有源滤波器在中频炉谐波治理的应用

1、有源滤波器在中频炉谐波治理中的应用有源滤波器在中频炉谐波治理中的应用辽宁东盛安信电能控制技术有限公司2016、11针对中频炉的谐波危害性，应采取有效的措施对其谐波进行治理，确保电网的安全经济运行。本文介绍3种治理方案，并选用有源滤波器对中频炉的谐波进行治理。将有源滤波器，在某铸造公司投入运行，结果表明将有源滤波器应用于6脉冲中频的谐波治理中有很好的谐波治理效果。一、引言 晶闸管中频电源的应用是从1996年瑞士BBC公司研制成功第一台感应熔炼的电源开始的，并得到了广泛的应用，遍及熔炼、透热、种子处理、环保等多个领域。国内晶闸管中频电源已发展成为电力系统中最重要的非线性负荷。由于中频电源装置在实现

2、功率控制和处理的同时，会不可避免地产生非正弦波形，向电力系统注人谐波电流，使公共联结点(PPC)的电压波形严重畸变，给周围电器环境带来极大的污染，会对电网与用户本身产生不利的影响，使电网电能质量严重下降，电能损耗显著上升，被公认为电力系统的一大公害，谐波治理工作尤为重要。为了减少中频炉带来的谐波污染，国内已经采用多脉冲整流技术，研制出了多种中频炉设备，包括6脉冲、12脉冲、24脉冲中频炉等，由于后面两者成本相对较高，因此大多炼钢企业仍旧采用6脉冲中频炉进行金属熔炼，其谐波污染问题仍不能忽视。现阶段对于中频炉谐波的治理方法主要有两种方法:一种是补救性的治理方法，即为克服既存谐波问题所采用的方法；

3、一种是避免中频炉谐波出现的预防性的措施。虽然第二种方法可以从根本上解决日益严重的谐波污染，但对于现已大量使用的中频炉，则只有采用第一种方法补偿其产生的谐波。本文将结合中频炉的工作原理及其谐波治理措施进行讨论，提出利用有源滤波器(Active Power Filter，APF)对6脉冲中频炉工作的不同阶段产生的谐波进行补偿与治理分析。二、中频炉电气原理 中频炉是一种快速稳定的金属加热装置，其核心设备是中频电源。中频炉的电源通常采用AC一DC一AC变换方式，将输人的工频交流电输出为中频交流电，且频率变化不受电网频率的限制，其电路框图如图1所示：图1中，整流电路部分主要作用是把输人的三相工频交流电流

4、转变为直流电流，它包括输人电路、桥式整流电路、滤波电路以及整流控制电路，逆变部分主要作用是把直流电流转换为单相中频交流电流(5010000Hz)，它包括逆变电路、启动电路、负载电路。最终，单相中频交流电流在熔炉的感应线圈中产生中频交变磁场，使熔炉中的炉料产生感应电动势，从而在炉料中产生很大的涡流，致使炉料被加热升温，直至熔化。三、谐波分析 中频电源注人电网的谐波主要是由整流装置产生的，这里以三相6脉冲全控桥式整流电路为例来分析其谐波含量。忽略三相桥式晶闸管整流电路换相过程和电流脉动，假定交流侧电抗为零，直流电感为无穷大，利用傅里叶分析方法，将电流负、正两半波的中点作为时间零点，可推出交流侧a相

5、电流的表达式：式中：Id为整流电路直流侧电流的平均值。 由上式可知，对于6脉冲的中频炉来说，它可产生大量的5次、7次、1次、13次、17次、19次等谐波，可归纳为6k士1(k为正整数)次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。四、中频炉介绍可控硅中频电源是一种将工频电变为中频电的变频器，它把工频交流电经整流后，利用逆变器变换为较高频率的电流，且频率变化范围不受电网频率的限制。中频电源主要分为主电路和控制电路两部分，主电路包括整流电路、逆变电路和负载谐振电路3部分。控制电路是由整流触发、逆变触发、自动调节、稳压电源和保护这5部分组成。五、中频炉电路结构 根据直

6、流储能元件的不同，一般可将中频炉分为电流型中频炉和电压型中频炉。电流型中频炉的储能元件为大电感，而电压型中频炉的储能元件为大电容。两者还存在其他不同，如:电流型中频炉采用晶闸管控制，负载谐振电路为并联谐振，而电压型中频炉采用IGBT来控制，负载谐振电路为串联谐振。其基本结构如图2和图3所示。.六、治理方案 中频炉的大量挂网运行导致了电网谐波污染日益严重，对于中频炉的谐波治理问题的研究已迫在眉睫，受到了学者们的广泛重视。为了使中频炉产生的谐波对公共电网的影响符合设备使用地供电系统的要求，应采取积极有效的治理措施以消除谐波污染，具体治理措施如下： 一是变压器采用Y/Y/接线方式。对于大容量的中频炉

7、，其供电变压器可以采用Y/Y/接线方式，通过改变整流器交流侧的变压器的接线形式来抵消较低次的特征谐波。但成本较高。 二是采用LC无源滤波器，主要结构是用电容器与电抗器串联起来，组成LC串联回路，并联于系统中。这种方法比较传统，既可补偿谐波，又可补偿无功功率，结构简单，一直被广泛使用。但补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，且只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。 三是采用APF有源滤波器，这是谐波抑制比较新的方法。APF是一种动态谐波补偿设备，具有高度可控性和快速响应性，能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，动态特性好，且补偿特性不受阻抗的影响，谐波补偿效果最佳，因

8、而受到广泛重视。七、APF工作原理东盛电气的有源滤波器通过外部电流互感器CT，实时检测负载电流，并通过内部的DSP计算，提取出负载电流的谐波成分，并转化为数字信号处理器中的控制信号。同时数字信号处理器产生一系列PWM脉宽调制信号发给内部IGBT功率模块，控制逆变器输出相位正好与负载谐波电流方向相反，而幅值大小相等的电流，两种谐波电流正好相互抵消，从而达到滤除谐波的功能。八、APF的技术特点更优异的滤波效果u 谐波治理率高达97%，谐波治理范围宽至250次。更安全稳定的滤波方式；u 行业内领先的颠覆性控制模式，开关频率高达20KHz，使滤波损耗降到最小，滤波速度和输出精度大幅提高。并对电网系统呈

9、无穷大阻抗，不影响电网系统阻抗；且输出波形精确无瑕疵，不会影响其他设备。更强的环境适应能力u 可兼容柴油发电机，提高备电分流的能力；u 对输入电压波动及畸变的承受能力更高；u 标配C级防雷装置，提高天气恶劣状况下的耐受能力；u 环境温度适用范围更强，可达-2070。更多的使用功能u 一机多能：一台滤波器可同时治理谐波、无功和三相不平衡；u 友好中文操作界面：事件记录、自动故障报警、EEPROM 故障记录及参数设置功能； u 多种保护功能：具备过流、过压、欠压、超温、测量电路故障等多种保护功能。更灵活的应用方式u 先进模块化结构、体积小、容量配比性高；u 单柜容量，最多可6台APF并柜安装，也可

10、方便的嵌入到第三方机柜使用；u 简单灵活的插拨式接线方式，确保无需专业人员现场维护，便于现场安装、增容及维护。九、应用实例某铸造公司主要设备为中频电炉，中频电炉属于典型谐波源，产生大量谐波，造成补偿电容器无法正常投入运行，功率因数达不到供电要求的0.9以上，每月产生无功罚款1.2万元左右，变压器温度在夏季达75度，造成电能浪费，寿命缩短。中频炉铸造车间以0.4KV电压供电，其主要负荷为6脉冲整流中频炉，整流设备在工作中在把交流变为直流的同时产生大量的谐波，属典型谐波源；谐波电流注入电网，在电网阻抗上产生谐波电压，引起电网电压电流畸变，影响供电质量及运行安全，使线路损耗及电压偏移增加，对电网和工

11、厂本身电气设备均会产生不良的影响。1、特征谐波分析1) 中频炉的整流装置为6脉冲可控整流；2) 整流装置所产生的谐波为6K1次奇次谐波，采用傅立叶级数对电流进行分解变换，可知电流波形含有6K±1次高次谐波，根据对中频炉的测试数据，其谐波电流含有量见下表：谐波次数57111317192325谐波含量0.230.110.080.070.020.010.0070.006中频炉在工作过程中，产生大量的谐波，针对中频炉的测试及计算结果，特征谐波主要以5次为最大，7次，11次，13次谐波电流比较大，电压电流畸变严重。2、谐波治理方案根据企业实际情况，东盛电气针对中频炉谐波治理设计了整套滤波方案，

12、综合考虑负荷功率因数、谐波吸收需要和背景谐波，在企业变压器0.4KV低压侧安装一套有源滤波装置对谐波进行治理。3、滤波效果分析1) 有源滤波装置投入运行，自动跟踪中频炉的各种负载设备变化，使各次谐波得到有效滤除。避免电容器组和系统电路可能会发生的并联谐振而引起的烧毁，保证无功补偿柜的正常运行；2) 经治理谐波电流都得到有效改善，未投入5、7、11次的谐波电流都严重超标，投入后超标的各次谐波电流都得到了良好的吸收，符合设备设计要求。如5次谐波电流从312A，降止16A左右；7次谐波电流从153A，降止11A左右，11次谐波电流从101A，降止9A左右，注入公共点的各次谐波电流均符合国标GBT1454993电能质量公用电网谐波要求；3) 谐波治理后变压器温度由原来的75度降低到50度，节省了大量电能，减小变压器的附加损耗，降低噪声，提升变压器的带载能力，延长变压器使用寿命；4) 通过治后有效改善了中频炉的供电电能质量，提高了中频电源的利用率，有利于系统长期安全经济运行带来经济效益的提升；