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基于无源滤波的中频炉谐波治理的研究

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第7卷第3期 沈阳工程学院学报(自然科学版) Vo1.7 NO.3 2 0 1 1年7月 Journal of Shenyang Institute of Engineering(Natural Science) Ju1.20ll 基于无源滤波的中频炉谐波治理的研究 汪光华 (福建警官职业学院公共管理系,福州350014) 摘要:在谐波治理中,加装无源滤波器能够降低谐波含量,提高电能质量.但滤波器组投入运行时的谐振支路会吸引 可能存在的外界负荷的谐波电流成分,使治理用户的负荷电流包含外界谐波电流.这种情况不仅会造成对用户治理无效 的误判,也可能使滤波器组过载而损坏.仿真分析了中频炉存在外界谐波污染源干扰时的运行工况,并且应用谐波源定 位方法评估外界谐波源的注入,为谐波治理方案的制定提供了依据. 关键词:中频炉;无源滤波器;谐波治理 中图分类号:TF083.2 文献标识码:A 文章编号:1673—1603(2011)03—0239—05 中频炉是一种将工频50 Hz交流电转变为500~ 的,这里以三相12脉动整流电路为例来分析其谐波含 10 000 Hz中频的电源装置.它将三相工频交流电整流 量.由图1可见,利用傅里叶分析方法,可以得到A相 后变成直流电,再把直流电变为可调节的中频电流,供 中的电流 J,如式(1)所示. 给电容和感应线圈构成的变频器,在感应线圈中产生 . . 1 : 高密度的磁力线,并切割感应圈里盛放的金属材料,通 (sintot+ sinlltof+吉sin13tof+ 过在金属材料中产生很大的涡流,从而使金属中自由电 1 1 石Jt s1.Il23∞f+ sin25∞f+…) (1) 子在金属体里产生高热量,这个热量受频率大小和电流 和强弱.中频炉实质是一种感应加热技术,国内早 由此可见,对于12脉动的中频炉来说,它可产生 在20世纪80年代初期就开始使用中频加热技术了. 大量的11次、13次、23次、25次等谐波,可归纳为 中频炉的核心设备为变频装置,其工作时产生的 (12k±1)次谐波,其中k为正整数.根据这样的模式, 谐波会使机械产生功率损耗和发热,增加变压器和电 利用4组变压器,使相位相差 12,可以组成24脉动 网的损耗,使电能计量仪表产生误差,对继电保护、自 整流器,特征谐波为(24k±1).可见,增大整流电路的 动控制装置等产生干扰,严重时会引起误动作.谐波还 脉动数可以减少谐波含量 。 . 可能在无功补偿电容器回路被放大,从而导致电容器 对于中频炉谐波的滤除,可以采用加装有源滤波 过负荷甚至损坏,还可对相邻的通讯线路产生干扰等. 器和无源滤波器2种方法 .有源滤波器的滤波效果 为了能有效地补偿这些问题带来的缺陷,提出了相应 较好,但是成本较高 J.无源滤波器受到了本身的限 的谐波治理方法并进行了相应的应用. 制,一旦定好参数成型,就难以改变,且容易发生谐振, 1 中频炉的谐波治理 出现谐波放大的现象.但由于其经济上的优势,在很多 场合里,无源滤波器的使用范围仍然相当广泛 . 中频炉利用炉中设置的变频装置,将输入的工频 交流电输出为中频交流电¨ J.三相工频交流电通过 2中频炉的仿真模型 桥式整流装置后转变为直流电,再将该直流电流通过 中频炉的仿真模型包括中频炉的整流电路、逆变 1个逆变装置转换为中频交流电(500~10 000 Hz), 电路、控制电路及滤波等模块,如图1所示.假设实际 即完成AC—DC—AC过程 J.这样频率的电流在炉 工程中有3台中频炉(IF 、IF:、IF,),每个中频炉模型 中会产生很大的涡流,从而将炉料加热升温. 封装在图1中的子系统中,整个系统的仿真模型如图 中频电源注入电网的谐波主要是由整流装置产生 2所示.中频电源为电流型谐波源,所以抑制中频电源 收稿日期:2011—01—04 作者简介:汪光华(1973一),男,湖南岳阳人,讲师 ・240・ 沈阳工程学院学报(自然科学版) 第7卷 产生的谐波应首先从抑制谐波电流人手.在图2的仿 真模型中,断路器Brk 用于控制滤除11、13次谐波电 ・ 二二 o 2—!I L j一  流的单调谐滤波器,以及控制滤除23、25次谐波电流 的高通滤波器.断路器Brk2用于控制11次、13次及 23次的谐波源的注入,其中谐波电流源幅值的大小均 为20 A. 圃ii 留 图2中频炉系统模型 日] 留 2.1 中频炉的谐波分析和治理 在断路器Brk,、Brk 都处于断开状态时,系统中 _n_ 团 十蝈 仅存在中频炉谐波源,既没有装设无源滤波器,又没有 投入相邻谐波电流源.使用MATLAB中的仿真工具 POWERGUI的PTT Analysis来进行FFT分析,分解出 图1中频炉子系统模型 12脉中频炉产生的谐波. a加装无源滤波器前电压电流波形 ×10‘FFTwindow.1 0f25 cycles ofselected signal 4 200 2 O 0 一2 -200 -4 O.450 0.454 O.458 0.462 0.466 0.470 O.450 0.454 0.458 0.462 0 466 0.470 t/s t/s Fundamental(50Hz)=4.784e+004,THD=2.73% 言1.4 言 8 1.2 岂 1.5 量1.名 g O.08  g 1.0 宅0.6 0.4 0.2 =0 ._-.I.●一 …lI-.II..II._.I O 0.5 .-.-._-一 l…20  .30 .40 ...50 一一.60  Harmanic order Harmanic order b FFT分析的电压电流波形柱状 图3加装无源滤波器前的电压电流波形及FF1’分析的电压电流柱状 第3期 汪光华:基于无源滤波的中频炉谐波治理的研究 由图3a可知,在谐波治理前,电压电流波形出现 严重畸变.通过对谐波电压、电流中的波形进行Fb'T 分析,分析得到柱状图如图3b所示.可以看到电网的 行谐波治理,无源滤波器由2个单调谐滤波器和2个 高通滤波器组成.单调谐滤波器设置为三角形连接,品 质因数Q设置为30;高通滤波器均设置为星形接地, 品质因数Q设置为1.4. 由图4a可知,经过谐波治理后,电压和电流均为正 电压、电流波形畸变率分别为THD =2.73%、THD = 2.27%.谐波含量较高的是11次、13次、23次、25次、 35次、37次等,均为(12k±1)次谐波. 闭合断路器Brk ,在母线处投入无源滤波器,进 弦波,不出现畸变.取出1个周期的电压电流波形,对其 进行FFT分析,可以得到如图4b所示的柱状分析图. 5  一一 一 a电压电流波形 一 枷姗枷㈣。 姗姗 一 菪0.4 _ 雪 a 目 0.3 - 1.5 { ● 0.2 o.1 =0 _ .I。 _I.-l^…一..…一 0 10 20 30 40 Harmanic order 50 60 差1.0 0‘ 苫 O b FF’I’分析的电挂电流渡彤柱状 图4加装无源滤波器的电压电流波形及FFT分析的电压电流波形柱状 由柱状图可见,加装无源滤波器组后,电压的畸变 率THD 下降到了0.25%,电流的畸变率THD 由原 来的2.27%下降到0.53%. 2.2外界谐波污染源的影响 11次、13次、23次谐波的电流值都大大地提高了,远 远超出了国家标准中规定的5.6 A、4.7 A和2.7 A, 电能质量再次严重下降. 2.2.2外界谐波源对无源滤波器的影响 2.2.1 外界相邻谐波污染源对测量点波形的影响 闭合图2中断路器Brk ,注入11次、13次及23 仿真模型图2中,在23次无源滤波器支路加入1 个电流测量模块,实验中发现,在只有中频炉谐波源 次的相邻谐波电流源(如图5所示).模拟同时存在中 频炉谐波源和外界相邻谐波源的情况. 对电网的电压和电流分别进行FPT分析,可以得 时,注入23次无源滤波器的电流有效值为24 A,当同 时存在相邻谐波源用户时,流人无源滤波器的电流有 效值上升为25.88 A.这说明,本不应该由23次无源 到图6所示的柱状图. 滤波器滤除的谐波也注入了其中,可能使用户的进线 由图6可以看到,当电网中同时存在相邻谐波源 时,虽然装设了滤波器,但是谐波电流的畸变严重,公 共连接点上重新出现了11次、13次及23次谐波电流 源,畸变率达到11.25%,但对电压畸变影响不大. 表1所示为存在相邻谐波污染源后的电流分析, B处检测的谐波电流超标,中频炉用户的治理效果被 误判为未达到国标要求.在实际的工程中,由于无源滤 波器都是根据现场具体情况进行设计的,一经确定安 装后,各方面的参数不易改变,如果只依据治理用户产 生的谐波电流来进行参数设计,而没有考虑到其他谐 ・242・ 沈阳工程学院学报(自然科学版) 工作性能下降,甚至损坏无源滤波器. 第7卷 波源用户的影响,很可能导致投入运行的无源滤波器 中的电流超过原来设计的额定电流,使无源滤波器的 400 200 0 -200  —源存在后的电压电流波形 :。: : 言 们 ・  .。 . 蔷0・8 昌 藿0・6 重0_4 0 o.2 。∞ 0 ..._I-I.Jl…~ Harmanie order Harmanie order 图6加注相邻谐波污染源后电压电流的FFT柱状 表1存在相邻谐波污染源的谐波电流分析 此,如果能够把负荷谐波电流分解成外界谐波源与负 荷谐波源单独作用时产生的分量和,那么也就能够明 确用户在滤波器投人后是否还向系统注入谐波干扰. 4 总 结 3治理效果评估 3.1基于功率流向法的注入评估 中频炉由于其整流电路产生了大量谐波,应综合 考虑中频炉本身和外界相邻谐波源的治理来滤除谐 波,消除对电网的影响. 1)中频炉谐波的滤除,可以采用加装有源滤波器 和无源滤波器2种方法,以保证电能质量.无源滤波器 根据功率流向法的观点,谐波干扰负荷应该向系 统注入正的谐波功率.因而存在这样一种可能,即在治 理设备投运以后,通过检测用户支路上的谐波功率流 向来判断谐波污染的来源,进而明确是用户滤波器组 没起到滤波效果,还是外来的谐波注入导致负荷电流 的谐波含量增加. 因其经济上的优势,应用于许多场合。 2)当电网中有外界相邻谐波污染时,有可能被认 定为无源滤波器没有滤除干净,进而影响谐波治理效 果的评估. 3)相邻的谐波源可能对无源滤波器注入原本设 在用户支路上装设谐波检测装置,测量治理设备 投运后的有功功率的流向.当公共点的谐波功率为正 计中没有考虑到的谐波电流,导致无源滤波器的性能 下降,甚至损毁无源滤波器.为了正确衡量治理设备的 时,负荷侧为主要谐波源,意味着用户的滤波器组没起 到滤波效果;当公共点的谐波功率为负时,系统侧为主 要谐波源,意味着外来的谐波注入导致负荷电流的谐 波含量增加. 3.2基于叠加原理法的注入评估 滤波效果,不能仅仅依据用户负荷电流和供电电压的 谐波含量来评判,而应该考虑到外界谐波源的影响. 4)在进行谐波治理方案的设计时,应考虑外界相 邻谐波源的注入水平,进行协同设计. 参考文献 [1]张玉成,杜明哲.中频电炉谐波分析与抑制[J].华中电力, 2006.19(1):30—32. 叠加原理法通过比较系统中每一个谐波源单独存 在时在PCC点处的谐波电流大小来判定谐波责任.因 第3期 汪光华:基于无源滤波的中频炉谐波治理的研究 ・243・ [2]愈勇祥,陈辉明.感应加热电源的发展[J].金属热处理, 2000(8):28—29. [6]Toshihiko Tanaka,Naotsugu Koshio,Hirofumi Akagi,et a1. Reducing Supply Current Harmonics[J].IEEE Industry Ap— plication,1998:31—37. [3]夏思淝,陈驰,郝滨海,等.新型中频感应加热电源的设 计与实现[J].电工技术杂志,2002(8):23—25. [4]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版 社。2001:54—70. [7]孙鹏涛.中频电源的仿真与分析[D].郑州:郑州大学, 2007. [5]A David Graham.Analysis of interphase currents in 12 pulse rectifiers using switching functions[J].Power Electronics Machines and Drives,2006,3(4—6):430—434. [8]李战鹰,仁震,样泽明.有源滤波装置及其应用研究综述 [J].电网技术,2004,28(22):40—43. [9]王庆平,陈超英,王金星,等.无源滤波器设计的优化方法 及其仿真研究[J].电网技术,2001(10). Study on the harmonic treatment of intermediate frequency furnace based on passive filters WANG Gang・hua (Department of Public Administration,Fujian Police Officer Vocational College,Fuzhou 350014,China) Abstract:In the harmonic treatment,the installation of passive filters can reduce the harmonic content and improve power quality.The operating resonance circuit of filters can not distinguish whether the harmonic current is from user or external load and attracting all of them,probably causing misjudgment of invalid treatment and damage of iflters.By simulation and analysis of the running condition of the intermediate frequency furnace in case of outside harmonic pol- lution sources,hen usting the harmonic source orientation method to evaluate the injection of external harmonic source for the harmonic treatment programs provide a basis for the development. Key words:intermediate frequency furnace;passive filter;harmonic treatment (责任编辑(上接第220页) [19]高全,张军营,丘纪华,等.燃煤电站锅炉高温腐蚀特征 刘珂) [21]翟金坤.金属高温腐蚀[M].北京:北京航空航天大学出 版社,1994:125—137. 的研究[J].热能动力工程,2007,22(3):292—296. [20]韩奎华,路春美,李官鹏,等.大型锅炉水冷壁防腐现状与 防腐措施探讨[J].电站系统工程,2004,20(2):37—39. [22]李美栓.金属的高温腐蚀[M].北京:冶金工业出版社, 2001:30—40. Study on high temperature corrosion mechanism and property 0f Ni-Cr coatings on boiler heating surface LIN Mao-jun (Dalian Haixing Thermal Power Engineering Co.,Ltd.,Dalian 116021,China) Abstract:According to the high temperature corrosion influence on the boiler heating surface in power plantusing arc ,spraying process,the high temperature corrosion mechanism and property of Q235 steel with arc sprayed PS45,FeCrA1 and 4Cr13 alloy coating are studied.In condiiton of 77 h corrosion at 700℃and 3~4 mg/cm Na2SO4+K2SO4 salt ilm amount,tfhe results of kinetic thermal corrosion test and analysis show that the velocity of thermal corrosion of PS45,FeCrA1 and 4Cr13 alloy coatings is v=0.38t—o・ 1,=1.35t一0・ and v=179t一。2 respectivelyThe composi. ...tion and structure of coatings are analyzed,the results show that PS45 alloy coatings is better than FeCrAl and 4Cr1 3 in high temperature corrosion(Na2 SO4+K2 SO4)on Q235 steel surface,that’s because the content of Cr in PS45 alloy is the most and the Cr2O3 film on coatings is of fairly good continuity,compactness and stabilityKey words:boiler;high temperature corrosion;Ni—Cr coating;arc spraying . (责任编辑洪广欢) 

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