中頻冶煉爐分頻諧波頻率移動(dòng)現(xiàn)象及其機(jī)理

郭智文，李 晟

(中冶華天南京自動(dòng)化工程有限公司，江蘇南京210019）

供用電

中頻冶煉爐分頻諧波頻率移動(dòng)現(xiàn)象及其機(jī)理

郭智文，李 晟

(中冶華天南京自動(dòng)化工程有限公司，江蘇南京210019）

在冶煉過程中，為了提高生產(chǎn)效率，降低冶煉能耗，中大容量中頻冶煉爐往往采用了頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制方法，造成了嚴(yán)重的且頻率移動(dòng)的分頻諧波污染；對(duì)該現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)了定性分析，并得到了實(shí)際工程測(cè)試數(shù)據(jù)的驗(yàn)證；為今后該類設(shè)備電能質(zhì)量治理工程的設(shè)計(jì)、實(shí)施提供了有℃的借鑒。

中頻爐；分頻諧波；移動(dòng)頻率

1 引言

感應(yīng)加熱技術(shù)具有加熱速度快、熱效率高、加熱均勻、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于金屬熔煉、鑄造、熱處理等工業(yè)場(chǎng)合。目前，其已成為冶金行業(yè)一種重要的技術(shù)裝備。近年來，為降低生產(chǎn)能耗、提高生產(chǎn)效率，輸出頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)被應(yīng)用于大功率大容量冶煉中頻爐中，但也帶來了極為特殊的電能質(zhì)量問題，尤其是此類中頻爐產(chǎn)生大量的分頻諧波污染，同時(shí)這些分頻諧波的頻率還隨著冶煉過程發(fā)生不斷的變化。

在以往的文獻(xiàn)中對(duì)這一現(xiàn)象未給予足夠的重視，很多情況下仍然將冶煉中頻爐諧波污染等效為6脈動(dòng)或12脈動(dòng)整流所產(chǎn)生的固定的特征頻率諧波，使得很多電能質(zhì)量治理工程設(shè)計(jì)陷入困難。本文從中頻冶煉爐工作原理和電路原理出發(fā)，分析了中頻冶煉爐分頻諧波產(chǎn)生以及頻率移動(dòng)的機(jī)理，并給出了某公司中頻爐諧波實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，為今后電能質(zhì)量治理工程提供有℃的設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 中頻冶煉爐工作和電路原理

中頻冶煉爐的基本工作原理是利用電磁感應(yīng)在被冶煉的金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生熱效應(yīng)，使得被冶煉金屬升溫、熔化。中頻感應(yīng)輸出頻率是中頻爐一個(gè)重要的控制參數(shù)，它與生產(chǎn)效率、能耗、爐料的溫度分布、電磁攪拌力、爐料幾何特征、爐料物料特性等因素直接相關(guān)[1]。

在冶煉過程中，感應(yīng)輸出頻率既要能適應(yīng)冶煉過程造成的參數(shù)變化，例如，在冶煉鐵磁性金屬時(shí)，物料的磁導(dǎo)率隨溫度不斷下降，直至達(dá)到居里點(diǎn)完全失磁的特性；又能滿足降低能耗、提高生產(chǎn)效率的工藝要求。因此，對(duì)感應(yīng)輸出頻率的控制調(diào)整是非常有℃的，尤其隨著中頻爐容量和功率的增加，其必要性和重要性也越發(fā)突出。

中頻爐的基本電路結(jié)構(gòu)可分為受控整流器電路和逆變電路兩個(gè)部分，其原理如圖1所示。

圖1 6脈動(dòng)整流串聯(lián)諧振型中頻爐電路原理圖

從圖1不難判斷，中頻冶煉爐的基本電路屬于典型的三相輸入單相輸出的交-直-交(AC-DC-AC)變頻器電路。

根據(jù)交-直-交變頻器電路諧波特性的分析，其產(chǎn)生的諧波頻率與輸出頻率之間的關(guān)系可表示為[2，3]：

式中，k=1，2，3……，m=0，1，2，3……；

fh1——變頻器交流側(cè)電流中與整流脈動(dòng)數(shù)有關(guān)的諧波頻率；

fh2——變頻器交流側(cè)電流中與整流脈動(dòng)數(shù)無關(guān)的諧波頻率；

f1——電源基波頻率；

基于文獻(xiàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，大部分家庭照料者都表現(xiàn)出對(duì)未來的擔(dān)憂，僅有少數(shù)照料者對(duì)未來有所考慮或制定了詳細(xì)的計(jì)劃。其中，照料者及其家庭所面臨的問題集中表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

f0——變頻器輸出頻率；

l——與變頻器負(fù)載相數(shù)相關(guān)的參數(shù)，三相負(fù)載取l=6，單相負(fù)載取l=2；

p——整流電路觸發(fā)脈沖數(shù)。

從式（1）、（2）可以得出，圖1所示中頻冶煉爐電路造成的電力系統(tǒng)諧波頻率為：

式（3）、（4）可以說明，當(dāng)f0不為電源基波的整倍數(shù)時(shí)，中頻冶煉爐的交流側(cè)必然產(chǎn)生分頻諧波污染，并且若f0的頻率發(fā)生變化時(shí)，交流側(cè)諧波的頻率也將隨之發(fā)生改變。

3 某公司中頻爐實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

某公司在10 kV母線上裝有3臺(tái)20 t中頻冶煉爐，3臺(tái)中頻爐可同時(shí)生產(chǎn)，為測(cè)試其諧波污染情況，使用FLUKE1760諧波測(cè)試儀對(duì)其生產(chǎn)過程進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1~表4所示。

表1 3臺(tái)中頻爐通電空載，準(zhǔn)備生產(chǎn)

表2 第1臺(tái)中頻爐進(jìn)入冶煉運(yùn)行，另外2臺(tái)準(zhǔn)備生產(chǎn)

表3 第1、2臺(tái)中頻爐進(jìn)入冶煉運(yùn)行，第3臺(tái)中頻爐準(zhǔn)備生產(chǎn)

表4 3臺(tái)中頻爐同時(shí)進(jìn)入冶煉運(yùn)行

部分諧波電流測(cè)試曲線如圖2所示。

圖2 部分諧波電流測(cè)試曲線

在圖2中，測(cè)試情況分別為：

（b）圖為第一、二臺(tái)中頻爐生產(chǎn)，第三臺(tái)中頻爐未啟動(dòng)，此時(shí)主要要諧波電流頻率為153 Hz（11.8 A）、174 Hz（41.2 A）、253 Hz（18.0 A）、173 Hz（45.5 A）。

（c）圖為三臺(tái)中頻爐同時(shí)生產(chǎn)，此時(shí)主要要諧波電流頻率為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）圖為三臺(tái)中頻爐同時(shí)生產(chǎn)，此時(shí)主要要諧波電流頻率為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）。

根據(jù)表1~表4和圖2數(shù)據(jù)，可得如下結(jié)論：

（1）變流器主要的諧波電流為分頻諧波，且諧波頻率隨冶煉過程有逐漸增大的趨勢(shì)；

（2）3臺(tái)中頻爐的產(chǎn)生的分頻諧波明顯分為三組，各組頻率最低、幅度最大的兩個(gè)頻率的諧波電流相差100 Hz；

（3）按照若當(dāng)式（3）、（4）中有fh1′=50×（6k± 1）-2mf0項(xiàng)為諧波電流的主要成分時(shí)，不難解釋其差值100 Hz的現(xiàn)象；

（4）諧波頻率變化有一定的范圍區(qū)間，從測(cè)試結(jié)果看大約為91 Hz(從143 Hz~234 Hz，243 Hz~334 Hz)，當(dāng)進(jìn)入冶煉末期，諧波頻率不再移動(dòng)。

4 中頻爐分頻諧波帶來的危害

目前，由于大多數(shù)文獻(xiàn)和中頻爐制造商給出的諧波發(fā)生量估算中，未能將中頻爐電路等效為交－直－交變頻器，而是當(dāng)作了整流電路考慮，這與實(shí)際情況是存在較大差異的。若中頻輸出頻率固定為基波整數(shù)倍時(shí)，電路不會(huì)產(chǎn)生分頻諧波，諧波頻率也不會(huì)發(fā)生變化，對(duì)電能質(zhì)量治理工程影響尚不嚴(yán)重，而隨著中頻爐容量和功率的增大，越來越多的中頻爐電路采取了調(diào)節(jié)輸出頻率技術(shù)，而且頻率變化范圍較大，這時(shí)分頻諧波以及諧波頻率變化的現(xiàn)象很可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電能質(zhì)量治理工程設(shè)計(jì)困難。因此，在冶煉中頻爐電能質(zhì)量治理工程設(shè)計(jì)中，分頻諧波以及諧波頻率移動(dòng)現(xiàn)象必須得到足夠的重視。

5 結(jié)論

本文從中頻爐工作原理和電路原理出發(fā)，分析了采用中頻輸出頻率調(diào)節(jié)技術(shù)后，中頻冶煉爐所造成的分頻諧波污染和諧波頻率移動(dòng)的原理；并通過工程測(cè)試數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了該現(xiàn)象；提出在電能質(zhì)量治理工程設(shè)計(jì)必須對(duì)該問題給予高度重視，為以后的工程實(shí)踐提供借鑒。

目前，對(duì)此類分頻諧波電流發(fā)生量的分析和估算還沒有很好的方法，仍需在后續(xù)的工作中加以重視、研究。

[1]潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[2]林海雪.電力系統(tǒng)的間諧波的來源及其影響[J].電源技術(shù)應(yīng)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年畢業(yè)于華東冶金學(xué)院工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事電力電子及電能質(zhì)量治理工作。