煙草生產(chǎn)過程中的諧波治理

劉季，閆俊清

（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司黃金葉生產(chǎn)制造中心，鄭州450016）

煙草生產(chǎn)過程中的諧波治理

劉季，閆俊清

（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司黃金葉生產(chǎn)制造中心，鄭州450016）

煙草生產(chǎn)過程中廣泛使用的大功率電子設(shè)備非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波，對電網(wǎng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染。以煙草工業(yè)3級諧波治理體系為研究對象，通過對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的收集與分析，說明諧波產(chǎn)生的原因、危害及抑制辦法。

諧波治理；非線性負(fù)載；無功補(bǔ)償；有源濾波

0 前言

煙草工業(yè)十二五技術(shù)改造已經(jīng)完成，生產(chǎn)設(shè)備趨于系統(tǒng)化、集成化、復(fù)雜化和模塊化。煙草生產(chǎn)過程中非線性負(fù)載產(chǎn)生大量諧波，當(dāng)異常電流進(jìn)入電網(wǎng)系統(tǒng)時造成系統(tǒng)運(yùn)行電壓畸變，增加線路損耗、降低設(shè)備可靠性。供電網(wǎng)絡(luò)的污染，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 諧波產(chǎn)生的原因及危害

1.1 諧波產(chǎn)生的原因

煙草生產(chǎn)廣泛使用的變頻器、伺服控制器等，均是利用半導(dǎo)體器件獨(dú)特的通斷特性，將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置，它們從電網(wǎng)中吸取能量的方式不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網(wǎng)電壓上，使電壓發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。

1.2 諧波的危害

（1）增加供電設(shè)備的額外損耗，使設(shè)備的溫度過熱，降低設(shè)備的使用壽命、利用率和生產(chǎn)效率。當(dāng)諧波頻率位于諧振區(qū)時，輸電線路和電力電纜線路會發(fā)生絕緣而被擊穿。

（2）當(dāng)系統(tǒng)中安裝有補(bǔ)償電容時，諧波電壓加在電容器兩端，容易產(chǎn)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振，使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，造成電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，甚至爆炸。

（3）諧波對工業(yè)設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，輕者會引入噪聲，影響通信的清晰度，重者會造成信號丟失。極端的情況下還會威脅設(shè)備和人員的安全。

（4）電力諧波會使視頻監(jiān)視器、計(jì)算機(jī)圖形發(fā)生畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，甚至損壞機(jī)器。

（5）諧波會引起一些敏感自動化設(shè)備的誤動作，導(dǎo)致測量和計(jì)量儀器的指示不準(zhǔn)確，對整流裝置產(chǎn)生不良影響。

2 諧波現(xiàn)狀

在煙草工業(yè)生產(chǎn)過程中，制絲生產(chǎn)線、卷接包生產(chǎn)線、物流輸送線、能源動力生產(chǎn)線等大量使用了電力電子變流設(shè)備。例如真空回潮機(jī)、切絲機(jī)、卷包除塵等設(shè)備應(yīng)用了變頻技術(shù)；卷包機(jī)組、物流系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用伺服驅(qū)動裝置。在某大型卷煙企業(yè)對2015年設(shè)備故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)中，由諧波造成的設(shè)備故障占故障總量的5%，其中常見問題有精密控制元件誤動作，PLC程序丟失，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中斷，網(wǎng)絡(luò)接口模塊燒毀等。使用Fluke電能質(zhì)量分析儀對卷包車間設(shè)備供電線路進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)見圖1。圖1中顯示卷包供電系統(tǒng)低次諧波的含量高達(dá)27%，電流波形已經(jīng)完全失真，主要為5次、7次、11次、13次和17次諧波。

3 治理方法

3.1 合理配置無源濾波裝置

某卷煙生產(chǎn)企業(yè)45 kW以上變頻驅(qū)動電機(jī)均選配了AHF005無源濾波器，連接低通濾波的電感電容系統(tǒng)，用于消除三相全波變頻負(fù)載特有的5，7，11次等低頻諧波。不需要單個調(diào)節(jié)或按不同的諧波源進(jìn)行移相，能夠滿足滿載時的最大諧波電流畸變＜5%。由于無源濾波器只對某一頻率的諧波成低阻抗，可使大部分該頻率的諧波流入無源濾波器，可消除占諧波含量24%的5次諧波。1臺AHF005可對應(yīng)多臺變頻器并聯(lián)使用，合理配置可在治理諧波的同時降低設(shè)備費(fèi)用。AHF005無源濾波器工作原理如圖2所示。

3.2 合理配置有源濾波器

在煙草生產(chǎn)過程中，設(shè)備供電回路配電側(cè)配置RST系列有源濾波器（簡稱APF），主要由進(jìn)線負(fù)荷開關(guān)、快速熔斷器、漣波電流濾波模組、緩激活電磁接觸器組、高頻電感電容器組、IGBT電能轉(zhuǎn)換器、直流電容器組等單元組成。該設(shè)備具有全濾波工作模式，A，B，C三相諧波治理能力為200 A；N相諧波治理能力600 A；系統(tǒng)整體響應(yīng)時間＜1 ms；IGBT開關(guān)斬波頻率為20 kHz。設(shè)備自帶保護(hù)功能及液晶顯示器，并采用Modbus RTU通訊規(guī)約，提供開放的通訊接口。有源濾波器工作原理如圖3所示，其中Is為電源側(cè)總電流，Ic為APF產(chǎn)生的諧波補(bǔ)償電流，IL為非線性負(fù)載電流。有源濾波器通過檢測IL瞬間電流值，由變流器產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電流與負(fù)載中的諧波成分相互抵消，使電源側(cè)獲得僅含有50 Hz正弦波電流。

圖1 卷包供電系統(tǒng)諧波測量圖

圖2 AHF005工作原理圖

圖3 有源濾波器工作原理

3.3 新型無功補(bǔ)償設(shè)備的應(yīng)用

無功補(bǔ)償通常用來提升系統(tǒng)的功率因數(shù)，在煙草企業(yè)生產(chǎn)過程中配電系統(tǒng)采用了LSVG動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，既具有諧波濾波的效果，又兼顧無功功率補(bǔ)償?shù)木龋焖偻肚许憫?yīng)保證對沖擊負(fù)荷進(jìn)行快速跟蹤，可大幅度降低電壓的波動，解決低壓供電系統(tǒng)功率因數(shù)低、諧波污染大、電壓波動大等問題。當(dāng)電路處于線性電阻狀態(tài)時，裝置處于空載運(yùn)行模式，不參與電網(wǎng)工作；當(dāng)處于感性特性時，裝置提供容性無功電流，當(dāng)處于容性特性時，裝置提供感性無功電流。LSVG補(bǔ)償容感性負(fù)載時可達(dá)到0.99級補(bǔ)償效果，避免了過補(bǔ)和欠補(bǔ)的情況；并且可動態(tài)雙向（-1～1）連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。整套設(shè)備采用有源型補(bǔ)償電路，補(bǔ)償容量受系統(tǒng)系統(tǒng)電壓影響很小，系統(tǒng)整體響應(yīng)時間＜5 ms，適合快速變化的場合。此外，還兼容RS232/USB，RS485/RS422，以太網(wǎng)等通訊方式，為系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)采集提供了便利條件。

4 治理效果

三級諧波治理體系架構(gòu)投入使用后，電能質(zhì)量測量的結(jié)果如圖4所示，電壓和電流波形的畸變明顯減少，接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，系統(tǒng)中主要的5次、7次、11次、13次、17次諧波含量大幅減少，諧波基本都得到消除，電流畸變率由27%下降到5%。

5 結(jié)語

諧波已成為煙草工業(yè)生產(chǎn)過程中電能質(zhì)量的突出問題，三級諧波治理體系構(gòu)架的使用，有效地補(bǔ)償了系統(tǒng)中大多數(shù)諧波電流，凈化電網(wǎng)環(huán)境，為配電網(wǎng)絡(luò)中的各個負(fù)載提供理想的電源支持，顯著提高用電設(shè)備工作可靠性；原有系統(tǒng)中諧波電流被基本補(bǔ)償完畢，不會再引起供電回路的無謂熱損耗；諧波電流不再回流到配電端的變壓器中，減少諧波電流在變壓器中的渦流損耗，減少變壓器的發(fā)熱和噪聲，有效提高變壓器的實(shí)際使用容量。

圖4 諧波治理后卷包供電系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測

［1］王兆安.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］姜齊榮，趙東元.有源電力濾波器-結(jié)構(gòu)·原理·控制[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

［3］陳建業(yè).工業(yè)企業(yè)電能質(zhì)量控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

〔編輯李波〕

TM714

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.36