鑄造工業(yè)的感應加熱第六講 感應熔煉電爐用變頻電源、電熱電容器、整流變壓器的選擇以及諧波影響與抑制措施

李韻豪

應達（中國） 供圖

1 感應熔煉電爐用變頻電源

1.1 串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振電源性能比較

感應熔煉電爐的電源裝置由工頻電源、中頻發(fā)電機組發(fā)展到現(xiàn)今用電力半導體器件SCR（晶閘管）或者IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）組成的靜止式固態(tài)變頻裝置。工信部工產(chǎn)業(yè)[2010]第122號公告《部分工業(yè)行業(yè)淘汰落后生產(chǎn)工藝裝備和產(chǎn)品指導目錄》已將無心工頻感應電爐和中頻發(fā)電機感應加熱電源列為2010年內(nèi)立即淘汰產(chǎn)品。采用SCR、IGBT電力半導體器件的感應熔煉電爐用變頻電源，由于工作在中頻頻段（＞60Hz～100kHz的頻段，見GB/T 5959.1—2019），又稱之為中頻電源。變頻電源按其電路結(jié)構(gòu)不同分為電流饋電型和電壓饋電型。電流饋電型電源用直流電抗器濾波，可獲得直流電流，負載電流為矩形波，負載電壓近似正弦波。電流饋電型常用于并聯(lián)（或串并聯(lián)）諧振逆變電路，電容器并聯(lián)諧振電路中逆變器的電壓與線圈電壓相同，電流則比線圈電流小很多。電壓饋電型電源用電容器濾波，可獲得直流電壓，負載兩端電壓為矩形波，負載電流近似為正弦波。電壓饋電型大多用于串聯(lián)諧振逆變電路。線圈與電容器串聯(lián)諧振電路中逆變器電壓是感應器線圈電壓的函數(shù)，逆變器電流與感應器線圈電流相同。

表1 串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振電路性能比較

采用串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振電路的性能比較見表1。

采用串聯(lián)諧振還是并聯(lián)諧振變頻電源，要根據(jù)鑄造廠實際情況、性價比等因素綜合考慮。在某些場合采用IGBT器件串聯(lián)諧振設(shè)備的性能的確優(yōu)于SCR器件并聯(lián)諧振設(shè)備（串聯(lián)諧振并不局限于IGBT，晶閘管多有使用），而且隨著IGBT等電力半導體器件國產(chǎn)化程度的提高和控制技術(shù)的進步，其優(yōu)越性會更加突出。近年來，世界范圍內(nèi)IGBT的研發(fā)投入以及包括感應熔煉電爐的應用數(shù)量激增，而晶閘管的研發(fā)和應用數(shù)量開始出現(xiàn)萎縮，已形成鮮明的對比。像高鐵、高壓電力、新能源汽車等一些新興領(lǐng)域技術(shù)應用，就是很好的例子。至于這兩種線路節(jié)能與否，雖然與采用的線路有一定關(guān)系，但它更與電源和感應器等的合理設(shè)計、制作及現(xiàn)場安裝等，甚至與操作者作業(yè)水平都有關(guān)系。有些鑄造廠采用串聯(lián)設(shè)備后感覺“熔化速度比過去用并聯(lián)設(shè)備要快了?！钡蹮捤俣忍岣吲c節(jié)能與否，畢竟不是一回事。

德國ABP感應系統(tǒng)公司歐文·德約茨認為，由于并聯(lián)諧振電路自身的特點，使電源在回路發(fā)生短路時有著良好的保護性。因為具有緩沖功能的平波電抗器可以有效抑制電流快速上升，當回路發(fā)生故障時，能可靠地關(guān)斷。此外，并聯(lián)諧振的變頻電源逆變側(cè)損耗非常?。ㄒ驗榇箅娏髦辉谥C振回路工作），可精確控制感應器線圈電壓（可以充分利用電容器組最高電壓）。但并聯(lián)諧振也存在缺點：低功率狀態(tài)下功率因數(shù)不如串聯(lián)諧振，然而這一差別可以通過增加額外的補償裝置來提高。串聯(lián)諧振變頻電源的功率因數(shù)即使在低功率狀態(tài)下，仍然能接近1。由于其電路中沒有緩沖的平波電抗器，當回路發(fā)生故障時極易導致元器件損壞，為了獲得與并聯(lián)電源類似的工作穩(wěn)定性，需增加監(jiān)控；逆變器回路電流大，其電流值與感應器電流相等，而這一數(shù)值是電爐有效電流值的5～10倍，為了達到與并聯(lián)型電路相近的線路損耗，導電銅排必須具有很大的截面積[1，2]。

1.2 變頻電源主電路

國內(nèi)有一定規(guī)模的鑄造廠在新上感應熔煉項目時，多采用串聯(lián)諧振型設(shè)備，但目前國內(nèi)的鑄造廠并聯(lián)諧振型逆變電源仍占多數(shù)。后續(xù)內(nèi)容涉及此類問題，如不特別說明均指并聯(lián)諧振型逆變電源，對串聯(lián)諧振型逆變電源有興趣的讀者，可以閱讀參考文獻[3，4]。

并聯(lián)諧振電路變頻電源的主電路如圖1所示。

圖1 并聯(lián)諧振電路變頻電源的主電路

并聯(lián)諧振電路變頻電源主電路由四部分組成：

（1）三相全控橋式整流電路 它將正弦的50Hz交流電壓UN整流成脈動的直流電壓Ud，調(diào)節(jié)直流電壓Ud就可以調(diào)節(jié)負載電流。

（2）濾波電抗器 作為儲能電感，濾波電抗器將工頻網(wǎng)絡(luò)與中頻網(wǎng)絡(luò)隔開，對脈動的直流電流Id濾波，當中頻網(wǎng)絡(luò)發(fā)生短路故障時，配合過電流保護系統(tǒng)限制短路電流的上升率及峰值。

（3）逆變器 由4只（組）晶閘管組成的單相橋式逆變電路，將直流電流Id逆變?yōu)橹蓄l電流Ia，并將其送入負載電路。

（4）負載電路 由感應器和電熱電容器組成并聯(lián)諧振電路。當基波和諧波組成的方波中頻電流Ia進入并聯(lián)諧振電路時，由于該諧振電路對基波電流呈現(xiàn)大的阻抗，對諧波電流呈現(xiàn)小的阻抗，因此方波中頻電流在感應器負載的電壓接近正弦波形。

與感應熔煉電爐配套的變頻電源執(zhí)行J B/T 8669—1997《中頻感應加熱用半導體變頻裝置》（該標準1998年實施，經(jīng)2010年復審，現(xiàn)行有效）。這個標準規(guī)定了變頻電源的效率，對1000Hz以下的頻率等級，其效率不低于92%；對2500Hz頻率等級，其效率不低于90%；對4000Hz的頻率等級，其效率不低于85%（對非上述頻率等級的效率值可由用戶與制造廠協(xié)商確定）。變頻電源的交流進線電壓，也就是整流變壓器閥側(cè)線電壓可按國家標準GB/T 156—2017《標準電壓》來選擇，三相三線系統(tǒng)的標準電壓為220V/380V、380V/660V和1000V（考慮到電氣元件的耐受電壓因素，國內(nèi)許多廠家生產(chǎn)的變頻電源進線線電壓值一般都不超過900V）。

1.3 變頻電源主電路參數(shù)計算

以整流變壓器閥側(cè)線電壓660V、12脈沖、雙整流器、額定功率3600kW、標稱頻率300Hz、并聯(lián)諧振逆變電路的變頻電源為例，介紹主電路參數(shù)計算。

1）忽略逆變換相重疊角的變頻電源輸出電壓（中頻電壓）Ua：

式中 Ua——忽略逆變換相重疊角的變頻電源輸出電壓（V）；

Ud——直流電壓（V）。整流變壓器閥側(cè)線電壓與變頻電源直流電壓關(guān)系見表2；

φ——晶閘管逆變觸發(fā)超前角（°）。晶閘管逆變觸發(fā)超前角參考值見表3。

本例，Ud＝810V，φ＝32°，則

表2 整流變壓器閥側(cè)線電壓與變頻器直流電壓關(guān)系

表3 國產(chǎn)晶閘管逆變觸發(fā)超前角近似值

2）直流電流Id和Idq：

式中 Pa——變頻電源額定功率（W）；

ηi——變頻裝置逆變器效率，在忽略了換相角及變頻電源其他內(nèi)阻的情況下，工程近似計算時僅需考慮變頻電源逆變器效率（見表4）。本例，ηi取0.97。

變頻電源的能耗在6%～8%，主要是整流器、逆變器、電熱電容器及大電流母線的損耗。模塊化設(shè)計的IGBT電源比SCR電源的損耗減少約1%，IGBT技術(shù)的采用，使變頻電源部分的能耗可以控制在下限6%。

表4 變頻電源逆變器效率

如果整流變壓器為12脈沖輸出，則每組整流橋輸出直流電流Idq為

直流電流Id乘以0.6是考慮兩個整流橋可能有60%和40%的不均衡。

4）整流晶閘管的選擇：整流晶閘管通態(tài)平均電流值IT（AV）＝1800A；整流晶閘管斷態(tài)重復峰值電壓（即反向重復峰值電壓）UAK=2000V。

整流晶閘管實際承受的電壓值應滿足下式：

式中 UA——整流晶閘管實際承受的電壓值（V）；

UN——交流進線電壓的方均根值（V）；

K——系數(shù)，取K＝1.1。交流進線線電壓可能有+10%的波動。

整流晶閘管的電流裕度系數(shù)KPI、電壓裕度系數(shù)KPU分別為

整流晶閘管的電流裕度系數(shù)KPI過去按1.5～2.0選取，隨著半導體器件質(zhì)量的提高，在水冷合乎規(guī)范的情況下，可在1.4～1.8之間選取。而整流晶閘管的電壓裕度系數(shù)KPU仍按1.5～2.0選取。

本例，電流裕度系數(shù)KPI和電壓裕度系數(shù)KPU分別為：

5）整流器交流進線線電流Is：

如果是Y、Δ兩組整流，則每組橋的交流進線線電流為Isq：

若有晶閘管并聯(lián)，則其中每一個晶閘管的電流半波平均值為Ithn：

式中 UAki——逆變快速晶閘管的電壓值（V）。

若需要串聯(lián)，則串聯(lián)的每一只晶閘管電壓為UAkn：

式中 n——串聯(lián)晶閘管數(shù)量（只）。串聯(lián)晶閘管應由生產(chǎn)廠家按均壓要求選配，并組裝成一體。

本例，選擇2只晶閘管串聯(lián)，n=2，故

8）逆變快速晶閘管（KK）的選擇：

逆變快速晶閘管的電流裕度系數(shù)KKI、電壓裕度系數(shù)KKU分別為

式中 IT（AV）——逆變快速晶閘管通態(tài)平均電流值（A）；

URM——逆變快速晶閘管斷態(tài)重復峰值電壓或者反向重復峰值電壓（V）。

逆變快速晶閘管的電流裕度系數(shù)KKI，在頻率6000Hz以下按1.5～2.0選取?？紤]到關(guān)斷時間toff和恢復電荷Qr因素或其他特殊原因，頻率≥6000Hz時，電流裕度系數(shù)KKI可適當放大到3.0，電壓裕度系數(shù)KKU仍按1.5～2.0選取即可。大功率設(shè)備的進線電壓多為660V、1000V（一般為900V），甚至還有更高的進線電壓，考慮到可靠性和經(jīng)濟性（高壓元件的價格比2000年以前降低了很多），爐子生產(chǎn)廠家往往將整流晶閘管和逆變快速晶閘管的電壓裕度系數(shù)提高到3，有時甚至4。

本例，逆變快速晶閘管（KK）選取IT(AV)＝2000A、URM＝2000V、雙串、兩組逆變橋共16只逆變快速晶閘管，則

式中 Ld——濾波電抗器電感量（mH）；

IM——限制直流電流峰值（A）。IM＝πIT(AV)；

Id——整流器電流，也就是流過Ld的電流（A）。若是Y形、Δ形聯(lián)結(jié)兩組整流，則Id就是每一組整流的電流值，即Idq，而Ld就是每一組整流橋的濾波電感值。

f——頻率（Hz），f＝50Hz。

2 電熱電容器

2.1 電容、電容器、電熱電容器

（1）電容 貯存電荷的能力（定性）。在其他導體的影響可以忽略時，電容器的一個電極上貯存的電荷量與兩電極之間電壓的比值（定量）。

（2）電容器 用來提供電容的器件。用于電力系統(tǒng)、電工設(shè)備的電容器，統(tǒng)稱電力電容器。而電熱電容器是指感應加熱回路中用來提高功率因數(shù)、改善回路電壓和頻率等特性的電力電容器。電熱電容器與其他電力電容器相比，存在功率集中、電壓低、電流大以及會散發(fā)大量的熱等問題。

在感應熔煉電爐系統(tǒng)中，電熱電容器組與感應器（線圈）并聯(lián)或串聯(lián)組成負載諧振電路，用來補償感應器的無功功率，提高功率因數(shù)，并向變頻電源的逆變電路提供換相電流。

在國際單位制里，電容的單位是法拉，簡稱法，符號是F。用法拉作為單位太大，工程上常用的單位是微法，符號是μF。換算關(guān)系是1F=106μF，1μF=10-6F。電熱電容器的容量可以用國際單位制的微法表示，為方便起見，我國感應加熱行業(yè)一般以電熱電容器的無功功率表示其容量，單位是kVar。感應熔煉電爐并聯(lián)諧振電路的電熱電容器組是由多臺電熱電容器用銅軟帶或銅排與諧振回路（槽路）匯流母排并聯(lián)組成。早期電熱電容器外殼采用冷軋鋼板，接線瓷柱是采用錫焊，為避免機械應力損壞瓷柱，安裝時只得采用銅軟帶聯(lián)接。現(xiàn)在電熱電容器外殼采用鋁合金材料，引出接線柱安裝方式為密封件裝配式，具有一定的彈性，因此可以采用銅排聯(lián)接。但運輸時，則必須將聯(lián)接的銅排拆掉。電熱電容器組安裝在電容器柜中。為預防電熱電容器外殼與電容器柜電氣拉弧造成電熱電容器損壞（這類損壞現(xiàn)場發(fā)生較多），目前頻率≤2000Hz時采用外殼與芯子絕緣的裝配方式，即電熱電容器外殼不作為一個電極。這種情況下，電容器外殼直接與接地的機架聯(lián)接安裝。頻率＞2000Hz的電熱電容器仍采用將外殼作為一極，主要是考慮分布電容因素與減少外殼在磁場下發(fā)熱的情況，此時電容器與機架必須絕緣。

電熱電容器組的臺數(shù)N由式（14）求出：

式中 N——并聯(lián)電容器臺數(shù)（臺）；

Qc——電熱電容器的總無功功率，也就是總?cè)萘浚╧Var）；

CN——單臺電熱電容器額定容量（kVar）。

以第三講選擇的電熱電容器即單臺容量（無功功率）2000kVar、額定電壓1200V、頻率300Hz為例，說明電熱電容器的容量與電壓、電流的關(guān)系：

式中 CN——額定電容（F）；

QN——電熱電容器額定容量，無功功率（kVar）；

ω——角頻率，ω=2πf（rad/s)；

UN——電熱電容器兩端的電壓（V）。

國外生產(chǎn)的電熱電容器的容量許多是用微法表示的，可根據(jù)式（15）計算出我們習慣的無功功率(kVar)表示的容量值。

電熱電容器的額定電流為

式中 IN——電熱電容器額定電流（A）。

已知額定電流、額定電壓，可求出電熱電容器的容量（無功功率)。

電熱電容器訂貨技術(shù)條件：名稱、型號、電壓（kV）、容量（kVar)、頻率（Hz），其實，型號里已包括電壓、容量、頻率這三要素。

電熱電容器型號的含義：

R——電力電容器的系列代號，R表示電熱電容器。

第三講舉例當中選用的電熱是容器型號為RFM1.2-2000-0.3S就表示該電熱電容器的液體介質(zhì)為二芳基乙烷，固體介質(zhì)為全膜，額定電壓1.2kV，額定容量為2000kVar，額定頻率為0.3kHz，水冷卻。

電熱電容器采用的標準：G B/T 3981（所有部分）/IEC60110（所有部分）《感應加熱裝置用電力變壓器》；GB/T 2900.16—1996/neq IEC60050(436):1990 《電工術(shù)語：電力電容器》。

2.2 電熱電容器應用存在的問題

（1）過負荷 電熱電容器有一定的過負荷能力，在正常通水冷卻、散熱良好的情況下，允許在1.35倍額定電流下長期運行，這也就意味著電熱電容器在額定電壓、額定頻率條件下的容量只要不超過1.35倍就可以安全運行。

從公式（15）可以看出，感應熔煉電爐運行中電壓升高，頻率升高都會引起QN的增大。QN的增大會使電熱電容器功率損耗增加、溫度升高，嚴重時會導致?lián)舸唤^緣介質(zhì)長期在高溫作用下加速老化、絕緣強度降低而影響使用壽命。

1）過電壓運行：變頻電源輸出電壓超出額定電壓時，會引起實際的容量（無功功率）QS增加，QS與變頻電源運行的實際電壓US、額定電壓UN的關(guān)系為

由式（19）可知，如果實際電壓升高10%，電熱電容器實際的容量值（無功功率）QS將提高21%。因此，電熱電容器單元端子間有效電壓不宜超過額定電壓而長期運行（過渡過程除外），每天允許在不超過1.05UN的電壓下最多12h，重復施加電壓峰值的最大值應不超過1.05UN（見GB/T 3984.1—2004/IEC 60110-1：1998，IDT）。為防止過電壓引起電熱電容器的故障，變頻電源截壓限幅整定應不得超過1.05UN。

2）頻率升高運行：感應熔煉電爐在運行時隨著爐襯耐火層腐蝕沖刷減薄，設(shè)計線圈匝數(shù)會呈現(xiàn)偏少的現(xiàn)象（等效感抗值降低），電流會增加，變頻電源截流保護，達不到額定功率輸出，此時為使阻抗匹配，只有減少并聯(lián)諧振電熱電容器組的數(shù)量。以并聯(lián)諧振為例，電路諧振時，感抗與容抗相等，

式中 ω——角頻率，ω＝2πf（rad/s）；

f0——諧振頻率（Hz）；

L——等效感抗值（H）；

C——等效容抗值（F）。

感抗、容抗減小，都會引起諧振頻率升高，而電熱電容器的額定容量（無功功率）又與它的運行頻率成正比關(guān)系，即

式中 QS——電熱電容器實際容量（無功功率）（kVar）；

QN——電熱電容器的額定容量（無功功率）（kVar）；

fS——電熱電容器運行時實際頻率（Hz）；

fN——電熱電容器額定頻率（Hz）。

爐子在運行過程中，如果電熱電容器組中有單臺損壞，從式（22）可以看出，電容器減少，電容器組的諧振頻率會升高，電容器單元的容量（無功功率）會按（fS/fN）的比例增大。例如，由4臺電熱電容器組成的電容器組，當1臺電熱電容器因損壞而開路后，根據(jù)式（21）、式（22）可知諧振頻率將上升，（）fN＝1.155fN，導致電熱電容器組的容量（無功功率）上升15.5%。電熱電容器的工作頻率不得超過1.2倍額定頻率。若超過則必須降低爐子運行功率，以免電熱電容器因發(fā)熱損壞。

電熱電容器過負荷運行造成損壞的原因，最多的還是過電流。因電熱電容器本來就是大電流器件，發(fā)熱量大，需要水冷卻來保證正常運行，一旦過流，電容器會迅速升溫，從而造成電容器熱擊穿損壞。引起過電流的原因，最多的是工況發(fā)生變化導致超頻，且超頻比超壓更容易造成電熱電容器損壞。為保證電熱電容器安全運行，應該按照廠家提供的說明書要求正確使用。GB/T 9984.1—2004/IEC 60110-1∶1998規(guī)定：電熱電容器運行過程中，所承受的負荷不超過這些電容器的額定電壓、額定電流和額定容量。

（2）電熱電容器水冷問題 為感應熔煉電爐配套的電熱電容器，一般都采用通水冷卻。電熱電容器的熱源不僅是介質(zhì)損耗，還包括電阻損耗產(chǎn)生的有功損耗，這里的電阻，對于電容器單元，指所有導桿、連接導線、釬焊接頭、極板內(nèi)部熔絲以及內(nèi)部放電電阻等，對于電容器組，指單元、導電母線等。

由于電熱電容器的構(gòu)造特點，與感應器線圈相比，電熱電容器對水冷系統(tǒng)有著同變頻電源同等級別的要求。這就是為什么我們制定水冷系統(tǒng)方案時，總是把電熱電容器的水冷與變頻電源放在一起考慮。

電熱電容器的冷卻水溫用一斜線隔開兩個溫度值來表示。前一個溫度值是電容器可以投入運行的最低溫度。最低溫度不得低于2℃（低于2℃時會凍裂電容器內(nèi)的冷卻水管，故環(huán)境溫度低于2℃時，如果爐子停止運行要及時排盡水管中的積水）；后一個溫度值是水冷系統(tǒng)冷卻水溫的上限，即電熱電容器的進水溫度不得超過30℃，電熱電容器的出水溫度不應超過40℃（電熱電容器的水冷系統(tǒng)最多可以3臺串聯(lián)，此時進第1臺電容器的水溫不應高于30℃，同時還應調(diào)節(jié)流量、壓力，使得從第3臺電容器出來的水溫也要低于40℃），故水冷式電熱電容器溫度用“+2/+40”來表示。

電熱電容器冷卻系統(tǒng)水溫外的其他要求應參照JB/T 8669—1997《中頻感應加熱用半導體變頻裝置》的要求。

1）冷卻水流量：額定容量QN≤1000kVar，冷卻水流量≥4L/min；QN＞1000kVar，冷卻水流量≥6L/min。

2）冷卻水進水壓力：表壓0.2～0.3MPa（參照JB/T 8669—1997）。

3）按其電氣回路電壓選擇冷卻水管的直徑和長度及其材料，能把泄漏電流限制在20mA以下。

4）設(shè)備運行時，在電熱電容器上方5cm處測得的最熱點的空氣溫度應不高于50℃。

5）應能承受1.5倍的額定工作壓力、歷時5min的水壓試驗。

6）應采取措施限制腐蝕作用以及沉積物和氣體的形成。推薦采用去離子水的循環(huán)裝置。

7）對水質(zhì)的要求：酸堿度p H值7～8.5，硬度≤10°G （1°G 為1L水中含氧化鈣（CaO）小于10mg），總固體含量不超過250mg/L。

（3）電熱電容器現(xiàn)場安裝問題

1）電熱電容器柜與爐子感應器線圈的相對位置，在保證安全及操作、維護方便的前提下，兩者距離越近越好，以減少線路阻抗和損耗。

2）為減少電熱電容器組積落的導電粉塵，防止發(fā)生短路和外殼對地放電，電熱電容器柜應按密封要求設(shè)計，電熱電容器柜連接變頻電源和爐子感應器線圈的導電母排，必須按規(guī)范設(shè)置保護罩網(wǎng)，以防觸電事故。

3）電熱電容器柜應可靠接地，接地電阻值應≤4Ω。

4）電熱電容器柜的金屬框架、柜殼的發(fā)熱問題：電熱電容器柜金屬框架、柜殼的溫升沒有相應的標準約束，可參照電熱設(shè)備操作手柄的表面溫升30℃作為表面溫升限值。金屬框架、柜殼超過表面溫升限值，與大電流母線和框架外殼距離過近（按設(shè)計規(guī)范母線電流＞1500A，與金屬構(gòu)件距離應≥300mm）、金屬框架機械設(shè)計不當（未考慮大電流母線產(chǎn)生的磁場影響）以及匯流排安裝不規(guī)范等因素有關(guān)。金屬框架、柜殼發(fā)熱使能耗增加。

5）電熱電容器柜內(nèi)大電流母線及匯流母排的布置應合理，長度盡可能短，截面足夠，兩極靠近，匯流母排寬面相對。大容量、高功率密度的電熱電容器柜的大電流母線及匯流母排應加水冷。大電流母線及匯流母排表面溫升35℃。非水冷母排的表面溫升以環(huán)境溫度為基準，水冷母排的表面溫升應以水冷系統(tǒng)進水溫度為基準。

6）電熱電容器可以垂直安裝（瓷套朝上），根據(jù)需要也可以側(cè)臥安裝。電容器安裝間隔應≥20mm。從匯流母排引到電熱電容器出線套管和接地片或管接頭上的連接導線應采用銅排或軟連接線，連接線的截面積按≤4A/mm2選用。

7）電熱電容器在中頻大電流條件下工作，接線柱導桿會發(fā)熱，由于熱脹冷縮以及電磁力振動引起緊固螺母松動造成拉電弧損壞，因此新設(shè)備在開始運行的一段時間內(nèi)要進行3次檢查并確保螺母緊固。

8）大容量電熱電容器存儲時，要用銅絲將兩個電極短路，以防止存儲期間因靜電導致電容器被充電而引起觸電傷人事故。

3 整流變壓器

3.1 整流變壓器的特點

為變頻電源的整流裝置專供的電源變壓器稱為整流變壓器。

整流變壓器與電力變壓器雖然原理相同（都是根據(jù)法拉第電磁感應定律，通過交變磁場將高壓、低壓繞組聯(lián)系在一起，完成改變電壓、電流和傳遞電能的功能）、結(jié)構(gòu)相似（兩者器身都是由繞在共同鐵心上的兩個或兩個以上的繞組組成）、外觀相近（都是一種靜止的電器設(shè)備），但兩者還是存在很大差異。

1）電力變壓器高壓、低壓繞組電壓通常與電網(wǎng)電壓等級相匹配，而整流變壓器只是網(wǎng)側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓等級匹配，它輸出的閥側(cè)電壓可根據(jù)負載要求和整流方式來定。網(wǎng)側(cè)顧名思義，即電網(wǎng)側(cè)，閥側(cè)名稱起源于半導體二極管的單向?qū)щ娦?，當整流橋的正極電位比負極電位高時，整流變壓器的輸出電壓大于零，當整流橋的正極電位比負極電位低時，整流變壓器的輸出電壓等于零，其作用猶如閘閥。

2）電力變壓器的負載一般都是線性阻抗，它的負載電流波形與負載電壓波形一樣，都是正弦波形，而且高壓與低壓繞組的視在功率相等。整流變壓器的負載是半導體器件組成的整流網(wǎng)絡(luò)，或是電感、或是電容器組成的濾波網(wǎng)絡(luò)，這些非線性特性使得閥側(cè)電流波形以及由閥側(cè)電流決定的網(wǎng)側(cè)電流波形都是非正弦的。閥側(cè)電流還與整流器的型式有關(guān)。非正弦電流引起整流變壓器漏抗壓降較大，因此使得它的直流電壓的輸出特性也較軟。

3）電力變壓器在一個周期內(nèi)只有3個正弦脈沖波，為提高電能質(zhì)量，整流變壓器在一個周期內(nèi)的脈沖數(shù)（即等效相數(shù)）可以為6個或12個。

4）當半導體整流器發(fā)生短路故障時，變壓器中就流過很大的短路電流，就會產(chǎn)生比電力變壓器大1.4～1.6倍的電動力。整流變壓器阻抗比同容量的電力變壓器高30%，以抑制di/dt，保護整流元件。這樣，同等容量的整流變壓器就比電力變壓器體積大，外形矮粗，其繞組結(jié)構(gòu)也有更高的機械強度。

5）半導體整流器有可能發(fā)生異常的過電壓，整流變壓器比電力變壓器有著更高的絕緣強度。

6）整流變壓器需進行換算阻抗計算。

7）整流變壓器由于諧波引起的附加損耗不容忽視，因此同樣功率等級條件下的整流變壓器在制造時，用銅量及硅鋼片數(shù)量比電力變壓器要多。

由此可見，鑄造廠為感應熔煉電爐配套的變頻電源的電源變壓器采用電力變壓器替代是不合適的。只要是帶具有整流裝置的變頻電源這樣的負載，都必須選用整流變壓器[5，6]。

3.2 整流變壓器的額定參數(shù)

（1）額定容量 整流變壓器的額定容量是指額定電壓、額定電流下連續(xù)運行時能輸送的容量，單位為kVA。對于單相變壓器是指額定電流與額定電壓的乘積；對于三相變壓器是指三相容量之和。

變頻電源的輸入功率在整流變壓器的閥側(cè)測量，輸出功率在變頻電源逆變回路輸出端測量。測得的輸出功率與輸入功率的比值，即為變頻電源的實測效率。變頻電源的額定功率就是逆變回路的輸出功率。因此，通過變頻電源的額定功率求整流變壓器的額定容量，就必須把變頻電源效率這個因素考慮進去。

對于電壓型（串聯(lián)型）變頻電源，因為其輸入功率因數(shù)接近1，所以給它配套的整流變壓器的額定容量與它的額定功率數(shù)值幾乎相等。考慮到變頻電源的效率，一般取額定功率值的1.05～1.10倍就可以作為整流變壓器的額定容量值。

整流變壓器額定容量SN與電流型（并聯(lián)型）變頻電源額定功率P的經(jīng)驗關(guān)系式為

式中 S——為電流型（并聯(lián)型）變頻電源配套的整流變壓器額定容量(kVA）；

P ——變頻電源額定功率（kW）；

k ——整流變壓器的效率、整流變壓器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、諧波損耗系數(shù)和容量裕度系數(shù)的綜合影響經(jīng)驗數(shù)值，取0.85；

η1——變頻電源整流器的效率，取0.97；

η2——變頻電源逆變器的效率，取0.97。

例如，電流饋電型（并聯(lián)型）電路的變頻電源額定功率3600kW，代入式（23），則整流變壓器的額定容量為4500kVA。

（2）額定電壓 額定電壓是變壓器長時間運行所能承受的工作電壓。它是由制造廠家規(guī)定的變壓器空載時在額定分接頭上的電壓。對于三相變壓器，如不特別說明，額定電壓都是指線電壓，而單相變壓器是指相電壓，單位為kV。為適應網(wǎng)電壓變化的需要，變壓器高壓側(cè)有分接抽頭，通過調(diào)整高壓繞組匝數(shù)來調(diào)節(jié)低壓側(cè)輸出電壓。依靠油作為冷卻介質(zhì)的油浸式整流變壓器額定容量超過1600kVA，由于閥側(cè)繞組匝數(shù)太少，一般按網(wǎng)側(cè)電壓的±5%的分接抽頭，≤1600kVA時則按2×2.5%分接抽頭。依靠空氣對流的整流變壓器一般都按2×2.5%分接抽頭。

（3）聯(lián)結(jié)組標號 也稱作“聯(lián)結(jié)組別”。根據(jù)整流變壓器網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)繞組的相位關(guān)系把變壓器聯(lián)結(jié)成各種不同的組合稱為繞組的聯(lián)結(jié)組。聯(lián)結(jié)組標號的書寫形式是：用大寫、小寫英文字母Y或y分別表示網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)繞組Y聯(lián)結(jié)；D或d分別表示網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)繞組的Δ聯(lián)結(jié)。用逗號“，”將網(wǎng)側(cè)與閥側(cè)分隔開。英文字母后邊的阿拉伯數(shù)字則表示網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)電壓向量間相位移的大小。

聯(lián)結(jié)組標號采用時鐘表示法（用時鐘序數(shù)表示是因為網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)繞組對應的線電壓之間的相位差是30°的整數(shù)倍，這正好與時鐘上小時數(shù)之間的角度一樣），即把網(wǎng)側(cè)線電壓的相量作為時鐘的長針，固定在12點上，閥側(cè)線電壓的相量作為時鐘的短針，看短針指在哪一個數(shù)字上就作為該聯(lián)結(jié)組標號。如“D，yn11”表示網(wǎng)側(cè)是三角形（Δ）聯(lián)結(jié)，閥側(cè)繞組是星形（Y）聯(lián)結(jié)，用“n”表示中心點引出。標號為11點表示若閥側(cè)線電壓超前于網(wǎng)側(cè)線電壓30°，則短針指在11點的位置，其接線組別規(guī)定為11。

1）6脈沖整流變壓器系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)組標號有兩種形式：“D，d0”和“D，yn11”。

2）12脈沖整流變壓器系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)組標號也有兩種形式：一種是以上兩種不同聯(lián)結(jié)組別“D，d0”與“D，yn11”并聯(lián)運行獲得等效的12脈沖形式；另一種是最常用的“三繞組”的12脈沖波形式，其聯(lián)結(jié)組標號為“D，d0-yn11”。兩臺6脈沖整流變壓器并聯(lián)運行組成等效12脈沖的優(yōu)點是可以使“D，d0”與“D，yn11”兩種電壓的變比非常接近，其誤差精度可達±0.2%。而采用單臺三繞組的12脈沖形式，由于“yn接”與“d接”匝數(shù)需相差倍，且為整數(shù)匝，因此必須用固定的匝數(shù)比，如3/5、4/7、7/12、8/14、11/19、15/26、18/31、19/33、22/38、23/40、26/45等。當采用固定匝比后，其誤差精度可達±1%，整流變壓器容量越小，匝數(shù)越少，其變比誤差也越小。因此，鑄造廠在選擇整流變壓器時，除非容量特別大和變頻電源對電壓誤差精度要求特別高，絕大多數(shù)情況都應采用單臺三繞組12脈沖形式，因為相對第一種形式，畢竟它用材省、占地少、投資低、效率高。

3）24脈沖整流變壓器系統(tǒng)，可以由4臺三相雙繞組、2臺三相三繞組的單機24脈沖整流變壓器系統(tǒng)組成，但從供電效率和經(jīng)濟效益來講，為感應熔煉電爐配置的24脈沖整流變壓器系統(tǒng)多采用兩臺三相三繞組整流變壓器并聯(lián)形式，而且主要采用兩臺聯(lián)結(jié)組標號均為“D，d0，yn11”，網(wǎng)側(cè)延邊三角形聯(lián)結(jié)法，相位角分別偏移+7.5°、-7.5°，閥側(cè)分別為星形聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)結(jié)，閥側(cè)輸出電壓相角相差15°，兩臺整流變壓器并聯(lián)供電。

（4）阻抗電壓 短路電壓百分數(shù)，在數(shù)值上與整流變壓器的阻抗百分數(shù)相等，表明變壓器內(nèi)阻抗的大小。將閥側(cè)繞組短路在網(wǎng)側(cè)繞組緩慢升高電壓，當閥側(cè)繞組的短路電流等于額定值時，此時網(wǎng)側(cè)所施加的電壓，一般以額定電壓的百分數(shù)表示。

感應熔煉電爐配套的整流變壓器的阻抗電壓值，可參考表5的數(shù)據(jù)提供給整流變壓器生產(chǎn)廠家設(shè)計。

表5 幾種整流變壓器阻抗電壓選擇

國內(nèi)某整流變壓器研究機構(gòu)提供的整流變壓器短路阻抗資料：≤2500kVA，6.5%；3150～5000kVA，7.0%；6300～10 000kVA，7.5%；12 500～31 500kVA，8.0%。參考文獻[7]則提供了另一組數(shù)據(jù)：500～1000kVA，5.5%；1000～2000kVA，6%；2000～3000kVA，6.5%；3000～4000kVA，7%。這些資料都可以作為參考。

（5）整流變壓器的絕緣等級與絕緣水平

1）絕緣等級：A級。

2）絕緣水平：網(wǎng)側(cè)電壓10k V，閥側(cè)電壓0.66kV時，h.v.LI75AC35/I.V.AC5（h.v.表示高壓；LI75表示該變壓器高壓雷電沖擊耐受電壓為75kV；AC35表示工頻耐受電壓為35kV。I.V表示低壓；該變壓器低壓AC5表示工頻耐受電壓為5kV），網(wǎng)側(cè)6kV、閥側(cè)0.66kV的絕緣水平h.v.LI60AC25/I.V.AC5表示該變壓器高壓雷電沖擊耐受電壓為60kV，AC25表示工頻耐受電壓為25kV。

3.3 整流變壓器的相關(guān)標準

感應熔煉電爐用整流變壓器相關(guān)標準主要有以下三種：GB 1094（所有部分）《電力變壓器》；GB/T 18494.1—2014《工業(yè)用變流變壓器》；JB/DQ 2113—1984《電化學用整流變壓器》。

4 諧波的產(chǎn)生及其危害

4.1 諧波的產(chǎn)生

向公用電網(wǎng)注入諧波電流的非線性電氣設(shè)備稱之為諧波源。鑄造廠使用的感應熔煉電爐裝置就是多個諧波源的集合。

1）感應熔煉電爐電流饋電型晶閘管變頻電源中的三相全控橋式整流器是諧波源。晶閘管整流器交流側(cè)的電壓波形是正弦波，電流是正負對稱的矩形波，從該電流傅里葉級數(shù)展開式可知，裝置從電網(wǎng)中吸收諧波電流。這些諧波電流在電網(wǎng)回路中引起阻抗壓降，從而使電網(wǎng)電壓也含有諧波成分，造成電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生畸變。

2）由于整流變壓器漏抗的存在，在晶閘管換相時，導通的晶閘管電流不可能立即上升到穩(wěn)定值，而被關(guān)斷的晶閘管電流也不可能立即降到零，換相期間，兩相相間發(fā)生短路，使得電壓波形出現(xiàn)“毛刺”，造成了電網(wǎng)電壓波形畸變和諧波的產(chǎn)生。

3）平波電抗器和逆變器的影響：平波電抗器不可能使電流完全平直，逆變器對電流的影響也不容忽視，這些都會產(chǎn)生諧波。

4）進線三相交流電不完全對稱，使電壓波形畸變和電流諧波成分更加復雜。

在所有諧波源中，變頻電源的整流器產(chǎn)生的諧波電流是主要的諧波源。作為電流型諧波源，抑制變頻電源產(chǎn)生的諧波應首先從抑制諧波電流入手[5，6]。

4.2 諧波的危害

（1）對電網(wǎng)的危害 諧波電流注入電網(wǎng)，在供電線路上產(chǎn)生壓降，諧波電壓與基波電壓迭加致使公共連接點（用戶接入公共電網(wǎng)的連接處）電壓波形畸變。諧波影響電網(wǎng)系統(tǒng)的保障系統(tǒng)和設(shè)備的穩(wěn)定運行，增加電網(wǎng)的附加損耗，影響電網(wǎng)設(shè)備和用電設(shè)備的正常工作，導致額定工作點偏移，使設(shè)備功能不能正常發(fā)揮。

（2）對電氣設(shè)備的影響 當諧波次數(shù)h＝3k-1次時（k為任意正整數(shù)，1、2、3、…），諧波電壓分量為逆序分量（2、5、8、…），產(chǎn)生逆序磁通，使電動機產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩，引起發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生附加損耗和溫升，且轉(zhuǎn)子尤為嚴重，從而影響發(fā)電機輸出，導致電動機功率因數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩下降。整流變壓器的激磁電流額外加大。有資料介紹，電壓畸變率超過10%會導致電子開關(guān)產(chǎn)生誤動作，超過5%會導致計算機系統(tǒng)工作紊亂。諧波使電熱電容器介質(zhì)局部放電和熱老化，損耗增加，使電熱電容器因溫升而損壞，有時還會產(chǎn)生諧波放大。諧波對輸電線路也會造成不良影響。

（3）諧波引起功率因數(shù)惡化 諧波電流的平均功率為零，也就是說諧波電流都是無功電流，諧波的存在會引起電網(wǎng)功率因數(shù)的惡化[7，8]。

4.3 諧波的抑制措施

GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值，見表6。

表6 公用電網(wǎng)諧波電壓

如果產(chǎn)生的諧波電壓超過了表6中的數(shù)據(jù)，就必須采取措施加以限制。

1）增加短路比。短路比是指電網(wǎng)短路容量與變頻器額定功率的比值。如未采取諧波抑制措施，為保證電能質(zhì)量，就必須對變頻電源額定功率加以限制，即增加短路比。

英國電力部門所推薦的整流裝置與電網(wǎng)短路容量及整流相數(shù)的關(guān)系（見圖2），可供我們參考。

圖2 整流裝置的額定功率與電網(wǎng)短路容量及整流相數(shù)的關(guān)系

2）通過提高整流變壓器的網(wǎng)側(cè)及閥側(cè)電壓等級，提高系統(tǒng)承受諧波的能力。

3）利用整流變壓器的相位移和提高整流相數(shù)抑制諧波。

在一般情況下，整流器這類諧波源的電流含有的特征諧波次數(shù)h與整流相數(shù)在理論上有以下關(guān)系：

式中 P ——整流器相數(shù)，P＝3、6、12、18、24、36、…

k ——任意正整數(shù)，k＝1、2、3、4、…

由此可見，增加整流相數(shù)這一措施對減少諧波電流十分有效，而增加整流相數(shù)就是通過改變整流變壓器的接線方式和改變移相繞組來實現(xiàn)的。

據(jù)ABP公司提供的不同整流相數(shù)整流器中的諧波量，12脈沖整流電路中，5次、7次諧波已基本消除，24脈沖整流中，5次、7次諧波效果同12脈沖，對11次、13次諧波能進行更為有效的抑制。電流諧波與基波相比的百分率見表7[1]。

表7 電流諧波與基波相比的百分率 (%)

4.4諧波分析

以3600kW變頻電源、網(wǎng)側(cè)電壓10kV、12脈沖整流變壓器、閥側(cè)電壓2×660V、50Hz為例，進行諧波分析，其中11次、13次、23次、25次諧波電流見表8，35次、37次諧波忽略不計。

表8 變頻電源運行時折算到10kV側(cè)諧波電流方均根值計算 (12脈沖）

Ih為h次諧波電流，即

式中 Id′—— 一組Y（或Δ）6脈沖整流的基波方均根值（A）；

Kh——諧波系數(shù)，根據(jù)計算和諧波電流仿真頻譜圖得出；

K——整流變壓器變比，本例K＝0.66kV/10kV，即K＝0.066。

Idq—— 一組Y（或Δ）6相整流的直流電流值（A）。本例，Idq＝2651.0A。

Kx——計算修正系數(shù)。

Kx根據(jù)仿真得出，Kx＝1.112，則

國標GB/T 14549—1993對電網(wǎng)中注入的諧波電流值加以規(guī)范，該標準中的“注入公共連接點的諧波電流允許值”規(guī)定在基準短路容量100MVA、10kV標準電壓時，諧波電流的方均根值不得超過表9中的數(shù)值。

表9 注入公共連接點的諧波電流允許值

當電網(wǎng)公共連接點的最小短路容量不同于表9中100MVA的基準短路容量時，可按式（26）修正表9中的諧波電流允許值，即：

式中 Ih——短路容量為SK1時的第h次諧波電流允許值（A）；

SK1——公共連接點的最小短路容量（MVA），見表10；

SK2——基準短路容量（MVA）；

Ihp——表9中的第h次諧波電流允許值（A）。

表10 公共連接點最小短路容量

由表10可見，只要公共連接點的最小短路容量≥210MVA，則3600kW、2×660V閥側(cè)電壓、12脈沖整流諧波電流值就已接近國標限定的允許值。但國標還規(guī)定，同一連接點的每個用戶，向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值按此用戶在該點的協(xié)議容量與公共連接點的供電設(shè)備容量之比進行分配，這樣雖可接近標準容量，但實際達標很難。

總之，提高整流相數(shù)是抑制諧波電流的有效措施。鑄造廠現(xiàn)場單臺電爐一般采用12脈沖整流，兩臺電爐采用24脈沖整流。三臺電爐可采用18脈沖或36脈沖整流，分別將兩繞組（6相）或三繞組（12相）的三臺整流變壓器網(wǎng)側(cè)延邊三角形移相-20°、0°、+20°或-10°、0°、+10°（兩繞組或三繞組閥側(cè)接法相同）。超過24脈沖對抑制諧波電流的效果不明顯，在鑄造廠現(xiàn)場較少使用。

GB/T 10067.31—2013《電熱裝置基本技術(shù)條件 第31部分：中頻無心感應爐》中規(guī)定：功率大于500kW變頻裝置一般應配置整流變壓器，整流器的形式應有利于電網(wǎng)諧波的減少，必要時應在整流器網(wǎng)側(cè)配置諧波吸收裝置。根據(jù)國家“電力法”和“供電營業(yè)規(guī)則”，依照“誰污染、誰治理”的原則，把用戶在公共連接點的諧波電流限制在GB/T 14549—1993規(guī)定的范圍之內(nèi)。

感應熔煉電爐變頻電源的整流裝置作為諧波源，其負荷較為平穩(wěn)，諧波成分也較穩(wěn)定，故適合于在整流器原邊加裝無源型交流濾波與無功補償裝置。該裝置主要由電容器、濾波電抗器、PLC控制器、接觸器及斷路器組合而成，與諧波源并聯(lián)。在實際運用中，根據(jù)現(xiàn)場實測的諧波電流大小及無功功率要求情況進行有針對性的設(shè)計，該裝置向諧波源提供一個低阻抗通道，諧波電流大部分流入濾波器（濾波效果可達90%以上），使電壓畸變減少，而對于基波頻率，濾波裝置可向電網(wǎng)提供無功功率，以提高功率因數(shù)，達到無功補償效果[9-11]。

在整流變壓器閥側(cè)加裝無源型交流濾波與無功補償裝置，投資少（是整流變壓器網(wǎng)側(cè)治理的1/3，是有源濾波器的1/20），因與諧波源并聯(lián)，能就地吸收大量諧波電流，使用戶的整個用電系統(tǒng)損耗降低，是解決諧波超標的首選方案。

5 感應熔煉電爐諧波治理應注意的幾個問題

1）感應熔煉電爐配電系統(tǒng)不僅含有大量的特征諧波電流，還含有豐富的非特征諧波（間諧波）電流，因此爐子配電系統(tǒng)無源濾波器設(shè)計的難點，是在濾除特征諧波的同時如何避免或降低系統(tǒng)的并聯(lián)諧振點對其非特征諧波（間諧波）的諧振放大問題。

2）在無源濾波器設(shè)計過程中，應加強對系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運行方式及系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)研，測試典型負荷的諧波和無功發(fā)射特性，搭建仿真模型優(yōu)化設(shè)計方案，確保無源濾波器安全穩(wěn)定運行。

3）濾波器各支路容量的確定是個比較復雜的計算過程，涉及大量計算。原則是基波補償容量盡量小，不要導致過補無功功率倒送現(xiàn)象，而是有更多的容量可以吸收諧波電流。

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