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中頻爐諧波補償與改進(jìn)方法
您的位置： 中頻爐|感應加熱|熔鋼爐|熔鋁爐|熔銅爐|熔鉛爐|洛陽(yáng)萬(wàn)峰工業(yè)爐有限公司-技術(shù)支持中頻爐諧波補償與改進(jìn)方法
廠(chǎng)家：中頻爐諧波補償與改進(jìn)方法 日期：：2020-02-05 瀏覽次數： 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(jìn)行了補償。經(jīng)過(guò)補償后，該中頻爐的整流裝置向電網(wǎng)注入的諧波含量滿(mǎn)足了電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波國 標 GB/T14549 － 1993 的要求。
近年來(lái)，隨著(zhù)工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，電力電 子器件等非線(xiàn)性電子產(chǎn)品廣泛地應用于工業(yè)控制領(lǐng) 域，但由此帶來(lái)電力系統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(huì )給電網(wǎng)的用電設備造成很 大的危害?？墒闺妱?dòng)機產(chǎn)生附加功率損耗和發(fā)熱， 對繼電保護、自動(dòng)控制裝置等產(chǎn)生干擾，嚴重時(shí)會(huì ) 引起誤動(dòng)作，諧波還有可能在無(wú)功補償電容器回路 被放大，從而導致電容器過(guò)負荷甚至損壞。因此 ， 大功率中頻爐的諧波問(wèn)題不可忽視。目前，相關(guān)文 獻對中頻爐諧波的分析僅限于諧波實(shí)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(diǎn)以及在工業(yè)中的實(shí)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(xiàn)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(xiàn)圈上，爐體(線(xiàn)圈)
中間產(chǎn)生中頻交變磁場(chǎng)，從而使中頻電爐爐體內的金屬產(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(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)生的諧波次數為 6k ± 1(k 為正整數) 次。為了減少諧波次數，本文中的整流部分采用了 由兩個(gè)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(wú)窮大。 橋Ⅰ的閥側線(xiàn)電流與其感應的網(wǎng)側線(xiàn)電流相 同，即iIA＝iIa，且電流中僅含6k±1(k為正整數)次 諧波，各次諧波的有效值和諧波次數成反比，且與 基波有效值的比值為諧波次數的倒數。同理，橋Ⅱ 閥側線(xiàn)電壓比橋Ⅰ超前 30°，因而其閥側線(xiàn)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)次諧波， 且有效值與諧波次數成反比，而與基波有效值的比 值為諧波次數的倒數，波形與頻譜如圖 2 所示
中頻爐諧波的補償可以通過(guò)安裝濾波器來(lái)治理。 根據濾波器結構和原理，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，它能對大小和頻率都變化的諧波以及 變化的無(wú)功進(jìn)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(gè)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(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 合組成的一種補償裝置，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， 適用于諧波成分復雜，諧波量變化較大的環(huán)境使用， 但其結構復雜，價(jià)格昂貴，維護成本也比較高。無(wú)源 濾波器具有投資少，結構簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，同時(shí)還兼有 無(wú)功補償的作用。但濾波效果受系統和負荷變化的影響較大，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)源濾波器對中頻電爐其整流裝置的諧波進(jìn)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(chǎng)第一鑄造車(chē) 間 GW －1.5 － 1/750 中頻爐上進(jìn)行了試驗研究。該 車(chē)間采用三相三線(xiàn)供電系統，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，諧波監測儀使用Fluke 434。中頻電爐系統的電氣接線(xiàn)圖如圖 1 所示。 圖 5 給出了第一鑄造車(chē)間網(wǎng)側 A 相電流諧波補 償前后的實(shí)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(shí)測數據，表中數據很清楚地表 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(shí)，降低了 中頻電爐設備諧波補償的經(jīng)濟開(kāi)銷(xiāo)，簡(jiǎn)化了諧波補償設備設 計的過(guò)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(zhù)廣泛的意義
近年來(lái)，隨著(zhù)工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，電力電 子器件等非線(xiàn)性電子產(chǎn)品廣泛地應用于工業(yè)控制領(lǐng) 域，但由此帶來(lái)電力系統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(huì )給電網(wǎng)的用電設備造成很 大的危害?？墒闺妱?dòng)機產(chǎn)生附加功率損耗和發(fā)熱， 對繼電保護、自動(dòng)控制裝置等產(chǎn)生干擾，嚴重時(shí)會(huì ) 引起誤動(dòng)作，諧波還有可能在無(wú)功補償電容器回路 被放大，從而導致電容器過(guò)負荷甚至損壞。因此 ， 大功率中頻爐的諧波問(wèn)題不可忽視。目前，相關(guān)文 獻對中頻爐諧波的分析僅限于諧波實(shí)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(diǎn)以及在工業(yè)中的實(shí)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(xiàn)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(xiàn)圈上，爐體(線(xiàn)圈)
中間產(chǎn)生中頻交變磁場(chǎng)，從而使中頻電爐爐體內的金屬產(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(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)生的諧波次數為 6k ± 1(k 為正整數) 次。為了減少諧波次數，本文中的整流部分采用了 由兩個(gè)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(wú)窮大。 橋Ⅰ的閥側線(xiàn)電流與其感應的網(wǎng)側線(xiàn)電流相 同，即iIA＝iIa，且電流中僅含6k±1(k為正整數)次 諧波，各次諧波的有效值和諧波次數成反比，且與 基波有效值的比值為諧波次數的倒數。同理，橋Ⅱ 閥側線(xiàn)電壓比橋Ⅰ超前 30°，因而其閥側線(xiàn)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)次諧波， 且有效值與諧波次數成反比，而與基波有效值的比 值為諧波次數的倒數，波形與頻譜如圖 2 所示
中頻爐諧波的補償可以通過(guò)安裝濾波器來(lái)治理。 根據濾波器結構和原理，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，它能對大小和頻率都變化的諧波以及 變化的無(wú)功進(jìn)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(gè)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(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 合組成的一種補償裝置，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， 適用于諧波成分復雜，諧波量變化較大的環(huán)境使用， 但其結構復雜，價(jià)格昂貴，維護成本也比較高。無(wú)源 濾波器具有投資少，結構簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，同時(shí)還兼有 無(wú)功補償的作用。但濾波效果受系統和負荷變化的影響較大，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)源濾波器對中頻電爐其整流裝置的諧波進(jìn)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(chǎng)第一鑄造車(chē) 間 GW －1.5 － 1/750 中頻爐上進(jìn)行了試驗研究。該 車(chē)間采用三相三線(xiàn)供電系統，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，諧波監測儀使用Fluke 434。中頻電爐系統的電氣接線(xiàn)圖如圖 1 所示。 圖 5 給出了第一鑄造車(chē)間網(wǎng)側 A 相電流諧波補 償前后的實(shí)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(shí)測數據，表中數據很清楚地表 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(shí)，降低了 中頻電爐設備諧波補償的經(jīng)濟開(kāi)銷(xiāo)，簡(jiǎn)化了諧波補償設備設 計的過(guò)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(zhù)廣泛的意義
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