施創(chuàng)，黃玉松

(施一電氣科技（上海）有限公司，上海 201899)

橡膠行業(yè)的煉膠、混煉、成型等車間，采用大量直流電機(jī)、變頻器、變頻電機(jī)等設(shè)備，其非線性負(fù)荷產(chǎn)生的大量諧波電流，經(jīng)系統(tǒng)阻抗形成諧波電壓，致使電流波形、電壓波形嚴(yán)重畸變。注入公共連接點(diǎn)（PCC點(diǎn)）的諧波電流、諧波電壓超過(guò)GB/T14549—93《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)嚴(yán)重污染公共電網(wǎng)。嚴(yán)重的諧波還會(huì)造成變壓器溫升異常、噪音增大、損耗增加，甚至發(fā)生諧振，給系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)威脅。系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，無(wú)功沖擊大，電壓損失嚴(yán)重；并造成供電設(shè)備與用電設(shè)備利用率低，電力力調(diào)罰款等不良后果，給企業(yè)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)損失，給電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染。

施一電氣根據(jù)多年在橡膠行業(yè)電氣配套及電能質(zhì)量治理的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)客戶需求制定了多個(gè)用戶電能質(zhì)量綜合治理方案。以下方案均在實(shí)際應(yīng)用中取得了優(yōu)異的效果，積累了大量成功案例和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)配網(wǎng)首段、中段、末段的整體考慮，將產(chǎn)生電能質(zhì)量問(wèn)題的源頭進(jìn)行隔離和消除，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的綜合治理及節(jié)能降耗的目標(biāo)。

1 CY系列電能質(zhì)量治理及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備及其工作原理

1.1 CY-ASVG電容

CY-ASVG電壓支撐電容，其作用是為裝置提供一個(gè)電壓支撐。由大功率電力電子開(kāi)關(guān)器件IGBT組成的電壓源逆變器（VSC），通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)控制電力電子開(kāi)關(guān)的通斷，將電容器上的直流電壓變換為具有一定頻率和幅值的交流電壓；電抗器一方面通過(guò)它將大功率變流裝置與電力系統(tǒng)耦合在一起，另一方面還可以通過(guò)它將逆變器輸出電壓中的高次諧波濾除，使ASVG的輸出電壓接近正弦波。工作中產(chǎn)生和系統(tǒng)諧波電流大小相等，相位相反的諧波注入到電網(wǎng)中，從而有效消除諧波。濾波范圍為2～13次諧波。

1.2 CY-APF有源電力濾波器

CY-APF有源電力濾波器是一種可以動(dòng)態(tài)濾除諧波、補(bǔ)償無(wú)功功率的電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。其應(yīng)用可以克服無(wú)源濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制和功補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)。有源濾波器具備內(nèi)部的指令電流運(yùn)算及檢測(cè)電路，通過(guò)外部電流互感器實(shí)時(shí)采集電流信號(hào)，從負(fù)載電流中分離出諧波電流分量和基波無(wú)功電流，通過(guò)IGBT逆變出與系統(tǒng)的諧波電流大小相等、相位相反的補(bǔ)償電流，實(shí)現(xiàn)濾除諧波的功能。并且也通過(guò)內(nèi)部IGBT逆變出容性或感性的基波電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，柔性的無(wú)功補(bǔ)償也不會(huì)產(chǎn)生涌流沖擊，濾波范圍為2～51次諧波。

CY-ASVG、APF采用 DSP—F28377+FPGA雙核控制器的混合控制器，大大提高系統(tǒng)的運(yùn)算能力和控制精度；采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠綜合解決諧波、無(wú)功、不平衡等問(wèn)題；模塊化安裝設(shè)計(jì)，可通過(guò)并聯(lián)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易擴(kuò)容，可進(jìn)行開(kāi)環(huán)或閉環(huán)運(yùn)行模式（如圖1和圖2所示）。

圖1 控制算法多目標(biāo)組合方式

1.3 CY-TSF型密煉專用諧波濾除兼無(wú)功補(bǔ)償專用裝置

CY-TSF型是根據(jù)密煉機(jī)的直流電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的各次諧波含量，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或者用戶提供無(wú)功功率的大小、諧波電流大小、諧波電壓大小等具體情況而進(jìn)行的個(gè)性化專門設(shè)計(jì)，因此，各成套裝置的組成視具體情況而定，其組成不一定完全一致。此設(shè)備快速跟蹤負(fù)荷變化，采用過(guò)零觸發(fā)技術(shù)，投切無(wú)涌流、無(wú)過(guò)電壓、響應(yīng)速度快。濾除諧波的同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功功率，提高功率因數(shù)、降低系統(tǒng)損耗、節(jié)能增效。有利系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。以F370密煉機(jī)為例其整流變低壓濾波補(bǔ)償裝置電路如圖3所示。

1.4 CY-D型抽屜式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置

CY-D型是根據(jù)輪胎廠的硫化跟成型以及水泵房車間而設(shè)計(jì)的，抽屜式模塊化結(jié)構(gòu)，體積小、維護(hù)方便、現(xiàn)場(chǎng)使用接線簡(jiǎn)單、效率高、功耗小、省時(shí)省力。標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸方便，單臺(tái)柜體裝置容量大，既適合就地補(bǔ)償，分散補(bǔ)償，也適合集中補(bǔ)償。增容、減容方便，每組模塊都是獨(dú)立的，擴(kuò)容改造非常方便。采用先進(jìn)的過(guò)零投切技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低壓無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償功能，具有很強(qiáng)的抑制諧波、快速自動(dòng)跟蹤功能。

圖2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)—三電平形3相4線制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（3P4L-3L）

圖3 F370密煉機(jī)4 000 kVA整流變低壓濾波補(bǔ)償裝置一次線電路圖（D或Y線組）

2 CY系列電能質(zhì)量治理及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備應(yīng)用實(shí)例

2.1 密煉機(jī)濾波補(bǔ)償專用裝置典型設(shè)計(jì)方案（CY-TSF型）

2.1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）根據(jù)GB/T14549—93《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)。

（2）根據(jù)GB/T15576《低壓無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置總技術(shù)條件》。

（3）根據(jù)系統(tǒng)阻抗及變壓器相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

（4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)及其分析（美國(guó)福祿克電能質(zhì)量分析儀測(cè)試）。

2.1.2 技術(shù)要求

TSF裝置投入運(yùn)行后應(yīng)達(dá)到以下技術(shù)要求：

（1）在10KV進(jìn)線處測(cè)量注入公共連接點(diǎn)的電流諧波、電壓諧波符合GB/T14549—93標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）功率因數(shù)≥0.90。

2.1.3 TSF裝置投入前后數(shù)據(jù)頻譜對(duì)比

TSF裝置投入前后數(shù)據(jù)頻譜對(duì)比見(jiàn)圖4。從圖4得出如下結(jié)論：

圖4 TSF裝置投入前后數(shù)據(jù)頻譜對(duì)比

（1）濾波器投入后各次諧波電壓均符合GB/T 14549—93《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)。變壓器的電壓總畸變率(THD)從原有的10%以上降到5%以下。

（2）經(jīng)治理后，電力變壓器的各次諧波電流都符合國(guó)標(biāo)要求。在未投入前的諧波電流嚴(yán)重超標(biāo)，電力變壓器諧波電流總畸變率從原有的44.2%降至11.1%。

（3）功率因數(shù)從原來(lái)的嚴(yán)重偏低提高到0.90以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。降低了供電線路和變壓器的損耗，有利于供電系統(tǒng)的安全，保證生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)行。

2.2 CY-APF+CY-TSC系列設(shè)計(jì)方案

2.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）根據(jù)GB/T14549—93《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)。

（2）根據(jù)GB/T15576《低壓無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置總技術(shù)條件》。

（3）根據(jù)系統(tǒng)阻抗及變壓器相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

（4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)及其分析（美國(guó)福祿克電能質(zhì)量分析儀測(cè)試）。

2.2.2 技術(shù)要求

CYAPF+CYTSC裝置投入運(yùn)行后應(yīng)達(dá)到以下技術(shù)要求：

（1）在10 kV進(jìn)線處測(cè)量注入公共連接點(diǎn)的電流諧波、電壓諧波符合GB/T14549—93標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）功率因數(shù)≥0.92。

2.2.3 CYAPF+CYTSC裝置投入前后數(shù)據(jù)頻譜對(duì)比

CYAPF+CYTSC裝置（圖5）投入前后數(shù)據(jù)頻譜對(duì)比見(jiàn)圖6。從圖5得出如下結(jié)論：

圖5 CYAPF有源濾波裝置+CYSTC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置

（1）濾波器投入后各次諧波電壓均符號(hào)GB/T 14549—93《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)。變壓器的電壓總畸變率(THD)從原有的10%以上降到2.0%。

（2）經(jīng)治理后，電力變壓器的各次諧波電流都符合國(guó)標(biāo)要求。在未投入前的諧波電流嚴(yán)重超標(biāo)，電力變壓器諧波電流總畸變率從原有的31.0%降至10.2%。

（3）功率因數(shù)從原來(lái)的嚴(yán)重偏低提高到0.92以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)功率因素其實(shí)在0.95以上。降低了供電線路和變壓器的損耗，有利于供電系統(tǒng)的安全，保證生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)行。

（4）從電壓電流的波形來(lái)看效果非常明顯。尤其是諧波電流，CYAPF+CYTSC裝置投入前的波形為方波， CYAPF+CYTSC裝置投入后接近正弦波。電壓波形在CYAPF+CYTSC裝置投入后正弦波波形連貫圓滑，起到有效的凈化電網(wǎng)作用。

（5）在電力系統(tǒng)中TSC無(wú)功補(bǔ)償和APF諧波濾除，兩種設(shè)備各自獨(dú)立運(yùn)行。傳統(tǒng)的TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置投切電容速度慢，APF響應(yīng)速度快。TSC投切電容電流對(duì)APF造成沖擊。CY系列TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置采用先進(jìn)的可控硅投切方式，響應(yīng)速度快、投切準(zhǔn)確，這樣就避免了對(duì)APF沖擊。

圖6 CYAPF+CYTSC裝置投入前后數(shù)據(jù)頻譜對(duì)比

3 開(kāi)煉機(jī)電控柜技術(shù)升級(jí)改造“開(kāi)煉機(jī)一體化智能控制專用裝置”

3.1 現(xiàn)有開(kāi)煉機(jī)運(yùn)行工況

(1)開(kāi)煉機(jī)不能調(diào)速，生產(chǎn)時(shí)膠片很快出完，等待下次出片時(shí)電機(jī)在空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電能浪費(fèi)。

(2) 設(shè)備空載運(yùn)行時(shí)電機(jī)的電流為額定值的50%左右，節(jié)能空間大。

(3) 現(xiàn)有較多的在線運(yùn)行的開(kāi)煉機(jī)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)為頻敏變阻器降壓?jiǎn)?dòng)或星三角啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊大，控制系統(tǒng)為繼電器控制，通用性、靈活性和可靠性差，故障率高。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

施一電氣根據(jù)客戶需求定制化先后開(kāi)發(fā)出擁有核心技術(shù)的 CYK-Ⅰ型、CYK-Ⅰ型開(kāi)煉機(jī)一體化智能控制專用裝置，設(shè)備先后在十幾家橡膠輪胎生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，得到了客戶肯定和好評(píng)。下面僅介紹其中一個(gè)實(shí)例。

根據(jù)沈陽(yáng)某橡膠輪胎生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行CYK-Ⅲ型開(kāi)煉機(jī)一體式智能控制專用裝置得到的數(shù)據(jù)測(cè)算如下：開(kāi)煉機(jī)為 280 kW 的繞線式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，典型的工作工況以3 min為 1 個(gè)周期，2 min帶載煉膠，1 min空載的工況條件。如果改為變頻驅(qū)動(dòng)、恒轉(zhuǎn)矩工作方式，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到?jīng)]有空載的合適狀況則變頻驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速以此值為最佳：

開(kāi)煉機(jī)是典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工藝，根據(jù)電機(jī)調(diào)速理論可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率電流的關(guān)系：電機(jī)功率P=1.732×U×I×cosΦ ；電機(jī)轉(zhuǎn)矩 T=9 549×P/n；轉(zhuǎn)矩=9 550×輸出功率/輸出轉(zhuǎn)速，亦即:P= T×n/9 550，功率=力×速度，即 P=F×V。因此，在恒轉(zhuǎn)矩工況下，電機(jī)消耗功率正比于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。

具體方案:帶載運(yùn)行50 Hz，空轉(zhuǎn)采用變頻模式，仍以280 kW 開(kāi)煉機(jī)為例進(jìn)行方案計(jì)算，實(shí)際測(cè)試負(fù)載率約為60%，亦即：

Q變頻空載時(shí)，0 Hz，主傳動(dòng)電機(jī)不耗能：

我們?cè)僖怨ゎl工況下的一個(gè)工作周期內(nèi)開(kāi)煉機(jī)消耗的電能計(jì)算如下：

帶載周期消耗的電能 Q帶載=280 kW×0.6×(2/60)h=5.6 kWh;

空載時(shí)間消耗的電能 Q空載=280 kW×0.6×0.25×(1/60)h=0.7 kWh;

故3 min工作周期內(nèi)消耗電能 Q周期=Q帶載+Q空載=6.3 kWh。

綜上所述，改為變頻傳動(dòng)后的節(jié)電率：

R=1-變頻驅(qū)動(dòng)周期功耗/工頻驅(qū)動(dòng)周期功耗

=1-5.2 kWh/6.3 kWh=0.175≈17.5%

每臺(tái)開(kāi)煉機(jī)一個(gè)班工作按 8 h進(jìn)行計(jì)算，改造前每個(gè)班消耗的電能:

改造后每個(gè)班消耗的電能：

可見(jiàn)在此工作條件下，每個(gè)班(8 h)節(jié)約電能=1 008 kWh-832 kWh=176 kWh。

通過(guò)上面例子可知，通過(guò)采用施一電氣的開(kāi)煉機(jī)一體化方案，每個(gè)班（8 h）可以節(jié)約電能 176 kWh，其節(jié)電率約為 17.5%?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)工況不同綜合節(jié)電率完全可以達(dá)到12%左右 。

3.3 采用開(kāi)煉機(jī)一體化式智能控制專用裝置的優(yōu)勢(shì)

（1）減少空轉(zhuǎn)能耗，達(dá)到減少能耗降低生產(chǎn)成本的效果。

（2）專用裝置的直流母線支撐電容可起到無(wú)功交換的作用，大大提高了設(shè)備的輸入功率因數(shù)，而不必再另外購(gòu)買功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。

（3）實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的軟啟動(dòng)，消除了工頻啟動(dòng)對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊，避免了對(duì)其他用電設(shè)備可能造成的跳閘故障，延長(zhǎng)了機(jī)軸、齒輪、減速機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻部件等機(jī)械件的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了更好的安全運(yùn)行。

（4）無(wú)級(jí)調(diào)速功能可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要方便設(shè)定輥筒的正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速大小和加減速時(shí)間，使設(shè)備操作更加簡(jiǎn)易方便。

（5）專用裝置設(shè)有欠電壓、過(guò)電壓、輸入缺相、輸出缺相、過(guò)電流檢測(cè)、過(guò)載檢測(cè)等多種檢測(cè)保護(hù)功能，從而保證設(shè)備能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行。

（6）新的開(kāi)煉機(jī)只要直接配置該專用裝置就能一步到位。