中频冶炼炉分频谐波频率移动现象及其机理

郭智文，李 晟

(中冶华天南京自动化工程有限公司，江苏南京210019）

供用电

中频冶炼炉分频谐波频率移动现象及其机理

郭智文，李 晟

(中冶华天南京自动化工程有限公司，江苏南京210019）

在冶炼过程中，为了提高生产效率，降低冶炼能耗，中大容量中频冶炼炉往往采用了频率自动调节的控制方法，造成了严重的且频率移动的分频谐波污染；对该现象产生的机理进了定性分析，并得到了实际工程测试数据的验证；为今后该类设备电能质量治理工程的设计、实施提供了有℃的借鉴。

中频炉；分频谐波；移动频率

1 引言

感应加热技术具有加热速度快、热效率高、加热均匀、环境污染小等优点，广泛应用于金属熔炼、铸造、热处理等工业场合。目前，其已成为冶金行业一种重要的技术装备。近年来，为降低生产能耗、提高生产效率，输出频率自动调节技术被应用于大功率大容量冶炼中频炉中，但也带来了极为特殊的电能质量问题，尤其是此类中频炉产生大量的分频谐波污染，同时这些分频谐波的频率还随着冶炼过程发生不断的变化。

在以往的文献中对这一现象未给予足够的重视，很多情况下仍然将冶炼中频炉谐波污染等效为6脉动或12脉动整流所产生的固定的特征频率谐波，使得很多电能质量治理工程设计陷入困难。本文从中频冶炼炉工作原理和电路原理出发，分析了中频冶炼炉分频谐波产生以及频率移动的机理，并给出了某公司中频炉谐波实际测试数据，为今后电能质量治理工程提供有℃的设计依据。

2 中频冶炼炉工作和电路原理

中频冶炼炉的基本工作原理是利用电磁感应在被冶炼的金属导体内产生涡流，从而产生热效应，使得被冶炼金属升温、熔化。中频感应输出频率是中频炉一个重要的控制参数，它与生产效率、能耗、炉料的温度分布、电磁搅拌力、炉料几何特征、炉料物料特性等因素直接相关[1]。

在冶炼过程中，感应输出频率既要能适应冶炼过程造成的参数变化，例如，在冶炼铁磁性金属时，物料的磁导率随温度不断下降，直至达到居里点完全失磁的特性；又能满足降低能耗、提高生产效率的工艺要求。因此，对感应输出频率的控制调整是非常有℃的，尤其随着中频炉容量和功率的增加，其必要性和重要性也越发突出。

中频炉的基本电路结构可分为受控整流器电路和逆变电路两个部分，其原理如图1所示。

图1 6脉动整流串联谐振型中频炉电路原理图

从图1不难判断，中频冶炼炉的基本电路属于典型的三相输入单相输出的交-直-交(AC-DC-AC)变频器电路。

根据交-直-交变频器电路谐波特性的分析，其产生的谐波频率与输出频率之间的关系可表示为[2，3]：

式中，k=1，2，3……，m=0，1，2，3……；

fh1——变频器交流侧电流中与整流脉动数有关的谐波频率；

fh2——变频器交流侧电流中与整流脉动数无关的谐波频率；

f1——电源基波频率；

基于文献研究可以发现，大部分家庭照料者都表现出对未来的担忧，仅有少数照料者对未来有所考虑或制定了详细的计划。其中，照料者及其家庭所面临的问题集中表现在以下几个方面。

f0——变频器输出频率；

l——与变频器负载相数相关的参数，三相负载取l=6，单相负载取l=2；

p——整流电路触发脉冲数。

从式（1）、（2）可以得出，图1所示中频冶炼炉电路造成的电力系统谐波频率为：

式（3）、（4）可以说明，当f0不为电源基波的整倍数时，中频冶炼炉的交流侧必然产生分频谐波污染，并且若f0的频率发生变化时，交流侧谐波的频率也将随之发生改变。

3 某公司中频炉实际测试数据与分析

某公司在10 kV母线上装有3台20 t中频冶炼炉，3台中频炉可同时生产，为测试其谐波污染情况，使用FLUKE1760谐波测试仪对其生产过程进行了长时间检测，测试数据如表1~表4所示。

表1 3台中频炉通电空载，准备生产

表2 第1台中频炉进入冶炼运行，另外2台准备生产

表3 第1、2台中频炉进入冶炼运行，第3台中频炉准备生产

表4 3台中频炉同时进入冶炼运行

部分谐波电流测试曲线如图2所示。

图2 部分谐波电流测试曲线

在图2中，测试情况分别为：

（b）图为第一、二台中频炉生产，第三台中频炉未启动，此时主要要谐波电流频率为153 Hz（11.8 A）、174 Hz（41.2 A）、253 Hz（18.0 A）、173 Hz（45.5 A）。

（c）图为三台中频炉同时生产，此时主要要谐波电流频率为150 Hz（8.3 A）、176 Hz（20.4 A）、186 Hz（26.5 A）、250 Hz（10.3）、276 Hz（26.0 A）、286 Hz（34.3 A）。

（d）图为三台中频炉同时生产，此时主要要谐波电流频率为150 Hz（21.0 A）、187 Hz（31.2 A）、221 Hz（27.8 A）、250 Hz（28.5）、287 Hz（40.3 A）、321 Hz（38.6 A）。

根据表1~表4和图2数据，可得如下结论：

（1）变流器主要的谐波电流为分频谐波，且谐波频率随冶炼过程有逐渐增大的趋势；

（2）3台中频炉的产生的分频谐波明显分为三组，各组频率最低、幅度最大的两个频率的谐波电流相差100 Hz；

（3）按照若当式（3）、（4）中有fh1′=50×（6k± 1）-2mf0项为谐波电流的主要成分时，不难解释其差值100 Hz的现象；

（4）谐波频率变化有一定的范围区间，从测试结果看大约为91 Hz(从143 Hz~234 Hz，243 Hz~334 Hz)，当进入冶炼末期，谐波频率不再移动。

4 中频炉分频谐波带来的危害

目前，由于大多数文献和中频炉制造商给出的谐波发生量估算中，未能将中频炉电路等效为交－直－交变频器，而是当作了整流电路考虑，这与实际情况是存在较大差异的。若中频输出频率固定为基波整数倍时，电路不会产生分频谐波，谐波频率也不会发生变化，对电能质量治理工程影响尚不严重，而随着中频炉容量和功率的增大，越来越多的中频炉电路采取了调节输出频率技术，而且频率变化范围较大，这时分频谐波以及谐波频率变化的现象很可能会导致严重的电能质量治理工程设计困难。因此，在冶炼中频炉电能质量治理工程设计中，分频谐波以及谐波频率移动现象必须得到足够的重视。

5 结论

本文从中频炉工作原理和电路原理出发，分析了采用中频输出频率调节技术后，中频冶炼炉所造成的分频谐波污染和谐波频率移动的原理；并通过工程测试数据分析验证了该现象；提出在电能质量治理工程设计必须对该问题给予高度重视，为以后的工程实践提供借鉴。

目前，对此类分频谐波电流发生量的分析和估算还没有很好的方法，仍需在后续的工作中加以重视、研究。

[1]潘天明.现代感应加热装置[M].北京：冶金工业出版社，1996.

[2]林海雪.电力系统的间谐波的来源及其影响[J].电源技术应用，2010，3（5）.

[3]M.B.BASHIR etc.Evaluation of Current Interharmonics from AC Driver[J].IEEE Tran.On Power Delivery,2000，15（3）.

The Sub-harmonic Frequency Shift Phenomenon of Intermediate-Frequency Furnace and Its Mechanism

GUO Zhiwen，LI Sheng
(MCC Huatian Nanjing Automation Engineering Co.Ltd.,Nanjing,Jiangsu 210019,China)

In order to increase production efficiency and reduce energy consumption,the control method of automatic frequency adjustment is often adopted during the smelting process of medium and large volume intermediate-frequency furnaces,causing serious sub-harmonic pollution of frequency shift.The generating mechanism of the phenomenon was qualitatively analyzed,which had been proved by test data from actual projects,to provide helpful reference for the design and implementation of electricity quality treatment projects for similar equipment.

i-f furnace;sub-harmonic;travel efficiency

TM714

B

1006-6764(2014)11-0001-03

2014－05－07

2014－07－14

郭智文（1968－），男，1991年毕业于华东冶金学院工业电气自动化专业，高级工程师，现从事电力电子及电能质量治理工作。