楊建勛

（無錫惠科電工高新技術有限公司，江蘇無錫214174）

單機架可逆軋機主電機無功補償分析

楊建勛

（無錫惠科電工高新技術有限公司，江蘇無錫214174）

通過對某軋鋼企業(yè)典型軋機的主電機的靜態(tài)無功補償前后的電能質量進行監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)分析，得出可逆軋機主電機無需更換動態(tài)補償，靜態(tài)補償裝置完全可以滿足實際使用要求的結論。

單機架；可逆軋機；無功補償

1 概述

鋼鐵行業(yè)是國家的九大耗能行業(yè)之一，冷軋機是冷軋帶鋼生產的最主要設備，其電能消耗的高低直接影響了帶鋼企業(yè)的生產成本。根據(jù)國家《功率因數(shù)調整電費辦法》的規(guī)定，用戶功率因數(shù)達不到規(guī)定值的要求將使電費單價上升，這就直接導致企業(yè)電費支出的增加。而軋機使用過程中的功率因數(shù)一般均較低，這就要求企業(yè)增加無功補償裝置以提高功率因數(shù)。

單機架可逆軋機因不同道次的軋制規(guī)程不同，導致其主電機的輸入功率有較大的差異，而驅動電機一般采用直流電機，由相控直流調速裝置進行調速。根據(jù)電機負載率的不同，其直流調速裝置的相控導通角也將改變，直接導致功率因數(shù)隨負載率的降低而降低。一般來講，可逆軋機主機側功率因數(shù)在0.2～0.8之間。而電力公司要求接入設備功率因數(shù)必須達到0.9，這就要求進行無功補償。目前帶鋼生產企業(yè)普遍采用的是靜態(tài)無功補償裝置，由于設備運行過程中無功功率是不斷變化的，導致功率因數(shù)也將不斷改變，從目前的普遍情況來看，補償后的功率因數(shù)都不是太理想，許多文章都提及要將靜態(tài)補償改為動態(tài)補償[1，2]。

為了能掌握帶鋼生產企業(yè)的設備實際運行情況，更好地提出既滿足電力部門對功率因數(shù)的限制要求，又能體現(xiàn)經濟性，以最少的投入收到最合適的效果，同時還能有效節(jié)約帶鋼生產行業(yè)企業(yè)的電能消耗，本文對某鋼鐵企業(yè)的單機架四輥1 200 mm可逆軋機的主電機供電線路中無功補償前后兩個位置進行了電能監(jiān)測。

2 監(jiān)測基本情況

其基本情況如下：測點的設置位置如圖1所示。設備配置情況為：主軋機兩臺：Z710-710型他勵直流電機，功率1 400 kW，電壓750 V，電流1 976 A；調速裝置：SIEMENS 6RA70相控整流調整器；主機供電變壓器型號：SS9 4400 kVA/10 kV/750 V；靜態(tài)無功補償裝置：容量為1 250 kvar，分組投切，單組投切量為25 kvar。監(jiān)測設備：PQUBE電能質量分析儀。

圖11 200 mm冷軋機主軋機電氣系統(tǒng)圖

3 監(jiān)測結果及分析

3.1 功率因數(shù)變化

如圖2所示，為無功補償前后兩測點的功率因數(shù)變化曲線。

由圖2可知，補償前功率因數(shù)最高可接近0.8，平均在0.3～0.7之間，而補償后功率因數(shù)最高可達0.95左右。平均約為0.6～0.8之間。

圖2 補償前、后功率因數(shù)變化曲線

由軋機系統(tǒng)運行相關資料知，在軋制過程中功率因數(shù)都不高。原因是軋機系統(tǒng)使用直流電機作為動力設備，雖然在直流電機工作時不存在功率因數(shù)的說法，但導致測量時功率因數(shù)較低的主要原因是由軋機系統(tǒng)的整流裝置產生的。整流系統(tǒng)中，供電電壓為正弦波而電流為非正弦波，其中只有基波的正弦分量與電源電壓同一頻率產生有功功率，其他次諧波電流與供電電壓的頻率不同，故只能產生無功功率，與此同時會產生電流波形的畸變[3]。本軋機系統(tǒng)的整流裝置為西門子6DR70系列三相全橋式相控整流調速裝置，由于整流裝置后面的負載為直流電機，近似等效為感性負載。直流調速裝置的輸入功率因數(shù)可以用式（1）表示：

式中，琢為整流電路的導通角。

圖2所示的功率因數(shù)曲線不能清楚反映功率因數(shù)與軋制工作過程的變化，再取出典型時段的情況來進行分析。

圖3所示為在某一時段一個較完整鋼帶軋制過程中的有功功率與功率因數(shù)的對應變化圖。由圖3可見，當軋制第一道次時有功功率的消耗為0.4 MW，對應的功率因數(shù)最低不到0.4；第二、三道次有功功率消耗最大達1 MW以上，功率因數(shù)也達到0.7；可見相控整流設備導通角越小，設備輸出的有功功率越大，設備輸入端的功率因數(shù)越高。隨著后續(xù)道次有功功率消耗的下降，功率因數(shù)也有一定的下降，最后道次功率因數(shù)不到0.6，但沒有跟隨有功功率成比例下降，是因為后續(xù)幾個道次隨著軋制速度提高電機以高于基速運行，控制系統(tǒng)采用弱磁調速從而使功率因數(shù)下降趨緩。

圖3 補償前有功功率與功率因數(shù)變化曲線

3.2 無功補償情況分析

根據(jù)測點1、2無功補償前后的功率因數(shù)變化情況，選擇運行較穩(wěn)定的某日3：40～7：40時間段，為兩卷完整的鋼帶的軋制過程，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪出如圖4所示的功率因數(shù)變化曲線。

從圖4中測點1的變化曲線可看出，部分道次補償后功率因數(shù)沒能達到補償要求，針對各道次選取了其中的各點數(shù)據(jù)作對比如表1所示。由表1可看到部分道次補償后的功率因數(shù)只有0.62、0.82、0.76、0.68。系統(tǒng)所配置的靜態(tài)無功補償裝置的容量為1 250 kvar，而測點2的最大無功功率為1 104 kvar，可知補償裝置的容量完全能滿足補償要求[4]，說明是補償裝置的控制有問題。比較明顯的是第一道次，補償前后無功功率基本相同，說明無功補償裝置沒有動作。

圖4 某日3：40～7：40補償前后功率因數(shù)變化曲線和補償前無功變化曲線

表1 補償前后無功功率及功率因數(shù)對比

表2為根據(jù)實測數(shù)據(jù)，計算出的理論需補償無功情況，折算成現(xiàn)在實際使用中的靜態(tài)無功補償裝置的單位投切量為25 kvar進行估算，并估算出理論上能達到的功率因數(shù)。

表2 理論補償量及功率因數(shù)計算表

由表1、2進行對比，發(fā)現(xiàn)軋機在軋制過程中部分道次存在無功補償裝置沒能投切到位出現(xiàn)功率因數(shù)偏低的情況，而部分道次的無功投切量較大，使功率因數(shù)明顯偏高，最高能達到0.94。結合圖4中補償前雖然各道次的無功變化較大，但同一道次內的無功變化量不大的情況來看，根據(jù)表2列出的理論補償情況來看，采用系統(tǒng)現(xiàn)有配置的靜態(tài)無功補償裝置是完全可以滿足使用要求的，只是無功補償裝置的運行狀態(tài)不正常所致。

3.3 無功補償對諧波的影響

3.3.1 無功補償對電壓諧波畸變率THD和電流諧波畸變率TDD的影響

由圖5可知，無功補償前后電壓畸變率THD基本沒有變化，在8%以內變化。而補償前電流畸變率TDD在15%以內，補償后減小到10%以內。電流的畸變主要是由相控整流調速裝置引起的。而無功補償裝置起到了一定的抑制諧波電流的作用。

3.3.2 電流諧波分布

圖5 補償前后THD和TDD變化曲線

圖6補償前后電流諧波分布情況

圖6 所示為補償前后電流諧波分布情況。由圖6可知，補償前后的電流諧波均以5次、7次、11次、13次等6K±1次諧波為主，其中5次諧波幅值最大，補償前為34.62%，補償后為35.98%；其余諧波均較小，補償前幅值在8.5%以內，補償后在6.5%以內。

隨著無功補償前后無功電流的變化，各次諧波的變化并不相同，表3列出測點1、2各次諧波電流變化對比表，從表3中可以看出，11、13、23、25、35、47等12K±1次諧波補償后有明顯低于按比例折算值，而5、7、17、19、29、31、41次諧波則高于按比例折算值。可知現(xiàn)配置的無功補償裝置對12K±1次諧波起到一定的抑制作用，而對5、7、17、19、29、31、41次等諧波不起作用。

采用相控整流裝置為直流電機供電時，電流的脈動頻率較大，這將會增大電機繞組的銅耗[5]。這是因為繞組的銅損耗與電流的有效值的平方（等于各次諧波電流有效值平方之和）成正比，同時電流的交流分量還使導線中電流分布不均勻，也導致銅耗的增加，此外交流磁通分量在鐵芯中產生附加的渦流和磁滯損耗也增加了鐵耗，這些損耗的增加導致軋機發(fā)熱量變大，溫升增加，影響直流軋機的使用壽命。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，其中5次諧波幅值較大達到35%左右，有必要增添濾波裝置以降低5次諧波對設備的影響，從投資回報率及監(jiān)測數(shù)據(jù)情況綜合考慮，選擇價格相對較便宜的無源濾波裝置就可以滿足使用要求。

表3 補償前后各次諧波電流變化表

4 結論

從對1200 mm單機架可逆軋機主電機線路中無功補償前后用電情況進行監(jiān)測分析，可得出結論如下：

（1）無功補償前的功率因數(shù)的變化是隨著軋機各道次軋制規(guī)程而變化的。驗證了功率因數(shù)與相控整流設備的導通角有關的情況；

（2）靜態(tài)無功補償裝置是可以滿足軋機主電機的補償要求的。軋鋼企業(yè)所用無功補償設備經常處于非正常運行狀態(tài)導致功率因數(shù)不理想，需定期檢查設備運行狀態(tài)，使補償?shù)轿唬?/p>

（3）無功補償裝置不僅可進行無功功率的補償，提高功率因數(shù)，還會對諧波電流起一定的濾波作用。從監(jiān)測設備情況來看，無功補償裝置對2K±1次電流諧波起濾波作用；

（4）可逆軋機主電機所用相控整流調速裝置所產生的電流諧波，可用無源濾波裝置進行濾波，以消除諧波對設備及電網的影響。

后續(xù)又對該企業(yè)的1 050 mm、900 mm、1 200 mm等多臺可逆軋機進行監(jiān)測，經數(shù)據(jù)分析得到了相類似的結果，這也進一步證實了以上的結論。

[1]李旺太.功率因數(shù)補償在冷軋機中的應用[J].有色冶金節(jié)能，2009(4)：48-51.

[2]張艷偉，雷慧杰.軋鋼電網中動態(tài)無功補償技術的研究[J].機電信息，2009，24：34，49.

[3]郝宏昭.六輥可逆冷軋機整流變壓器諧波電流分析計算[J].冶金自動化，2009，33(1)：57-59.

[4]電力節(jié)能技術叢書編委會.用電系統(tǒng)節(jié)能技術[M].北京：中國電力出版社，2008：46-54.

[5]劉利軍.節(jié)電技術及其工程應用[M].北京：中國電力出版社，2011.

Analysis of Reactive Power Compensation of the Main Motor in Single-stand Reversible Rolling Mill

YANG Jianxun
(Wuxi Hui-ke Electrical Technology Co.Ltd.,Wuxi,Jiangsu 214174,China)

Through monitoring and data analysis of the electric power quality before and after adopting static reactive power compensation of the main motor in a typical rolling mill,it is concluded that static reactive power compensator can fully satisfy operation requirements and need not be replaced by dynamic reactive power compensation.

single stand;reversible cold rolling mill;reactive power compensation

TM714.3

B

1006-6764(2014)09-0010-05

2014－04－22

楊建勛（1971－），男，高級工程師，主要研究方向工業(yè)企業(yè)電力節(jié)能技術。