濾波補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，造成補償電容器無法正常投入運行，功率因數(shù)達不到供電要求的0.9以上，每月產(chǎn)生無功罰款1.2萬元左右，變壓器溫度在夏季達75度，造成電能浪費，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，其主要負荷為6脈動整流中頻爐，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)量及運行安全，使線路損耗及電壓偏移增加，對電網(wǎng)和工廠本身電氣設(shè)備均會產(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整流成脈動的直流電，可以調(diào)節(jié)的直流電壓Ud,來調(diào)節(jié)負載電流。LD為濾波電抗，是把工頻和中頻網(wǎng)絡(luò)隔開，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，并將它送入負載。負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載電路振蕩頻率控制，工作在略高于負載振蕩頻率。
并聯(lián)變頻電路對負載的適應(yīng)能力特別強，是當前應(yīng)用最廣泛的一種電路，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，采用傅立葉級數(shù)對電流進行分解變換，可知電流波形含有6K±1次高次諧波，根據(jù)對中頻爐的測試數(shù)據(jù)，其諧波電流含有量見下表：
6脈動橋式換流器諧波電流含有量：（In/I1）
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諧波次數(shù)
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5
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7
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11
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13
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17
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19
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23
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25
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諧波含量
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0.23
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0.11
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0.08
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0.07
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0.02
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0.01
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0.007
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0.006
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中頻爐在工作過程中，產(chǎn)生大量的諧波，針對中頻爐的測試及計算結(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)：中頻爐由一臺變壓器獨立供電，容量為2噸，視在功率S=2000KVA，有功功率為P=1800KW，無功功率為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)：變壓器型號為S11-2500KVA，電壓為10000V/660V，額定電流為I=2186A。
3、實際運行參數(shù)：視在功率S=700KVA-2200KVA，有功功率為P=600KW-2000KW，無功功率為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、濾波補償裝置設(shè)計依據(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)場測量結(jié)果及仿真計算
四、治理方案
1、 治理目標
根據(jù)企業(yè)實際情況，我公司針對中頻爐諧波治理設(shè)計了整套濾波方案，綜合考慮負荷功率因數(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諧波進行治理。
濾波裝置諧波電流的設(shè)計滿足國標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)運行方式下，濾波設(shè)備投運后，濾波器吸收點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 不因為投入濾波裝置而引起某次諧波的諧振或諧振過電壓、過電流。
2、方案確定
由于中頻爐在工作過程中諧波較大，如5次諧波達到了基波電流的21.5%，對電網(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，在設(shè)計時要做到諧波消除補償無功提高功率因數(shù)等。
針對設(shè)備的特性本方案采用濾波兼無功補償的方式，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。
中頻爐工作過程可分為初加熱過程和正常工作過程，初加熱過程持續(xù)時間短，但高次諧波比較豐富，設(shè)計時要考慮各濾波支路不會對高次諧波放大，而在整個過程中正常工作占大部分時間，其中正常工作過程時電流大，諧波含量大。從測試數(shù)據(jù)看主要諧波成分是5次 、7次、11次、13次其中以5次諧波為最大，電壓畸變嚴重。綜上因素考慮濾波裝置設(shè)計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。方案采用仿真法對各回路投入時是否產(chǎn)生非特征頻率的諧振進行分析，并最終確定回路的參數(shù)。
3、技術(shù)特點
l 針對用戶系統(tǒng)諧波無功專門設(shè)計制造，消除特性諧波補償無功功率，濾波效果明顯。
l 對于5、7、11次諧波電流吸收率達到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 檢測系統(tǒng)情況，按照負荷的無功電流、諧波電流進行實現(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 補償過程中電網(wǎng)電壓波動滿足國家標準GB/12326-90要求，即：滿負荷到輕負荷補償變化引起的一次側(cè)電壓波動≤2.5%。
l 裝置保護措施：過電壓保護、過電流保護、欠電壓保護、接地保護、 過熱保護。
l 系統(tǒng)不產(chǎn)生無線電（射頻）電磁干擾。
l 運行方式：全自動，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、濾波補償裝置投入運行，自動跟蹤中頻爐的各種負載設(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)嚴重超出國標5%的限值要求。經(jīng)治理, 電壓總畸變率(THD)從原來的15.6%,降止3.4%,各次諧波都符合國標GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》標準要求。
3、經(jīng)治理諧波電流都得到有效改善，未投入5、7、11次的諧波電流都嚴重超標，投入后超標的各次諧波電流吸收率都大于80%以上，符合設(shè)備設(shè)計要求。如5次諧波電流從356A,降止35A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，注入公共點的各次諧波電流均符合國標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)從原來的0.87左右提到0.95以上,有功功率、視在功率、無功功率都得到節(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。
6、通過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)長期安全經(jīng)濟運行帶來經(jīng)濟效益的提升。