一、諧波的存在及危害
隨著水泥行業自動化應用水平的不斷完善提高，推動了電力電子現代技術的全方位應用。由于變頻電機節能明顯、運行穩定、操作方便、自動化程度高等特點被眾多工礦企業所接受，廣泛應用于水泥廠的各個工作環節，而變頻電機同時也是水泥廠最大的諧波源。現場的電氣技術人員和變頻電機打交道多年，深知一些故障如無功補償柜合不上開關、電容發熱甚至炸裂、電動機莫名其妙被燒毀，但卻找不到原因。殊不知電纜、配電設備發熱、變壓器發熱等皆是諧波的原因，但是諧波摸不著、檢測不到。因為電氣工程師用50Hz頻率的電流表無法檢測250Hz頻率的5次諧波電流，要用專業的諧波測試儀表測量，由于此儀表昂貴一般工廠均不配置。這就使本來看不清、摸不到的諧波披上神秘的色彩。筆者通過長時間在現場的摸索和體驗，總結歸納出諧波危害：
1、諧波電流使受電器設備發熱，浪費大量無功功率，造成能源浪費；
2、增加變壓器銅損、磁損、鐵損提高變壓器機械噪聲，增加變壓器額外溫度；
3、使電力電容器發熱、額定載流量減少，絕緣遭到破壞擊穿；
4、使電動機產生額外的鐵損、銅損，振動噪聲大，影響其穩定的轉矩；
5、導致控制系統畸變電壓零點漂移，使控制系統失控；
6、影響鄰近的電力電子設備和通訊系統，影響設備正常運行；
7、造成電容器過電流、過電壓，減少電容器的使用壽命。增加電容器容量的衰減速度，使補償式濾波效果降低，與系統產生并串聯諧波，造成電容器的故障或放大諧波；
8、諧波的增大，直接影響電網供電系統的品質因素，造成電網供電污染。
二、工作原理及特點
動態諧波節能裝置主要由分級投切濾波電容器組和基于功率變換電路的可變電抗器KL組成，可變電抗器KL的一次側繞組與多組電容器串聯，電容器組根據濾除諧波頻次和可變電抗器KL可調范圍進行選擇性投切。二次側由雙向反并聯的晶閘管和相應的保護電路構成，其回路晶閘管導通角來改變可變電抗器KL一次與二次側的阻抗比，從而起到改變LC濾波支路電抗值的作用，最終達到動態調諧的目的，見圖一所示。
QS 隔離開關、QF 斷路器、KL可調電抗器、FS熔斷器、KM 電容接觸器、C 電容
圖一
晶閘管導通角的大小則由PLC控制器來控制。PLC控制器擁有24個數字輸入口和16個數字輸出口，同時配置EM235模擬量輸入/輸出控制模塊給晶閘管發出控制脈沖信號。選用三相電參數諧波采集模塊，采集經電壓、電流互感器獲得三相電量參數。并將采集到三相電流信號進行FFT（諧波模塊）變換得到的各次諧波電流的有效值，再通過Modbus通訊協議送給PLC控制器。根據采集到的諧波電流信號，控制器發出開關量信號并通過中間繼電器投切電容器組來調整濾波電流容量，也可以通過EM235控制脈沖觸發電路調節晶閘管導通角來動態調節可變電抗器KL的電感，達到動態諧波調節的功能。見圖二所示。
圖二
觸摸屏采用昆侖通態MCGS組態軟件與PLC通過RS-485協議進行Modbus通訊，通過觸摸屏可以設置變量狀態。（如選擇手動投切電容器組、整定晶閘管控制電壓量等）顯示各變量參數（各次諧波電流值、各相電壓值尋優K值控制結果等）各種設備工作狀態，當參數異常和設備故障時，觸摸屏還能報警。觸摸屏是人機之間的交流接口，通過此屏操作能反映設備運行狀態，實物觸摸屏界面見圖三。
圖三
觸摸屏界面電流整形效果圖如圖四所示。給用戶對動態諧波節能裝置過濾諧波時的第一感觀，清潔電源污染，利于設備正常運行。
圖四
動態諧波節能裝置的特點：將傳統電抗器單線繞組結構設計成一次與二次繞組；可變電抗器、電容器組組成串聯諧振濾波電路具有高、低壓隔離電載量連續可調，阻抗可變的特點；通過軟切換電容器組，使得補償給系統的無功功率也能進行調節，從而避免無功功率的過補償始終保持諧振頻率不變，使濾波效果及精度均能得到保證；該產品兼與有源濾波器和無源濾波器的特點，濾波穩定，價格適宜。
三、投入動態諧波節能裝置前后對比
2012年4月在南京某水泥廠水泥磨選粉機變頻電機進行試車，該磨機規格為Φ3.8×13m，變頻器的型號為三菱FR-F540，功率132Kw，諧波節能裝置未投入前，諧波測試儀對選粉機控制柜母排進行測試拍照如圖五所示。
圖五
5次諧波電流為35A，占控制柜母排上所有負載的基波電流的11.2％，推算母排上基波電流為312.5A。變頻電機引發的諧波干擾使車間配電所母排發熱，用電設備發熱，選粉機電機引線發熱，每年均有燒毀選粉機電機的現象，磨機控制系統均有諧波干擾。諧波節能裝置投入后，諧波測試儀對母排測試拍照如圖六所示。
圖六
可以看到濾波后5次諧波為9A，占總載基波電流的3％，濾波效果顯著。5次諧波對照直觀明顯，母排發熱，用電設備發熱現象和對車間電子設備的干擾得到改觀，功率因素始終保持在0.92-0.98之內；系統諧波含量大大降低，為補償前的20％左右下降到補償后的3％左右；抑制了沖擊負載引起的電壓劇烈波動，穩定了電壓，提高配電系統的安全性和可靠性，尤其是二年來試用動態諧波節能裝置后，選粉機電機沒燒毀過，該裝置使用以來性能穩定，使用方便，有很好的節能效果，得到用戶單位的好評。
結語：
水泥磨選粉機132Kw變頻電機投入諧波節能裝置二年來，效果明顯。試想在5000T/d水泥生產線為例的話，窯頭篦式冷卻機系統有10臺變頻電機裝機容量在1000Kw~1400Kw，窯中直流傳統部分直流電機630Kw~730Kw，如果能進行諧波治理，僅節能一項，就非常可觀，節電效果達到3％~5％，約投入14個月能收回成本，投資回報率高，可為高耗能企業降低能耗標準作出成績。全國幾千條水泥生產線若能得到應用，將為水泥行業節能減排、節省能源做出巨大貢獻。
浙公網安備
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