李峻峰

(江西銅業(yè)集團公司貴溪冶煉廠，江西貴溪 335424)

1 引言

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(zhì)，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。

2 金銀冶煉過程中主要負載的電能質(zhì)量狀況

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(zhuǎn)換為直流，而逆變器則是將直流電轉(zhuǎn)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(jù)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(chǎn)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(shù)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(shù)

貴溪冶煉廠一車間粗銀粉冶煉生產(chǎn)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(zhì)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)變化趨勢圖

圖5 爐變B相電流諧波數(shù)據(jù)變化趨勢圖

圖6 爐變C相電流諧波數(shù)據(jù)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(shù)也可能只有0.8～0.9。圖7是3#爐變總進線功率因數(shù)變化趨勢，電力參數(shù)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(shù)變化趨勢圖

所以爐變的電能質(zhì)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(shù)的補償可以預留部分容量，根據(jù)系統(tǒng)的功率因數(shù)實時跟蹤補償，達到功率因數(shù)大于0.95、諧波含量小于GB/T14549-93的補償目標要求。

3 電能質(zhì)量綜合治理效果分析與評估

(1)無功功率分析

金銀車間3#變?nèi)萘繛?250kVA，目前功率因數(shù)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(shù)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(jīng)過詳細的電能質(zhì)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(chǎn)過程中的電流進行監(jiān)控采樣，然后通過設備內(nèi)部的運算發(fā)出與電爐生產(chǎn)過程產(chǎn)生的諧波方向相反、大小相等的補償電流，達到功率因數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)

圖10 補償前后設備人機界面上的電流畸變率數(shù)據(jù)

圖11 有源電力濾波器補償前(左)后(右)的系統(tǒng)功率因數(shù)數(shù)據(jù)

圖12 補償前后設備人機界面上的主要電力參數(shù)對比數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

大量的諧波注入電網(wǎng)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(shù)補償和諧波治理的參數(shù)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(wǎng)的諧波［J］.電氣應用，2011，30(8):22-24.

［3］徐斌.淺談高功率因數(shù)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(zhì)量·濾波補償·節(jié)能降耗［J］.PQ電能質(zhì)量，2013(8):50-55.

［5］李德武，齊延章.中頻感應電爐產(chǎn)生的諧波及諧波治理［J］.華北電力技術(shù)，2010(6):16-20，30.

［6］能源部電力科學研究院.GB/T 14549-93電能質(zhì)量，公用電網(wǎng)諧波［S］.北京:中國標準出版社，1994.