中壓中頻感應加熱爐諧波特性研究

陳龍超,梁紀峰

(1.山東電力工程咨詢院有限公司,山東 濟南 250014;2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

使用快速、高效的中頻感應加熱爐(簡稱“中頻爐”)進行熔煉生產,既能提高操作的靈活性和產量,又能節約環保費用,因此,電磁感應熔煉已經成為金屬鑄造的一種重要方法和煉鐵行業的一種重要工具。同時中小鋼鐵企業煉鋼采用的中頻爐也是電力系統諧波的重要來源,中頻電源是中頻爐設備的主要部分,也是諧波產生的主要部件,它的啟停除了對電網造成頻繁的沖擊外,隨之帶來的諧波危害也越來越不可忽視[1-2]。因此,很有必要對諧波的產生和帶來的危害進行定性的分析,開展中頻爐接入系統的諧波水平預測評估,采取積極有效的措施抑制諧波水平,確保電網的安全經濟運行。

在中頻爐用戶接入系統電能質量預測評估環節,原有老舊中頻爐設備諧波特性參數缺失,用戶無法提供各次諧波含有率資料。新建用戶由于尚未采購,無法確定具體的中頻爐設備型號,也經常無法提供準確的中頻爐諧波含有率資料,導致在新建或改擴建用戶接入系統電能質量評估環節存在重要資料缺失,難以根據用戶提供的中頻爐諧波特性資料進行直接的預測評估。在無法直接獲取新建設備或老舊設備準確諧波特性數據的情況下,利用易獲取的中頻爐及其供電設備的一次設備參數,進行中頻爐的電能質量預測評估具有工程上的可行性。

本文根據上述研究思路,考慮中頻爐的典型諧波特征在特定電氣結構條件下的實際運行諧波發射特性與理想電氣參數下的仿真結果存在一定的差異性,因此選取了河北邢臺地區的某冶金企業,進行中頻爐諧波發射特性的現場測試,并開展了基于設備參數的諧波特性仿真分析研究。

1 中頻電源電路結構及工作原理

1.1 電路結構

中頻電源的電路主要分為主電路和控制電路兩部分,主電路包括整流電路、逆變電路和負載諧振電路3部分。控制電路由整流觸發、逆變觸發、自動調節、穩壓電源和保護5部分組成[3]。根據直流儲能元件的不同,一般可將中頻爐分為電流型中頻爐和電壓型中頻爐[45]。電流型中頻爐的儲能元件為大電感,而電壓型中頻爐的儲能元件為大電容。兩者還存在其他不同,如電流型中頻爐采用晶閘管控制,負載諧振電路為并聯諧振,而電壓型中頻爐采用IGBT來控制,負載諧振電路為串聯諧振,其基本結構如圖1、圖2所示。

圖1 電流型并聯諧振中頻爐結構

圖2 電壓型串聯諧振中頻爐結構

1.2 工作原理與諧波特征

中頻爐是一種快速穩定的金屬加熱裝置,它靠變頻裝置把三相工頻交流電轉變為單相中頻交流電[6-7]。中頻電源是中頻爐的核心設備,其采用交直交變換方式,先將電網提供的50 Hz交流電流由橋式整流電路整為直流,經過濾波,然后再通過逆變裝置為負載提供中頻電流(500~1 000 Hz),該電流在熔爐的感應線圈中產生中頻交變磁場,使熔爐中的爐料產生感應電動勢,從而在爐料中產生渦流,致使爐料被加熱升溫,直至熔化。

中頻電源在運行時會由整流裝置產生大量的特征次諧波[8],不論串聯還是并聯轉換裝置產生的諧波都會回到整流過程中,注入電力系統后,使得公共電網PCC點的諧波電壓和諧波電流超標[9]。中頻感應電源整流環節一般使用三相橋式、六相橋式或者十二相橋式晶閘管整流。三相橋式整流有6個晶閘管,每個晶閘管需要1個觸發脈沖,共需6個觸發脈沖,所以也叫6脈沖整流;六相橋式整流也叫12脈沖整流;十二相橋式整流也叫24脈沖整流。對于低壓系統,中頻爐一般采用6脈沖整流電路;中壓常采用12脈沖整流,高壓則常采用24脈沖整流。脈沖數越高,諧波電流發射量越小,對系統造成的影響也越小[10]。本文僅針對中壓系統常用的12脈沖中頻爐進行深入探討。

2 中頻爐電能質量發射特性測試

2.1 測試方案

選取河北邢臺某軋輥廠采用的10 k V中頻爐作為測試對象,中頻爐變壓器技術參數如表1所示。

表1 中頻爐變壓器技術參數

10 k V中頻爐供配電系統的測試接線如圖3所示。中頻爐變壓器二次側2個繞組(Y和△繞組)各帶1臺電爐,當1臺電爐熔煉時,另一臺保溫,2臺電爐交替工作,電爐生產周期為30 min。

2.2 典型工況測試分析

本文測試方案重點選取中頻爐10 k V進線諧波電流含量最大的典型工況進行研究,典型工況如圖4、表2和表3所示。

圖3 現場測試位置示意

圖4 中頻爐10 kV母線和10 kV饋線的波形和頻譜

表2 基波電壓、基波電流和基波功率統計報表

表3 主導諧波電壓和諧波電流報表(A相)

根據中頻爐10 k V進線諧波電流含量較大運行工況的分析,得出以下結論:

(1)通過上述中頻爐主導諧波電壓電流報表可以發現,11、13、23、25、35、37、47等主導次的諧波電壓和諧波電流含量較大。

(2)以A相為例,對中頻爐主導諧波作諧波潮流分析,利用A相的11、13、23、25、35、37、47次諧波電壓和諧波電流報表,計算得到的各次主導諧波對應的基波阻抗如下

對上述得到的各基波阻抗求其平均值得

若上述的主導諧波均為中頻爐產生的特征次諧波,諧波電流注入系統在系統阻抗上產生諧波電壓,則計算得到的Z1即為系統的短路阻抗。此時,短路容量

根據上述推導的各次主導諧波基波阻抗和基波電壓、電流、功率統計報表數據,可計算得出中頻爐產生的3相特征次諧波電壓和諧波電流,結果如表4所示。

表4 中頻爐特征次諧波電壓和諧波電流報表

由表4可以看出,第11、23、35、47次特征次諧波電流呈負序的性質,而第13、25、37次特征次諧波電流呈正序的性質。

3 仿真研究

3.1 仿真案例

邢臺某軋輥公司建有2臺5T中頻爐,并由10 k V母線接2臺整流變壓器供電,整流變壓器變比10 k V/0.9 k V,容量3 600 k VA(Ud=6.5%),二次D+Y的接線方式,其所帶負載為中頻電源的整流器,采用6相12脈沖的橋式整流電路,中頻電源額定功率為3 000 k W,其簡化供配電系統圖如圖5所示。

圖5 5T中頻爐供配電系統

另有1臺10T中頻爐,進線電壓為10 k V,整流變壓器變比10 k V/0.9 k V,變壓器容量為7 300 k VA(Ud≤7.0%),采用12脈沖整流供電,中頻電源額定功率為5 000 k W,簡化供配電系統如圖6所示。

圖6 10T中頻爐供配電系統

3.2 仿真電路建模

由于中頻爐采用交直交變頻,整流電路采用二極管,根據測試參數,設該系統的線電壓為900 V,短路容量為200 MVA,因此系統阻抗為0.053Ω。

3.3 仿真結果

根據諧波電流含量較大運行工況下的基波功率P=0.7 MW、Q=0.2 Mvar。仿真得到中頻爐電壓、電流波形與頻譜如圖7所示,基波電壓、電流和功率報表見表5,各次主導諧波電壓電流統計報表見表6。

圖7 中頻爐典型工況的波形與頻譜

由上述仿真結果,可以得到:

(1)中頻爐仿真11、13、23、25、35、37等次主導諧波電流含量較高,主導諧波電流分布為12k±1次,其中k=1,2,3,……;

(2)實際情況比仿真情況復雜,但同樣也可以仿真出其主導諧波,確定其最大電路結構;

表5 基波電壓、基波電流和基波功率統計報表

表6 中頻爐特征次諧波電壓和諧波電流報表

(3)系統阻抗、負荷阻抗、變壓器參數及載波比的計算是影響仿真的主要因素。12脈沖整流電路仿真中,若負荷參數不對稱,可使12脈沖整流電路5、7次諧波過大,最終導致仿真失敗。

4 結論

本文分析了中頻爐電路結構、基本原理與諧波特征,通過分析現場實測諧波數據并進行仿真驗證,得出如下主要結論。

(1)建模仿真結果與實測結果高度一致,證明中頻爐的典型諧波分布特征經過不同的供電結構和電氣網絡后未發生明顯的畸變,為利用一次設備參數和脈沖數開展中頻爐的電能質量預測評估提供了技術依據。

(2)實測數據中,12脈沖中頻爐的12n-1次諧波電流呈負序性質,而12n+1次諧波電流呈正序性質。

(3)受系統阻抗、負荷阻抗、變壓器參數及載波比影響,主導特征諧波與仿真結果存在較大差異,電能質量預測評估無法代替監測評估。