金屬電纜加工中的諧波及其控制

金屬電纜加工中的諧波及其治理徐傳虎(廣三510051，廣三南浦電器有限公司)陳(廣三510051，南浦電力濾波工程技術(shù)中心)摘要：介紹了金屬電纜加工工藝中使用的及變頻驅動(dòng)設備產(chǎn)生的諧波，及其對用戶(hù)的危害，以及治理措施。關(guān)鍵詞：金屬線(xiàn)纜加工；DC和變頻驅動(dòng)；諧波與治理電力諧波與濾波技術(shù)與制造技術(shù)前言金屬電纜加工業(yè)在家的建設和發(fā)展中起著(zhù)非常重要的作用。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，大量的數控整流和變頻設備在這個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應用。新設備的推廣大大提高了金屬電纜加工產(chǎn)品的品種、產(chǎn)量和質(zhì)量；但是，大量的整流和變頻設備對用戶(hù)電網(wǎng)的電能質(zhì)量也有嚴重的干擾，如諧波分量高、功率因數低、供電設備發(fā)熱損耗大、容性無(wú)功補償設備故障率高等。嚴重影響用戶(hù)供電設備的安全經(jīng)濟運行，使生產(chǎn)成本增加，質(zhì)量下降，影響行業(yè)的正常發(fā)展。因此，研究絞線(xiàn)拉絲生產(chǎn)過(guò)程中使用的DC及變頻驅動(dòng)設備產(chǎn)生的諧波及其有效處理措施，是提高金屬電纜加工行業(yè)生產(chǎn)效率的新途徑。1.DC和DC生產(chǎn)的諧波扭絞、拉絲等金屬電纜加工技術(shù)中使用的變頻驅動(dòng)設備和變頻設備的核心是采用現代大功率電力電子整流和換向控制技術(shù)。為了降低設備成本和運行維護費用，DC和變頻驅動(dòng)設備的功率元件均為六脈沖(六相)整流器。典型的六脈沖整流器電路如圖1所示。理論上它的頻譜包含諧波次數n，n=6m ^ 1(m為整數，m1)，每個(gè)諧波電流的幅值in=i1/n (n=5，7，11，13，…)。因此，典型的六脈沖整流器電路通常包含5、7、11、13等的諧波電流。圖2是五次諧波分量(250赫茲)疊加在基波(50赫茲)上的示例。圖1。典型六脈沖整流電路示意圖圖2。失真波形=基波以下是拉絲機的測量結果。

注：總等效諧波電流itdd= in (n=5，7，11，13)；圖3。拉絲機交流電源側測量電流波形的頻譜圖。根據實(shí)測數據，被測整流變流設備產(chǎn)生的主諧波電流為I5=19.7I1；I7=13.3I1I5=8.3I1I5=6.4I1總諧波電流itdd > 25。在標準的6脈沖換流模型中，非特征次諧波的幅值應為零；但由于實(shí)際電路中還有其他負載，實(shí)際6脈沖整流和換相設置受元件參數、不對稱(chēng)觸發(fā)脈沖和電路阻尼的影響，非特征次諧波仍會(huì )出現，但一般情況下幅值較小。同時(shí)從表1可以看出，被測拉絲機的自然功率因數僅為0.5。2.諧波主要影響鋼絞線(xiàn)生產(chǎn)企業(yè)中的扭拉工藝，該工藝使用大量的整流器和變頻設備，在工作過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生特征頻率為5、7、11、13倍的諧波電流分量。諧波成分正常時(shí)，會(huì )達到總電流的25%左右；電網(wǎng)中有諧振放大時(shí)，其比例會(huì )更高。這些諧波電流在電網(wǎng)中流動(dòng)產(chǎn)生諧波電壓，會(huì )產(chǎn)生諧波功率，增加損耗，降低設備利用率，同時(shí)過(guò)高的諧波分量會(huì )干擾設備和生產(chǎn)線(xiàn)的正常運行。嚴重時(shí)共振放大會(huì )引起電壓波動(dòng)，干擾設備和生產(chǎn)線(xiàn)的穩定運行，影響產(chǎn)品質(zhì)量；甚至過(guò)電壓、過(guò)電流造成設備擊穿或燒毀，造成生產(chǎn)事故，增加生產(chǎn)成本。3.抑制諧波的主要方法電力系統中減少諧波干擾的主要方法包括：3.1設備改造：如增加整流器和換流器裝置的相數；3.2供電方式轉換：比如改變電網(wǎng)電壓等級；使用諧波源的互補組合。3.3濾波設備安裝：無(wú)源或有源諧波抑制裝置。根據負載諧波特性和工藝技術(shù)閾值，一般可以考慮3.1 ~ 3.3三種諧波抑制方法。過(guò)濾設備的安裝可分為：1)過(guò)濾吸收方式。其原理是利用濾波器對流經(jīng)某一系統一定時(shí)間的諧波分量形成低阻抗，吸收這些諧波分量，以降低其對系統的影響。該方法是一種常用的濾波方法，適用于含有諧波成分的系統。設備成本低，結構簡(jiǎn)單可靠，實(shí)用性強，操作方便?？筛鶕撦d變化自動(dòng)切換，運行損耗小。必要時(shí)也可根據實(shí)際考慮作為無(wú)功補償。該方法能有效吸收諧波電壓和電流，其濾波效率可根據工程需要靈活設計。這種方法容易對調諧頻率的諧波分量產(chǎn)生諧振放大(特別是安裝補償電容時(shí))，因此在工程設計和調試中需要特殊的經(jīng)驗和技術(shù)。2)有源濾波法是一種新型的電力電子濾波裝置，其原理是利用有源濾波器產(chǎn)生一個(gè)逆分量來(lái)抵消系統中存在的諧波分量。該方法適用于有諧波成分的系統，濾波效率高，適用性強，具有無(wú)功補償功能，無(wú)諧振放大問(wèn)題，運行損耗低，但設備成本高，結構復雜，運行維護技術(shù)要求高。4.工程實(shí)例根據絞線(xiàn)拉絲工藝設備的特點(diǎn)，設計并采用無(wú)源濾波吸收方式，具體目標如下：l降低電力諧波：消除諧波損耗和諧波干擾，提高電能質(zhì)量；l提高功率因數：增加配電設備供電能力，提高設備利用率。l降低功率損耗：節能降耗，減少干式變壓器、電容器組、開(kāi)關(guān)、電纜等設備發(fā)熱，延長(cháng)設備使用壽命，降低生產(chǎn)成本。保護生產(chǎn)設備：解決普通電容器組存在的問(wèn)題 #p#分頁(yè)標題#e#

除低次諧波分量的單調諧支路，及濾除高頻諧波分量的帶通支路。設計采用由電容器和電抗器組合成各調諧支路，其中電容器分成數組，投切方式為自動(dòng)監測控制接觸器投切電容器組。濾波器組中的電容器、電抗器再加上電阻器適當組合成各種單調、高通諧波濾波器支路，對5次、7次、11次和13次及以上諧波分量吸收過(guò)濾。某拉絲工藝生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)生的諧波及其工程治理效果如下：注：總等值諧波電流ITDD＝√∑In(n=5,7,11，13)；圖5.濾波/補償裝置投入前后電流波形比較圖根據對濾波/補償裝置投入前、后的現場(chǎng)測試數據，對案例工程濾波/補償投運后的效果總結如下：4.1、使電壓、電流波形得到極大改善根據標《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549-93要求。0.4kV級電網(wǎng)的電壓波形總畸變率THDu≤5。由于諧波電壓是由諧波電流流經(jīng)系統等值阻抗產(chǎn)生的，要限制諧波電壓，就必須控制電力用戶(hù)各諧波源注入電網(wǎng)的各次諧波電流，即應采取有效措施抑制流經(jīng)系統的諧波電流。實(shí)際上，濾波/補償裝置投入前，某拉絲所在供電網(wǎng)絡(luò )的電壓總畸變率THDu為4.82，接近標限值；濾波/補償裝置投入后對應供電網(wǎng)絡(luò )的總畸變率THDu為2.23。說(shuō)明由于濾波/補償裝置對諧波電流的有效吸收，使電壓波形總畸變率得到良好控制，極大改善了電壓、電流波形。電壓、電流諧波成份的大幅下降，使電氣設備機械震動(dòng)大為減小，電纜及導線(xiàn)集膚效應、干式變壓器鐵芯磁感應環(huán)流減少，大大降低電氣設備發(fā)熱損耗；延緩絕緣老化，增加設備壽命。此外，諧波分量降低會(huì )直接提高供用電設備利用效率，減少對自動(dòng)控制和保護裝置的干擾和影響，避免誤觸發(fā)或測量誤差等，保證生產(chǎn)秩序和提高產(chǎn)品質(zhì)量。4.2、改善負荷功率因數，提高供用電設備利用率濾波/補償裝置投入前，拉絲負荷功率因數為0.5，屬?lài)乐仄?。濾波/補償裝置投入后，在抑制電壓、電流諧波成份的同時(shí)，實(shí)現了對供用電設備無(wú)功需求的有效補償，使負荷功率因數得到顯著(zhù)提高，實(shí)測值為0.96。負荷功率因數的大幅提高，大大增加了供用電設備利用率。使電氣設備發(fā)熱損耗大大降低，絕緣老化延緩，設備壽命增加。4.3、有效抑制普通電容器組與供用電系統之間對諧波的諧振放大。由于使用了濾波/補償裝置，一方面大幅降低諧波分量，同時(shí)對基波實(shí)現無(wú)功補償；另一方面使用偏調諧方式使濾波/補償回路對系統內存在的各次諧波都呈現感性，從而避免出現對諧波分量產(chǎn)生諧振放大作用，保證了供用電設備安全和生產(chǎn)的穩定運行。5、結語(yǔ)上述工程案例說(shuō)明，應用濾波/補償裝置有效的改良了絞線(xiàn)、拉絲工藝中主要設備的用電情況，減少了諧波影響，提高了功率因數。該工程實(shí)施近一年的結果顯示：濾波/補償裝置顯著(zhù)改善了企業(yè)用電的各項電能指標，降低了生產(chǎn)成本、提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，增強了企業(yè)競爭力。作者簡(jiǎn)介：#p#分頁(yè)標題#e#

1、徐槐1962生，工學(xué)碩士，高級工程師，長(cháng)期從事供用電工程技術(shù)應用及研究工作。2、陳小駿1963生，工學(xué)學(xué)士，工程師，長(cháng)期從事供用電工程技術(shù)應用及研究工作。

來(lái)源：中電力諧波監測及濾波工程技術(shù)網(wǎng)