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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： 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。經過補償后，該中頻爐的整流裝置向電網注入的諧波含量滿足了電能質量公用電網諧波國 標 GB/T14549 － 1993 的要求。
近年來，隨著工業化進程的不斷加快，電力電 子器件等非線性電子產品廣泛地應用于工業控制領 域，但由此帶來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為單 相中頻交流電。整流變頻裝置是中頻爐的核心設 備，但是其產生的諧波會給電網的用電設備造成很 大的危害。可使電動機產生附加功率損耗和發熱， 對繼電保護、自動控制裝置等產生干擾，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 網提供的50 Hz 交流電流經橋式整流電路輸出為直 流，經濾波后，由晶閘管整流逆變器產生中頻(500～ 10 000 Hz)電流，送到中頻爐體線圈上，爐體(線圈)
中間產生中頻交變磁場，從而使中頻電爐爐體內的金屬產生渦 流，渦流再使金屬產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。
中頻爐注入電網的諧波主要是由于中頻電源的 整流裝置產生的，工業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側線電流相 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°。 兩個整流橋產生的5、7、11、19、…次諧波相 互抵消，注入電網的只有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安裝濾波器來治理。 根據濾波器結構和原理，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提供的電流疊加， 從而使注入電網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于無源濾波器， 適用于諧波成分復雜，諧波量變化較大的環境使用， 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引起諧波電流放 大。由于中頻爐諧波電流產生的特點，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，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圖如圖 1 所示。 圖 5 給出了第一鑄造車間網側 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的經濟開銷，簡化了諧波補償設備設 計的過程，提高了生產效率，對工業中頻爐諧波治 理的推廣有著廣泛的意義
近年來，隨著工業化進程的不斷加快，電力電 子器件等非線性電子產品廣泛地應用于工業控制領 域，但由此帶來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為單 相中頻交流電。整流變頻裝置是中頻爐的核心設 備，但是其產生的諧波會給電網的用電設備造成很 大的危害。可使電動機產生附加功率損耗和發熱， 對繼電保護、自動控制裝置等產生干擾，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 網提供的50 Hz 交流電流經橋式整流電路輸出為直 流，經濾波后，由晶閘管整流逆變器產生中頻(500～ 10 000 Hz)電流，送到中頻爐體線圈上，爐體(線圈)
中間產生中頻交變磁場，從而使中頻電爐爐體內的金屬產生渦 流，渦流再使金屬產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。
中頻爐注入電網的諧波主要是由于中頻電源的 整流裝置產生的，工業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側線電流相 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°。 兩個整流橋產生的5、7、11、19、…次諧波相 互抵消，注入電網的只有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安裝濾波器來治理。 根據濾波器結構和原理，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提供的電流疊加， 從而使注入電網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于無源濾波器， 適用于諧波成分復雜，諧波量變化較大的環境使用， 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引起諧波電流放 大。由于中頻爐諧波電流產生的特點，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，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圖如圖 1 所示。 圖 5 給出了第一鑄造車間網側 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的經濟開銷，簡化了諧波補償設備設 計的過程，提高了生產效率，對工業中頻爐諧波治 理的推廣有著廣泛的意義
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