有源濾波器在中頻電爐中的節(jié)能分析

孫亞琨,鄒　黎

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博　255091)

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有源濾波器在中頻電爐中的節(jié)能分析

孫亞琨,鄒黎

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博255091)

摘要中頻電爐作為主要的加熱感應(yīng)設(shè)備,其產(chǎn)生的諧波污染對電網(wǎng)電能質(zhì)量構(gòu)成威脅。文中針對中頻電爐存在的諧波問題,分析比對原有的治理措施,提出了新的諧波治理裝置——中頻電爐用有源電力濾波器,對其主電路結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析。并對有源濾波器在中頻電爐上的節(jié)能成效進(jìn)行了分析,分別從變壓器、換相角、交直流電壓變化等方面進(jìn)行了能耗分析,最終計(jì)算出凈節(jié)能達(dá)到6.2%,節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞中頻電爐;有源電力濾波器;節(jié)能

中頻電爐通過整流電路將電網(wǎng)的基頻變成直流,然后通過逆變電路將直流逆變成所需頻率電流。對于傳統(tǒng)的六脈整流電爐主要產(chǎn)生6k±1次諧波,即主要有5、7、11、13等次諧波。中頻電爐產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)有多方面的危害:六脈整流中頻電爐主要產(chǎn)生5、7、11、13次諧波,若電網(wǎng)中存在諧振點(diǎn)與此相同的電感、電容時(shí)就會發(fā)生諧振,從而導(dǎo)致器件損壞;由于諧波也占據(jù)能量,所以導(dǎo)致原本網(wǎng)側(cè)輸出的基波能量降低,原本輸送基波的母線會因輸送的電流頻率升高引起集膚效應(yīng),導(dǎo)致線體發(fā)熱,甚至引發(fā)安全事故;與母線相連的變壓器、電機(jī)等也會由于諧波導(dǎo)致的鐵耗、銅耗的增加,甚至?xí)鹬行渣c(diǎn)位移,影響正常運(yùn)行[1];諧波對各種電能測量器件、儀表、通信設(shè)備等也會產(chǎn)生較大的干擾,導(dǎo)致測量結(jié)果、接收信號產(chǎn)生較大誤差。

實(shí)際中,在沒有諧波治理裝置下中頻電爐對電網(wǎng)造成的諧波畸變率高達(dá)28%,嚴(yán)重超出了國家標(biāo)準(zhǔn)[2],因此對中頻電爐進(jìn)行諧波抑制的研究和設(shè)計(jì)是保證網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量的重要任務(wù)。

1中頻電爐諧波抑制的研究現(xiàn)狀

針對中頻電爐諧波的產(chǎn)生,傳統(tǒng)的諧波抑制裝置是裝設(shè)LC調(diào)諧濾波器。根據(jù)LC的串并聯(lián)諧振原理,對固定頻率的諧波進(jìn)行消除。一般情況下,單調(diào)諧濾波器只能用于濾除某個(gè)固定次諧波,若要濾除多次諧波,則需相應(yīng)地用幾個(gè)單調(diào)諧濾波器并聯(lián)。同時(shí),LC調(diào)諧濾波器存在易于系統(tǒng)發(fā)生諧振、工作地點(diǎn)固定、體積大等缺點(diǎn),難以滿足目前諧波治理的要求。因此,為解決傳統(tǒng)婺源濾波器的局限性,提出了有源電力濾波技術(shù)。圖1為針對六脈整流中頻電爐諧波治理的LC調(diào)諧濾波器原理圖。

圖1　LC調(diào)諧濾波原理圖

2有源電力濾波器

有源電力濾波器是一種用于動態(tài)諧波抑制、在合適的控制方式產(chǎn)生幅值、相位和頻率均可變的補(bǔ)償電流新型電力電子裝置。有源電力濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償,速度快、可控制,其介入不受系統(tǒng)阻抗的影響,可抑制串并聯(lián)諧振,這正克服了LC調(diào)諧濾波器只能對固定次諧波補(bǔ)償、濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響的缺點(diǎn),基于以上優(yōu)點(diǎn),有源電力濾波器在電力系統(tǒng)中被廣泛使用。

2.1有源電力濾波器的種類

有源電力濾波器的主電路通常采用單個(gè)PWM逆變器結(jié)構(gòu),按其直流側(cè)儲能元件不同進(jìn)行分類:儲能元件選擇電容的是電壓型有源電力濾波器,如圖2所示,儲能元件選擇電感的是電流型有源電力濾波器[5]。電壓型APF由于具有內(nèi)阻損耗小、效率高、初期投資少、可任意并聯(lián)擴(kuò)容、易于單機(jī)小型化等優(yōu)點(diǎn),更適用于諧波補(bǔ)償裝置。

圖2　電壓型有源電力濾波器主電路的原理圖

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同,可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型以及串、并聯(lián)混合型。并聯(lián)型有源濾波器的PWM變流器并聯(lián)在電網(wǎng)上,相當(dāng)于受控電流源,產(chǎn)生與負(fù)載諧波電流大小相同但方向相反的補(bǔ)償電流。串聯(lián)型有源濾波器的變流器通過變壓器串聯(lián)在電源和負(fù)載之間,相當(dāng)于受控電壓源。通過控制補(bǔ)償電壓改變負(fù)載端的電壓,兩者相結(jié)合的是混合型有源電力濾波器[5]。并聯(lián)型有源濾波器的電源基波電壓全部加在變流器上,因而裝置容量較大,且能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率,并在補(bǔ)償諧波的同時(shí)動態(tài)補(bǔ)償無功功率,目前較為常用。

2.2有源電力濾波器工作原理

有源濾波器主要由兩大部分組成:指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流的產(chǎn)生電路。其中補(bǔ)償電流發(fā)生電路包括電流跟蹤控制電路,驅(qū)動電路和逆變主電路。指令電流運(yùn)算電路用于檢測出出網(wǎng)側(cè)的諧波電流,然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將所要補(bǔ)償?shù)碾娏鞣至哭D(zhuǎn)換成數(shù)字信號;電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和逆變電路組合成了補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路,接收指令并按照指令逆變出相應(yīng)的電流[6]。圖3為用于中頻電爐諧波抑制的有源電力濾波器系統(tǒng)框圖。

圖3　有源電力濾波器系統(tǒng)框圖

電網(wǎng)的輸入電流Is由負(fù)載電流IL和補(bǔ)償電流Ic組成,可表示為

Is=IL-Ic

(1)

(2)

(3)

由于負(fù)載電流包括基波有功分量、無功分量及諧波分量,即

IL=Ip+Iq+In

(4)

所以,可得

IS=IL-(Iq+In)=Ip

(5)

可看出,有源濾波器抑制了諧波分量,對無功電流進(jìn)行了補(bǔ)償。

3有源電力濾波器的節(jié)能分析與計(jì)算

小型電爐的中頻電源一般采用六脈整流,變壓器副邊電流畸變率達(dá)到25%,諧波次數(shù)主要為5、7、11、13次,含量最高的為5、7次,如圖4所示。在使用有源濾波器后,變壓器副邊電流畸變率降至3%,如圖5所示。

圖4　APF投入前三相電流畸變率

圖5　APF投入后三相電流畸變率

3.1降低變壓器的諧波損耗

變壓器在諧波的影響下,不僅有鐵耗、銅耗,還有雜質(zhì)損耗和介質(zhì)損耗等4個(gè)部分。在高負(fù)載諧波電流的影響下,銅耗是最大的損耗。

3.1.1諧波對變壓器銅耗的影響

由式Pcu=I2×R可知:電能損耗與電流平方成正比,與等效電阻成正比。由于高次諧波電流集膚效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)[7],電流在線圈截面中嚴(yán)重不均勻分布,使交流電阻變約大50%?？紤]到直流偏磁效應(yīng),銅耗的計(jì)算公式可表示為式

(6)

式中,Pjn為銅耗;Rn(1)Rn(2)為n次諧波下原邊及副邊繞組的阻值;In(1)In(2)為流過原邊和副邊繞組諧波電流的有效值。因此,諧波電流的不均勻分布,以及電阻的增大,將使變壓器的附加銅耗增加50%。一般小型電力變壓器的額定銅耗功率在正弦波條件下約為1%,當(dāng)副邊電流畸變率為25%時(shí),銅耗功率增加50%,即變壓器多消耗0.5%的額定功率。

3.1.2諧波對變壓器鐵耗的影響

變壓器副邊的電流畸變率,根據(jù)短路容量不同對變壓器原邊電壓畸變率影響的不同[8],若按國標(biāo)電壓畸變率4%取值,根據(jù)式(7)計(jì)算

u=4.44fNφM

(7)

式中,f為變壓器二次側(cè)頻率;N為變壓器二次側(cè)匝數(shù);φm為變壓器主磁通。

根據(jù)式(7)得出鐵芯磁通諧波含量約4%。由于鐵芯損耗中的渦流損耗與頻率成指數(shù)關(guān)系,如式(8)所示

P渦渦=kVftB

(8)

式中,k為渦流系數(shù);V為導(dǎo)磁體的體積;t為疊片厚度;B為磁通密度。

變壓器鐵芯在磁化過程中,由于內(nèi)外磁場變化速度的不同,會發(fā)生磁滯現(xiàn)象造成損耗,稱為磁滯損耗,而磁滯損耗與頻率成正比。

一般硅鋼片在50 Hz、工作磁密條件下,單位損耗為0.11 w;當(dāng)頻率增加6倍時(shí),單位損耗為2.21 w。據(jù)此估算鐵芯磁通諧波含量為4%時(shí),鐵芯損耗將提高1倍。正弦波條件下一般小型電力變壓器的額定銅耗功率約為0.2%(額定功率),當(dāng)原邊電壓畸變率為4%時(shí),鐵耗功率增加1倍,即變壓器多消耗0.2%的額定功率。

3.1.3諧波對變壓器壓降的影響

小型電爐進(jìn)線變壓器的短路阻抗比一般約為0.08[9],電抗含量>80%,六脈整流電源變壓器副邊電流畸變率達(dá)到25%,諧波阻抗與頻率成正比,因此諧波在變壓器上的壓降比較大,對波形積分后取其平均壓降可增加2%以上。

3.2提高交流與直流電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)

理想條件下交流電壓U2與直流電壓Ud的關(guān)系為

(9)

諧波壓降與電流畸變率、短路阻抗有關(guān),六脈整流電流畸變率25%,諧波阻抗與諧波頻率有關(guān)。對于六脈整流電源,短路阻抗比為0.1時(shí),平均諧波壓降約計(jì)2%。理想狀態(tài)下直流電壓與線電壓比值系數(shù)為1.35,但由于換相壓降和諧波壓降的影響,比值系數(shù)估計(jì)為1.27(1.35×0.94=1.27),因此諧波補(bǔ)償后,比值系數(shù)可提高約6%。

3.3降低換相過程損耗

在一定的工作電壓和工作電流下,可以通過抑制換相過電壓來降低換相損耗。考慮到交流側(cè)電感的影響,換流過程無法順勢完成。用Lb集中表示該漏感,現(xiàn)以三相全控橋式整流為例,分析其VT1-VT2換相至VT2-VT3的過程,如圖6所示。

圖6　三相換流電路圖

圖6所示,VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通時(shí),由于a、b相存在漏感,Ia和Ib均不能突變。所以,在該時(shí)刻觸發(fā)VT3,則VT1、VT3同時(shí)導(dǎo)通,相當(dāng)于將a、b兩相短路,在兩相回路間產(chǎn)生環(huán)流Ik。Ik=Ib逐漸增大,而Ia=ID-Ik逐漸減小。當(dāng)Ik增大到與ID相同時(shí),Ia=0,此時(shí)VT1關(guān)斷,換流過程結(jié)束[10]。換流過程波形如圖7所示。

圖7　三相換流波形圖

由于變壓器漏感的存在,換流過程出現(xiàn)換相重疊角,且換相時(shí)間長,使換相后電壓降落許多,增加了換相能耗。換相過程中壓降和換相重疊角的關(guān)系如表1所示。

表1　換相壓降與換相重疊角關(guān)系

當(dāng)配置有源濾波器后,電壓變形得到及時(shí)修補(bǔ),電流變化率加快,換相過程縮短,電壓降落很少,有效提高了直流電壓,并減少了換相能耗[11]。配置有源濾波器后,根據(jù)計(jì)算和測量換相壓降降低50%以上,當(dāng)?shù)蛪簜?cè)短路阻抗值為0.1時(shí),即直流電壓等效提高了4%,換相能耗降低50%。

中頻電源的輸出功率與直流電壓的平方成正比,有源補(bǔ)償換相后直流電壓提高了4%,電爐熔煉負(fù)載不變的條件下,根據(jù)

(10)

計(jì)算中頻功率同比提高了8%,電流同比提高4%,由于高壓側(cè)交流進(jìn)線電壓不變,功率因數(shù)也不變,中頻電爐系統(tǒng)效率相對提高了4%。

3.4濾波器節(jié)能比較

單調(diào)諧無源濾波器在中頻電爐系統(tǒng)上應(yīng)用時(shí),首先必須有感性無功空間,對于六脈串聯(lián)諧振式中頻電源功率因數(shù)已經(jīng)達(dá)到0.95,因此無法配置單調(diào)諧無源濾波器;對于六脈并聯(lián)諧振式中頻電源采用單調(diào)諧無源濾波器一般設(shè)計(jì)2個(gè)諧振點(diǎn),高頻動態(tài)補(bǔ)償無法實(shí)現(xiàn),特別是整流換向壓降無法進(jìn)行有效補(bǔ)償,無源濾波器又消耗諧波能量,從能量平衡方面來看,消耗大于節(jié)能。

使用有源濾波器的情況下,不僅提供反相位無功諧波,還可使晶閘管的換相時(shí)間降低50%,直流電壓同比提高4%,本身雖然消耗部分有功功率,但節(jié)能遠(yuǎn)大于消耗。因此,該裝置不僅有利于電網(wǎng)質(zhì)量改善,還有利于電爐用戶節(jié)約成本。

諧波補(bǔ)償后,變壓器損耗可同比降低0.7%;配置專門設(shè)計(jì)的有源濾波器使晶閘管的換相時(shí)間降低50%,直流電壓同比提高4%,由于變壓器和進(jìn)線電感上的諧波壓降降低,整流電壓又可同比提高2%以上,即電能利用率提高6%;因此,理論計(jì)算電能可同比節(jié)約6.7%。此外,有源濾波器消耗電能經(jīng)測量約為0.5%,因此凈節(jié)能約為6.2%。

4結(jié)束語

針對六脈整流中頻電爐傳統(tǒng)諧波濾除裝置LC調(diào)諧濾波器的弊端分析,提出了使用中頻電爐用有源濾波器的新治理裝置。對有源電力濾波器的節(jié)能進(jìn)行了分析,最終凈節(jié)能達(dá)到6.2%,節(jié)能效果明顯。

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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

作者簡介:孫亞琨(1990—),女,碩士研究生。研究方向:開發(fā)中頻電爐節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用。鄒黎(1958—),男,教授。研究方向:開發(fā)中頻電爐節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用。

中圖分類號TM712

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)05-075-04