动态谐波滤波节能装置在篦冷机风机变频机组中的应用
水泥 长兴南方水泥有限公司 姜永明 2015-09-28
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前言：
治理谐波的滤波产品已问世多年，国内外也有众多的生产厂家，谐波治理后的好处，大家也明白，但为什么我们这个地区几十家水泥企业没有一家水泥厂敢尝试呢？我们认为产品的宣传和实际效果差别很大，是产品投资和回报不明确而造成的。我们为了能搞清滤波产品节能增效的道理，不怕成为第一个吃螃蟹的人，先后已与南京康迪欣电气成套设备有限公司技术人员和武汉理工大学教授进行座谈，达成协议。去年十月在篦冷机风机变频机组进行试用，试用后滤波效果明显，而且节能效果显着，直接滤波节能效果达到5%左右。所以，我们想把动态谐波节能装置在我公司应用的情况及我们对产品的认识和体会介绍给大家,让水泥企业的同行们分享该产品的技术成果。
1、对谐波的认识和谐波的危害
治理谐波的滤波产品在国内外有众多的生产厂家。治理谐波后的好处大家也明白一些，但为什么应用谐波的水泥厂很少呢？我们湖州地区有几十家水泥生产厂家，没有一家使用滤波治理谐波的产品呢？经过实地调研和探讨，不难发现问题之所在是：大多数水泥厂对谐波的产生，谐波对电气设备的危害及治理谐波的必要性还存在误区和认识不足；认为治理不治理谐波对水泥生产无关紧要，就是有点谐波影响了部分电气设备也不影响正常生产；另外安装谐波滤波产品后，能节能多少？能给企业带来什么效果？对窑、磨正常运行是否有影响？这些问题都是水泥企业想要了解的。因为现今水泥厂竞争激烈，都想要在降耗增产方面下功夫，那就必须在节能增效方面做出业绩，所以说节能增效就是当前水泥企业的重中之重。笔者有幸和武汉理工大学的教授和南京康迪欣电气成套设备公司的技术人员进行多次交流座谈，对谐波的认识和危害有了更具体的了解。
1.1、对谐波的认识：
（1）在水泥企业中大量应用电力电子元件为基础的电源设备如：各种变流设备（整流器、逆变器、变频器、相控调速和调压装置、大容量电力晶闸管可控开关设备）均为非线性负载，这些设备在工作中向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电力质量变坏，所以说谐波是电力质量的重要指标之一。
（2）电网供给非线性负载，使得流过的电流是非正弦波形，这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，即产生了谐波，使电网电压严重失真，另外电网还必须向负载产生的谐波提供额外的电能。
（3）供电公司目前还没有对工矿企业治理谐波有强制要求。但实际国家电网早在1998年12月4日发布了有关治理谐波的国家标准：GB17625-19998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流≤16A）》规定了接入公用低压配电系统中的电气、电子设备（每相输入电流≤16A）可能产生谐波的限值。如果企业均能达到这样的标准，供电系统的品质因素大大的提高，给企业提供更加优质清洁的能源。
（4）水泥厂电气技术人员虽然和电气设备打交道多年，但对谐波的认识不足，有一些故障如：无功功率补偿柜投入不了，合不上开关。甚至有的电容补偿柜爆炸，跳仃窑、磨。电动机莫名其妙地烧毁，电缆母排配电设备发热，继电器误动作、控制系统失灵。均为谐波所致，谐波治理刻不容缓。
（5）水泥厂电力电子设备均为晶闸管六波头负载，这些设备产生的谐波主要为5次谐波为主，5次谐波的频率是250HZ，如果用50HZ的电流表则无法测量到谐波，增加了谐波的神秘感。
（6）为了减少谐波对供电系统的影响，最根本的方法是要从产生谐波的源头抓起。设法在谐波源附近投入谐波滤波装置、抑制谐波电流、降低谐波电压、电流，保障生产正常运行。
1.2、谐波的危害
（1）谐波电流使受电设备发热，造成无功功率加大，功率因素降低，甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备。
（2）谐波电流使变压器温度升高，绝缘加速老化。缩短使用寿命，同时增加变压器的铜损、铁损、磁损，提高变压器机械噪声。
（3）谐波电流使电动机产生额外的铜损、铁损、振动噪声加大，使电动机输出功率降低，转矩降低，效率降低。
（4）谐波电流导致控制系统畸变，电压零点漂移，使控制系统失控，影响邻近的电力电子设备和通讯系统，影响设备正常运行。
（5）谐波电流造成电容器过电流，过电压，降低电容器使用寿命，使电力电容器发热，额定载流量减少，绝缘遭到破坏击穿。增加电容器容量的衰减速度，使补偿滤波效果降低，造成电容器故障或放大谐波。
（6）谐波电流使谐波增大，直接影响电网供电系统的品质因素，非正弦的基波导致电网电压失真，造成电网供电污染。
通过座谈了解到动态谐波节能装置优越性能和新颖特点。该产品不但能有效的治理谐波，同时还能把基波电流的有效值降低，直接能节约可观的电能。该产品已在南京某水泥厂应用二年多，产品运行稳定可靠。该产品智能化操作，谐波取样电流达到开机设定值时，自动开机。谐波取样电流达到停机设定值时，自动停机。该产品具有过电流、过电压保护，同时还对谐波放大时的过电流、过电压冲击保护。由于有多方位的多重保护，就不会影响主机的正常运行。做到真正的无人值守的高新技术产品。
2、动态谐波节能装置原理及特点
动态谐波节能装置主要基于阻抗变换电路的可变KL和电容器组成。可变电抗器KL的一次电抗绕组与电容器串联，电容器根据滤除谐波频次和可变电抗器KL可调参数进行分布式投切；可变电抗器KL的二次绕组与功率变换器构成电力电子阻抗变换器，通过动态改变可变电抗器KL一次绕组与二次绕组间的阻抗比，从而起到改变LC滤波支路电抗值的作用，最终达到动态调谐，治理谐波的目的。
动态谐波节能装置原理示意图如图1所示。
图1 动态谐波节能装置原理示意图
动态谐波节能装置在基波频率条件下，对供电系统或电力负载进行无功补偿；在谐波频率条件下，通过智能控制使谐波滤波器在滤波支路中谐波吸收电流达到最大值，大幅度减少谐波危害，提高电能质量。
动态谐波节能装置，通过嵌入式屏设置各种变量，显示各变量参数（各次谐波电流值，各相电压值及其寻优值和控制结果等），设备工作状态和故障报警等，如图2所示。
图2 嵌入式屏界面
经过谐波治理后的电流整形效果图如图3所示。由图3可知，动态谐波节能装置的电流整形效果很好；经过谐波滤波后，电源污染得以清洁，从而利于设备的正常运行。
图3 电流整形效果图
动态谐波节能装置的特点：将传统机械式单绕组电抗器结构设计成具有一次和二次绕组的电抗变换器结构，并与电力电子变换器构成电力电子电抗器和电容器的电路，磁路耦合，组成动态谐波滤波器电路；该电路具有高低压隔离，电感量连续可调，阻抗可变的特点；借助于动态谐波滤波器电路，采用智能控制算法，动态搜索跟踪谐波源，使滤波支路中谐波吸收电流达到最大值，使滤波效果及精度均能达到保证；该产品兼有源滤波器和无源滤波器的特点，滤波稳定，性价比好。
3、动态谐波节能装置在篦冷机的应用和效果分析
2014年10月在我厂2500T/D生产线窑头篦冷机风机变频机组首次应用动态谐波节能装置。篦冷机风机机组共有12台风机，其中有6台变频电机，装机容量542kw（其余6台风机是软启动），如表1所示。
表1 冷却机风机表
动态谐波节能装置投入前，经谐波测试仪对篦冷机变频机组控制柜母排进行谐波测试，其5次谐波如图4所示。
图4 滤波柜投入前，变频机组控制柜母排5次谐波
图4中5次谐波电流为97A,占控制柜母排上所有负载的基波电流的7.2%，推算母排上基波电流为1.372KA，可见图6.变频机组的谐波干扰使车向配电室母排发热，用电设备发热，电容滤波柜里的电容发热甚至烧毁炸裂，严重时引起电机发热，甚至烧毁，也会影响窑头控制系统和计量装置的正常运行。
图5 滤波柜投入后，变频机组控制柜母排5次谐波
投入动态谐波节能装置后，经谐波测试仪对篦冷机控制柜母排进行谐波测试，其5次谐波见图5所示，从图5中，可以看到滤波后5次谐波电流降到46A，占总载电流的3.6%，滤波效果显着，电流有效值下降明显。
图6、滤波柜投入前，变频机组控制柜母排电流有效值
图7、滤波柜投入后，变频机组控制柜母排电流有效值
图6、图7是动态谐波节能装置未投入和投入后的二张篦冷机变频机组的电流有效值图。未投入前电流有效值是1.372KA，投入后是1.303KA，显而易见降低约70A,也就是节约电能。由于理论和实践中存在一定的差距，我们安排电工在未投入装置前10天，每天早上9点和下午3点抄篦冷机控制柜电度表，找一个平均电度值，投入后也是抄表10天，早上9点和下午3点，找出电度平均值， 进行比较后，得到一个结论：投入动态谐波节能装置后，篦冷机变频机组控制柜，电度表显示每小时可节电25kwh/H,这样如果连续运行一年的节电量及电费： 24H*25KWH/H*365D*0.68元/KWH=148920元。由此可见当年投入动态谐波滤波节能装置后，一年左右可收回投资成本。同时又消除谐波，提高无功功率，消减设备发热，提高电气设备使用寿命，又消除谐波干扰。深受企业欢迎。
4、 结语
动态谐波节能装置在2500T/D的水泥生产线上应用几个月后，又在5000T/D的水泥生产线上的窑头篦式冷却机变频机组和窑中直流传动系统中得到应用，笔者认为该产品滤波效果明显，节能效益突出，是因为该装置改变了产品单一滤波消谐功能的同时加大对产品节能增效方面的改进，达到5%—8%的节电效果。
该产品发扬了有源滤波，无源滤波的各自特点，修正了各自的缺陷，是独树一帜，别具一格的新颖高新技术产品，它的节能增效的新颖特点，将越来越受到众多水泥企业的欢迎。试想：全国几千条水泥生产线如果能全部应用动态谐波节能装置的话，必将为水泥行业节能减排，降耗增产做出一定的贡献。
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