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2吨中频炉谐波治理案例


滤波补偿装置在中频炉的应用

保定巴方电力电子有限公司

滤波补偿装置在中频炉的应用
用户情况介绍 河北某铸造公司主要设备为中频电炉,中频电炉属于典型谐波源,产 生大量谐波,造成补偿电容器无法正常投入运行,功率因数达不到供电 要求的 0.9 以上,每月产生无功罚款 1.2 万元左右,变压器温度在夏 季达 75 度,造成电能浪费,寿命缩短。 一、中频电炉概述 中频电炉铸造车间以 0.66kV 电压供电, 其主要负荷为 6 脉动整流中 频炉,整流设备在工作中在把交流变为直流的同时产生大量的谐波,属 典型谐波源;谐波电流注入电网,在电网阻抗上产生谐波电压,引起电 网电压电流畸变,影响供电质量及运行安全,使线路损耗及电压偏移增 加,对电网和工厂本身电气设备均会产生不良的影响。 1、中频原理

三相桥式全波整流电路将工频 50HZ 整流成脉动的直流电,可以 调节的直流电压 Ud,来调节负载电流。LD 为滤波电抗,是把工频和 中频网络隔开,并把直流电流滤成平化的波形。逆变电路是 8 只晶闸 管组成单相桥式逆变电路,它将直流电流逆变为交流中频电流,并将

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它送入负载。负载电路是炉圈与电热电容组成并联谐振。逆变电路的 输出频率受负载电路振荡频率控制,工作在略高于负载振荡频率。 并联变频电路对负载的适应能力特别强, 是当前应用最广泛的一 种电路,主要是用作中频熔炼和透热的电源。 特征谐波分析 1) 中频炉的整流装置为 6 脉动可控整流; 2) 整流装置所产生的谐波为 6K+1 次奇次谐波,采用傅立叶级 数对电流进行分解变换,可知电流波形含有 6K±1 次高次谐波,根据 对中频炉的测试数据,其谐波电流含有量见下表: 6 脉动桥式换流器谐波电流含有量:(In/I1)
谐波次数 谐波含量 5 0.23 7 0.11 11 0.08 13 0.07 17 0.02 19 0.01 23 0.007 25 0.006

中频炉在工作过程中,产生大量的谐波,针对中频炉的测试及计 算结果,特征谐波主要以 5 次为最大,7 次,11 次,13 次谐波 电流比较大,电压电流畸变严重。 二、基础数据及系统图 1、中频炉参数:中频炉由一台变压器独立供电,容量为 2 吨, 视在功率 S=2000KVA,有功功率为 P=1800KW,无功功率为 Q=1020KAR,功率因数为 PF=0.87,供电电压 U=660V,工作电流 I=1750A。 2、变压器参数:变压器型号为 S11-2500KVA,电压为 10000V/660V,额定电流为 I=2186A。 3、实际运行参数:视在功率 S=700KVA-2200KVA,有功功率为 P=600KW-2000KW,无功功率为 Q=550KAR-1150KAR,功率因数为 PF=0.6-0.93,工作电流 I=430A-1924A 4、供电系统图:

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三、滤波补偿装置设计依据 1、根据电能质量 公用电网谐波 2、根据电能质量 电压波动和闪变

GB/T14519-1993 GB12326-2000

3、根据供电系统阻抗和相关参数 4、根据现场测量结果及仿真计算 四、治理方案 1、 治理目标 根据企业实际情况, 我公司针对中频炉谐波治理设计了整套 滤波方案,综合考虑负荷功率因数、谐波吸收需要和背景谐 波,在企业变压器 2500KVA 0.66KV 低压侧安装一套谐波滤波 装置对谐波进行治理。 滤波装置谐波电流的设计满足国标 GB/T14549-93《电能质量 公 用电网谐波》的管理规定。 在 0.66KV 系统运行方式下,滤波设备投运后,滤波器吸收点 处某次谐波的幅值及含有量都有大幅度下降,功率因数 0.95 以上。 不因为投入滤波装置而引起某次谐波的谐振或谐振过电压、 过电流。 2、方案确定 由于中频炉在工作过程中谐波较大,如 5 次谐波达到了基波 电流的 21.5%,对电网、设备本身和其它用户都造成了不同程度
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的影响。另外,考虑设备的功率因数特点,在设计时要做到谐波 消除补偿无功提高功率因数等。 针对设备的特性本方案采用滤波兼无功补偿的方式,它的主 要作用:改善供电系统的稳定性;抑制谐波电流以减少谐波造成 的危害。 中频炉工作过程可分为初加热过程和正常工作过程,初加热 过程持续时间短,但高次谐波比较丰富,设计时要考虑各滤波支 路不会对高次谐波放大,而在整个过程中正常工作占大部分时 间,其中正常工作过程时电流大,谐波含量大。从测试数据看主 要谐波成分是 5 次 、7 次、11 次、13 次其中以 5 次谐波为最大, 电压畸变严重。综上因素考虑滤波装置设计 5 次、7 次、11 次三 条 LC 滤波支路,吸收 5、7、11 次及以上次数的谐波。方案采用 仿真法对各回路投入时是否产生非特征频率的谐振进行分析, 并 最终确定回路的参数。 3、技术特点 针对用户系统谐波无功专门设计制造,消除特性谐波补偿无 功功率,滤波效果明显。 对于 5、7、11 次谐波电流吸收率达到 75%以上,谐波满足 GB/T14549-93 要求。 根据谐波源的特性设定滤波器的投切方式和控制策略。 检测系统情况,按照负荷的无功电流、谐波电流进行实现跟 踪。 使受电功率因数提高到 0.95 以上,降低配电网的线损、增加 配电变压器的承载效率。 补偿过程中电网电压波动满足国家标准 GB/12326-90 要求, 即: 满负荷到轻负荷补偿变化引起的一次侧电压波动≤2.5%。 装置保护措施:过电压保护、过电流保护、欠电压保护、接 地保护、 过热保护。 补偿装置系统总功率损耗:P 损小于 1.5%*Q 总。 系统不产生无线电(射频)电磁干扰。 运行方式:全自动,连续工作。 供电系统及滤波原理图:

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五、治理效果 滤波补偿前(电流)

滤波补偿后(电流)

滤波补偿前(电压)

滤波补偿后(电压)

滤波补偿前(电压)

滤波补偿后(电压)

滤波补偿前(电流)

滤波补偿后(电流)

六、结论 1、滤波补偿装置投入运行,自动跟踪中频炉的各种负载设备变化,使 各次谐波得到有效滤除。 2、未治理前电压总畸变率(THD)严重超出国标 5%的限值要求。经治理, 电压总畸变率(THD)从原来的 15.6%,降止 3.4%,各次谐波都符合国标 GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》标准要求。
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3、经治理谐波电流都得到有效改善,未投入 5、7、11 次的谐波电流都 严重超标,投入后超标的各次谐波电流吸收率都大于 80%以上,符合设 备设计要求。如 5 次谐波电流从 356A,降止 35A 左右; 7 次谐波电流从 182A,降止 30A 左右, 11 次谐波电流从 119A,降止 18A 左右,注入公 共点的各次谐波电流均符合国标 GB/T 14549-93 《电能质量 公用电网谐 波》要求。 4、 滤波装置投入后系统的功率因数得到大幅提高, 供电系统 0.66KV 侧 从原来的 0.87 左右提到 0.95 以上,有功功率、视在功率、无功功率都得 到节省,有效降低用电设备和供电线路的损耗。 5、谐波治理后变压器温度由原来的 75 度降低到 50 度,节省了大量电 能,变压器使用寿命延长。 6、通过治有效改善了中频炉的供电电能质量,提高了中频电源的利用 效率,有利于系统的长期安全、经济运行,产生更好的经济效益。

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