濾波補(bǔ)償裝置在中頻爐的應(yīng)用

用戶情況介紹

山東某鑄造公司主要設(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。

一、中頻電爐概述

中頻電爐鑄造車間以0.66kV電壓供電，其主要負(fù)荷為6脈動(dòng)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)和工廠本身電氣設(shè)備均會(huì)產(chǎn)生不良的影響。

1、中頻原理

三相橋式全波整流電路將工頻50HZ整流成脈動(dòng)的直流電，可以調(diào)節(jié)的直流電壓Ud,來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載電流。LD為濾波電抗，是把工頻和中頻網(wǎng)絡(luò)隔開(kāi)，并把直流電流濾成平化的波形。逆變電路是8只晶閘管組成單相橋式逆變電路，它將直流電流逆變?yōu)榻涣髦蓄l電流，并將它送入負(fù)載。負(fù)載電路是爐圈與電熱電容組成并聯(lián)諧振。逆變電路的輸出頻率受負(fù)載電路振蕩頻率控制，工作在略高于負(fù)載振蕩頻率。
    并聯(lián)變頻電路對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力特別強(qiáng)，是當(dāng)前應(yīng)用zui廣泛的一種電路，主要是用作中頻熔煉和透熱的電源。

特征諧波分析

1） 中頻爐的整流裝置為6脈動(dòng)可控整流；

2） 整流裝置所產(chǎn)生的諧波為6K+1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：

6脈動(dòng)橋式換流器諧波電流含有量：（In/I1）

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zui大，7次，11次，13次諧波電流比較大，電壓電流畸變嚴(yán)重。

二、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)圖

1、中頻爐參數(shù)：中頻爐由一臺(tái)變壓器獨(dú)立供電，容量為2噸，視在功率S=2000KVA，有功功率為P=1800KW，無(wú)功功率為Q=1020KAR，功率因數(shù)為PF=0.87，供電電壓U=660V，工作電流I=1750A。

2、變壓器參數(shù)：變壓器型號(hào)為S11-2500KVA，電壓為10000V/660V，額定電流為I=2186A。

3、實(shí)際運(yùn)行參數(shù)：視在功率S=700KVA-2200KVA，有功功率為P=600KW-2000KW，無(wú)功功率為Q=550KAR-1150KAR，功率因數(shù)為PF=0.6-0.93，工作電流I=430A-1924A

4、供電系統(tǒng)圖：

三、濾波補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)依據(jù)

1、根據(jù)電能質(zhì)量　　公用電網(wǎng)諧波　　　　GB/T14519-1993

2、根據(jù)電能質(zhì)量　　電壓波動(dòng)和閃變　　　GB12326-2000

3、根據(jù)供電系統(tǒng)阻抗和相關(guān)參數(shù)

4、根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果及仿真計(jì)算

四、治理方案

1、 治理目標(biāo)

    根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況，我公司針對(duì)中頻爐諧波治理設(shè)計(jì)了整套濾波方案，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2500KVA 0.66KV低壓側(cè)安裝一套諧波濾波裝置對(duì)諧波進(jìn)行治理。

濾波裝置諧波電流的設(shè)計(jì)滿足國(guó)標(biāo)GB/T14549-93《電能質(zhì)量　公用電網(wǎng)諧波》的管理規(guī)定。

l 在0.66KV系統(tǒng)運(yùn)行方式下，濾波設(shè)備投運(yùn)后，濾波器吸收點(diǎn)處某次諧波的幅值及含有量都有大幅度下降，功率因數(shù)0.95以上。

l 不因?yàn)橥度?/font>濾波裝置而引起某次諧波的諧振或諧振過(guò)電壓、過(guò)電流。

2、方案確定

由于中頻爐在工作過(guò)程中諧波較大，如5次諧波達(dá)到了基波電流的21.5%，對(duì)電網(wǎng)、設(shè)備本身和其它用戶都造成了不同程度的影響。另外，考慮設(shè)備的功率因數(shù)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)要做到諧波消除補(bǔ)償無(wú)功提高功率因數(shù)等。

針對(duì)設(shè)備的特性本方案采用濾波兼無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?，它的主要作用：改善供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；抑制諧波電流以減少諧波造成的危害。

中頻爐工作過(guò)程可分為初加熱過(guò)程和正常工作過(guò)程，初加熱過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，但高次諧波比較豐富，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮各濾波支路不會(huì)對(duì)高次諧波放大，而在整個(gè)過(guò)程中正常工作占大部分時(shí)間，其中正常工作過(guò)程時(shí)電流大，諧波含量大。從測(cè)試數(shù)據(jù)看主要諧波成分是5次 、7次、11次、13次其中以5次諧波為zui大，電壓畸變嚴(yán)重。綜上因素考慮濾波裝置設(shè)計(jì)5次、7次、11次三條LC濾波支路，吸收5、7、11次及以上次數(shù)的諧波。方案采用仿真法對(duì)各回路投入時(shí)是否產(chǎn)生非特征頻率的諧振進(jìn)行分析，并zui終確定回路的參數(shù)。

3、技術(shù)特點(diǎn)

l 針對(duì)用戶系統(tǒng)諧波無(wú)功專門設(shè)計(jì)制造，消除特性諧波補(bǔ)償無(wú)功功率，濾波效果明顯。

l 對(duì)于5、7、11次諧波電流吸收率達(dá)到75%以上，諧波滿足  GB/T14549-93要求。 

l 根據(jù)諧波源的特性設(shè)定濾波器的投切方式和控制策略。

l 檢測(cè)系統(tǒng)情況，按照負(fù)荷的無(wú)功電流、諧波電流進(jìn)行實(shí)現(xiàn)跟蹤。 
使受電功率因數(shù)提高到0.95以上，降低配電網(wǎng)的線損、增加配電變壓器的承載效率。

l 補(bǔ)償過(guò)程中電網(wǎng)電壓波動(dòng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/12326-90要求，即：滿負(fù)荷到輕負(fù)荷補(bǔ)償變化引起的一次側(cè)電壓波動(dòng)≤2.5%。

l 裝置保護(hù)措施：過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、欠電壓保護(hù)、接地保護(hù)、 過(guò)熱保護(hù)。

l 系統(tǒng)不產(chǎn)生無(wú)線電（射頻）電磁干擾。

l 運(yùn)行方式：全自動(dòng)，連續(xù)工作。

l 供電系統(tǒng)及濾波原理圖：

五、治理效果


六、結(jié)論

1、濾波補(bǔ)償裝置投入運(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。

2、未治理前電壓總畸變率（THD）嚴(yán)重超出國(guó)標(biāo)5%的限值要求。經(jīng)治理, 電壓總畸變率（THD）從原來(lái)的15.6%,降止3.4%,各次諧波都符合國(guó)標(biāo)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)要求。

3、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)的各次諧波電流吸收率都大于80%以上，符合設(shè)備設(shè)計(jì)要求。如5次諧波電流從356A,降止3左右; 7次諧波電流從182A,降止30A左右， 11次諧波電流從119A,降止18A左右，注入公共點(diǎn)的各次諧波電流均符合國(guó)標(biāo)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》要求。

4、濾波裝置投入后系統(tǒng)的功率因數(shù)得到大幅提高，供電系統(tǒng)0.66KV側(cè)從原來(lái)的0.87左右提到0.95以上,有功功率、視在功率、無(wú)功功率都得到節(jié)省，有效降低用電設(shè)備和供電線路的損耗。

5、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，變壓器使用壽命延長(zhǎng)。

6、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。