铜带热轧机主机功率因数及谐波分析与治理

第４０卷第４期　有色金属加工　ＮＯＮＦＥＲＲＯＵＳ　ＭＥＴＡＬＳ　ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．４　２０１１年８月　Ａｕｇｕｓｔ　２０１１　铜带热轧机主机功率因数及谐波分析与治理　侯仁龙　（洛阳有色金属加工设计研究院，河南洛阳４７１０３９）　摘　要：根据实际工程设计，本文通过一台８００ｍｍ铜带热轧机主机供电系统功率因数和谐波的分析与治理为　例，详细介绍了滤波装置（兼无功静补）设计应考虑的问题和计算方法。　关键词：铜带热轧机；主传动直流电机；功率因数；谐波；滤波装置　中图分类号：ＴＭ７１４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—６７９５（２０１１）Ｏ４—００５６—０４　随着工业经济的迅猛发展，大量的直流设备、变　频调速设备及其它非线性负荷的广泛应用，越来越多　整流变压器：３４００ｋＶＡ　ＡＣＩＯｋＶ±５％／０．８ｋＶ　ＵＫ＝７％　的谐波电流被注人了电网，高次谐波的产生，增加了　整流器：８００Ｖ　４８００Ａ三相桥式可逆整流　电能谐波损耗，降低了系统功率因数，对电网有很大　的危害，不仅影响电网质量，而且还对电网的可靠性　有很大的影响，严重时造成继电保护误动，烧毁微机　保护线路板、数字电能表及其它微机装置。因此设置　直流电动机：２２４０ｋＷ　ＤＣ８００Ｖ　２９８６Ａ　１　计算直流电动机在额定条件下工作　时整流装置的功率因数　整流装置触发延迟角的计算：　ｃｏｓｄ＝　＋ＫｘＵ　ｋ　滤波及无功补偿装置消除或抑制轧机传动系统产生　的谐波是非常必要的。　某铜加工企业就一台８００ｒａｍ二辊可逆铜带热轧　机直流主传动系统单独做滤波兼静补措施，该轧机直　流主传动供电单线图如图１所示，各有关设备的主要　参数如下：　＝　＋ｏ．５×ｏ．＋ｕ・５　ｕ・　０７×　而式中：Ｕ　——电动机额定电压（Ｖ）　Ｕ　——晶闸管正向瞬态压降，取１．５Ｖ　ｎ——电流通过晶闸管的器件数　（１）（　）　ｂ——电网电压下波动系数，无特殊要求时　取ｂ：０．９５　Ｋ　——整流电压计算系数，本系统取Ｋ　：２．３４　Ｕ　ｋ，——整流变压器二次相电压（Ｖ）　Ｋ　——换相电抗压降计算系数，本系统Ｋ　＝０．５　——整流变压器允许过载倍数　１Ｔ　代入各相应参数：ＣＯＳＯ／．＝０．８２　即：ｏｒ．：３４．９２。＝０．６１　ｒａｄ　整流装置换相重迭角　的计算：　－ｙ＝ａｒｃｃｏｓ［ｅｏｓｏｔ一２Ｋｘ×ＵＫ］一仪　一（２）　ＤＭ一１　＝ａｒｃｃｏｓ［０．８２—２×０．５×０．０７］一３４．９２。　＝４１．４１。一３４．９２。＝６．４９。＝０．１１３２ｒａｄ　图１直流主传动供电单线图　电流基波与电压的相位差的计算：　１：　＋收稿日期：２０ｌ１—０２—１８　｝：３４．９２。＋　：３８．１６５。（３）　第４期　有色金属加工　５７　基波因数ｖ的计算：　一√ｉ　＝　。（ｓｉｎ∞ｔ一÷ｓｉｎ５∞ｔ一　ｓｉｎ７∞ｔ＋　ｓｉｎ　・∞ｔ　ｕ＝√　×　　３　ｘ　ｉ　＂　－　（４）　＋亩　ｉｎｌ３　一。）　＝√　　．×　×　丽－ｏ．－ｕ・　从上式可知，６脉冲整流电路中，特征谐波次数ｎ。　＝整流装置的功率因数的计算：　５、７、１１、１３、１７、１９、２３…，特别是在生产过程中需要　＝１Ｊｃ０ｓ　＝０．９６１×ｃｏｓ３８．１６５。＝０．７５６　（５）　低速咬带和过载轧制时，谐波电流最大。当轧制电流　要将功率因数提高到０．９２，则需要补偿的容性无　不变时，咬入的速度越低，控制角ｄ越大，重迭角　越　功功率为：　小，因而谐波电流越大。　Ｑｋ：Ｐ　ｔａｎ［ａｒｃｓｏｓｋ１］一Ｐａｙｔａｎ［ａｒｃｃｏｓｋ２］　（６）　变压器二次侧基波电流为：　＝０．８×２９８６ｔａｎ［ａｒｃｃｏｓＯ．７５６］一０．８×２９８６ｔａｎ　ｘ　＝　×ｏ．７８　８６　『ａｒｃｃｏｓ０．９２］＝１．０５Ｍ　ｖａｒ　：２３２９．０８Ａ　２　谐波电流的计算　并由公式Ｉ　＝Ｋ　×｛｝计算出各次谐波电流有效　由图１可知，电机ＤＭ—ｌ为６脉冲整流，进线变　值（见表１），并由此计算谐波导致的电网电压畸变　压器采用Ｄ，ｙｌｌ接线，其电流的傅式级数如下：ＨＲＵ　＝√＿Ｕｚｎ１　／１０Ｓ　（见表２）。　表１特征谐波电流有效值　Ｋｈ　１．０　１．０　Ｏ．７５　０．７　０．４　０．２５　０．２　Ｉｈ（Ａ）　４６５．８２　３３２．７３　１５８．８　１２５．４１　４９．Ｏ３　２５．３２　１８．６３　表２谐波导致的电网电压畸变　注：ｓ　——连接处（０．８ｋＶ）的短路容量，按Ｓ　＝Ｓｏ／Ｕ　：４８．５７ＭＶＡ估算。　０．８ｋＶ母线总电压畸变率为：　ＨＨＤ　＝　丽＋４．９ｇ　＋４．６５　＋３．３２　＋２．６６　＋１．６６　＋１．３３　１２．５４％　对应国家标准ＧＢ／Ｔ１４５４９—１９９３（电能质量公用　考虑到５、７、１１、１３次谐波电流较大，相应的电压　电网谐波》，本系统电压波形畸变率已大大超过国标　畸变率也较大，均不满足电能质量要求，故设置四个　规定（＜４．Ｏ％）。　滤波支路，见图２，其中５、７、１１次滤波支路为单调谐　３滤波装置的设计　滤波，其调谐频率分别为２５０、３５０、５５０Ｈｚ，１３次滤波　支路为二阶高通滤波器，其同频限约６５０Ｈｚ。各滤波　支路均为星形联结，晶闸管自动控制投切。　由以上计算可知，将平均功率因数提高到０．９２，　需要的总静补量Ｑ　＝１．０５Ｍ　ｖａｒ。则各滤波支路间的　Ｔ．／ｈ　分配：Ｑ　＝Ｑ　（式中：∑（Ｉｈ／ｈ）为各滤波支　ｈ／Ｉ　，　路之和），代入具体数字计算，见表３。　一ＤＭ一１　图２滤波器各滤波支路的配置　５８　表３　无功补偿在各滤波支路间的分配　有色金属加工　第４０卷　表５　并联的电容器数量及并联后实际的容抗值　ＱＫｈ（Ｍｖａｒ）０，５９４　０．３０３　０．０９２　０．０６１　并联数量　Ｘ　ｈ（Ｑ）　９　１．０５８　５　１．９０４４　２　４．７６１　１　９．５２２　各滤波支路每相滤波电容器应有的基波容抗Ｘ　Ｕ２：　×　，滤波器电容器的总的安装容量为：　见表４。　∑Ｑ。：３×（９＋５＋２＋１）×０．０５０Ｍ　ｖａｒ：　２．５５Ｍ　ｖａｒ　表４滤波支路每相滤波电容器的基波容抗　各滤波支路实际的无功功率补偿量，见表６。　表６各滤波支路间实际的无功补偿量　Ｘ　ｈ（ｎ）　选０．６９ｋＶ、５０ｋｖａｒ滤波电力电容器为基本单元，　＜ｎ　Ｑ　ｈ（Ｍｖａｒ）０．６３０　０．３４３　０．１３６　０．０６７６　每个电容器的额定电流为Ｉｃｗ　Ａ＝７２・４６４Ａ，基　实际的总的无功功率补偿量为：　∑Ｑ　＝（０．６３＋０．３４３＋０．１３６＋０．０６７６）Ｍ　ｖａｒ＝　１．１７７Ｍ　ｖａｒ　波容抗为Ｘ　＝６９０　／（５０×１０００）：９．５２２ｆ￣，电容量为　Ｃ＝５０×１０　／（１００ａ－ｒ×０．６９　）：３３４．４５８　Ｆ，贝４各滤波　支路每相所需并联的电容数（取整）及并联后相应的　基波容抗ｘ　见表５。　加滤波器后，对于变压器二次侧而言，实际的平　均功率因数为：　ｏ　８　＝０．８×２９８６／　（０．８￣２９８６）２＋（０．８￣２９８６ｔａｎ￣ａｒｃｃｏｓ０．７＿５＝６］一１１７７）　＝０．９３７　电抗器参数的计算　各滤波支路每相电抗器的　基波感抗Ｘ　（Ｑ）及电感Ｌ　（ｍＨ）按公式Ｘ　＝　１．０５Ｘ　／ｈ　及Ｌ　＝１０Ｘ　ｈ／，ｒｒ计算，见表７；考虑各滤波　支路的品质系数为４０，则各滤波支路的回路电阻及高　通电阻按公式ｒ　＝Ｘｈ／４０计算，见表７。　表７基波感抗、电感及电阻：　１３次滤波支路高通电阻值为：　Ｒ　＝Ｋ　、　＝１０×　４校验与结论　滤波装置接入点的电压畸变率校验（计算过程　略）见表８。　ｘＬｈ（ｎ）Ｌｈ（ｍＨ）０．０４４４４　０．０４０８１　０　０４１３１　０．０５９１６　０．１４１５　０．１３　０．１３１６　０．１８８４　ｒ　（ｎ）×１０　１．１１０９　１．０２０２５　１．０３２７５　１．４７９　表８校验加入滤波装置后的电网电压畸变　０．８ｋＶ母线总电压畸变率为：　２＋０６２２＋１１７—２＋１２２２＋１ＨＨＤ　＝　０，９９　２＋０８３—．．．．．０４　０．６　＋０．５６７　：２．６１％　。＝　各滤波支路的基波电流有效值Ｉ　．加滤波器后，接入点各次谐波电压畸变率及总电　压畸变率均大大低于国标规定的允许值，滤波器的效　果明显。　￣／一３×（ｘ　一ｘ　、　．　谐波电流有效值Ｉ　．　＝∑Ｉ　×Ｍｏｄ（Ｇ　）／（Ｍｏｄ∑　滤波电容器电流和电压校验：　滤波电容器不仅流过基波电流，还流过谐波电　流，不仅承受基波电压，还承受谐波电压。故应核对　Ｇ　．　），以及各滤波支路的总等效电流ＩｎＩＥ　＝　丁　，见表９。　第４期　有色金属加工　总等效电压ｕ　５９　表９　各滤波支路总等效电流Ｉ　，　、７次滤波支路：　电容器　电抗器５０ｋｖａｒ　０．１３ｍＨ　５０ｋｖａｒ　．６９ｋＶ　３８０Ａ　０．６９ｋＶ　１５台　３台　６台　与额定电流Ｉ　和电压值Ｕ　的校验：　１１次滤波支路：　Ｉ　Ｅｑ，（Ａ）　６２８．１２５　３７６．２８４　３６２．３１９　８２．５７　１６９．５９０　１４４．９２８　６８．４３　５５５．２２　６９０　８０．４７　８３．１７２　７２．４６４　８４．９９　５４６．９４２　电容器　Ｉ　ｃＮ（Ａ）　６５２．１７４　９６．３ｌ　过电流系数Ｆ　（％）　Ｕ　，电抗器电容器　电抗器高通电阻　０．１３１６ｍＨ　１７０Ａ　５０ｋｖａｒ　０．６９ｋＶ　３台　３台　３台　３台　Ｅｑ（Ｖ）　５７９．７１２　６９０　８４．Ｏ２　５６４．５４７　６９０　８１．８２　１３次滤波支路（带高通）：　０．１８８４ｍＨ　８５Ａ　７．５１ｌ－１　０．６ｋＷ　Ｕ　ｃＮ（Ｖ）　６９０　７９．２７　过电压系数Ｆ…（％）　由上表可知：各滤波支路电容器总的额定电流和　额定电压均大于实际流过电容器的总等效电流和实　际总电压，电容器通过校验。　根据以上计算分析、计算结果进行采购和制作成　柜，并已投人生产，设计回访反应，设备运行良好，波　形较为平滑，功率因数较高，起到了滤波兼功率因数　补偿的效果。　参考文献　【１】钢铁企业电力设计手册冶金工业出版社，１９９６　高通电阻Ｒ　的容量：Ｒ　：［Ｉ　＋∑（Ｉ　）　Ｘ　Ｒ　］＝３６６．７８Ｗ　滤波器主要元件参数及数量：　５次滤波支路：　电容器　电抗器【２】ＧＢ／Ｔ１４５４９—１９９３电能质量公用电网谐波，中国标准出版社　５０ｋｖａｒ　０．６９ｋＶ　２７台　３台　【３１电气传动自动化技术手册（第２版）机械工　出版社，２００５　０．１４１５ｍＨ　６３０Ａ　Ｍａｉｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ　ａｎｄ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｆｏｒ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｈｏｔ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｍｉｌｌ　ＨＯＵ　Ｒｅｎｌｏｎｇ　（Ｌｕｏｙａｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　Ｍｅｔａｌｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｌｕｏｙａｎｇ，Ｈｅｎａｎ，４７　１　０３９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　Ｏｆｆ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｃｏｐｐｅｒ　ｓｔｒｉｐ　ｈｏｔ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｍｉｌｌ，　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｇｉｖｅｓ　ａ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｔａｋｅｎ　ａｃｃｏｕｎｔ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｆｉｌｔｅｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（ＳＶＣ）．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｐｐｅｒ　ｓｔｒｉｐ　ｈｏｔ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｍｉｌｌ；ｍａｉｎ　ｄｒｉｖｅ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ；ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒｓ；ｈａｒｍｏｎｉｃｓ；ｆｉｌｔｅｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．　（上接第１３页）　（ａ）ＯＡ；（ｂ）３０Ｈｚ，５０Ａ；（ｃ）５０Ｈｚ，５０　图４　双流实验中，电磁场对铜管坯凝固组织的影响　（下转第６２页）