中頻爐諧波補(bǔ)償與改進(jìn)方法

廠家：中頻爐諧波補(bǔ)償與改進(jìn)方法日期：：2020-02-05 瀏覽次數(shù)： 132

采用 LC 雙調(diào)諧濾波器與高通濾波器相結(jié)合的方法對(duì)諧波進(jìn)行了補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，該中頻爐的整流裝置向電網(wǎng)注入的諧波含量滿足了電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波國(guó) 標(biāo) GB/T14549 － 1993 的要求。

近年來(lái)，隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，電力電子器件等非線性電子產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng) 域，但由此帶來(lái)電力系統(tǒng)的諧波污染日益嚴(yán)重。中頻感應(yīng)加熱設(shè)備(中頻爐)是一種快速穩(wěn)定的金屬加熱裝置，它靠變頻裝置把三相工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱?相中頻交流電。整流變頻裝置是中頻爐的核心設(shè) 備，但是其產(chǎn)生的諧波會(huì)給電網(wǎng)的用電設(shè)備造成很大的危害?？墒闺妱?dòng)機(jī)產(chǎn)生附加功率損耗和發(fā)熱，對(duì)繼電保護(hù)、自動(dòng)控制裝置等產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì) 引起誤動(dòng)作，諧波還有可能在無(wú)功補(bǔ)償電容器回路被放大，從而導(dǎo)致電容器過(guò)負(fù)荷甚至損壞。因此，大功率中頻爐的諧波問(wèn)題不可忽視。目前，相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)中頻爐諧波的分析僅限于諧波實(shí)測(cè)分析或測(cè) 試，理論分析還不夠深入。鑒于這種情況，本文將利用 MATLAB/Simulink 分析方法并結(jié)合諧波電流的特點(diǎn)以及在工業(yè)中的實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)，給出了中頻爐諧波的補(bǔ)償辦法。

圖1為中頻爐的一般接線圖，中頻電源首先將電網(wǎng)提供的50 Hz 交流電流經(jīng)橋式整流電路輸出為直流，經(jīng)濾波后，由晶閘管整流逆變器產(chǎn)生中頻(500～ 10 000 Hz)電流，送到中頻爐體線圈上，爐體(線圈)
中間產(chǎn)生中頻交變磁場(chǎng)，從而使中頻電爐爐體內(nèi)的金屬產(chǎn)生渦流，渦流再使金屬產(chǎn)生大量的熱能使得金屬熔化，這樣的加熱方式比工頻加熱效率要高30% 以上。

中頻爐注入電網(wǎng)的諧波主要是由于中頻電源的整流裝置產(chǎn)生的，工業(yè)應(yīng)用中常見(jiàn)的中頻電源整流部分為三相橋式整流電路。由以下分析知，三相橋式整流電路產(chǎn)生的諧波次數(shù)為 6k ± 1(k 為正整數(shù)) 次。為了減少諧波次數(shù)，本文中的整流部分采用了由兩個(gè)三相橋式電路構(gòu)成12相整流電路。假設(shè)交流側(cè)電抗為零，而直流電感 Ld 視為無(wú)窮大。橋Ⅰ的閥側(cè)線電流與其感應(yīng)的網(wǎng)側(cè)線電流相同，即iIA＝iIa，且電流中僅含6k±1(k為正整數(shù))次諧波，各次諧波的有效值和諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。同理，橋Ⅱ 閥側(cè)線電壓比橋Ⅰ超前 30°，因而其閥側(cè)線電流比橋Ⅰ超前 30°。兩個(gè)整流橋產(chǎn)生的5、7、11、19、…次諧波相互抵消，注入電網(wǎng)的只有12k±1(k為正整數(shù))次諧波，且有效值與諧波次數(shù)成反比，而與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)，波形與頻譜如圖 2 所示

中頻爐諧波的補(bǔ)償可以通過(guò)安裝濾波器來(lái)治理。根據(jù)濾波器結(jié)構(gòu)和原理，可將其分為有源濾波和無(wú) 源濾波兩種方式。有源濾波器(APF)本身也是一種電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，然后產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流與電網(wǎng)提供的電流疊加，從而使注入電網(wǎng)的總的電流只含基波分量。無(wú)源濾波器( PPF)是由電容器、電抗器和電阻通過(guò)串并聯(lián)結(jié) 合組成的一種補(bǔ)償裝置，其基本原理是通過(guò)電容電抗諧振時(shí)的低阻抗特性來(lái)吸收諧波，從而達(dá)到濾波的目的。有源濾波器的濾波效果要優(yōu)于無(wú)源濾波器，適用于諧波成分復(fù)雜，諧波量變化較大的環(huán)境使用，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，維護(hù)成本也比較高。無(wú)源濾波器具有投資少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，同時(shí)還兼有無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩５珵V波效果受系統(tǒng)和負(fù)荷變化的影響較大，可能在一些情況下還會(huì)引起諧波電流放大。由于中頻爐諧波電流產(chǎn)生的特點(diǎn)，本文采用了無(wú)源濾波器對(duì)中頻電爐其整流裝置的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，如圖3所示，補(bǔ)償后的波形與頻譜如圖 4 所示

文中所述的中頻電爐諧波補(bǔ)償方法在某鋼廠第一鑄造車間 GW －1.5 － 1/750 中頻爐上進(jìn)行了試驗(yàn)研究。該車間采用三相三線供電系統(tǒng)，負(fù)載為額定功率 750 kW，額定頻率500～1 000 Hz，額定容量1.5 t的中頻爐，諧波監(jiān)測(cè)儀使用Fluke 434。中頻電爐系統(tǒng)的電氣接線圖如圖 1 所示。圖 5 給出了第一鑄造車間網(wǎng)側(cè) A 相電流諧波補(bǔ) 償前后的實(shí)測(cè)波形，補(bǔ)償前 A 相電流總畸變率 THD ＝ 14.67%，補(bǔ)償后 THD ＝ 1.20%。

下表給出了中頻電爐部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，表中數(shù)據(jù)很清楚地表明，采用該補(bǔ)償方法能夠很好抑制網(wǎng)側(cè)電流的諧波。

該新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不改變功率的同時(shí)，降低了中頻電爐設(shè)備諧波補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)開(kāi)銷，簡(jiǎn)化了諧波補(bǔ)償設(shè)備設(shè) 計(jì)的過(guò)程，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)工業(yè)中頻爐諧波治理的推廣有著廣泛的意義

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