李峻峰
(江西銅業(yè)集團公司貴溪冶煉廠,江西貴溪 335424)
貴溪冶煉廠一車間金銀冶煉工序采用了2臺160KW中頻爐對粗銀粉進行冶煉,澆鑄出銀陽極板供銀電解使用。由于中頻電爐的電力電子整流的工作性質,造成該電力系統(tǒng)中含有較大的諧波電流[1-2],本文主要對中頻爐供電系統(tǒng)的諧波含量情況進行描述,并使用有源電力濾波器APF對中頻爐供電系統(tǒng)進行諧波治理的效果進行分析。
中頻爐全名為中頻電源加熱爐,由(中頻)電源和感應加熱爐組成,見圖1。電源包括整流器、逆變器。整流器是將輸入的工頻交流電轉換為直流,而逆變器則是將直流電轉換為加熱所需頻率的單相交流電。電爐部分是連接逆變電路的負載線圈電路,根據電感性線圈并聯(lián)或串聯(lián)電容的形式而分為兩種基本的電源形式、電流反饋型并聯(lián)逆變和電壓反饋串聯(lián)逆變,由此產生諧振來加熱工件。
中頻電源的輸入級一般分為二極管整流和晶閘管整流兩種。對于小功率的中頻爐輸入級常采用二極管整流方案,中大功率的中頻爐一般采用晶閘管整流,可控性能更好,但是由于晶閘管整流方式注入系統(tǒng)的諧波電流較大,并且工作過程中無功功率也較二極管整流方式大很多,所以容量較大的中頻電爐一般使用6相12脈波整流方式來減小注入系統(tǒng)的諧波電流。通過圖2、3可以看出設備輸出功率在額定滿功率的80~100%時功率因數最大。
圖1 中頻電爐供電系統(tǒng)圖
圖2 12脈波整流方式對應各種負載率情況下的功率因數
貴溪冶煉廠一車間粗銀粉冶煉生產線使用了兩臺功率為160 KW的中頻加熱電爐,使用晶閘管作為整流及逆變元件。通過對中頻爐供電的3#變壓器(簡稱爐變)供電系統(tǒng)進行電能質量測試,見圖4、5、6(注:黑色為總諧波畸變率、紅色為5次諧波畸變率、綠色為7次諧波畸變率):發(fā)現(xiàn)在正常工作狀態(tài)(滿功率運行)下,系統(tǒng)諧波電流畸變數據高達22%左右,而且隨著負載的波動有所波動。
圖3 12脈波整流方式電路拓撲圖
圖4 爐變A相電流諧波數據變化趨勢圖
圖5 爐變B相電流諧波數據變化趨勢圖
圖6 爐變C相電流諧波數據變化趨勢圖
由于中頻加熱電爐采用電感線圈并聯(lián)電容的形式,在有的爐況下,直流阻抗配合比較小,整流器直流輸出電壓不一定是最大輸出電壓,這時候功率因數也可能只有0.8~0.9。圖7是3#爐變總進線功率因數變化趨勢,電力參數隨著工況有所波動,但基本持續(xù)在0.9以上,最低情況為0.88,但是持續(xù)時間較短:
圖7 爐變低壓總進線功率因數變化趨勢圖
所以爐變的電能質量綜合治理主要集中在如何高效地進行系統(tǒng)的諧波治理上[3],而功率因數的補償可以預留部分容量,根據系統(tǒng)的功率因數實時跟蹤補償,達到功率因數大于0.95、諧波含量小于GB/T14549-93的補償目標要求。
(1)無功功率分析
金銀車間3#變容量為1250kVA,目前功率因數0.91,系統(tǒng)電流900A左右,考慮到最大負載情況,目標功率因數為0.95以上,系統(tǒng)所需無功為:
=40KVAR,考慮一定的余量取100A;
(2)諧波電流分析
金銀車間3#變諧波畸變率為20%,系統(tǒng)最大電流約900A左右,則需要的諧波治理容量為:900A×20%=180A,取200A。
圖8 有源電力濾波器消除諧波電流示意圖
經過詳細的電能質量測試與評估,采用一臺400V/300A APF對系統(tǒng)的無功和諧波進行動態(tài)跟蹤補償和濾除,主動力電纜接入低壓總進線柜[4]。該設備的原理見圖8,其工作原理是對生產過程中的電流進行監(jiān)控采樣,然后通過設備內部的運算發(fā)出與電爐生產過程產生的諧波方向相反、大小相等的補償電流,達到功率因數補償和諧波綜合治理的功能[5]:
圖9、10是有源電力濾波器在現(xiàn)場安裝投入運行后,3#爐變的低壓總進線的諧波電流從17.2%降低到4.1%的可以忽略的水平[6]。
圖11、12是有源電力濾波器在現(xiàn)場安裝投入運行后,系統(tǒng)功率因數從0.88提升到0.95左右。
圖9 有源電力濾波器補償前(左)后(右)的系統(tǒng)電流畸變率數據
圖10 補償前后設備人機界面上的電流畸變率數據
圖11 有源電力濾波器補償前(左)后(右)的系統(tǒng)功率因數數據
圖12 補償前后設備人機界面上的主要電力參數對比數據
大量的諧波注入電網系統(tǒng)中,會造成系統(tǒng)損耗增大、設備容量浪費、設備壽命縮減等影響,所以對高諧波供電系統(tǒng)進行諧波綜合治理具有重要意義。一車間3#爐變主要負載中頻爐是典型的非線性負載,在工作過程中負載變化劇烈,諧波電流和無功功率均具有快速變化的特性。通過投入APF進行電能綜合治理實踐,使一車間3#爐變的功率因數補償和諧波治理的參數指標均達到并優(yōu)于相關行業(yè)標準要求,達到了治理的目的。
[1]王兆安等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業(yè)出版社.2006:64-67.
[2]李宗,劉中元,周勇.剖析中頻爐注入電網的諧波[J].電氣應用,2011,30(8):22-24.
[3]徐斌.淺談高功率因數中頻爐的諧波治理[J].安徽電力,2008,25(1):27-29.
[4]龍紹清.電能質量·濾波補償·節(jié)能降耗[J].PQ電能質量,2013(8):50-55.
[5]李德武,齊延章.中頻感應電爐產生的諧波及諧波治理[J].華北電力技術,2010(6):16-20,30.
[6]能源部電力科學研究院.GB/T 14549-93電能質量,公用電網諧波[S].北京:中國標準出版社,1994.