有源滤波器在中频电炉中的节能分析

孙亚琨,邹　黎

(山东理工大学 电气与电子工程学院,山东 淄博　255091)



有源滤波器在中频电炉中的节能分析

孙亚琨,邹黎

(山东理工大学 电气与电子工程学院,山东 淄博255091)

摘要中频电炉作为主要的加热感应设备,其产生的谐波污染对电网电能质量构成威胁。文中针对中频电炉存在的谐波问题,分析比对原有的治理措施,提出了新的谐波治理装置——中频电炉用有源电力滤波器,对其主电路结构及工作原理进行分析。并对有源滤波器在中频电炉上的节能成效进行了分析,分别从变压器、换相角、交直流电压变化等方面进行了能耗分析,最终计算出净节能达到6.2%,节能效果显著。

关键词中频电炉;有源电力滤波器;节能

中频电炉通过整流电路将电网的基频变成直流,然后通过逆变电路将直流逆变成所需频率电流。对于传统的六脉整流电炉主要产生6k±1次谐波,即主要有5、7、11、13等次谐波。中频电炉产生的谐波电流对电网有多方面的危害:六脉整流中频电炉主要产生5、7、11、13次谐波,若电网中存在谐振点与此相同的电感、电容时就会发生谐振,从而导致器件损坏;由于谐波也占据能量,所以导致原本网侧输出的基波能量降低,原本输送基波的母线会因输送的电流频率升高引起集肤效应,导致线体发热,甚至引发安全事故;与母线相连的变压器、电机等也会由于谐波导致的铁耗、铜耗的增加,甚至会引起中性点位移,影响正常运行[1];谐波对各种电能测量器件、仪表、通信设备等也会产生较大的干扰,导致测量结果、接收信号产生较大误差。

实际中,在没有谐波治理装置下中频电炉对电网造成的谐波畸变率高达28%,严重超出了国家标准[2],因此对中频电炉进行谐波抑制的研究和设计是保证网侧电能质量的重要任务。

1中频电炉谐波抑制的研究现状

针对中频电炉谐波的产生,传统的谐波抑制装置是装设LC调谐滤波器。根据LC的串并联谐振原理,对固定频率的谐波进行消除。一般情况下,单调谐滤波器只能用于滤除某个固定次谐波,若要滤除多次谐波,则需相应地用几个单调谐滤波器并联。同时,LC调谐滤波器存在易于系统发生谐振、工作地点固定、体积大等缺点,难以满足目前谐波治理的要求。因此,为解决传统婺源滤波器的局限性,提出了有源电力滤波技术。图1为针对六脉整流中频电炉谐波治理的LC调谐滤波器原理图。

图1　LC调谐滤波原理图

2有源电力滤波器

有源电力滤波器是一种用于动态谐波抑制、在合适的控制方式产生幅值、相位和频率均可变的补偿电流新型电力电子装置。有源电力滤波器能够实现动态补偿,速度快、可控制,其介入不受系统阻抗的影响,可抑制串并联谐振,这正克服了LC调谐滤波器只能对固定次谐波补偿、滤波特性受系统参数影响的缺点,基于以上优点,有源电力滤波器在电力系统中被广泛使用。

2.1有源电力滤波器的种类

有源电力滤波器的主电路通常采用单个PWM逆变器结构,按其直流侧储能元件不同进行分类:储能元件选择电容的是电压型有源电力滤波器,如图2所示,储能元件选择电感的是电流型有源电力滤波器[5]。电压型APF由于具有内阻损耗小、效率高、初期投资少、可任意并联扩容、易于单机小型化等优点,更适用于谐波补偿装置。

图2　电压型有源电力滤波器主电路的原理图

根据拓扑结构的不同,可分为并联型、串联型以及串、并联混合型。并联型有源滤波器的PWM变流器并联在电网上,相当于受控电流源,产生与负载谐波电流大小相同但方向相反的补偿电流。串联型有源滤波器的变流器通过变压器串联在电源和负载之间,相当于受控电压源。通过控制补偿电压改变负载端的电压,两者相结合的是混合型有源电力滤波器[5]。并联型有源滤波器的电源基波电压全部加在变流器上,因而装置容量较大,且能连续调节无功功率,并在补偿谐波的同时动态补偿无功功率,目前较为常用。

2.2有源电力滤波器工作原理

有源滤波器主要由两大部分组成:指令电流运算电路和补偿电流的产生电路。其中补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电路,驱动电路和逆变主电路。指令电流运算电路用于检测出出网侧的谐波电流,然后通过A/D转换器将所要补偿的电流分量转换成数字信号;电流跟踪控制电路、驱动电路和逆变电路组合成了补偿电流产生电路,接收指令并按照指令逆变出相应的电流[6]。图3为用于中频电炉谐波抑制的有源电力滤波器系统框图。

图3　有源电力滤波器系统框图

电网的输入电流Is由负载电流IL和补偿电流Ic组成,可表示为

Is=IL-Ic

(1)

(2)

(3)

由于负载电流包括基波有功分量、无功分量及谐波分量,即

IL=Ip+Iq+In

(4)

所以,可得

IS=IL-(Iq+In)=Ip

(5)

可看出,有源滤波器抑制了谐波分量,对无功电流进行了补偿。

3有源电力滤波器的节能分析与计算

小型电炉的中频电源一般采用六脉整流,变压器副边电流畸变率达到25%,谐波次数主要为5、7、11、13次,含量最高的为5、7次,如图4所示。在使用有源滤波器后,变压器副边电流畸变率降至3%,如图5所示。

图4　APF投入前三相电流畸变率

图5　APF投入后三相电流畸变率

3.1降低变压器的谐波损耗

变压器在谐波的影响下,不仅有铁耗、铜耗,还有杂质损耗和介质损耗等4个部分。在高负载谐波电流的影响下,铜耗是最大的损耗。

3.1.1谐波对变压器铜耗的影响

由式Pcu=I2×R可知:电能损耗与电流平方成正比,与等效电阻成正比。由于高次谐波电流集肤效应和圆环效应[7],电流在线圈截面中严重不均匀分布,使交流电阻变约大50%。考虑到直流偏磁效应,铜耗的计算公式可表示为式

(6)

式中,Pjn为铜耗;Rn(1)Rn(2)为n次谐波下原边及副边绕组的阻值;In(1)In(2)为流过原边和副边绕组谐波电流的有效值。因此,谐波电流的不均匀分布,以及电阻的增大,将使变压器的附加铜耗增加50%。一般小型电力变压器的额定铜耗功率在正弦波条件下约为1%,当副边电流畸变率为25%时,铜耗功率增加50%,即变压器多消耗0.5%的额定功率。

3.1.2谐波对变压器铁耗的影响

变压器副边的电流畸变率,根据短路容量不同对变压器原边电压畸变率影响的不同[8],若按国标电压畸变率4%取值,根据式(7)计算

u=4.44fNφM

(7)

式中,f为变压器二次侧频率;N为变压器二次侧匝数;φm为变压器主磁通。

根据式(7)得出铁芯磁通谐波含量约4%。由于铁芯损耗中的涡流损耗与频率成指数关系,如式(8)所示

P涡涡=kVftB

(8)

式中,k为涡流系数;V为导磁体的体积;t为叠片厚度;B为磁通密度。

变压器铁芯在磁化过程中,由于内外磁场变化速度的不同,会发生磁滞现象造成损耗,称为磁滞损耗,而磁滞损耗与频率成正比。

一般硅钢片在50 Hz、工作磁密条件下,单位损耗为0.11 w;当频率增加6倍时,单位损耗为2.21 w。据此估算铁芯磁通谐波含量为4%时,铁芯损耗将提高1倍。正弦波条件下一般小型电力变压器的额定铜耗功率约为0.2%(额定功率),当原边电压畸变率为4%时,铁耗功率增加1倍,即变压器多消耗0.2%的额定功率。

3.1.3谐波对变压器压降的影响

小型电炉进线变压器的短路阻抗比一般约为0.08[9],电抗含量>80%,六脉整流电源变压器副边电流畸变率达到25%,谐波阻抗与频率成正比,因此谐波在变压器上的压降比较大,对波形积分后取其平均压降可增加2%以上。

3.2提高交流与直流电压的转换系数

理想条件下交流电压U2与直流电压Ud的关系为

(9)

谐波压降与电流畸变率、短路阻抗有关,六脉整流电流畸变率25%,谐波阻抗与谐波频率有关。对于六脉整流电源,短路阻抗比为0.1时,平均谐波压降约计2%。理想状态下直流电压与线电压比值系数为1.35,但由于换相压降和谐波压降的影响,比值系数估计为1.27(1.35×0.94=1.27),因此谐波补偿后,比值系数可提高约6%。

3.3降低换相过程损耗

在一定的工作电压和工作电流下,可以通过抑制换相过电压来降低换相损耗。考虑到交流侧电感的影响,换流过程无法顺势完成。用Lb集中表示该漏感,现以三相全控桥式整流为例,分析其VT1-VT2换相至VT2-VT3的过程,如图6所示。

图6　三相换流电路图

图6所示,VT1和VT2同时导通时,由于a、b相存在漏感,Ia和Ib均不能突变。所以,在该时刻触发VT3,则VT1、VT3同时导通,相当于将a、b两相短路,在两相回路间产生环流Ik。Ik=Ib逐渐增大,而Ia=ID-Ik逐渐减小。当Ik增大到与ID相同时,Ia=0,此时VT1关断,换流过程结束[10]。换流过程波形如图7所示。

图7　三相换流波形图

由于变压器漏感的存在,换流过程出现换相重叠角,且换相时间长,使换相后电压降落许多,增加了换相能耗。换相过程中压降和换相重叠角的关系如表1所示。

表1　换相压降与换相重叠角关系

当配置有源滤波器后,电压变形得到及时修补,电流变化率加快,换相过程缩短,电压降落很少,有效提高了直流电压,并减少了换相能耗[11]。配置有源滤波器后,根据计算和测量换相压降降低50%以上,当低压侧短路阻抗值为0.1时,即直流电压等效提高了4%,换相能耗降低50%。

中频电源的输出功率与直流电压的平方成正比,有源补偿换相后直流电压提高了4%,电炉熔炼负载不变的条件下,根据

(10)

计算中频功率同比提高了8%,电流同比提高4%,由于高压侧交流进线电压不变,功率因数也不变,中频电炉系统效率相对提高了4%。

3.4滤波器节能比较

单调谐无源滤波器在中频电炉系统上应用时,首先必须有感性无功空间,对于六脉串联谐振式中频电源功率因数已经达到0.95,因此无法配置单调谐无源滤波器;对于六脉并联谐振式中频电源采用单调谐无源滤波器一般设计2个谐振点,高频动态补偿无法实现,特别是整流换向压降无法进行有效补偿,无源滤波器又消耗谐波能量,从能量平衡方面来看,消耗大于节能。

使用有源滤波器的情况下,不仅提供反相位无功谐波,还可使晶闸管的换相时间降低50%,直流电压同比提高4%,本身虽然消耗部分有功功率,但节能远大于消耗。因此,该装置不仅有利于电网质量改善,还有利于电炉用户节约成本。

谐波补偿后,变压器损耗可同比降低0.7%;配置专门设计的有源滤波器使晶闸管的换相时间降低50%,直流电压同比提高4%,由于变压器和进线电感上的谐波压降降低,整流电压又可同比提高2%以上,即电能利用率提高6%;因此,理论计算电能可同比节约6.7%。此外,有源滤波器消耗电能经测量约为0.5%,因此净节能约为6.2%。

4结束语

针对六脉整流中频电炉传统谐波滤除装置LC调谐滤波器的弊端分析,提出了使用中频电炉用有源滤波器的新治理装置。对有源电力滤波器的节能进行了分析,最终净节能达到6.2%,节能效果明显。

参考文献

[1]汤景明,感应电热设备的设计[j].工业加热,1998(1):46-49.

[2]中华人民共和国电力工业部.中国国家标准GB/t14549-93电能质量公用电网谐波[s].北京:中国标准出版社,1994.

[3]Karpagam n,Devaraj D,Subbaraj P.Improved fuzzy logic controller for SVC in power system damping using global signals[j].Electronic Engineering,2010,91(2):395-404.

[4]邵宗岐.中频电炉的谐波治理[j].电气技术,2009(11):58-63.

[5]曲学基,曲敬铠,于明扬.电力电子滤波技术及其应用[M].北京:电子工业出版社,2008.

[6]郭玲,程汶罡.电力滤波器的研究现状概述[j].河北工业科技,2008,25(5):321-325.

[7]刘文,李卫民.中频熔炼炉供电线路的铜耗分析与节能措施[j].中国铸造装备与技术,2005(6):53-56.

[8]饶丽华,牟龙华.整流桥控制角和换相重叠角对谐波影响的分析[j].电子测量技术,2008,31(1):80-83.

[9]孔祥运.感应电炉节能问题分析[j].机械工人,2005(8):73.

[10]陈健美,鄂加强.中频感应熔炼炉的节能设计[j].能源工程,2002(6):40-42.

[11]牛迎水.电力网降损节能技术应用与案例分析[M].北京:中国电力出版社,2013.

Energy Saving Analysis of Active Power Filter in Intermediate Frequency Electric Furnace

SUN Yakun,ZOU Li

(Institute of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255091,China)

AbstractThe intermediate frequency electric furnace has become the main induction heating equipment,generating harmonic pollution that poses a huge threat to the grid power quality.This article puts forward a new intermediate frequency electric stove with active power filter harmonic treatment device in view of the harmonic problems of intermediate frequency electric furnace.The main circuit structure and working principles are presented.The energy saving effect of the active filter on the intermediate frequency electric furnace is analyzed,and energy consumption by the transformer,the change in phase angle,and the change in ac/dc voltage is studied.The net energy saving is calculated to be 6.2%,a significant energy-saving effect.

Keywordsintermediate frequency electric furnace;active power filter;energy saving

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.021

收稿日期:2015-09-27

作者简介:孙亚琨(1990—),女,硕士研究生。研究方向:开发中频电炉节能技术与应用。邹黎(1958—),男,教授。研究方向:开发中频电炉节能技术与应用。

中图分类号TM712

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-075-04