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无功补偿先锋

轧机
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轧机的谐波治理及无功补偿

时间:2018-10-18 | 作者:绿波杰能

  轧机是一种特殊的冲击性负荷,因为轧机生产线的电气传动采用晶闸管可控整流,带动轧制电机,整流设备在运行过程中会产生大量的谐波,所以,轧机在运行过程中会产生大量的谐波电流;轧机的特点是短时间内电流会从零增到很大,并且负荷的变化具有一定的周期性,因而会产生无功冲击并导致电压波动、闪变和功率因数降低等电能质量问题,降低了供电系统的可靠性,危害其它用电设备的安全。

轧机的谐波电流及谐波电压波形

一、轧机的生产工艺过程
  轧机的生产工艺过程一般包括:穿带、提速、降速、收卷等几个阶段,每道次的压下量可通过预摆辊缝等方法设定。因此,在轧机的道次工作过程中,其速度设定完成了一个由低到高提速、匀速、降速至停止等几个阶段;在忽略板型扰动的情况下,其压下量基本为定值,则轧制力基本为定值。


二、轧机轧制过程中功率因数和谐波电流的变化
1、轧机整流装置的功率因数
  在轧机整流系统中,供电电压为正弦波,而电流却是非正弦波,其中,只有基波的正弦分量与电源电压同一频率时产生有功功率
2、轧机整流装置的谐波电流特性

  轧机整流装置输出的脉动直流电压、电流都是周期性的非正弦函数,它可用傅立叶级数分解成各次正弦波的和。
轧机系统的整流装置属于典型的6脉冲整流装置,其系统的特征次谐波为5,7,11,13,……
轧机现场运行过程中,谐波电流系数(相应次数的谐波电流/基波电流)的变化量要远远<2%;轧机轧制过程中,基波电流跟随轧制力稳定不变,轧机整流系统的谐波电流次数增加,则相应次的谐波电流绝对值成比例增大,谐波电流畸变率相应增加。
3、功率因数和谐波电流在轧机整个工艺流程中的变化
  在轧机完整的工艺流程中,随着板带材的厚度不断减小,各道次设定的平均轧制速度会逐渐增加,系统的平均功率因数不断会不断提高;各道次设定的压下量会不断减少,系统的基波、谐波电流也会不断减小;最初道次的平均功率因数最小、谐波电流最大,末道次的平均功率因数最大,谐波电流最小。

轧机整流系统的谐波电流系数曲线图

三、轧机谐波的危害
  轧机谐波电流的危害是严重的,主要表现在如下几个方面:
1、轧机谐波电流会在变压器中产生高频涡流铁损,致使变压器过热,输出容量降低,噪声增大,严重影响变压器寿命;
2、轧机谐波电流的趋肤效应使得导线等效截面积变小,线路损耗增加;
3、轧机谐波电流使得供电电压发生畸变,影响电网上的其它电气设备不能正常工作,导致自控装置误动作,仪表计量不准确;
4、轧机谐波电流对邻近的通讯设备产生干扰;
5、轧机谐波电流使得普通电容补偿设备产生谐波放大,造成电容器及电容器回路过热,寿命缩短,乃至损坏;
6、轧机谐波电流会引起共用电网产生局部并联谐振和串联谐振,造成不良后果,乃至严重事故。


四、轧机谐波治理方案
  由于轧机在整个工作过程中,其功率因数和谐波电流均处于变化状态,如果采用固定的谐波滤波系统及补偿装置,当轧机工作在功率因数较高状态时,就会出现过补偿问题;同时,系统谐波不能达到吸收要求时,过多的谐波会注入补偿电容器,造成补偿电容器过压、过流等情况,无法达到治理谐波、节约能源的目的。因此,要想彻底解决轧机的谐波污染、无功不足等问题,就必须要找出轧机工艺过程中电网功率因数和谐波电流的变化规律,这是做好补偿和滤波兼顾的先决条件。
1、无源谐波解决方案
1)无源滤波装置工作原理
  无源滤波装置通过对轧机的无功功率进行动态跟踪补偿来达到补偿无功、治理谐波的目的的,其是由检测单元、主控单元、投切执行单元和电容器组等构成。检测单元通过电压、电流等传感器实时检测轧机系统的电压、电流的瞬时值,并实时计算出电压、电流的有效值及系统所需要的无功功率等控制参量,由主控单元完成逻辑判断,并发出相应的控制指令;控制投切执行单元投切电容器组。
  无源滤波装置的主控单元内含有先进的零过渡过程时刻检测控制系统,确保在零过渡瞬时投入电容器,零电流时刻自然关断切除电容器,投切过程无暂态扰动,避免了涌流冲击和操作过电压,保证了动态无功补偿的实时性,同时,也有效降低了投切过程对晶闸管的电容器的电应力冲击,极大的提高了无源滤波装置的可靠性及使用寿命。

轧机用无源滤波装置原理框图

2)无源滤波装置特点
(1)将微处理作为检测、控制核心,实时检测负载无功功率,快速计算补偿容量,按照预置的投切逻辑实现快速判断及控制;
(2)采用晶闸管构成告诉无触点开关,相应及时快速,可靠性高,使用寿命长;
(3)自动跟踪选择系统零过渡过程时刻投切电容器组,暂态过程极短,实现对无功功率的快速动态补偿;
(4)电容器投切过程中无涌流冲击,无操作过电压,投切扰动小,电容器衰变小,故障率低;
(5)动态响应速度≤20ms,功率因数动态补偿≥95%,并可有效抑制由于无功变化导致的电压波动;
(6)内置谐波抑制电抗器,电容器工作应力小,无谐波放大及共振风险,在谐波含量较高的配电系统中也能可靠稳定的工作;
(7)电容器投切采用编码方式循环工作,投切快速、准确,并能进一步降低电容器的工作应力,延长电容器寿命;
(8)可实时分相动态补偿,适用于各种不对称冲击负荷;
(9)电容器投切阈值和响应时间可编程,并可实现手动投切和自动投切的转换,调试、检验方便,适用性更强;
(10)采用多重软、硬件抗干扰措施,抗干扰能力强,工作可靠;
(11)具有自动检测功能和过压保护、过流保护等多重保护功能,确保无源滤波装置的稳定可靠运行;
(12)自动监测系统电压、电流、有功、无功和补偿前、后的功率因数;
(13)具有数字化控制、远程监控、历史事件记录等功能;
(14)可多模块并联运行,安装调试简单,维护方便。

2、有源谐波解决方案
1)有源滤波装置工作原理
  MLAD-SAPF系列有源谐补一体化装置是将有源滤波器APF及有源静止无功发生器SVG有机的糅合到一起,以并联方式接入电网,通过实时检测线路的无功分量及谐波分量,产生控制信号去控制可关断功率器件(如IGBT构成的逆变电路等),产生大小相等、方向相反的谐波及无功分量,接入产生谐波及需要补偿无功的主回路中,达到快速的动态跟踪及抑制谐波、补偿无功的双重效果,提升用户的电能质量,提高用户的电能功率因数。

轧机用有源滤波装置原理框图

2)有源滤波装置特点
(1)动态连续平滑补偿
(2)控制方法灵活
(3)响应速度快,响应时间<10ms
(4)模块化设计,方便柜内安装
(5)并联冗余设置,不同容量可并联运行
(6)优化的 LCD 操作面板,方便实时监控
(7)APF可补偿谐波2~50次
(8)SVG可补偿谐波2~13次
(9)谐波滤除率>97%
(10)100%不平衡完全补偿
(11)数字化、自动化、智能化
(12)人机界面友好

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