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        大功率整流裝置諧波治理中的C型濾波器

        2018-06-01 11:49:50劉懺斌
        中國(guó)氯堿 2018年5期
        關(guān)鍵詞:品質(zhì)因數(shù)頻率特性截止頻率

        汪 力,劉懺斌

        (1.沈陽(yáng)市熱力工程設(shè)計(jì)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110001;2.沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院遼寧 沈陽(yáng) 110001)

        在大功率整流裝置的諧波治理時(shí),多采用各種無(wú)源濾波器。在確定濾波器回路內(nèi)的電器參數(shù)時(shí),通常都是與無(wú)功補(bǔ)償容量結(jié)合一起考慮。在大容量等效多相系統(tǒng)內(nèi),高次諧波的濾除成為了重點(diǎn),C型濾波器具有良好的高通性能,常用以取代普通高通濾波器,以節(jié)省后者中電阻R內(nèi)的有功損耗,而且通過(guò)參數(shù)優(yōu)化,其高通性能可比普通高通濾波器更加優(yōu)越。

        1 電路的構(gòu)成及其特性

        電路圖見(jiàn)圖1,由電感L,電容C、C1電阻R聯(lián)結(jié)而成,這個(gè)電路的關(guān)鍵在于,將L與C1構(gòu)成在基波頻率下的串聯(lián)諧振環(huán)節(jié),從而使基波電流不致流過(guò)電阻R,以降低其中的電能損耗。電路的阻抗頻率特性見(jiàn)圖2。與高通濾波器類(lèi)似,也應(yīng)是在截止諧次N1下,回路阻抗有最小值,高于N1時(shí),阻抗應(yīng)盡可能慢地增加,以便在將截止諧次N1的諧波電流較多地濾除的同時(shí),也能較多地濾除高于N1的各次電流。

        圖1 電路原理圖

        圖2 電路的阻抗頻率特性

        2 電路參數(shù)的確定

        2.1 電路的阻抗表達(dá)式

        (1)電路圖1中的1點(diǎn)與2點(diǎn)間計(jì)入頻率(諧次N)變化時(shí)的阻抗(略去L的內(nèi)阻),并引入本電路的前提特征,即基波頻率下有:

        按圖1電路計(jì)及(1)式表達(dá)的前提,可導(dǎo)出1點(diǎn)與2點(diǎn)間的阻抗:

        由(2)式可看出,在基波頻率(N=1)下,Z12=0。

        (2)電路圖1中的1點(diǎn)與3點(diǎn)間計(jì)入頻率(諧次N)變化時(shí)的阻抗(略去L的內(nèi)阻)

        式(3)是繪制電路阻抗頻率(諧次)特性Z13=f(N)的依據(jù)。

        2.2 電感L的計(jì)算

        由于電路的調(diào)諧諧次為N1,因此在N1諧次時(shí)有:

        計(jì)入在基波頻率(N=1)下有:

        代入(4)式,求解,可得:

        可知,只有在確定電容C和電阻R后,才能計(jì)算電感L。

        2.3 電容C的確定

        由于電容器只能補(bǔ)償系統(tǒng)的基波無(wú)功功率,因此,通常是按系統(tǒng)功率因數(shù)所需基波無(wú)功的補(bǔ)償值確定所需電容(C)的數(shù)值,應(yīng)予注意的是電容C1對(duì)無(wú)功補(bǔ)償不起作用,所以:

        式中:Q1—功率因數(shù)補(bǔ)償所需無(wú)功功率,kvar;U—濾波裝置接入點(diǎn)的母線(xiàn)線(xiàn)電壓,kV;ω—系統(tǒng)的基波角頻 ω=2πf,f為基波頻率。

        2.4 C1的確定

        由于L與C1須在基波頻率下(N=1)構(gòu)成串聯(lián)諧振環(huán)節(jié),故可從(1)式導(dǎo)出:

        按(5)式確定L后,即可計(jì)算出C1。

        2.5 電路的品質(zhì)因數(shù)Q及電阻R的確定

        當(dāng)濾波回路在截止頻率(對(duì)應(yīng)諧次N1)下產(chǎn)生諧振時(shí),根據(jù)諧振電路品質(zhì)因數(shù)Q的定義,其值應(yīng)為(2)式中感性或容性虛部阻抗與實(shí)部阻抗之比,即:

        可知:

        用(9)式代入(4)式,化簡(jiǎn)后可得:

        根據(jù)經(jīng)驗(yàn),Q值常在0.5~1.0范圍內(nèi)選取,應(yīng)予指出:Q值對(duì)電路的頻率特性影響頗大,往往須在頻率特性計(jì)算中反復(fù)調(diào)整,直到得出滿(mǎn)意的頻率特性為止。于是根據(jù)Q的取值和按(6)式求得的C值,即可按(10)式求出電阻R,然后可按(7)式算出所須電容C1。

        3 計(jì)算舉例

        3.1 電路基本參數(shù)

        某電解鋁廠變流裝置,采用220 kV直降變流機(jī)組4套,單組脈動(dòng)數(shù)為12,構(gòu)成等效48相變流系統(tǒng)。按系統(tǒng)功率因數(shù)要求,須裝設(shè)60000 kvar的補(bǔ)償電容器,擬在220 kV母線(xiàn)直接接入一組C型濾波補(bǔ)償裝置。試計(jì)算其初步所需基本參數(shù)。

        電容C按(4)式:

        電阻R按(9)式,Q值初步取為0.9,N1取值11得:

        電容 C1按(7)式:

        電感L按(10)式:

        為比較品質(zhì)因數(shù)對(duì)基本參數(shù)的影響,對(duì)Q=0.5及Q=1.5時(shí)也進(jìn)行了計(jì)算,并將3個(gè)不同Q值的計(jì)算結(jié)果按方案一(Q=1.5)、方案二(Q=0.9)和方案三(Q=0.5)列出表 1。

        表1 不同方案計(jì)算結(jié)果

        從表列結(jié)果看出,品質(zhì)因數(shù)Q對(duì)濾波性能影響頗大,比較表列3種Q值的計(jì)算結(jié)果,以Q=0.9(方案二)為最佳,因?yàn)槠湓诮刂诡l率(11次)下的阻抗(Z11)和高次諧波(例如 23次)下的阻抗(Z23)相對(duì)最小,說(shuō)明所希望濾除的截止頻率和高次頻率諧波濾除量最多;其次為方案一,方案三最差,其截止頻率下的諧波電流濾除量最少。品質(zhì)因數(shù)的增減與濾波效果的好壞也非正相關(guān),其最終取值應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的頻率特性和各項(xiàng)諧波參數(shù)的計(jì)算,進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后確定。

        3.2 頻率特性

        為便于比較,將上述3種品質(zhì)因數(shù)計(jì)算的頻率特性曲線(xiàn)分別列出。

        (1)品質(zhì)因數(shù)Q=0.9時(shí)的頻率特性曲線(xiàn),按(3)式計(jì)算的全阻抗頻率特性見(jiàn)圖3。

        圖3 頻率特性(Q=0.9)

        (2)品質(zhì)因數(shù)Q=0.5時(shí)的頻率特性曲線(xiàn),按(3)式計(jì)算的全阻抗頻率特性見(jiàn)圖4。

        (3)品質(zhì)因數(shù)Q=1.5時(shí)的頻率特性曲線(xiàn),按(3)式計(jì)算的全阻抗頻率特性見(jiàn)圖5。

        圖4 頻率特性(Q=0.5)

        圖5 頻率特性(Q=1.5)

        在比較列出的3種不同品質(zhì)因素Q的阻抗頻率特性時(shí),最應(yīng)該關(guān)注的是截止頻率下阻抗值小者為佳,高于截止頻率下的阻抗值同樣以小者為佳,因?yàn)檫@樣才能保證濾除的諧波量最多。據(jù)此,顯然能得出以Q=0.9時(shí)濾波效果最好的結(jié)論。

        4 結(jié)語(yǔ)

        從本例的計(jì)算分析中已可得出,Q=0.9時(shí)(圖3)為最佳選擇,從其電路的頻率特性曲線(xiàn)看出,在調(diào)諧諧次N1=11次時(shí),阻抗為零,高于11次時(shí)阻抗數(shù)值并不大,結(jié)果比較理想。而Q=0.5(圖4)和Q=0.9(圖5)電路的頻率特性中看出;調(diào)諧諧次下的阻抗并非最小,調(diào)諧諧次前移至7.5~8次,而不是設(shè)計(jì)要求的11次,而且高于調(diào)諧諧次的阻抗也增加較多,從而影響要求濾除的11次及高于11次諧波的濾除效果。

        按(4),(7),(9),(10)式確定了濾波器的基本參數(shù)后,下一步須將濾波器與供電系統(tǒng)及諧波源的阻抗參數(shù)組成聯(lián)合系統(tǒng),進(jìn)行諧波參數(shù)計(jì)算,并對(duì)濾波效果予以評(píng)價(jià),必要時(shí)對(duì)濾波器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后重新計(jì)算,以獲取濾波各元件的電流、電壓、容量、損耗等運(yùn)行參數(shù),以便提出各元件的訂貨條件,進(jìn)行濾波裝置的施工圖設(shè)計(jì)。

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