動態(tài)諧波濾波節(jié)能裝置在篦冷機風機變頻機組中的應用

  前言：

  治理諧波的濾波產品已問世多年，國內外也有眾多的生產廠家，諧波治理后的好處，大家也明白，但為什么我們這個地區(qū)幾十家水泥企業(yè)沒有一家水泥廠敢嘗試呢？我們認為產品的宣傳和實際效果差別很大，是產品投資和回報不明確而造成的。我們?yōu)榱四芨闱鍨V波產品節(jié)能增效的道理，不怕成為第一個吃螃蟹的人，先后已與南京康迪欣電氣成套設備有限公司技術人員和武漢理工大學教授進行座談，達成協議。去年十月在篦冷機風機變頻機組進行試用，試用后濾波效果明顯，而且節(jié)能效果顯著，直接濾波節(jié)能效果達到5%左右。所以，我們想把動態(tài)諧波節(jié)能裝置在我公司應用的情況及我們對產品的認識和體會介紹給大家,讓水泥企業(yè)的同行們分享該產品的技術成果。

  1、對諧波的認識和諧波的危害

  治理諧波的濾波產品在國內外有眾多的生產廠家。治理諧波后的好處大家也明白一些，但為什么應用諧波的水泥廠很少呢？我們湖州地區(qū)有幾十家水泥生產廠家，沒有一家使用濾波治理諧波的產品呢？經過實地調研和探討，不難發(fā)現問題之所在是：大多數水泥廠對諧波的產生，諧波對電氣設備的危害及治理諧波的必要性還存在誤區(qū)和認識不足；認為治理不治理諧波對水泥生產無關緊要，就是有點諧波影響了部分電氣設備也不影響正常生產；另外安裝諧波濾波產品后，能節(jié)能多少？能給企業(yè)帶來什么效果？對窯、磨正常運行是否有影響？這些問題都是水泥企業(yè)想要了解的。因為現今水泥廠競爭激烈，都想要在降耗增產方面下功夫，那就必須在節(jié)能增效方面做出業(yè)績，所以說節(jié)能增效就是當前水泥企業(yè)的重中之重。筆者有幸和武漢理工大學的教授和南京康迪欣電氣成套設備公司的技術人員進行多次交流座談，對諧波的認識和危害有了更具體的了解。

  1.1、對諧波的認識：

  （1）在水泥企業(yè)中大量應用電力電子元件為基礎的電源設備如：各種變流設備（整流器、逆變器、變頻器、相控調速和調壓裝置、大容量電力晶閘管可控開關設備）均為非線性負載，這些設備在工作中向電源反饋高次諧波，導致供電系統的電壓、電流波形畸變，使電力質量變壞，所以說諧波是電力質量的重要指標之一。

  （2）電網供給非線性負載，使得流過的電流是非正弦波形，這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數倍的諧波組成，即產生了諧波，使電網電壓嚴重失真，另外電網還必須向負載產生的諧波提供額外的電能。

  （3）供電公司目前還沒有對工礦企業(yè)治理諧波有強制要求。但實際國家電網早在1998年12月4日發(fā)布了有關治理諧波的國家標準：GB17625-19998《低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值（設備每相輸入電流≤16A）》規(guī)定了接入公用低壓配電系統中的電氣、電子設備（每相輸入電流≤16A）可能產生諧波的限值。如果企業(yè)均能達到這樣的標準，供電系統的品質因素大大的提高，給企業(yè)提供更加優(yōu)質清潔的能源。

  （4）水泥廠電氣技術人員雖然和電氣設備打交道多年，但對諧波的認識不足，有一些故障如：無功功率補償柜投入不了，合不上開關。甚至有的電容補償柜爆炸，跳仃窯、磨。電動機莫名其妙地燒毀，電纜母排配電設備發(fā)熱，繼電器誤動作、控制系統失靈。均為諧波所致，諧波治理刻不容緩。

  （5）水泥廠電力電子設備均為晶閘管六波頭負載，這些設備產生的諧波主要為5次諧波為主，5次諧波的頻率是250HZ，如果用50HZ的電流表則無法測量到諧波，增加了諧波的神秘感。

  （6）為了減少諧波對供電系統的影響，最根本的方法是要從產生諧波的源頭抓起。設法在諧波源附近投入諧波濾波裝置、抑制諧波電流、降低諧波電壓、電流，保障生產正常運行。

  1.2、諧波的危害

  （1）諧波電流使受電設備發(fā)熱，造成無功功率加大，功率因素降低，甚至有可能引發(fā)并聯或串聯諧振，損壞電氣設備。

  （2）諧波電流使變壓器溫度升高，絕緣加速老化?？s短使用壽命，同時增加變壓器的銅損、鐵損、磁損，提高變壓器機械噪聲。

  （3）諧波電流使電動機產生額外的銅損、鐵損、振動噪聲加大，使電動機輸出功率降低，轉矩降低，效率降低。

  （4）諧波電流導致控制系統畸變，電壓零點漂移，使控制系統失控，影響鄰近的電力電子設備和通訊系統，影響設備正常運行。

  （5）諧波電流造成電容器過電流，過電壓，降低電容器使用壽命，使電力電容器發(fā)熱，額定載流量減少，絕緣遭到破壞擊穿。增加電容器容量的衰減速度，使補償濾波效果降低，造成電容器故障或放大諧波。

  （6）諧波電流使諧波增大，直接影響電網供電系統的品質因素，非正弦的基波導致電網電壓失真，造成電網供電污染。

  通過座談了解到動態(tài)諧波節(jié)能裝置優(yōu)越性能和新穎特點。該產品不但能有效的治理諧波，同時還能把基波電流的有效值降低，直接能節(jié)約可觀的電能。該產品已在南京某水泥廠應用二年多，產品運行穩(wěn)定可靠。該產品智能化操作，諧波取樣電流達到開機設定值時，自動開機。諧波取樣電流達到停機設定值時，自動停機。該產品具有過電流、過電壓保護，同時還對諧波放大時的過電流、過電壓沖擊保護。由于有多方位的多重保護，就不會影響主機的正常運行。做到真正的無人值守的高新技術產品。

  2、動態(tài)諧波節(jié)能裝置原理及特點

  動態(tài)諧波節(jié)能裝置主要基于阻抗變換電路的可變KL和電容器組成?？勺冸娍蛊鱇L的一次電抗繞組與電容器串聯，電容器根據濾除諧波頻次和可變電抗器KL可調參數進行分布式投切；可變電抗器KL的二次繞組與功率變換器構成電力電子阻抗變換器，通過動態(tài)改變可變電抗器KL一次繞組與二次繞組間的阻抗比，從而起到改變LC濾波支路電抗值的作用，最終達到動態(tài)調諧，治理諧波的目的。

  動態(tài)諧波節(jié)能裝置原理示意圖如圖1所示。

                      圖1 動態(tài)諧波節(jié)能裝置原理示意圖

  動態(tài)諧波節(jié)能裝置在基波頻率條件下，對供電系統或電力負載進行無功補償；在諧波頻率條件下，通過智能控制使諧波濾波器在濾波支路中諧波吸收電流達到最大值，大幅度減少諧波危害，提高電能質量。

  動態(tài)諧波節(jié)能裝置，通過嵌入式屏設置各種變量，顯示各變量參數（各次諧波電流值，各相電壓值及其尋優(yōu)值和控制結果等），設備工作狀態(tài)和故障報警等，如圖2所示。

  圖2  嵌入式屏界面

  經過諧波治理后的電流整形效果圖如圖3所示。由圖3可知，動態(tài)諧波節(jié)能裝置的電流整形效果很好；經過諧波濾波后，電源污染得以清潔，從而利于設備的正常運行。

  圖3  電流整形效果圖

  動態(tài)諧波節(jié)能裝置的特點：將傳統機械式單繞組電抗器結構設計成具有一次和二次繞組的電抗變換器結構，并與電力電子變換器構成電力電子電抗器和電容器的電路，磁路耦合，組成動態(tài)諧波濾波器電路；該電路具有高低壓隔離，電感量連續(xù)可調，阻抗可變的特點；借助于動態(tài)諧波濾波器電路，采用智能控制算法，動態(tài)搜索跟蹤諧波源，使濾波支路中諧波吸收電流達到最大值，使濾波效果及精度均能達到保證；該產品兼有源濾波器和無源濾波器的特點，濾波穩(wěn)定，性價比好。

  3、動態(tài)諧波節(jié)能裝置在篦冷機的應用和效果分析

  2014年10月在我廠2500T/D生產線窯頭篦冷機風機變頻機組首次應用動態(tài)諧波節(jié)能裝置。篦冷機風機機組共有12臺風機，其中有6臺變頻電機，裝機容量542kw（其余6臺風機是軟啟動），如表1所示。

  表1 冷卻機風機表

  動態(tài)諧波節(jié)能裝置投入前，經諧波測試儀對篦冷機變頻機組控制柜母排進行諧波測試，其5次諧波如圖4所示。

  圖4 濾波柜投入前，變頻機組控制柜母排5次諧波

  圖4中5次諧波電流為97A,占控制柜母排上所有負載的基波電流的7.2%，推算母排上基波電流為1.372KA，可見圖6.變頻機組的諧波干擾使車向配電室母排發(fā)熱，用電設備發(fā)熱，電容濾波柜里的電容發(fā)熱甚至燒毀炸裂，嚴重時引起電機發(fā)熱，甚至燒毀，也會影響窯頭控制系統和計量裝置的正常運行。

  圖5 濾波柜投入后，變頻機組控制柜母排5次諧波

  投入動態(tài)諧波節(jié)能裝置后，經諧波測試儀對篦冷機控制柜母排進行諧波測試，其5次諧波見圖5所示，從圖5中，可以看到濾波后5次諧波電流降到46A，占總載電流的3.6%，濾波效果顯著，電流有效值下降明顯。

  圖6、濾波柜投入前，變頻機組控制柜母排電流有效值

  圖7、濾波柜投入后，變頻機組控制柜母排電流有效值

  圖6、圖7是動態(tài)諧波節(jié)能裝置未投入和投入后的二張篦冷機變頻機組的電流有效值圖。未投入前電流有效值是1.372KA，投入后是1.303KA，顯而易見降低約70A,也就是節(jié)約電能。由于理論和實踐中存在一定的差距，我們安排電工在未投入裝置前10天，每天早上9點和下午3點抄篦冷機控制柜電度表，找一個平均電度值，投入后也是抄表10天，早上9點和下午3點，找出電度平均值， 進行比較后，得到一個結論：投入動態(tài)諧波節(jié)能裝置后，篦冷機變頻機組控制柜，電度表顯示每小時可節(jié)電25kwh/H,這樣如果連續(xù)運行一年的節(jié)電量及電費： 24H*25KWH/H*365D*0.68元/KWH=148920元。由此可見當年投入動態(tài)諧波濾波節(jié)能裝置后，一年左右可收回投資成本。同時又消除諧波，提高無功功率，消減設備發(fā)熱，提高電氣設備使用壽命，又消除諧波干擾。深受企業(yè)歡迎。

  4、 結語

  動態(tài)諧波節(jié)能裝置在2500T/D的水泥生產線上應用幾個月后，又在5000T/D的水泥生產線上的窯頭篦式冷卻機變頻機組和窯中直流傳動系統中得到應用，筆者認為該產品濾波效果明顯，節(jié)能效益突出，是因為該裝置改變了產品單一濾波消諧功能的同時加大對產品節(jié)能增效方面的改進，達到5%—8%的節(jié)電效果。

  該產品發(fā)揚了有源濾波，無源濾波的各自特點，修正了各自的缺陷，是獨樹一幟，別具一格的新穎高新技術產品，它的節(jié)能增效的新穎特點，將越來越受到眾多水泥企業(yè)的歡迎。試想：全國幾千條水泥生產線如果能全部應用動態(tài)諧波節(jié)能裝置的話，必將為水泥行業(yè)節(jié)能減排，降耗增產做出一定的貢獻。