損耗及電壓偏移增加，對(duì)電網(wǎng)和工

11、廠本身電氣設(shè)備均會(huì)產(chǎn)生不良的影響。1、特征諧波分析1) 中頻爐的整流裝置為6脈沖可控整流；2) 整流裝置所產(chǎn)生的諧波為6K1次奇次諧波，采用傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)電流進(jìn)行分解變換，可知電流波形含有6K±1次高次諧波，根據(jù)對(duì)中頻爐的測(cè)試數(shù)據(jù)，其諧波電流含有量見(jiàn)下表：諧波次數(shù)57111317192325諧波含量0.230.110.080.070.020.010.0070.006中頻爐在工作過(guò)程中，產(chǎn)生大量的諧波，針對(duì)中頻爐的測(cè)試及計(jì)算結(jié)果，特征諧波主要以5次為最大，7次，11次，13次諧波電流比較大，電壓電流畸變嚴(yán)重。2、諧波治理方案根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況，東盛電氣針對(duì)中頻爐諧波治理設(shè)計(jì)了整套濾波方案，

12、綜合考慮負(fù)荷功率因數(shù)、諧波吸收需要和背景諧波，在企業(yè)變壓器0.4KV低壓側(cè)安裝一套有源濾波裝置對(duì)諧波進(jìn)行治理。3、濾波效果分析1) 有源濾波裝置投入運(yùn)行，自動(dòng)跟蹤中頻爐的各種負(fù)載設(shè)備變化，使各次諧波得到有效濾除。避免電容器組和系統(tǒng)電路可能會(huì)發(fā)生的并聯(lián)諧振而引起的燒毀，保證無(wú)功補(bǔ)償柜的正常運(yùn)行；2) 經(jīng)治理諧波電流都得到有效改善，未投入5、7、11次的諧波電流都嚴(yán)重超標(biāo)，投入后超標(biāo)的各次諧波電流都得到了良好的吸收，符合設(shè)備設(shè)計(jì)要求。如5次諧波電流從312A，降止16A左右；7次諧波電流從153A，降止11A左右，11次諧波電流從101A，降止9A左右，注入公共點(diǎn)的各次諧波電流均符合國(guó)標(biāo)GBT1454993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波要求；3) 諧波治理后變壓器溫度由原來(lái)的75度降低到50度，節(jié)省了大量電能，減小變壓器的附加損耗，降低噪聲，提升變壓器的帶載能力，延長(zhǎng)變壓器使用壽命；4) 通過(guò)治后有效改善了中頻爐的供電電能質(zhì)量，提高了中頻電源的利用率，有利于系統(tǒng)長(zhǎng)期安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的提升；