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有源滤波器在中频电炉中的节能分析

2021-03-15

中频电炉通过整流电路将电网的基频变成直流,然后通过逆变电路将直流逆变成所需频率电流。对于传统的六脉整流电炉主要产生6k±1次谐波,即主要有5、7、11、13等次谐波。中频电炉产生的谐波电流对电网有多方面的危害:六脉整流中频电炉主要产生5、7、11、13次谐波,若电网中存在谐振点与此相同的电感、电容时就会发生谐振,从而导致器件损坏;由于谐波也占据能量,所以导致原本网侧输出的基波能量降低,原本输送基波的母线会因输送的电流频率升高引起集肤效应,导致线体发热,甚至引发安全事故;与母线相连的变压器、电机等也会由于谐波导致的铁耗、铜耗的增加,甚至会引起中性点位移,影响正常运行[1];谐波对各种电能测量器件、仪表、通信设备等也会产生较大的干扰,导致测量结果、接收信号产生较大误差。实际中,在没有谐波治理装置下中频电炉对电网造成的谐波畸变率高达28%,严重超出了国家标准[2],因此对中频电炉进行谐波抑制的研究和设计是保证网侧电能质量的重要任务。1中频电炉谐波抑制的研究现状针对中频电炉谐波的产生,传统的谐波抑制装置是装设LC调谐滤波器。根据LC的串并联谐振原理,对固定频率的谐波进行消除。一般情况下,单调谐滤波器只能用于滤除某个固定次谐波,若要滤除多次谐波,则需相应地用几个单调谐滤波器并联。同时,LC调谐滤波器存在易于系统发生谐振、工作地点固定、体积大等缺点,难以满足目前谐波治理的要求。因此,为解决传统婺源滤波器的局限性,提出了有源电力滤波技术。图1为针对六脉整流中频电炉谐波治理的LC调谐滤波器原理图。图1 LC调谐滤波原理图2有源电力滤波器有源电力滤波器是一种用于动态谐波抑制、在合适的控制方式产生幅值、相位和频率均可变的补偿电流新型电力电子装置。有源电力滤波器能够实现动态补偿,速度快、可控制,其介入不受系统阻抗的影响,可抑制串并联谐振,这正克服了LC调谐滤波器只能对固定次谐波补偿、滤波特性受系统参数影响的缺点,基于以上优点,有源电力滤波器在电力系统中被广泛使用。2.1有源电力滤波器的种类有源电力滤波器的主电路通常采用单个PWM逆变器结构,按其直流侧储能元件不同进行分类:储能元件选择电容的是电压型有源电力滤波器,如图2所示,储能元件选择电感的是电流型有源电力滤波器[5]。电压型APF由于具有内阻损耗小、效率高、初期投资少、可任意并联扩容、易于单机小型化等优点,更适用于谐波补偿装置。图2电压型有源电力滤波器主电路的原理图根据拓扑结构的不同,可分为并联型、串联型以及串、并联混合型。并联型有源滤波器的PWM变流器并联在电网上,相当于受控电流源,产生与负载谐波电流大小相同但方向相反的补偿电流。串联型有源滤波于受控电压源。通过控制补偿电压改变负载端的电压,两者相结合的是混合型有源电力滤波器[5]。并联型有源滤波器的电源基波电压全部加在变流器上,因而装置容量较大,且能连续调节无功功率,并在补偿谐波的同时动态补偿无功功率,目前较为常用。2.2有源电力滤波器工作原理有源滤波器主要由两大部分组成:指令电流运算电路和补偿电流的产生电路。其中补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电路,驱动电路和逆变主电路。指令电流运算电路用于检测出出网侧的谐波电流,然后通过A/D转换器将所要补偿的电流分量转换成数字信号;电流跟踪控制电路、驱动电路和逆变电路组合成了补偿电流产生电路,接收指令并按照指令逆变出相应的电流[6]。图3为用于中频电炉谐波抑制的有源电力滤波器系统框图。

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