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中頻爐諧波補償與改進方法
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廠家：中頻爐諧波補償與改進方法 日期：：2020-02-05 瀏覽次數(shù)： 132
采用 LC 雙調諧濾波器與高通濾波器相結合的方法對諧波進行了補償。經(jīng)過補償后，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量公用電網(wǎng)諧波國 標 GB/T14549 － 1993 的要求。
近年來，隨著工業(yè)化進程的不斷加快，電力電 子器件等非線性電子產(chǎn)品廣泛地應用于工業(yè)控制領 域，但由此帶來電力系統(tǒng)的諧波污染日益嚴重。中頻感應加熱設備(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變?yōu)閱?相中頻交流電。整流變頻裝置是中頻爐的核心設 備，但是其產(chǎn)生的諧波會給電網(wǎng)的用電設備造成很 大的危害?？墒闺妱訖C產(chǎn)生附加功率損耗和發(fā)熱， 對繼電保護、自動控制裝置等產(chǎn)生干擾，嚴重時會 引起誤動作，諧波還有可能在無功補償電容器回路 被放大，從而導致電容器過負荷甚至損壞。因此 ， 大功率中頻爐的諧波問題不可忽視。目前，相關文 獻對中頻爐諧波的分析僅限于諧波實測分析或測 試，理論分析還不夠深入。鑒于這種情況，本文將 利用 MATLAB/Simulink 分析方法并結合諧波電流 的特點以及在工業(yè)中的實際運行試驗，給出了中頻爐諧波的補償辦法。
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，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)應用中常見的中頻電源整流 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 由兩個三相橋式電路構成12相整流電路。假設交流 側電抗為零，而直流電感 Ld 視為無窮大。 橋Ⅰ的閥側線電流與其感應的網(wǎng)側線電流相 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 閥側線電壓比橋Ⅰ超前 30°，因而其閥側線電流比 橋Ⅰ超前 30°。 兩個整流橋產(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
中頻爐諧波的補償可以通過安裝濾波器來治理。 根據(jù)濾波器結構和原理，可將其分為有源濾波和無 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，它能對大小和頻率都變化的諧波以及 變化的無功進行補償。其基本原理是從補償對象中 檢測出諧波電流，然后產(chǎn)生一個與諧波電流大小相等而極性相反的補償電流與電網(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。無源濾 波器( PPF)是由電容器、電抗器和電阻通過串并聯(lián)結 合組成的一種補償裝置，其基本原理是通過電容電 抗諧振時的低阻抗特性來吸收諧波，從而達到濾波 的目的。有源濾波器的濾波效果要優(yōu)于無源濾波器， 適用于諧波成分復雜，諧波量變化較大的環(huán)境使用， 但其結構復雜，價格昂貴，維護成本也比較高。無源 濾波器具有投資少，結構簡單的特點，同時還兼有 無功補償?shù)淖饔?。但濾波效果受系統(tǒng)和負荷變化的影響較大，可能在一些情況下還會引起諧波電流放 大。由于中頻爐諧波電流產(chǎn)生的特點，本文采用了 無源濾波器對中頻電爐其整流裝置的諧波進行補償，如圖3所 示，補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償方法在某鋼廠第一鑄造車 間 GW －1.5 － 1/750 中頻爐上進行了試驗研究。該 車間采用三相三線供電系統(tǒng)，負載為額定功率 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 A 相電流諧波補 償前后的實測波形，補償前 A 相電流總畸變率 THD ＝ 14.67%，補償后 THD ＝ 1.20%。
下表給出了中頻電爐部分實測數(shù)據(jù)，表中數(shù)據(jù)很清楚地表 明，采用該補償方法能夠很好抑制網(wǎng)側電流的諧波。
該新型拓撲結構在不改變功率的同時，降低了 中頻電爐設備諧波補償?shù)慕?jīng)濟開銷，簡化了諧波補償設備設 計的過程，提高了生產(chǎn)效率，對工業(yè)中頻爐諧波治 理的推廣有著廣泛的意義
近年來，隨著工業(yè)化進程的不斷加快，電力電 子器件等非線性電子產(chǎn)品廣泛地應用于工業(yè)控制領 域，但由此帶來電力系統(tǒng)的諧波污染日益嚴重。中頻感應加熱設備(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變?yōu)閱?相中頻交流電。整流變頻裝置是中頻爐的核心設 備，但是其產(chǎn)生的諧波會給電網(wǎng)的用電設備造成很 大的危害?？墒闺妱訖C產(chǎn)生附加功率損耗和發(fā)熱， 對繼電保護、自動控制裝置等產(chǎn)生干擾，嚴重時會 引起誤動作，諧波還有可能在無功補償電容器回路 被放大，從而導致電容器過負荷甚至損壞。因此 ， 大功率中頻爐的諧波問題不可忽視。目前，相關文 獻對中頻爐諧波的分析僅限于諧波實測分析或測 試，理論分析還不夠深入。鑒于這種情況，本文將 利用 MATLAB/Simulink 分析方法并結合諧波電流 的特點以及在工業(yè)中的實際運行試驗，給出了中頻爐諧波的補償辦法。
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，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)應用中常見的中頻電源整流 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 由兩個三相橋式電路構成12相整流電路。假設交流 側電抗為零，而直流電感 Ld 視為無窮大。 橋Ⅰ的閥側線電流與其感應的網(wǎng)側線電流相 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 閥側線電壓比橋Ⅰ超前 30°，因而其閥側線電流比 橋Ⅰ超前 30°。 兩個整流橋產(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
中頻爐諧波的補償可以通過安裝濾波器來治理。 根據(jù)濾波器結構和原理，可將其分為有源濾波和無 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，它能對大小和頻率都變化的諧波以及 變化的無功進行補償。其基本原理是從補償對象中 檢測出諧波電流，然后產(chǎn)生一個與諧波電流大小相等而極性相反的補償電流與電網(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。無源濾 波器( PPF)是由電容器、電抗器和電阻通過串并聯(lián)結 合組成的一種補償裝置，其基本原理是通過電容電 抗諧振時的低阻抗特性來吸收諧波，從而達到濾波 的目的。有源濾波器的濾波效果要優(yōu)于無源濾波器， 適用于諧波成分復雜，諧波量變化較大的環(huán)境使用， 但其結構復雜，價格昂貴，維護成本也比較高。無源 濾波器具有投資少，結構簡單的特點，同時還兼有 無功補償?shù)淖饔?。但濾波效果受系統(tǒng)和負荷變化的影響較大，可能在一些情況下還會引起諧波電流放 大。由于中頻爐諧波電流產(chǎn)生的特點，本文采用了 無源濾波器對中頻電爐其整流裝置的諧波進行補償，如圖3所 示，補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償方法在某鋼廠第一鑄造車 間 GW －1.5 － 1/750 中頻爐上進行了試驗研究。該 車間采用三相三線供電系統(tǒng)，負載為額定功率 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 A 相電流諧波補 償前后的實測波形，補償前 A 相電流總畸變率 THD ＝ 14.67%，補償后 THD ＝ 1.20%。
下表給出了中頻電爐部分實測數(shù)據(jù)，表中數(shù)據(jù)很清楚地表 明，采用該補償方法能夠很好抑制網(wǎng)側電流的諧波。
該新型拓撲結構在不改變功率的同時，降低了 中頻電爐設備諧波補償?shù)慕?jīng)濟開銷，簡化了諧波補償設備設 計的過程，提高了生產(chǎn)效率，對工業(yè)中頻爐諧波治 理的推廣有著廣泛的意義
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