橡膠企業諧波治理及節能降耗解決方案

施創，黃玉松

(施一電氣科技（上海）有限公司，上海 201899)

橡膠行業的煉膠、混煉、成型等車間，采用大量直流電機、變頻器、變頻電機等設備，其非線性負荷產生的大量諧波電流，經系統阻抗形成諧波電壓，致使電流波形、電壓波形嚴重畸變。注入公共連接點（PCC點）的諧波電流、諧波電壓超過GB/T14549—93《電能質量——公用電網諧波》標準，會嚴重污染公共電網。嚴重的諧波還會造成變壓器溫升異常、噪音增大、損耗增加，甚至發生諧振，給系統的安全運行帶來威脅。系統的功率因數很低，無功沖擊大，電壓損失嚴重；并造成供電設備與用電設備利用率低，電力力調罰款等不良后果，給企業帶來了經濟損失，給電網造成嚴重的污染。

施一電氣根據多年在橡膠行業電氣配套及電能質量治理的經驗，針對客戶需求制定了多個用戶電能質量綜合治理方案。以下方案均在實際應用中取得了優異的效果，積累了大量成功案例和實施經驗。通過對配網首段、中段、末段的整體考慮，將產生電能質量問題的源頭進行隔離和消除，實現電能質量的綜合治理及節能降耗的目標。

1 CY系列電能質量治理及無功補償設備及其工作原理

1.1 CY-ASVG電容

CY-ASVG電壓支撐電容，其作用是為裝置提供一個電壓支撐。由大功率電力電子開關器件IGBT組成的電壓源逆變器（VSC），通過脈寬調制（PWM）技術控制電力電子開關的通斷，將電容器上的直流電壓變換為具有一定頻率和幅值的交流電壓；電抗器一方面通過它將大功率變流裝置與電力系統耦合在一起，另一方面還可以通過它將逆變器輸出電壓中的高次諧波濾除，使ASVG的輸出電壓接近正弦波。工作中產生和系統諧波電流大小相等，相位相反的諧波注入到電網中，從而有效消除諧波。濾波范圍為2～13次諧波。

1.2 CY-APF有源電力濾波器

CY-APF有源電力濾波器是一種可以動態濾除諧波、補償無功功率的電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。其應用可以克服無源濾波器等傳統諧波抑制和功補償的缺點。有源濾波器具備內部的指令電流運算及檢測電路，通過外部電流互感器實時采集電流信號，從負載電流中分離出諧波電流分量和基波無功電流，通過IGBT逆變出與系統的諧波電流大小相等、相位相反的補償電流，實現濾除諧波的功能。并且也通過內部IGBT逆變出容性或感性的基波電流，實現動態無功補償，柔性的無功補償也不會產生涌流沖擊，濾波范圍為2～51次諧波。

CY-ASVG、APF采用 DSP—F28377+FPGA雙核控制器的混合控制器，大大提高系統的運算能力和控制精度；采用三電平拓撲結構，能夠綜合解決諧波、無功、不平衡等問題；模塊化安裝設計，可通過并聯運行實現簡易擴容，可進行開環或閉環運行模式（如圖1和圖2所示）。

圖1 控制算法多目標組合方式

1.3 CY-TSF型密煉專用諧波濾除兼無功補償專用裝置

CY-TSF型是根據密煉機的直流電機運行中產生的各次諧波含量，需要進行現場測試或者用戶提供無功功率的大小、諧波電流大小、諧波電壓大小等具體情況而進行的個性化專門設計，因此，各成套裝置的組成視具體情況而定，其組成不一定完全一致。此設備快速跟蹤負荷變化，采用過零觸發技術，投切無涌流、無過電壓、響應速度快。濾除諧波的同時補償無功功率，提高功率因數、降低系統損耗、節能增效。有利系統安全經濟運行。以F370密煉機為例其整流變低壓濾波補償裝置電路如圖3所示。

1.4 CY-D型抽屜式動態無功補償裝置

CY-D型是根據輪胎廠的硫化跟成型以及水泵房車間而設計的，抽屜式模塊化結構，體積小、維護方便、現場使用接線簡單、效率高、功耗小、省時省力。標準化生產和遠距離運輸方便，單臺柜體裝置容量大，既適合就地補償，分散補償，也適合集中補償。增容、減容方便，每組模塊都是獨立的，擴容改造非常方便。采用先進的過零投切技術，實現低壓無功自動補償功能，具有很強的抑制諧波、快速自動跟蹤功能。

圖2 拓撲結構—三電平形3相4線制拓撲結構（3P4L-3L）

圖3 F370密煉機4 000 kVA整流變低壓濾波補償裝置一次線電路圖（D或Y線組）

2 CY系列電能質量治理及無功補償設備應用實例

2.1 密煉機濾波補償專用裝置典型設計方案（CY-TSF型）

2.1.1 設計依據

（1）根據GB/T14549—93《電能質量——公用電網諧波》標準。

（2）根據GB/T15576《低壓無功功率動態補償裝置總技術條件》。

（3）根據系統阻抗及變壓器相關技術參數。

（4）根據現場測量數據及其分析（美國福祿克電能質量分析儀測試）。

2.1.2 技術要求

TSF裝置投入運行后應達到以下技術要求：

（1）在10KV進線處測量注入公共連接點的電流諧波、電壓諧波符合GB/T14549—93標準要求。

（2）功率因數≥0.90。

2.1.3 TSF裝置投入前后數據頻譜對比

TSF裝置投入前后數據頻譜對比見圖4。從圖4得出如下結論：

圖4 TSF裝置投入前后數據頻譜對比

（1）濾波器投入后各次諧波電壓均符合GB/T 14549—93《電能質量——公用電網諧波》標準。變壓器的電壓總畸變率(THD)從原有的10%以上降到5%以下。

（2）經治理后，電力變壓器的各次諧波電流都符合國標要求。在未投入前的諧波電流嚴重超標，電力變壓器諧波電流總畸變率從原有的44.2%降至11.1%。

（3）功率因數從原來的嚴重偏低提高到0.90以上，達到了設計要求。降低了供電線路和變壓器的損耗，有利于供電系統的安全，保證生產設備正常運行。

2.2 CY-APF+CY-TSC系列設計方案

2.2.1 設計依據

（1）根據GB/T14549—93《電能質量-公用電網諧波》標準。

（2）根據GB/T15576《低壓無功功率動態補償裝置總技術條件》。

（3）根據系統阻抗及變壓器相關技術參數。

（4）根據現場測量數據及其分析（美國福祿克電能質量分析儀測試）。

2.2.2 技術要求

CYAPF+CYTSC裝置投入運行后應達到以下技術要求：

（1）在10 kV進線處測量注入公共連接點的電流諧波、電壓諧波符合GB/T14549—93標準要求。

（2）功率因數≥0.92。

2.2.3 CYAPF+CYTSC裝置投入前后數據頻譜對比

CYAPF+CYTSC裝置（圖5）投入前后數據頻譜對比見圖6。從圖5得出如下結論：

圖5 CYAPF有源濾波裝置+CYSTC動態無功補償裝置

（1）濾波器投入后各次諧波電壓均符號GB/T 14549—93《電能質量——公用電網諧波》標準。變壓器的電壓總畸變率(THD)從原有的10%以上降到2.0%。

（2）經治理后，電力變壓器的各次諧波電流都符合國標要求。在未投入前的諧波電流嚴重超標，電力變壓器諧波電流總畸變率從原有的31.0%降至10.2%。

（3）功率因數從原來的嚴重偏低提高到0.92以上，達到了設計要求，現場功率因素其實在0.95以上。降低了供電線路和變壓器的損耗，有利于供電系統的安全，保證生產設備正常運行。

（4）從電壓電流的波形來看效果非常明顯。尤其是諧波電流，CYAPF+CYTSC裝置投入前的波形為方波， CYAPF+CYTSC裝置投入后接近正弦波。電壓波形在CYAPF+CYTSC裝置投入后正弦波波形連貫圓滑，起到有效的凈化電網作用。

（5）在電力系統中TSC無功補償和APF諧波濾除，兩種設備各自獨立運行。傳統的TSC無功補償裝置投切電容速度慢，APF響應速度快。TSC投切電容電流對APF造成沖擊。CY系列TSC無功補償裝置采用先進的可控硅投切方式，響應速度快、投切準確，這樣就避免了對APF沖擊。

圖6 CYAPF+CYTSC裝置投入前后數據頻譜對比

3 開煉機電控柜技術升級改造“開煉機一體化智能控制專用裝置”

3.1 現有開煉機運行工況

(1)開煉機不能調速，生產時膠片很快出完，等待下次出片時電機在空轉，導致電能浪費。

(2) 設備空載運行時電機的電流為額定值的50%左右，節能空間大。

(3) 現有較多的在線運行的開煉機電機啟動時為頻敏變阻器降壓啟動或星三角啟動，啟動時對電網沖擊大，控制系統為繼電器控制，通用性、靈活性和可靠性差，故障率高。

3.2 應用實例

施一電氣根據客戶需求定制化先后開發出擁有核心技術的 CYK-Ⅰ型、CYK-Ⅰ型開煉機一體化智能控制專用裝置，設備先后在十幾家橡膠輪胎生產企業得到廣泛的應用，得到了客戶肯定和好評。下面僅介紹其中一個實例。

根據沈陽某橡膠輪胎生產企業現場運行CYK-Ⅲ型開煉機一體式智能控制專用裝置得到的數據測算如下：開煉機為 280 kW 的繞線式電機驅動，典型的工作工況以3 min為 1 個周期，2 min帶載煉膠，1 min空載的工況條件。如果改為變頻驅動、恒轉矩工作方式，電機轉速降低到沒有空載的合適狀況則變頻驅動轉速以此值為最佳：

開煉機是典型的恒轉矩負載工藝，根據電機調速理論可知，電機轉速和功率電流的關系：電機功率P=1.732×U×I×cosΦ ；電機轉矩 T=9 549×P/n；轉矩=9 550×輸出功率/輸出轉速，亦即:P= T×n/9 550，功率=力×速度，即 P=F×V。因此，在恒轉矩工況下，電機消耗功率正比于電機輸出轉速。

具體方案:帶載運行50 Hz，空轉采用變頻模式，仍以280 kW 開煉機為例進行方案計算，實際測試負載率約為60%，亦即：

Q變頻空載時，0 Hz，主傳動電機不耗能：

我們再以工頻工況下的一個工作周期內開煉機消耗的電能計算如下：

帶載周期消耗的電能 Q帶載=280 kW×0.6×(2/60)h=5.6 kWh;

空載時間消耗的電能 Q空載=280 kW×0.6×0.25×(1/60)h=0.7 kWh;

故3 min工作周期內消耗電能 Q周期=Q帶載+Q空載=6.3 kWh。

綜上所述，改為變頻傳動后的節電率：

R=1-變頻驅動周期功耗/工頻驅動周期功耗

=1-5.2 kWh/6.3 kWh=0.175≈17.5%

每臺開煉機一個班工作按 8 h進行計算，改造前每個班消耗的電能:

改造后每個班消耗的電能：

可見在此工作條件下，每個班(8 h)節約電能=1 008 kWh-832 kWh=176 kWh。

通過上面例子可知，通過采用施一電氣的開煉機一體化方案，每個班（8 h）可以節約電能 176 kWh，其節電率約為 17.5%。考慮到現場工況不同綜合節電率完全可以達到12%左右 。

3.3 采用開煉機一體化式智能控制專用裝置的優勢

（1）減少空轉能耗，達到減少能耗降低生產成本的效果。

（2）專用裝置的直流母線支撐電容可起到無功交換的作用，大大提高了設備的輸入功率因數，而不必再另外購買功率因數補償裝置。

（3）實現了對電機的軟啟動，消除了工頻啟動對設備和電網的沖擊，避免了對其他用電設備可能造成的跳閘故障，延長了機軸、齒輪、減速機、潤滑系統、冷卻部件等機械件的使用壽命，實現了更好的安全運行。

（4）無級調速功能可根據實際生產需要方便設定輥筒的正反轉、轉速大小和加減速時間，使設備操作更加簡易方便。

（5）專用裝置設有欠電壓、過電壓、輸入缺相、輸出缺相、過電流檢測、過載檢測等多種檢測保護功能，從而保證設備能夠長期穩定安全運行。

（6）新的開煉機只要直接配置該專用裝置就能一步到位。