中频炉谐波补偿与改进方法

８０　｜　电气时代·２００９年第９期

供配用电

产品与技术

PRODUCT & TECHNOLOGY

近年来，随着工业化进程的不断加快，电力电子器件等非线性电子产品广泛地应用于工业控制领域，但由此带来电力系统的谐波污染日益严重。中频感应加热设备（中频炉）是一种快速稳定的金属加热装置，它靠变频装置把三相工频交流电转变为单相中频交流电。整流变频装置是中频炉的核心设备，但是其产生的谐波会给电网的用电设备造成很大的危害。可使电动机产生附加功率损耗和发热，对继电保护、自动控制装置等产生干扰，严重时会引起误动作，谐波还有可能在无功补偿电容器回路被放大，从而导致电容器过负荷甚至损坏。因此　，大功率中频炉的谐波问题不可忽视。目前，相关文献对中频炉谐波的分析仅限于谐波实测分析或测试，理论分析还不够深入。鉴于这种情况，本文将利用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ分析方法并结合谐波电流的特点以及在工业中的实际运行试验，给出了中频炉谐波的补偿办法。

中频炉工作原理

图１为中频炉的一般接线图，中频电源首先将电网提供的５０　Ｈｚ交流电流经桥式整流电路输出为直流，经滤波后，由晶闸管整流逆变器产生中频（５００～１０　０００　Ｈｚ）电流，送到中频炉体线圈上，炉体（线圈）

中间产生中频交变磁场，从而使炉体内的金属产生涡流，涡流再使金属产生大量的热能使得金属熔化，这样的加热方式比工频加热效率要高３０％以上。

谐波补偿系统的分析与设计

１．　谐波分析

中频炉注入电网的谐波主要是由于中频电源的整流装置产生的，工业应用中常见的中频电源整流部分为三相桥式整流电路。由以下分析知，三相桥式整流电路产生的谐波次数为６ｋ±１（ｋ为正整数）次。为了减少谐波次数，本文中的整流部分采用了由两个三相桥式电路构成１２相整流电路。假设交流侧电抗为零，而直流电感Ｌｄ视为无穷大。

桥Ⅰ的阀侧线电流与其感应的网侧线电流相同，即ｉＩＡ＝ｉＩａ，且电流中仅含６ｋ±１（ｋ为正整数）次谐波，各次谐波的有效值和谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。同理，桥Ⅱ阀侧线电压比桥Ⅰ超前３０°，因而其阀侧线电流比桥Ⅰ超前３０°。

两个整流桥产生的５、７、１１、１９、…次谐波相互抵消，注入电网的只有１２ｋ±１（ｋ为正整数）次谐波，且有效值与谐波次数成反比，而与基波有效值的比值为谐波次数的倒数，波形与频谱如图２所示。

２．　谐波治理方法与措施

中频炉谐波的补偿可以通过安装滤波器来治理。根据滤波器结构和原理，可将其分为有源滤波和无源滤波两种方式。有源滤波器（ＡＰＦ）本身也是一种电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，然后产生一个与谐波电流大小相

中频炉谐波补偿与改进方法

文／沈阳工业大学 梁中华 卢宝宏 刘春芳 于平泳

采用ＬＣ双调谐滤波器与高通滤波器相结合的方法对谐波进行了补偿。经过补偿后，该中频炉的整流装置向电网注入的谐波含量满足了电能质量公用电网谐波国标ＧＢ／Ｔ１４５４９－１９９３的要求。

「电能质量」

图１ 中频炉接线电气图

变电站

架空线路

中频电源

整流变压器

民用变压器

电能计量表ｋＷ·ｈ用户

中

频炉

２００９年第９期·电气时代　｜　８１

ｗｗｗ．ｅａｇｅ．ｃｏｍ．ｃｎ

供配用电

产品与技术

PRODUCT & TECHNOLOGY

等而极性相反的补偿电流与电网提供的电流叠加，从而使注入电网的总的电流只含基波分量。无源滤波器（　ＰＰＦ）是由电容器、电抗器和电阻通过串并联结合组成的一种补偿装置，其基本原理是通过电容电抗谐振时的低阻抗特性来吸收谐波，从而达到滤波的目的。有源滤波器的滤波效果要优于无源滤波器，适用于谐波成分复杂，谐波量变化较大的环境使用，但其结构复杂，价格昂贵，维护成本也比较高。无源滤波器具有投资少，结构简单的特点，同时还兼有无功补偿的作用。但滤波效果受系统和负荷变化的影响较大，可能在一些情况下还会引起谐波电流放大。由于中频炉谐波电流产生的特点，本文采用了无源滤波器对其整流装置的谐波进行补偿，如图３所示，补偿后的波形与频谱如图４所示。

试验结果

文中所述的谐波补偿方法在某钢厂第一铸造车间ＧＷ－１．５－１／７５０中频炉上进行了试验研究。该车间采用三相三线供电系统，负载为额定功率７５０ｋＷ，额定频率５００～１　０００　Ｈｚ，额定容量１．５　ｔ的中频炉，谐波监测仪使用Ｆｌｕｋｅ　４３４。系统的电气接线

表 网侧Ａ相电流补偿前后的实测数据

谐波

补偿前　／Ａ补偿后／Ａ允许值备注次数（９５％概率）（９５％概率）３３３．０７３１．４４４０．７６满足５２６．２８２７．３１３１．４６接近７１９．４２２０．１０２２．３３接近１１

６５．９８９．８２１４．０９超标１３

４３．４５

３．４５

１２．６２

超标

图如图１所示。

图５给出了第一铸造车间网侧Ａ相电流谐波补偿前后的实测波形，补偿前Ａ相电流总畸变率ＴＨＤ＝１４．６７％，补偿后ＴＨＤ＝１．２０％。

下表给出了部分实测数据，表中数据很清楚地表

明，采用该补偿方法能够很好抑制网侧电流的谐波。

该新型拓扑结构在不改变功率的同时，降低了设备谐波补偿的经济开销，简化了谐波补偿设备设计的过程，提高了生产效率，对工业中频炉谐波治理的推广有着广泛的意义。EA

（收稿日期：２００９．０３．１２）

图３ 网侧谐波补偿电路

中频电源

整流变压器

图５ 网侧Ａ相电流补偿前后的实测波形（５　ｍｓ／格）

补偿前 ＴＨＤ＝１４．６７％

补偿后 ＴＨＤ＝１．２０％

图２ 网侧Ａ相电流波形（补偿前）

中频电源交流侧Ａ相电流

Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ（５０　Ｈｚ） ＴＨＤ＝１１．１９％

Ｍａｇ（％　ｏｆ　Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ）

Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｏｒｄｅｒ

u

图４ 网侧Ａ相电流波形（补偿后）

中频电源交流侧Ａ相电流

ｔ／ｓ

Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｏｒｄｅｒ

８０６０２５１５５

Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ（５０　Ｈｚ） ＴＨＤ＝０．３９％

Ｍａｇ（％　ｏｆ　Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ）

u