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滤波补偿装置在中频炉的应用
用户情况介绍
山东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）
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谐波次数 |
5 |
7 |
11 |
13 |
17 |
19 |
23 |
25 |
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谐波含量 |
0.23 |
0.11 |
0.08 |
0.07 |
0.02 |
0.01 |
0.007 |
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：
三、滤波补偿装置设计依据
1、根据电能质量 公用电网谐波 GB/T14519-1993
2、根据电能质量 电压波动和闪变 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。
l 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。
l 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
l 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。
l 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。
l 根据谐波源的特性设定滤波器的投切方式和控制策略。
l 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。
l 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%。
l 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。
l 系统不产生无线电（射频）电磁干扰。
l 运行方式：全自动，连续工作。
l 供电系统及滤波原理图：
五、治理效果
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。
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、通过治后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率，有利于系统长期安全经济运行带来经济效益的提升。