橡膠輪胎行業(yè)密煉機(jī)車間無功補(bǔ)償與諧波治理方案

孫國歧 咸日常 劉炳勇

（山東德佑電氣有限公司，山東 淄博 255000）

1 橡膠輪胎行業(yè)的荷分析

1.1 橡膠輪胎行業(yè)的負(fù)荷

橡膠輪胎制造行業(yè)的主要負(fù)載包括密煉機(jī)、擠出機(jī)、復(fù)合機(jī)、壓延機(jī)、成型機(jī)等設(shè)備，其設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方式主要以直流電機(jī)和變頻調(diào)速為主。負(fù)荷中密煉機(jī)的用電量占全廠用電量的的30%左右，而且存在大量的諧波和無功問題，設(shè)備工作時(shí)功率因數(shù)為0.5～0.6，由于負(fù)荷電流快速頻繁波動(dòng)、電流諧波含量高達(dá)50%～70%，無法用常規(guī)無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行無功補(bǔ)償。設(shè)備工作時(shí)對(duì)供配電系統(tǒng)產(chǎn)生大幅度的電流沖擊和無功功率沖擊，不利于供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并導(dǎo)致電壓大幅波動(dòng)，電壓波形嚴(yán)重畸變，影響系統(tǒng)內(nèi)各種用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與可靠性。

1.2 密煉機(jī)的負(fù)荷特性

密煉機(jī)采用相控調(diào)速直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，具有啟動(dòng)力矩大，調(diào)節(jié)快速等特點(diǎn)，同時(shí)由于密煉機(jī)自身和直流電機(jī)自身的特點(diǎn)，密煉機(jī)對(duì)電網(wǎng)造成的影響包括：諧波含量高、功率因數(shù)低（大約為0.4～0.6），功率變化迅速，屬于沖擊性負(fù)荷。密煉機(jī)整流變壓器的短路阻抗相對(duì)較高（一般為6%～10%），整流變壓器較高的短路阻抗主要有以下作用：①增加系統(tǒng)阻抗，減少直流電機(jī)產(chǎn)生的諧波向高壓側(cè)排放；②由于較高的系統(tǒng)阻抗，相當(dāng)于在密煉機(jī)的輸入端串聯(lián)了一個(gè)較大的電抗器，可以抑制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流上升陡度和峰值電流，降低了回路電流的峰值因數(shù)。

2 治理方案

2.1 基本要求

針對(duì)密煉機(jī)的負(fù)荷特性，對(duì)配套無功補(bǔ)償設(shè)備必須滿足的基本要求：①能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤負(fù)荷無功功率的變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償；②能夠有效抑制負(fù)荷諧波電流對(duì)補(bǔ)償設(shè)備的影響，防止諧波放大與共振；③能夠部分濾除反饋到系統(tǒng)中的主要諧波電流，顯著降低諧波危害和諧波無功功率，減少設(shè)備損耗和發(fā)熱危害。

2.2 方案選取

采用基于全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的智能擴(kuò)展式有源濾波器DY-APFK 和基于零電流投切的晶閘管投切動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置DY-TSC 組合治理方案，有源濾波器濾除諧波電流，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置快速跟蹤補(bǔ)償無功缺額。

2.3 德佑公司有源濾波器工作原理介紹

有源濾波器通過外部CT 實(shí)時(shí)采集電流信號(hào)送至信號(hào)調(diào)理電路，再送給FPGA 控制器，提取出所有的諧波或無功電流，將其反相后與逆變器實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流相比較得到差值信號(hào)，經(jīng)過調(diào)制后輸出到驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)IGBT 變換器將補(bǔ)電流注入到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)濾除諧波的功能，如圖1。

圖1 有源濾波器原理圖

基于全橋拓?fù)涞挠性措娏V波器使用三相全橋拓?fù)?，其直流母線電壓和開關(guān)器件的開關(guān)頻率都僅有三橋臂拓?fù)溆性礊V波器的1/2，這降低了開關(guān)器件的開關(guān)損耗，提高有源濾波器的輸出能力，而且開關(guān)器件和直流母線電容只需承受較低的電壓，使有源濾波器可靠性得到提高，可以輕松駕馭690 伏的應(yīng)用。另一方面，該有源濾波器輸出為三電平，所需要的電抗器也僅為三橋臂拓?fù)溆性礊V波器的1/2，輸出電流紋波更小。

圖2 有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.4 德佑公司動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置工作原理介紹

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置包括：刀熔開關(guān)、晶閘管開關(guān)、電抗器、電容器、控制器、柜體等部分組成。采用全智能控制，微機(jī)監(jiān)測，利用西門康大功率晶閘管反并聯(lián)投切開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多級(jí)電容器組的快速過零投切。電容器組投切準(zhǔn)確，無涌流沖擊、無過渡過程、無振蕩現(xiàn)象、無操作過電壓，通過電容器提供的容性無功來抵消系統(tǒng)中的感性無功，來達(dá)到提高系統(tǒng)功率因數(shù)的目的。

圖3 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償結(jié)構(gòu)圖

3 案例分析

3.1 工況介紹

山東某輪胎廠密煉車間配電系統(tǒng)由 1 臺(tái)10kV/0.4kV 主變供電，主變?nèi)萘繛?000kVA，主要負(fù)荷為變頻起動(dòng)設(shè)備、照明及大容量感性負(fù)荷（以電動(dòng)機(jī)為主）等非線性負(fù)荷，導(dǎo)致了該車間負(fù)荷電流存在嚴(yán)重的諧波，其中諧波電流以5 次、7 次為主， 400V 低壓母線的電壓總畸變率達(dá)到5%以上，電流總畸變率（THD）達(dá)到了15%左右，造成400V低壓供配電系統(tǒng)電壓總諧波畸變率嚴(yán)重超標(biāo)，并導(dǎo)致了用電設(shè)備和變壓器存在嚴(yán)重的諧波功率損耗。同時(shí)，該車間所有變壓器負(fù)荷電流都存在嚴(yán)重的無功功率需求，部分變壓器平均功率因數(shù)僅為0.6 左右，存在嚴(yán)重的功率損耗問題，并導(dǎo)致變壓器輸出有功容量嚴(yán)重不足。 由于存在大量的諧波電流和大量的無功功率需求，導(dǎo)致主變壓器發(fā)熱嚴(yán)重。

3.2 測試數(shù)據(jù)

1）相電壓的整周期測量數(shù)據(jù)

密煉機(jī)的電壓趨勢圖如圖4所示，從圖中可以看出密煉機(jī)的電壓波動(dòng)相當(dāng)頻繁，并有諧波電壓存在。

圖4 A 相電壓周期測量圖

2）相電流的整周期測量數(shù)據(jù)

密煉機(jī)的電流趨勢圖如圖5所示，從圖中可以看出密煉機(jī)的電流波動(dòng)相當(dāng)頻繁，電流在 300～1500A 之間變化，最大沖擊電流可達(dá)到2400A 左右。

圖5 A 相電流周期測量圖

3）諧波分析

密煉機(jī)的諧波電流頻譜如圖6所示，密煉機(jī)的主要特征諧波為5、7、11 次諧波，5 次諧波的絕對(duì)值高達(dá)260A，一般在160A 以內(nèi)。

圖6 A 相電流周期測量圖

4）閃變分析

密煉機(jī)的工作運(yùn)行時(shí)如圖7所示，造成了嚴(yán)重的閃變。

圖7 A 相閃變測量圖

5）功率需量

如圖8所示，負(fù)載因數(shù)69.7%，功率最大需量是489kW。

圖8 功率需量圖

6）報(bào)表統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1計(jì)算得，諧波電流畸變率為21.9%， 功率因數(shù)由0.6 提高到0.95 以上需要基波無功補(bǔ)償容量為500kvar，選取電容器額定為480V，安裝容量為800kvar。

3.3 有源濾波器技術(shù)方案

針對(duì)滿負(fù)荷時(shí)諧波電流有效值278A，選取型號(hào)為DY-APFK-0.4/3L-300A 的有源濾波器進(jìn)行濾除，技術(shù)性能：濾波容量300A；濾波范圍2～50 次，各次諧波補(bǔ)償均可分別設(shè)定；濾波能力97%；響應(yīng)速度，閉環(huán)≤20ms；過載能力120%；運(yùn)行噪聲≤60dB。

表1 統(tǒng)計(jì)報(bào)表

表2 有源濾波裝置配置表

3.4 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)方案

本裝置的無功需求容量為800kvar，選取型號(hào)為DY-TSC-0.48-400-7%的晶閘管投切動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，每臺(tái)的安裝容量為400kvar，基波補(bǔ)償容量為280kvar，8 個(gè)支路，每個(gè)支路50kvar，柜體尺寸1000*1000*2200，基于晶閘管投切動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的關(guān)鍵元器件主要包括電容器、電抗器、晶閘管等器件。

表3 無功補(bǔ)償裝置配置表

4 實(shí)施效果

4.1 綜合治理補(bǔ)償效果

裝置投運(yùn)后，取得了優(yōu)良的補(bǔ)償效果，功率因數(shù)得以明顯提高、諧波降低、配電變壓器的溫升顯著降低。

4.2 諧波濾除明顯

基于全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的智能擴(kuò)展式有源濾波器DY-APFK投入后，5次諧波電流從178A降到了36A,7次諧波電流從18.2A 降到了4.7A，5 次諧波濾除率達(dá)到80%，7 次諧波濾除率達(dá)到74%，總諧波畸變率由14.95%降到了4.12%，與預(yù)期效果吻合。

圖9

圖10

4.3 完美的功率因數(shù)補(bǔ)償

基于零電流投切的晶閘管投切動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置投入后，密煉機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)明顯提高，功率因數(shù)由0.57 提高到了0.98，視在功率由346kvar 提高到416kvar，基波無功282kvar 降到74kvar，節(jié)能效果明顯。

圖11

5 結(jié)論

對(duì)于橡膠輪胎行業(yè)存在的功率因數(shù)低和諧波含量高的問題，采用有源濾波器和晶閘管投切動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置組合方案進(jìn)行治理后得到了明顯的效果，有效的保證了其低壓配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，同時(shí)降低了電能損耗。建議新建輪胎廠在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮電能質(zhì)量綜合治理，并納入輪胎行業(yè)的設(shè)計(jì)建造規(guī)范中，使得有源濾波器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用更符合輪胎行業(yè)的設(shè)計(jì)建造規(guī)范，電能質(zhì)量的治理更加完美。