中頻爐諧波分析
濾波補償裝置在中頻爐的應用
用戶情況介紹
山東某鑄造公司主要設備為中頻電爐，中頻電爐屬于典型諧波源，產生大量諧波，造成補償電容器無法正常投入運行，功率因數達不到供電要求的0.9以上，每月產生無功罰款1.2萬元左右，變壓器溫度在夏季達75度，造成電能浪費，壽命縮短。
一、中頻電爐概述
中頻電爐鑄造車間以0.66kV電壓供電，其主要負荷為6脈動整流中頻爐，整流設備在工作中在把交流變為直流的同時產生大量的諧波，屬典型諧波源；諧波電流注入電網，在電網阻抗上產生諧波電壓，引起電網電壓電流畸變，影響供電質量及運行安全，使線路損耗及電壓偏移增加，對電網和工廠本身電氣設備均會產生不良的影響。
1、中頻原理
三相橋式全波整流電路將工頻50HZ整流成脈動的直流電，可以調節的直流電壓Ud,來調節負載電流。LD為濾波電抗，是把工頻和中頻網絡隔開，并把直流電流濾成平化的波形。逆變電路是8只晶閘管組成單相橋式逆變電路，它將直流電流逆變為交流中頻電流，并將它送入負載。負載電路是爐圈與電熱電容組成并聯諧振。逆變電路的輸出頻率受負載電路振蕩頻率控制，工作在略高于負載振蕩頻率。
并聯變頻電路對負載的適應能力特別強，是當前應用廣泛的一種電路，主要是用作中頻熔煉和透熱的電源。
特征諧波分析
1） 中頻爐的整流裝置為6脈動可控整流；
2） 整流裝置所產生的諧波為6K+1次奇次諧波，采用傅立葉級數對電流進行分解變換，可知電流波形含有6K±1次高次諧波，根據對中頻爐的測試數據，其諧波電流含有量見下表：
6脈動橋式換流器諧波電流含有量：（In/I1）
諧波次數
5
7
11
13
17
19
23
25
諧波含量
0.23
0.11
0.08
0.07
0.02
0.01
0.007
0.006
中頻爐在工作過程中，產生大量的諧波，針對中頻爐的測試及計算結果，特征諧波主要以5次為，7次，11次，13次諧波電流比較大，電壓電流畸變嚴重。
二、基礎數據及系統圖
1、中頻爐參數：中頻爐由一臺變壓器獨立供電，容量為2噸，視在功率S2000KVA，有功功率為P1800KW，無功功率為Q1020KAR，功率因數為PF0.87，供電電壓U660V，工作電流I1750A。
2、變壓器參數：變壓器型號為S11-2500KVA，電壓為10000V/660V，額定電流為I2186A。
3、實際運行參數：視在功率S700KVA-2200KVA，有功功率為P600KW-2000KW，無功功率為Q550KAR-1150KAR，功率因數為PF0.6-0.93，工作電流I430A-1924A
4、供電系統圖：
三、濾波補償裝置設計依據
1、根據電能質量 公用電網諧波 GB/T14519-1993
2、根據電能質量 電壓波動和閃變 GB12326-2000
3、根據供電系統阻抗和相關參數
4、根據現場測量結果及仿真計算
四、治理方案
1、 治理目標
根據企業實際情況，我公司針對中頻爐諧波治理設計了整套濾波方案，綜合考慮負荷功率因數、諧波吸收需要和背景諧波，在企業變壓器2500KVA 0.66KV低壓側安裝一套諧波濾波裝置對諧波進行治理。
濾波裝置諧波電流的設計滿足GB/T14549-93《電能質量 公用電網諧波》的管理規定。
l 在0.66KV系統運行方式下，濾波設備投運后，濾波器吸收點處某次諧波的幅值及含有量都有大幅度下降，功率因數0.95以上。
l 不因為投入濾波裝置而引起某次諧波的諧振或諧振過電壓、過電流。
2、方案確定
由于中頻爐在工作過程中諧波較大，如5次諧波達到了基波電流的21.5%，對電網、設備本身和其它用戶都造成了不同程度的影響。另外，考慮設備的功率因數特點，在設計時要做到諧波消除補償無功提高功率因數等。
針對設備的特性本方案采用濾波兼無功補償的方式，它的主要作用：改善供電系統的穩定性；抑制諧波電流以減少諧波造成的危害。
中頻爐工作過程可分為初加熱過程和正常工作過程，初加熱過程持續時間短，但高次諧波比較豐富，設計時要考慮各濾波支路不會對高次諧波放大，而在整個過程中正常工作占大部分時間，其中正常工作過程時電流大，諧波含量大。從測試數據看主要諧波成分是5次 、7次、11次、13次其中以5次諧波為，電壓畸變嚴重。綜上因素考慮濾波裝置設計5次、7次、11次三條LC濾波支路，吸收5、7、11次及以上次數的諧波。方案采用仿真法對各回路投入時是否產生非特征頻率的諧振進行分析，并終確定回路的參數。
3、技術特點
l 針對用戶系統諧波無功專門設計制造，消除特性諧波補償無功功率，濾波效果明顯。
l 對于5、7、11次諧波電流吸收率達到75%以上，諧波滿足 GB/T14549-93要求。
l 根據諧波源的特性設定濾波器的投切方式和控制策略。
l 檢測系統情況，按照負荷的無功電流、諧波電流進行實現跟蹤。
使受電功率因數提高到0.95以上，降低配電網的線損、增加配電變壓器的承載效率。
l 補償過程中電網電壓波動滿足GB/12326-90要求，即：滿負荷到輕負荷補償變化引起的一次側電壓波動≤2.5%。
l 裝置保護措施：過電壓保護、過電流保護、欠電壓保護、接地保護、 過熱保護。
l 系統不產生無線電（射頻）電磁干擾。
l 運行方式：全自動，連續工作。
l 供電系統及濾波原理圖：
五、治理效果
六、結論
1、濾波補償裝置投入運行，自動跟蹤中頻爐的各種負載設備變化，使各次諧波得到有效濾除。
2、未治理前電壓總畸變率THD嚴重超出5%的限值要求。經治理, 電壓總畸變率THD從原來的15.6%,降止3.4%,各次諧波都符合GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》標準要求。
3、經治理諧波電流都得到有效改善，未投入5、7、11次的諧波電流都嚴重超標，投入后超標的各次諧波電流吸收率都大于80%以上，符合設備設計要求。如5次諧波電流從356A,降止35A左右 7次諧波電流從182A,降止30A左右， 11次諧波電流從119A,降止18A左右，注入公共點的各次諧波電流均符合GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》要求。
4、濾波裝置投入后系統的功率因數得到大幅提高，供電系統0.66KV側從原來的0.87左右提到0.95以上,有功功率、視在功率、無功功率都得到節省，有效降低用電設備和供電線路的損耗。
5、諧波治理后變壓器溫度由原來的75度降低到50度，節省了大量電能，變壓器使用壽命延長。
6、通過治后有效改善了中頻爐的供電電能質量，提高了中頻電源的利用率，有利于系統長期安全經濟運行帶來經濟效益的提升。
