浅谈密炼机电能质量优化综合治理

姜纪华

(杭州朝阳能源科技有限公司， 浙江 杭州 310018)

在轮胎生产制造过程中，涉及炼胶、压延、挤出、成型、裁断、硫化及检测等多道且复杂工序，其中炼胶工艺是整个轮胎生产制造工艺系统的第一道工序。目前国内轮胎企业炼胶生产设备采用大功率型密炼机，密炼机配电系统稳定运行关系到炼胶设备完好性及胶料产能与质量，直接影响着轮胎成品质量。

1 密炼机电能质量现状

目前国内轮胎生产企业中表1，其炼胶中心大型密炼机设备大多数均直接由整流调速装置驱动直流电机实现，而密炼机负载具有的两大特性：

表1 国内密炼机电能质量现状

（1）负载波动幅度大且频繁，每3 min负载从最小到最大电流波动；

（2）无功和谐波所占比例相当都很大，谐波大造成无功补偿的电容器无法正常投入运行,增加无功的同时，大大占用了系统容量；无功大造成电能利用率低，谐波制约无功的降低，这将对供电的稳定性造成以下威胁。

综合上述因素，密炼机工作时，其负载侧功率因数一般在0.3～0.5之间，电能利用率较低；另外整流装置负载属于非线性负载，在工作时产生了大量的谐波电流和谐波电压，该谐波又造成补偿用的电容器无法正常的投入运行，严重影响电能质量和产品质量。

2 密炼机配电结构及测试数据

为改善密炼机配电设备存在的上述电能问题，选择集团公司炼胶中心的一台密炼机作为电能质量数据测试和治理对象。该台密炼机主机由两台1 250 kW直流电机分别拖动主机、从机负载，前端电网侧由单台容量为4 000 kVA-6 kV/0.66 kV干式整流变压器集中供电，根据现场配电系统结构选择在低压侧对两台负载分别进行测试，测试点如图1(a)处所示。

由于主从机的负载类型一致，测试中看出两者的特点相似，区别仅在于负载大小不同，具体详见图2、图3图4所示。

（1）主机、从机负载功率变化趋势如图2、图3所示。

（2）电压、电流谐波畸变率，如图4所示。

3 电能质量优化建议及方案

基于密炼机周期性工作的特点，负载波动迅速，同时AC/DC整流时产生大量的谐波，这些都使得无源补偿不能满足要求，因为这样容易产生谐振的问题，之前使用的无源动态补偿装置在运行过程中经常发生故障，导致前端电网侧变压器故障跳闸、甚至引起电气火灾事故，严重影响电网运行安全。

为改善密炼机直流调速装置存在的上述电能问题，建议应进行电能质量综合治理。从电能质量测试数据看，谐波含量达到30%以上，已经可以和无功含量相比拟，从功率三角形来看（图5），此时同时补偿无功和谐波能获得最大的电流下降率。

3.在幼儿园有限的空间内，扩大幼儿同伴交往的范围。在幼儿园，相同年龄段的幼儿生活在各自固定的班集体，很少打破各班级的界限，创造同伴交往的机会。可以打破班级界限，为幼儿创造各种的同伴交往机会，使他们能在与陌生的同伴交往时，运用正确的交往策略，提升自信，并为大班幼儿今后面临更复杂的交往人群时能灵活运用策略打下基础。

基于密炼机配电系统存在的电能质量特性，应考虑使用有源滤波综合补偿设备进行谐波和无功同时综合治理，最大程度降低视在电流，消除安全隐患，提高设备效率。为此选择在集团公司炼胶中心其中一台直流调速密炼机实施就地SVG有源滤波补偿技改。根据现场特点及实际工况制定以下治理方案：

密炼机配电系统中，密炼机主、从机负载电源（功率1 250 kW）由容量为4 000 kVA-6 kV/0.66 kV整流变压器单独供电，补偿时在变压器低压出线侧集中治理无功和谐波，主机和从机综合配置一套容量为1.5 Mvar有源滤波综合补偿设备（SVG），在主机和从机的直流调速装置前端电源侧各串接一台三相交流电抗器，同时在负载侧加装电流互感器以实现负载电流采样。具体方案示意图如图6所示。

4 有源滤波综合补偿装置系统组成介绍

4.1 有源滤波综合补偿设备工作原理

有源滤波综合补偿设备的基本原理如图7所示, 通过负载侧电流互感器(CT1)检测负载电流，并提取需要补偿的无功及低次谐波成分，主功率控制器根据此信息控制主功率电路发出反向电流，抵消负载的无功及低次谐波成分。

有源滤波综合补偿设备可等效为一个电压源，它通过交流电抗器连接到电网上。如图8所示，将电网电压和有源滤波综合补偿设备输出的电压分别用向量US和UI表示，则连接电抗X上的电压UL即为US和UI的相位差，而连接电抗的电流是由其上的电压所确定,这个电流就是补偿设备补偿出的电流I。因此，有源滤波综合补偿设备通过控制内部有源电力电子半导体开关的通断，改变输出电压的幅值和相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而有源滤波综合控制补偿设备的补偿电流的相位和幅值。

有源滤波综合补偿设备补偿无功时各个运行模式的图解如表2所示，补偿谐波时，其工作模式和补偿无功时相类似。

表2 有源滤波综合补偿设备补偿无功运行模式图解

4.2 有源滤波综合补偿设备的特点

有源滤波综合补偿装置为三相电网的无功及低次谐波补偿器，应用于电网无功及低次谐波治理领域，具备下述功能特点：

（1）兼具低次谐波补偿功能。

（2）高功率密度设计，兼容多种应用场合。

（3）动态响应快，参数稳定，无功及谐波补偿效果好。

（5）兼备上下进线设计，灵活性强。

（6）功率模块化设计，系统由数字信号处理DSP，人机界面和大功率电力电子器件构成。

（7）配置完善的系统保护功能。

（8）辅以散热风机和多种通讯接口。

（9）可通过电脑可以进行监控，支持远程开关机。

有源滤波综合补偿装置系统框如图9所示，有源滤波综合补偿装置系统由有源滤波综合补偿装置单柜组合而成，有源滤波综合补偿装置系统内部通过负载电流CT检测负载电流，并提取需要补偿的无功及低次谐波成分，主功率控制器根据此信息控制主功率电路发出反向电流，抵消负载的无功及低次谐波成分。单一有源滤波综合补偿装置系统中最多可以实现一台主有源滤波综合补偿装置机柜和7台副有源滤波综合补偿装置机柜的并联，主机柜中具有人机界面单元，可以显示每一台有源滤波综合补偿装置的信息以及控制每一台有源滤波综合补偿装置的工作。

5 治理效果及评价

5.1 方案治理效果

通过电能质量分析测试仪器在直流调速装置前端电网侧进行测试，一个密炼周期约3 min测试，记录整个周期的数据，从图10中分析其工作过程（重载时期）可分为两个阶段，其负载的波动较大。

通过测试收集到的数据，计算其补偿效果如表3所示。

表3 方案主机和从机补偿效果

因此通过对密炼机主、从机直流调速装置电源电网侧进行电能质量综合治理，即在加装有源滤波综合补偿设备后，该台密炼机电网侧总体达到表4效果。

表4 治理效果参数表

5.2 测试数据对比

以下为电能质量分析仪现场测试图如图11、图12、图13所示。

（电网背景谐波存在，主要为5和11次，含量3%～4%左右）

根据上述测试图表中数据显示，密炼机电能质量经优化综合治理后，其电网侧谐波含量降幅明显，功率因数值提高显著。

5.3 治理效果评价

在该台密炼机主从机直流调速装置电源侧安装容量1.5 Mvar的有源滤波综合补偿设备，针对密炼机直流调速装置存在的电能质量问题，补偿设备投运后经过近几年的运行监测，治理效果显著，以下数据是根据现场设备投运前后实际测试所得各项指标：

表5 实测数据表

上述数据为某些工作点的数据或者多个工作点平均后的数据，且读取的数据经过取整，有稍许偏差，但不影响最终结论。

从上表数据可以得出：在密炼机6 kV/0.66 kV配电系统中，投用有源滤波综合补偿装置以后总电流下降超过40%，大大释放配电容量，基波功率因数COSΦ平均达到0.95以上，综合功率因素PF超过0.92，达到国家标准；通过电能质量优化综合治理后对于电网谐波抑制、提高功率因数以及节能降耗等方面均达到预期目标。

6 结束语

工业化和经济发展到今天，“碳中和”的重要性已经成为不言而喻的社会热点与共识。轮胎生产企业属于高能耗传统制造业，其中炼胶工序的密炼机耗电量在轮胎整个生产环节总能耗中占据极重比例，如何发展和应用节能减排技术、降低炼胶综合能耗显得尤为重要，因此推进密炼机电能质量优化综合治理是行之有效的节能方式。