王景山 鄒黎 席文娣

山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 山東 淄博 255049

0 引言

中頻感應(yīng)電爐采用電力電子變流技術(shù)，把工頻50Hz交流電變成150Hz～10kHz中頻電。感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱的金屬，然后電能在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變成熱能。感應(yīng)線圈與被加熱金屬并不直接接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。其工作的基本原理為電磁感應(yīng)原理和電流熱效應(yīng)原理，適合用于冶煉優(yōu)質(zhì)鋼與合金。中頻爐具有維護方便，操作簡單可靠，可準(zhǔn)確地控制且具有調(diào)整熔化速度快，溶液溫度均勻等優(yōu)點，因此得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

我國的鑄件用量大，目前絕大多數(shù)鑄造企業(yè)使用的是晶閘管并聯(lián)諧振中頻電爐。其整流電路通常采用三相橋式整流。進線電流中含有5、7等次諧波，造成系統(tǒng)功率因數(shù)低，對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。同時中頻電爐熔煉金屬時需要消耗大量電能，其節(jié)能降耗也是一個受到企業(yè)和社會各方都關(guān)注的問題。如何改善電爐用戶供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量（減少諧波含量、提高功率因數(shù)等），減少電能損耗，提高電能的利用率，實現(xiàn)中頻電爐的節(jié)能降耗等問題將更加突出。

本文闡述了無功補償兼諧波治理裝置在中頻電爐系統(tǒng)中的實際應(yīng)用，能有效地改善中頻電爐系統(tǒng)的功率因數(shù)、減少諧波污染，為企業(yè)節(jié)約成本，降低設(shè)備維修費用，達(dá)到節(jié)能降耗，具有良好的直接或間接經(jīng)濟效益。

1 中頻爐供電系統(tǒng)

某機械鑄造有限公司使用中頻電爐熔煉，安裝有一臺容量為1600kVA整流變壓器，電壓變比為10kV／0.4kV；在0.4kV母線上安裝了3臺中頻電爐，功率分別為：500kW，400kW，400kW。供電系統(tǒng)簡圖如圖1所示：

圖1 中頻爐供電系統(tǒng)簡圖

中頻電源采用晶閘管整流，根據(jù)整流脈數(shù)可以分為6脈整流，12脈整流和24脈整流。整流脈動數(shù)越多，產(chǎn)生的諧波含量就越少，對電網(wǎng)危害就越小。由于該企業(yè)采用的是6脈整流中頻電爐，工作時供電系統(tǒng)中3次諧波電流含量達(dá)7%，5次諧波電流含量達(dá)22%，7次諧波電流含量也達(dá)18%，諧波電流及諧波電壓畸變率遠(yuǎn)超出國標(biāo)限值。

中頻電爐在運行中除產(chǎn)生諧波外，功率因數(shù)也較低且隨著負(fù)荷的變化有較大波動，低負(fù)荷時只有0.75左右。大量無功功率由變壓器提供，加重了變壓器的負(fù)擔(dān)，變壓器噪聲、溫升大。供電系統(tǒng)功率因數(shù)偏低，生產(chǎn)效率下降，功率因數(shù)調(diào)整電費高。

2 諧波數(shù)據(jù)及補償方案分析

由于中頻電源采用6脈動晶閘管整流，則其運行時產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)為：

其中p為正整數(shù)1，2，3，4……

諧波電流按照中頻電爐正常工作狀態(tài)計算，然后根據(jù)最大負(fù)荷電流校驗最不利情況下的諧波電流值。諧波電流計算公式為：

式中：n-諧波次數(shù)；

I1-基波電流值；

K-諧波電流修正系數(shù)，其取值見表1。

表1 諧波電流修正系數(shù)取值

6脈整流中頻電源的網(wǎng)側(cè)基波電流計算公式為：

式中：I1-基波電流；Id-直流側(cè)電流；η-效率

中頻電爐在額定負(fù)荷工作時的諧波電流如表2所示。

因變壓器低壓側(cè)3臺中頻電爐均為6脈整流方式，故高壓側(cè)5、7次諧波含量較大。由于中頻電爐運行時諧波含量較為穩(wěn)定，在諧波治理方面可選擇技術(shù)成熟、經(jīng)濟實用的LC無源濾波，使濾波器具有吸收諧波及無功補償?shù)碾p重作用［2］。無源濾波器是由電容器、電抗器和電阻通過串并聯(lián)合而成，通過電容電抗諧振時的低阻抗特性來吸收諧波，從而達(dá)到濾波治理目的。

表2 系統(tǒng)超標(biāo)諧波電流值

3 濾波補償系統(tǒng)參數(shù)配置

企業(yè)的目標(biāo)是設(shè)備安全、節(jié)省電費、諧波含量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)及低的投資成本。因此設(shè)計以無功補償和諧波治理為首要目標(biāo)，諧波治理以3、5、7次諧波為主，其他高次諧波不考慮。

總有功功率為1200kW，系統(tǒng)功率因數(shù)取0.75?？紤]到濾波電抗器的滯后無功作用，取補償后目標(biāo)功率因數(shù)cosφ2=0.95，計算得到需要補償?shù)臒o功功率為760kVAR。

由于系統(tǒng)中的實際諧波發(fā)生量較大，用仿真分析軟件比較分析了多種效果，在相同基波補償容量下，采用3、5、7次濾波組合有利于對系統(tǒng)的實時無功補償及最大限度吸收對應(yīng)次諧波電流，同時避免對其它次諧波產(chǎn)生放大。補償裝置共分為3、5、7次三條濾波支路，考慮到濾波裝置投入后吸收大量諧波電流注入到各濾波支路，因此濾波裝置在滿足基本補償容量的同時，必須加大安裝容量［3］。本系統(tǒng)總安裝容量為1260kVAR，分成三組不等容量的調(diào)諧支路，支路容量為：180+720+360kVAR。

通過分析計算得出濾波回路元件參數(shù)如表3。

其中，單臺濾波電容器額定參數(shù)為：額定電壓0.275kV，額定容量30kVAR。

濾波電抗器參數(shù)為表4。

表3 濾波回路電容電抗參數(shù)

表4 濾波回路電抗器參數(shù)

濾波補償裝置的一次接線如圖2所示：

圖2 濾波補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照單投切一組時，該組濾波器電容對0.4kV母線諧波電流和基波電流的承受能力，避免特征諧波放大，濾波支路是從低次向高次投運，切除時相反。

4 補償效果及節(jié)能效益分析

4.1 濾波補償效果分析

濾波補償裝置投入后供電系統(tǒng)運行穩(wěn)定，不會與系統(tǒng)發(fā)生整數(shù)次的特征諧波放大現(xiàn)象。

表5 補償前后效果對比

濾波補償裝置對系統(tǒng)3次諧波吸收率為74.4%，5次諧波吸收率達(dá)到了75%以上，7次諧波吸收率也達(dá)75%，并且有效抑制了11次以上高次諧波。濾波效果明顯，能完全符合國標(biāo)要求，同時系統(tǒng)平均功率因數(shù)達(dá)到0.95左右，如表5。

4.2 節(jié)能效益分析

1）線損降低后節(jié)電量

1600kVA變壓器按平均功率1200kW計算，每天工作按10小時計，一年工作300天，則最大負(fù)荷全年耗電時間為3000小時，每度電費按0.58元計，線路電能損耗與傳輸電能比用δ表示［4］，取0.03。則補償后的全年節(jié)電量為：

2）補償后變壓器年節(jié)電量

上式中Pd為變壓器短路損耗，約為14.5kW。

3）補償后年總節(jié)電量

節(jié)省電費大約為：46871×0.58≈2.7（萬元）

4）力率電費的節(jié)省

根據(jù)用戶地區(qū)的電費計價方式，因當(dāng)?shù)毓╇姴块T功率因數(shù)考核為0.9，補償前用戶系統(tǒng)功率因數(shù)為0.75。通過查閱功率因數(shù)調(diào)整電費表可知，罰款力率為8.5%，該用戶全年應(yīng)繳納的功率因數(shù)調(diào)整電費為：

濾波補償裝置安裝運行后，系統(tǒng)功率因數(shù)提高到0.95，力率調(diào)整電費由罰8.5%變?yōu)楠剟?.75%。

在變壓器低壓側(cè)安裝濾波補償裝置后電能損失明顯降低。另外，濾波補償裝置投入后，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，縮短了熔煉時間，減少了熱能損失，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

中頻電爐系統(tǒng)中增加濾波補償裝置具有較高的經(jīng)濟效益，既兼顧了無功補償又有濾波功能，具有提高生產(chǎn)效率，提高設(shè)備可靠性，節(jié)省電能等優(yōu)點。對中頻電爐用戶的節(jié)能降耗具有一定的借鑒和推廣價值。

1）功率因數(shù)提高，節(jié)約力率調(diào)整電費：濾波補償后功率因數(shù)提高至0.95，力率調(diào)整電費由罰8.5%變?yōu)楠?.75%，年節(jié)省調(diào)整電費16多萬元。

2）增容降損：功率因數(shù)由0.75提高至0.95，變壓器的平均負(fù)荷電流減小：1－cosφ1／cosφ2＝1－0.75/0.95=21%，相當(dāng)于變壓器運行容量降低了21%；變壓器銅損減少：1－（0.75/0.95）2＝37.6%。 另外，變壓器溫升大大減小，變壓器的噪聲明顯降低，提高了變壓器的運行可靠性，保障了安全生產(chǎn)。

3）提高了生產(chǎn)效率，諧波污染的減少，降低了對通訊、自動控制裝置、電能計量和繼電器保護的干擾，提高了電網(wǎng)的安全性能。

［1］蘇中德，鄒勤，奚家慶.現(xiàn)代無芯中頻感應(yīng)熔化電源的發(fā)展［J］.機械工人，2006，（4）：24－26.

［2］楊波，咸日常.中頻電爐用戶諧波治理及無功補償設(shè)計與應(yīng)用［J］.電力電容器，2006，（5）：17－20.

［3］邵宗岐.中頻電爐的諧波治理 ［J］.電氣技術(shù)，2009，（11）：58－63.

［4］方大千.節(jié)約用電速查速算手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.