中压中频感应加热炉谐波特性研究

陈龙超,梁纪峰

(1.山东电力工程咨询院有限公司,山东 济南 250014;2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

使用快速、高效的中频感应加热炉(简称“中频炉”)进行熔炼生产,既能提高操作的灵活性和产量,又能节约环保费用,因此,电磁感应熔炼已经成为金属铸造的一种重要方法和炼铁行业的一种重要工具。同时中小钢铁企业炼钢采用的中频炉也是电力系统谐波的重要来源,中频电源是中频炉设备的主要部分,也是谐波产生的主要部件,它的启停除了对电网造成频繁的冲击外,随之带来的谐波危害也越来越不可忽视[1-2]。因此,很有必要对谐波的产生和带来的危害进行定性的分析,开展中频炉接入系统的谐波水平预测评估,采取积极有效的措施抑制谐波水平,确保电网的安全经济运行。

在中频炉用户接入系统电能质量预测评估环节,原有老旧中频炉设备谐波特性参数缺失,用户无法提供各次谐波含有率资料。新建用户由于尚未采购,无法确定具体的中频炉设备型号,也经常无法提供准确的中频炉谐波含有率资料,导致在新建或改扩建用户接入系统电能质量评估环节存在重要资料缺失,难以根据用户提供的中频炉谐波特性资料进行直接的预测评估。在无法直接获取新建设备或老旧设备准确谐波特性数据的情况下,利用易获取的中频炉及其供电设备的一次设备参数,进行中频炉的电能质量预测评估具有工程上的可行性。

本文根据上述研究思路,考虑中频炉的典型谐波特征在特定电气结构条件下的实际运行谐波发射特性与理想电气参数下的仿真结果存在一定的差异性,因此选取了河北邢台地区的某冶金企业,进行中频炉谐波发射特性的现场测试,并开展了基于设备参数的谐波特性仿真分析研究。

1 中频电源电路结构及工作原理

1.1 电路结构

中频电源的电路主要分为主电路和控制电路两部分,主电路包括整流电路、逆变电路和负载谐振电路3部分。控制电路由整流触发、逆变触发、自动调节、稳压电源和保护5部分组成[3]。根据直流储能元件的不同,一般可将中频炉分为电流型中频炉和电压型中频炉[45]。电流型中频炉的储能元件为大电感,而电压型中频炉的储能元件为大电容。两者还存在其他不同,如电流型中频炉采用晶闸管控制,负载谐振电路为并联谐振,而电压型中频炉采用IGBT来控制,负载谐振电路为串联谐振,其基本结构如图1、图2所示。

图1 电流型并联谐振中频炉结构

图2 电压型串联谐振中频炉结构

1.2 工作原理与谐波特征

中频炉是一种快速稳定的金属加热装置,它靠变频装置把三相工频交流电转变为单相中频交流电[6-7]。中频电源是中频炉的核心设备,其采用交直交变换方式,先将电网提供的50 Hz交流电流由桥式整流电路整为直流,经过滤波,然后再通过逆变装置为负载提供中频电流(500~1 000 Hz),该电流在熔炉的感应线圈中产生中频交变磁场,使熔炉中的炉料产生感应电动势,从而在炉料中产生涡流,致使炉料被加热升温,直至熔化。

中频电源在运行时会由整流装置产生大量的特征次谐波[8],不论串联还是并联转换装置产生的谐波都会回到整流过程中,注入电力系统后,使得公共电网PCC点的谐波电压和谐波电流超标[9]。中频感应电源整流环节一般使用三相桥式、六相桥式或者十二相桥式晶闸管整流。三相桥式整流有6个晶闸管,每个晶闸管需要1个触发脉冲,共需6个触发脉冲,所以也叫6脉冲整流;六相桥式整流也叫12脉冲整流;十二相桥式整流也叫24脉冲整流。对于低压系统,中频炉一般采用6脉冲整流电路;中压常采用12脉冲整流,高压则常采用24脉冲整流。脉冲数越高,谐波电流发射量越小,对系统造成的影响也越小[10]。本文仅针对中压系统常用的12脉冲中频炉进行深入探讨。

2 中频炉电能质量发射特性测试

2.1 测试方案

选取河北邢台某轧辊厂采用的10 k V中频炉作为测试对象,中频炉变压器技术参数如表1所示。

表1 中频炉变压器技术参数

10 k V中频炉供配电系统的测试接线如图3所示。中频炉变压器二次侧2个绕组(Y和△绕组)各带1台电炉,当1台电炉熔炼时,另一台保温,2台电炉交替工作,电炉生产周期为30 min。

2.2 典型工况测试分析

本文测试方案重点选取中频炉10 k V进线谐波电流含量最大的典型工况进行研究,典型工况如图4、表2和表3所示。

图3 现场测试位置示意

图4 中频炉10 kV母线和10 kV馈线的波形和频谱

表2 基波电压、基波电流和基波功率统计报表

表3 主导谐波电压和谐波电流报表(A相)

根据中频炉10 k V进线谐波电流含量较大运行工况的分析,得出以下结论:

(1)通过上述中频炉主导谐波电压电流报表可以发现,11、13、23、25、35、37、47等主导次的谐波电压和谐波电流含量较大。

(2)以A相为例,对中频炉主导谐波作谐波潮流分析,利用A相的11、13、23、25、35、37、47次谐波电压和谐波电流报表,计算得到的各次主导谐波对应的基波阻抗如下

对上述得到的各基波阻抗求其平均值得

若上述的主导谐波均为中频炉产生的特征次谐波,谐波电流注入系统在系统阻抗上产生谐波电压,则计算得到的Z1即为系统的短路阻抗。此时,短路容量

根据上述推导的各次主导谐波基波阻抗和基波电压、电流、功率统计报表数据,可计算得出中频炉产生的3相特征次谐波电压和谐波电流,结果如表4所示。

表4 中频炉特征次谐波电压和谐波电流报表

由表4可以看出,第11、23、35、47次特征次谐波电流呈负序的性质,而第13、25、37次特征次谐波电流呈正序的性质。

3 仿真研究

3.1 仿真案例

邢台某轧辊公司建有2台5T中频炉,并由10 k V母线接2台整流变压器供电,整流变压器变比10 k V/0.9 k V,容量3 600 k VA(Ud=6.5%),二次D+Y的接线方式,其所带负载为中频电源的整流器,采用6相12脉冲的桥式整流电路,中频电源额定功率为3 000 k W,其简化供配电系统图如图5所示。

图5 5T中频炉供配电系统

另有1台10T中频炉,进线电压为10 k V,整流变压器变比10 k V/0.9 k V,变压器容量为7 300 k VA(Ud≤7.0%),采用12脉冲整流供电,中频电源额定功率为5 000 k W,简化供配电系统如图6所示。

图6 10T中频炉供配电系统

3.2 仿真电路建模

由于中频炉采用交直交变频,整流电路采用二极管,根据测试参数,设该系统的线电压为900 V,短路容量为200 MVA,因此系统阻抗为0.053Ω。

3.3 仿真结果

根据谐波电流含量较大运行工况下的基波功率P=0.7 MW、Q=0.2 Mvar。仿真得到中频炉电压、电流波形与频谱如图7所示,基波电压、电流和功率报表见表5,各次主导谐波电压电流统计报表见表6。

图7 中频炉典型工况的波形与频谱

由上述仿真结果,可以得到:

(1)中频炉仿真11、13、23、25、35、37等次主导谐波电流含量较高,主导谐波电流分布为12k±1次,其中k=1,2,3,……;

(2)实际情况比仿真情况复杂,但同样也可以仿真出其主导谐波,确定其最大电路结构;

表5 基波电压、基波电流和基波功率统计报表

表6 中频炉特征次谐波电压和谐波电流报表

(3)系统阻抗、负荷阻抗、变压器参数及载波比的计算是影响仿真的主要因素。12脉冲整流电路仿真中,若负荷参数不对称,可使12脉冲整流电路5、7次谐波过大,最终导致仿真失败。

4 结论

本文分析了中频炉电路结构、基本原理与谐波特征,通过分析现场实测谐波数据并进行仿真验证,得出如下主要结论。

(1)建模仿真结果与实测结果高度一致,证明中频炉的典型谐波分布特征经过不同的供电结构和电气网络后未发生明显的畸变,为利用一次设备参数和脉冲数开展中频炉的电能质量预测评估提供了技术依据。

(2)实测数据中,12脉冲中频炉的12n-1次谐波电流呈负序性质,而12n+1次谐波电流呈正序性质。

(3)受系统阻抗、负荷阻抗、变压器参数及载波比影响,主导特征谐波与仿真结果存在较大差异,电能质量预测评估无法代替监测评估。