橡胶轮胎行业密炼机车间无功补偿与谐波治理方案

孙国歧 咸日常 刘炳勇

（山东德佑电气有限公司，山东 淄博 255000）

1 橡胶轮胎行业的荷分析

1.1 橡胶轮胎行业的负荷

橡胶轮胎制造行业的主要负载包括密炼机、挤出机、复合机、压延机、成型机等设备，其设备的驱动方式主要以直流电机和变频调速为主。负荷中密炼机的用电量占全厂用电量的的30%左右，而且存在大量的谐波和无功问题，设备工作时功率因数为0.5～0.6，由于负荷电流快速频繁波动、电流谐波含量高达50%～70%，无法用常规无功补偿设备进行无功补偿。设备工作时对供配电系统产生大幅度的电流冲击和无功功率冲击，不利于供配电系统的稳定运行，并导致电压大幅波动，电压波形严重畸变，影响系统内各种用电设备的安全经济运行与可靠性。

1.2 密炼机的负荷特性

密炼机采用相控调速直流电机作为驱动，具有启动力矩大，调节快速等特点，同时由于密炼机自身和直流电机自身的特点，密炼机对电网造成的影响包括：谐波含量高、功率因数低（大约为0.4～0.6），功率变化迅速，属于冲击性负荷。密炼机整流变压器的短路阻抗相对较高（一般为6%～10%），整流变压器较高的短路阻抗主要有以下作用：①增加系统阻抗，减少直流电机产生的谐波向高压侧排放；②由于较高的系统阻抗，相当于在密炼机的输入端串联了一个较大的电抗器，可以抑制直流电机驱动的电流上升陡度和峰值电流，降低了回路电流的峰值因数。

2 治理方案

2.1 基本要求

针对密炼机的负荷特性，对配套无功补偿设备必须满足的基本要求：①能够快速准确地跟踪负荷无功功率的变化，进行实时跟踪补偿；②能够有效抑制负荷谐波电流对补偿设备的影响，防止谐波放大与共振；③能够部分滤除反馈到系统中的主要谐波电流，显著降低谐波危害和谐波无功功率，减少设备损耗和发热危害。

2.2 方案选取

采用基于全桥拓扑结构的智能扩展式有源滤波器DY-APFK 和基于零电流投切的晶闸管投切动态无功补偿装置DY-TSC 组合治理方案，有源滤波器滤除谐波电流，动态无功补偿装置快速跟踪补偿无功缺额。

2.3 德佑公司有源滤波器工作原理介绍

有源滤波器通过外部CT 实时采集电流信号送至信号调理电路，再送给FPGA 控制器，提取出所有的谐波或无功电流，将其反相后与逆变器实际输出的补偿电流相比较得到差值信号，经过调制后输出到驱动电路触发IGBT 变换器将补电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能，如图1。

图1 有源滤波器原理图

基于全桥拓扑的有源电力滤波器使用三相全桥拓扑，其直流母线电压和开关器件的开关频率都仅有三桥臂拓扑有源滤波器的1/2，这降低了开关器件的开关损耗，提高有源滤波器的输出能力，而且开关器件和直流母线电容只需承受较低的电压，使有源滤波器可靠性得到提高，可以轻松驾驭690 伏的应用。另一方面，该有源滤波器输出为三电平，所需要的电抗器也仅为三桥臂拓扑有源滤波器的1/2，输出电流纹波更小。

图2 有源滤波器拓扑结构

2.4 德佑公司动态无功补偿装置工作原理介绍

动态无功补偿装置包括：刀熔开关、晶闸管开关、电抗器、电容器、控制器、柜体等部分组成。采用全智能控制，微机监测，利用西门康大功率晶闸管反并联投切开关，实现对多级电容器组的快速过零投切。电容器组投切准确，无涌流冲击、无过渡过程、无振荡现象、无操作过电压，通过电容器提供的容性无功来抵消系统中的感性无功，来达到提高系统功率因数的目的。

图3 动态无功补偿结构图

3 案例分析

3.1 工况介绍

山东某轮胎厂密炼车间配电系统由 1 台10kV/0.4kV 主变供电，主变容量为2000kVA，主要负荷为变频起动设备、照明及大容量感性负荷（以电动机为主）等非线性负荷，导致了该车间负荷电流存在严重的谐波，其中谐波电流以5 次、7 次为主， 400V 低压母线的电压总畸变率达到5%以上，电流总畸变率（THD）达到了15%左右，造成400V低压供配电系统电压总谐波畸变率严重超标，并导致了用电设备和变压器存在严重的谐波功率损耗。同时，该车间所有变压器负荷电流都存在严重的无功功率需求，部分变压器平均功率因数仅为0.6 左右，存在严重的功率损耗问题，并导致变压器输出有功容量严重不足。 由于存在大量的谐波电流和大量的无功功率需求，导致主变压器发热严重。

3.2 测试数据

1）相电压的整周期测量数据

密炼机的电压趋势图如图4所示，从图中可以看出密炼机的电压波动相当频繁，并有谐波电压存在。

图4 A 相电压周期测量图

2）相电流的整周期测量数据

密炼机的电流趋势图如图5所示，从图中可以看出密炼机的电流波动相当频繁，电流在 300～1500A 之间变化，最大冲击电流可达到2400A 左右。

图5 A 相电流周期测量图

3）谐波分析

密炼机的谐波电流频谱如图6所示，密炼机的主要特征谐波为5、7、11 次谐波，5 次谐波的绝对值高达260A，一般在160A 以内。

图6 A 相电流周期测量图

4）闪变分析

密炼机的工作运行时如图7所示，造成了严重的闪变。

图7 A 相闪变测量图

5）功率需量

如图8所示，负载因数69.7%，功率最大需量是489kW。

图8 功率需量图

6）报表统计

根据表1计算得，谐波电流畸变率为21.9%， 功率因数由0.6 提高到0.95 以上需要基波无功补偿容量为500kvar，选取电容器额定为480V，安装容量为800kvar。

3.3 有源滤波器技术方案

针对满负荷时谐波电流有效值278A，选取型号为DY-APFK-0.4/3L-300A 的有源滤波器进行滤除，技术性能：滤波容量300A；滤波范围2～50 次，各次谐波补偿均可分别设定；滤波能力97%；响应速度，闭环≤20ms；过载能力120%；运行噪声≤60dB。

表1 统计报表

表2 有源滤波装置配置表

3.4 动态无功补偿装置的技术方案

本装置的无功需求容量为800kvar，选取型号为DY-TSC-0.48-400-7%的晶闸管投切动态无功补偿装置进行动态补偿，每台的安装容量为400kvar，基波补偿容量为280kvar，8 个支路，每个支路50kvar，柜体尺寸1000*1000*2200，基于晶闸管投切动态无功补偿装置的关键元器件主要包括电容器、电抗器、晶闸管等器件。

表3 无功补偿装置配置表

4 实施效果

4.1 综合治理补偿效果

装置投运后，取得了优良的补偿效果，功率因数得以明显提高、谐波降低、配电变压器的温升显著降低。

4.2 谐波滤除明显

基于全桥拓扑结构的智能扩展式有源滤波器DY-APFK投入后，5次谐波电流从178A降到了36A,7次谐波电流从18.2A 降到了4.7A，5 次谐波滤除率达到80%，7 次谐波滤除率达到74%，总谐波畸变率由14.95%降到了4.12%，与预期效果吻合。

图9

图10

4.3 完美的功率因数补偿

基于零电流投切的晶闸管投切动态无功补偿装置投入后，密炼机系统的功率因数明显提高，功率因数由0.57 提高到了0.98，视在功率由346kvar 提高到416kvar，基波无功282kvar 降到74kvar，节能效果明显。

图11

5 结论

对于橡胶轮胎行业存在的功率因数低和谐波含量高的问题，采用有源滤波器和晶闸管投切动态无功补偿装置组合方案进行治理后得到了明显的效果，有效的保证了其低压配电系统的安全运行，同时降低了电能损耗。建议新建轮胎厂在设计阶段应充分考虑电能质量综合治理，并纳入轮胎行业的设计建造规范中，使得有源滤波器的设计和应用更符合轮胎行业的设计建造规范，电能质量的治理更加完美。