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        煙草生產(chǎn)過程中的諧波治理

        2016-02-08 02:46:15劉季閆俊清
        設(shè)備管理與維修 2016年12期
        關(guān)鍵詞:有源電能煙草

        劉季,閆俊清

        (河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司黃金葉生產(chǎn)制造中心,鄭州450016)

        煙草生產(chǎn)過程中的諧波治理

        劉季,閆俊清

        (河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司黃金葉生產(chǎn)制造中心,鄭州450016)

        煙草生產(chǎn)過程中廣泛使用的大功率電子設(shè)備非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波,對電網(wǎng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染。以煙草工業(yè)3級諧波治理體系為研究對象,通過對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的收集與分析,說明諧波產(chǎn)生的原因、危害及抑制辦法。

        諧波治理;非線性負(fù)載;無功補(bǔ)償;有源濾波

        0 前言

        煙草工業(yè)十二五技術(shù)改造已經(jīng)完成,生產(chǎn)設(shè)備趨于系統(tǒng)化、集成化、復(fù)雜化和模塊化。煙草生產(chǎn)過程中非線性負(fù)載產(chǎn)生大量諧波,當(dāng)異常電流進(jìn)入電網(wǎng)系統(tǒng)時造成系統(tǒng)運(yùn)行電壓畸變,增加線路損耗、降低設(shè)備可靠性。供電網(wǎng)絡(luò)的污染,影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

        1 諧波產(chǎn)生的原因及危害

        1.1 諧波產(chǎn)生的原因

        煙草生產(chǎn)廣泛使用的變頻器、伺服控制器等,均是利用半導(dǎo)體器件獨(dú)特的通斷特性,將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置,它們從電網(wǎng)中吸取能量的方式不是連續(xù)的正弦波,而是以脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流,這種脈動電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網(wǎng)電壓上,使電壓發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。

        1.2 諧波的危害

        (1)增加供電設(shè)備的額外損耗,使設(shè)備的溫度過熱,降低設(shè)備的使用壽命、利用率和生產(chǎn)效率。當(dāng)諧波頻率位于諧振區(qū)時,輸電線路和電力電纜線路會發(fā)生絕緣而被擊穿。

        (2)當(dāng)系統(tǒng)中安裝有補(bǔ)償電容時,諧波電壓加在電容器兩端,容易產(chǎn)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振,使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍,造成電容器電流變大,溫度升高,壽命縮短,甚至爆炸。

        (3)諧波對工業(yè)設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾,輕者會引入噪聲,影響通信的清晰度,重者會造成信號丟失。極端的情況下還會威脅設(shè)備和人員的安全。

        (4)電力諧波會使視頻監(jiān)視器、計算機(jī)圖形發(fā)生畸變,畫面亮度發(fā)生波動變化,計算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤,甚至損壞機(jī)器。

        (5)諧波會引起一些敏感自動化設(shè)備的誤動作,導(dǎo)致測量和計量儀器的指示不準(zhǔn)確,對整流裝置產(chǎn)生不良影響。

        2 諧波現(xiàn)狀

        在煙草工業(yè)生產(chǎn)過程中,制絲生產(chǎn)線、卷接包生產(chǎn)線、物流輸送線、能源動力生產(chǎn)線等大量使用了電力電子變流設(shè)備。例如真空回潮機(jī)、切絲機(jī)、卷包除塵等設(shè)備應(yīng)用了變頻技術(shù);卷包機(jī)組、物流系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用伺服驅(qū)動裝置。在某大型卷煙企業(yè)對2015年設(shè)備故障進(jìn)行統(tǒng)計中,由諧波造成的設(shè)備故障占故障總量的5%,其中常見問題有精密控制元件誤動作,PLC程序丟失,現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中斷,網(wǎng)絡(luò)接口模塊燒毀等。使用Fluke電能質(zhì)量分析儀對卷包車間設(shè)備供電線路進(jìn)行測量,測量數(shù)據(jù)見圖1。圖1中顯示卷包供電系統(tǒng)低次諧波的含量高達(dá)27%,電流波形已經(jīng)完全失真,主要為5次、7次、11次、13次和17次諧波。

        3 治理方法

        3.1 合理配置無源濾波裝置

        某卷煙生產(chǎn)企業(yè)45 kW以上變頻驅(qū)動電機(jī)均選配了AHF005無源濾波器,連接低通濾波的電感電容系統(tǒng),用于消除三相全波變頻負(fù)載特有的5,7,11次等低頻諧波。不需要單個調(diào)節(jié)或按不同的諧波源進(jìn)行移相,能夠滿足滿載時的最大諧波電流畸變<5%。由于無源濾波器只對某一頻率的諧波成低阻抗,可使大部分該頻率的諧波流入無源濾波器,可消除占諧波含量24%的5次諧波。1臺AHF005可對應(yīng)多臺變頻器并聯(lián)使用,合理配置可在治理諧波的同時降低設(shè)備費(fèi)用。AHF005無源濾波器工作原理如圖2所示。

        3.2 合理配置有源濾波器

        在煙草生產(chǎn)過程中,設(shè)備供電回路配電側(cè)配置RST系列有源濾波器(簡稱APF),主要由進(jìn)線負(fù)荷開關(guān)、快速熔斷器、漣波電流濾波模組、緩激活電磁接觸器組、高頻電感電容器組、IGBT電能轉(zhuǎn)換器、直流電容器組等單元組成。該設(shè)備具有全濾波工作模式,A,B,C三相諧波治理能力為200 A;N相諧波治理能力600 A;系統(tǒng)整體響應(yīng)時間<1 ms;IGBT開關(guān)斬波頻率為20 kHz。設(shè)備自帶保護(hù)功能及液晶顯示器,并采用Modbus RTU通訊規(guī)約,提供開放的通訊接口。有源濾波器工作原理如圖3所示,其中Is為電源側(cè)總電流,Ic為APF產(chǎn)生的諧波補(bǔ)償電流,IL為非線性負(fù)載電流。有源濾波器通過檢測IL瞬間電流值,由變流器產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電流與負(fù)載中的諧波成分相互抵消,使電源側(cè)獲得僅含有50 Hz正弦波電流。

        圖1 卷包供電系統(tǒng)諧波測量圖

        圖2 AHF005工作原理圖

        圖3 有源濾波器工作原理

        3.3 新型無功補(bǔ)償設(shè)備的應(yīng)用

        無功補(bǔ)償通常用來提升系統(tǒng)的功率因數(shù),在煙草企業(yè)生產(chǎn)過程中配電系統(tǒng)采用了LSVG動態(tài)無功補(bǔ)償裝置,既具有諧波濾波的效果,又兼顧無功功率補(bǔ)償?shù)木?,快速投切響?yīng)保證對沖擊負(fù)荷進(jìn)行快速跟蹤,可大幅度降低電壓的波動,解決低壓供電系統(tǒng)功率因數(shù)低、諧波污染大、電壓波動大等問題。當(dāng)電路處于線性電阻狀態(tài)時,裝置處于空載運(yùn)行模式,不參與電網(wǎng)工作;當(dāng)處于感性特性時,裝置提供容性無功電流,當(dāng)處于容性特性時,裝置提供感性無功電流。LSVG補(bǔ)償容感性負(fù)載時可達(dá)到0.99級補(bǔ)償效果,避免了過補(bǔ)和欠補(bǔ)的情況;并且可動態(tài)雙向(-1~1)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。整套設(shè)備采用有源型補(bǔ)償電路,補(bǔ)償容量受系統(tǒng)系統(tǒng)電壓影響很小,系統(tǒng)整體響應(yīng)時間<5 ms,適合快速變化的場合。此外,還兼容RS232/USB,RS485/RS422,以太網(wǎng)等通訊方式,為系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)采集提供了便利條件。

        4 治理效果

        三級諧波治理體系架構(gòu)投入使用后,電能質(zhì)量測量的結(jié)果如圖4所示,電壓和電流波形的畸變明顯減少,接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波,系統(tǒng)中主要的5次、7次、11次、13次、17次諧波含量大幅減少,諧波基本都得到消除,電流畸變率由27%下降到5%。

        5 結(jié)語

        諧波已成為煙草工業(yè)生產(chǎn)過程中電能質(zhì)量的突出問題,三級諧波治理體系構(gòu)架的使用,有效地補(bǔ)償了系統(tǒng)中大多數(shù)諧波電流,凈化電網(wǎng)環(huán)境,為配電網(wǎng)絡(luò)中的各個負(fù)載提供理想的電源支持,顯著提高用電設(shè)備工作可靠性;原有系統(tǒng)中諧波電流被基本補(bǔ)償完畢,不會再引起供電回路的無謂熱損耗;諧波電流不再回流到配電端的變壓器中,減少諧波電流在變壓器中的渦流損耗,減少變壓器的發(fā)熱和噪聲,有效提高變壓器的實際使用容量。

        圖4 諧波治理后卷包供電系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測

        [1]王兆安.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

        [2]姜齊榮,趙東元.有源電力濾波器-結(jié)構(gòu)·原理·控制[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

        [3]陳建業(yè).工業(yè)企業(yè)電能質(zhì)量控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

        〔編輯李波〕

        TM714

        B

        10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.36

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