中频炉谐波治理的案例分析

一、     中频炉产生的谐波分析

l  1.1 中频电源的工作原理

中频炉是一种将工频50HZ交流电转变为中频（300HZ以上至20K HZ）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。这种涡流同样具有中频电流的一些性质，即，金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量。

中频炉工作特点：由于负荷变动小，效率高，无功波动较小；功率因数较高，但会产生大量的谐波（以Nk±1为主，N为脉数）。但由于技术原因，目前12脉动的中频炉除了产生11次和13次谐波外还会产生5次和7次谐波,且分量也比较大。因此谐波是中频炉运行时主要的电能质量问题。

1.2 中频炉在使用过程中的谐波分析

  中频加热炉根据整流方式一般使用三相桥式、六相桥式或者十二相桥式晶闸管整流,即相应的整流脉数可以分为6脉整流，12脉整流甚至24脉整流，根据工作时的功率因数又可以分为恒功率中频加热炉与普通中频加热炉。整流的相数越高，产生的谐波量就越低，对电网的影响就越小，危害大大降低。

中频加热炉由于采用的电气传动为晶闸管整流技术，所以在工作时除了功率因数较低外，同时也产生高次谐波，若中频电源变压器单个绕组侧采用的是六脉动整流技术，则产生的谐波主要以5，7，11，13次为主。

以下作出中频加热炉单边（一个绕组）六脉整流方式工作时的硬件仿真原理图及电压电流波形：

图一、中频电源接入系统后的硬件工作仿真图

图二、中频电源工作时的高压侧及低压侧的电压电流波形

上图二中第一二项为高压10KV侧的电压及电流波形，第三四项为低压侧的电压电流波形，从图中可以看出，因中频电源工作时产生的谐波电流注入上端系统，造成电网高低压侧的电流波形畸变较严重。

1.3 实际中频炉产生的谐波

实际应用中,对于小容量的中频炉来说,中频电源一般采用三相桥式整流电路;对于大容量的中频炉来说,中频电源一般采用六相桥式或十二相整流电路.根据以往做过的中频炉(有六脉动整流,也有十二脉动整流的中频炉).现就浙江某钢铁厂一台六脉动整流的1.5吨中频炉现场谐波测试数据如下:

有功功率P=850KW,功率因数cosθ=0.98

二、中频炉谐波治理

为了使大功率中频感应电源产生的谐波对公共电网的影响符合设备使用的供电系统的要求,首先在选购设备时,应尽可能选择制造水平较高的设备生产厂家制造的相关产品;同时要积极采取有效的治理措施来消除中频炉产生的谐波污染问题,具体治理方法如下:

目前,大部分都是采用无源滤波方式进行谐波治理,无源滤波的主要结构是电容和电抗串联起来,组成LC串联回路,并联于系统中.LC串联回路的谐振频率制定在需要滤除的谐波频率点上,如3、、5、7、11次谐振点上,达到吸收特定次谐波的目的.该滤波器除起滤除谐波的作用,还可补偿无功功率的用途.因其制造成本低,价格便宜,所以在工程中应用很广泛.

无源滤波器主要分为单调谐滤波器、高通滤波和双调谐滤波器三大类,但在实际普遍应用中,常常采取单调谐滤波器和高通滤波器两种形式,有时两者在同一系统中被同时使用.现对浙江某1.5吨的中频炉按单调谐滤波和高通滤波同时使用来进行谐波治理,具体治理方案如下：

3.1一次系统原理图

3.2中频炉滤波支路参数表

3.3滤波器投入前后谐波测试数据如下表

经过投入前后谐波测试数据可以看出，滤波器在中频炉系统中投入使用后，谐波电流、电压均大浮下降，完全达到国家标准GB/T14549-93之标准。

3.4仿真分析和校验

采用滤波补偿方案，用仿真软件分析比较了多种效果，由于系统中的实际谐波发生量非常大，在相同基波的补偿容量下，采用5，7 (高通)组合有利于对系统的实时无功补偿及最大限度吸收5，7次及以上次的谐波电流。仿真给出系统谐波阻抗图，对于3次谐波稍微有大约1.4倍的放大，由于主变次绕组为△型，故3次及其整数倍的零序电流被抵消。滤波装置投入后的系统阻抗曲线及谐波吸收曲线仿真图如下：

以上仿真曲线表明，滤波装置投入后系统稳定，不会与用户供电系统发生整数次的特征谐波放大，且对系统的5次谐波吸收率达到了80%以上，7次及以上次谐波吸收率也达到了75%以上。