動(dòng)態(tài)諧波濾波節(jié)能裝置在篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)變頻機(jī)組中的應(yīng)用

  前言：

  治理諧波的濾波產(chǎn)品已問世多年，國內(nèi)外也有眾多的生產(chǎn)廠家，諧波治理后的好處，大家也明白，但為什么我們這個(gè)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(rèn)為產(chǎn)品的宣傳和實(shí)際效果差別很大，是產(chǎn)品投資和回報(bào)不明確而造成的。我們?yōu)榱四芨闱鍨V波產(chǎn)品節(jié)能增效的道理，不怕成為第一個(gè)吃螃蟹的人，先后已與南京康迪欣電氣成套設(shè)備有限公司技術(shù)人員和武漢理工大學(xué)教授進(jìn)行座談，達(dá)成協(xié)議。去年十月在篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)變頻機(jī)組進(jìn)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(dá)到5%左右。所以，我們想把動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置在我公司應(yīng)用的情況及我們對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)和體會(huì)介紹給大家,讓水泥企業(yè)的同行們分享該產(chǎn)品的技術(shù)成果。

  1、對(duì)諧波的認(rèn)識(shí)和諧波的危害

  治理諧波的濾波產(chǎn)品在國內(nèi)外有眾多的生產(chǎn)廠家。治理諧波后的好處大家也明白一些，但為什么應(yīng)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(chǎn)廠家，沒有一家使用濾波治理諧波的產(chǎn)品呢？經(jīng)過實(shí)地調(diào)研和探討，不難發(fā)現(xiàn)問題之所在是：大多數(shù)水泥廠對(duì)諧波的產(chǎn)生，諧波對(duì)電氣設(shè)備的危害及治理諧波的必要性還存在誤區(qū)和認(rèn)識(shí)不足；認(rèn)為治理不治理諧波對(duì)水泥生產(chǎn)無關(guān)緊要，就是有點(diǎn)諧波影響了部分電氣設(shè)備也不影響正常生產(chǎn)；另外安裝諧波濾波產(chǎn)品后，能節(jié)能多少？能給企業(yè)帶來什么效果？對(duì)窯、磨正常運(yùn)行是否有影響？這些問題都是水泥企業(yè)想要了解的。因?yàn)楝F(xiàn)今水泥廠競(jìng)爭(zhēng)激烈，都想要在降耗增產(chǎn)方面下功夫，那就必須在節(jié)能增效方面做出業(yè)績(jī)，所以說節(jié)能增效就是當(dāng)前水泥企業(yè)的重中之重。筆者有幸和武漢理工大學(xué)的教授和南京康迪欣電氣成套設(shè)備公司的技術(shù)人員進(jìn)行多次交流座談，對(duì)諧波的認(rèn)識(shí)和危害有了更具體的了解。

  1.1、對(duì)諧波的認(rèn)識(shí)：

  （1）在水泥企業(yè)中大量應(yīng)用電力電子元件為基礎(chǔ)的電源設(shè)備如：各種變流設(shè)備（整流器、逆變器、變頻器、相控調(diào)速和調(diào)壓裝置、大容量電力晶閘管可控開關(guān)設(shè)備）均為非線性負(fù)載，這些設(shè)備在工作中向電源反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電力質(zhì)量變壞，所以說諧波是電力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

  （2）電網(wǎng)供給非線性負(fù)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(shù)倍的諧波組成，即產(chǎn)生了諧波，使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真，另外電網(wǎng)還必須向負(fù)載產(chǎn)生的諧波提供額外的電能。

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

  （4）水泥廠電氣技術(shù)人員雖然和電氣設(shè)備打交道多年，但對(duì)諧波的認(rèn)識(shí)不足，有一些故障如：無功功率補(bǔ)償柜投入不了，合不上開關(guān)。甚至有的電容補(bǔ)償柜爆炸，跳仃窯、磨。電動(dòng)機(jī)莫名其妙地?zé)龤?，電纜母排配電設(shè)備發(fā)熱，繼電器誤動(dòng)作、控制系統(tǒng)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(shè)備均為晶閘管六波頭負(fù)載，這些設(shè)備產(chǎn)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(cè)量到諧波，增加了諧波的神秘感。

  （6）為了減少諧波對(duì)供電系統(tǒng)的影響，最根本的方法是要從產(chǎn)生諧波的源頭抓起。設(shè)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(chǎn)正常運(yùn)行。

  1.2、諧波的危害

  （1）諧波電流使受電設(shè)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(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設(shè)備。

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

  （3）諧波電流使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生額外的銅損、鐵損、振動(dòng)噪聲加大，使電動(dòng)機(jī)輸出功率降低，轉(zhuǎn)矩降低，效率降低。

  （4）諧波電流導(dǎo)致控制系統(tǒng)畸變，電壓零點(diǎn)漂移，使控制系統(tǒng)失控，影響鄰近的電力電子設(shè)備和通訊系統(tǒng)，影響設(shè)備正常運(yùn)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(bǔ)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(wǎng)供電系統(tǒng)的品質(zhì)因素，非正弦的基波導(dǎo)致電網(wǎng)電壓失真，造成電網(wǎng)供電污染。

  通過座談了解到動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置優(yōu)越性能和新穎特點(diǎn)。該產(chǎn)品不但能有效的治理諧波，同時(shí)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(chǎn)品已在南京某水泥廠應(yīng)用二年多，產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該產(chǎn)品智能化操作，諧波取樣電流達(dá)到開機(jī)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)開機(jī)。諧波取樣電流達(dá)到停機(jī)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停機(jī)。該產(chǎn)品具有過電流、過電壓保護(hù)，同時(shí)還對(duì)諧波放大時(shí)的過電流、過電壓沖擊保護(hù)。由于有多方位的多重保護(hù)，就不會(huì)影響主機(jī)的正常運(yùn)行。做到真正的無人值守的高新技術(shù)產(chǎn)品。

  2、動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置原理及特點(diǎn)

  動(dòng)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(lián)，電容器根據(jù)濾除諧波頻次和可變電抗器KL可調(diào)參數(shù)進(jìn)行分布式投切；可變電抗器KL的二次繞組與功率變換器構(gòu)成電力電子阻抗變換器，通過動(dòng)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(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)諧，治理諧波的目的。

  動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置原理示意圖如圖1所示。

                      圖1 動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置原理示意圖

  動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置在基波頻率條件下，對(duì)供電系統(tǒng)或電力負(fù)載進(jìn)行無功補(bǔ)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(dá)到最大值，大幅度減少諧波危害，提高電能質(zhì)量。

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

  圖2  嵌入式屏界面

  經(jīng)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(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置的電流整形效果很好；經(jīng)過諧波濾波后，電源污染得以清潔，從而利于設(shè)備的正常運(yùn)行。

  圖3  電流整形效果圖

  動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置的特點(diǎn)：將傳統(tǒng)機(jī)械式單繞組電抗器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有一次和二次繞組的電抗變換器結(jié)構(gòu)，并與電力電子變換器構(gòu)成電力電子電抗器和電容器的電路，磁路耦合，組成動(dòng)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(diào)，阻抗可變的特點(diǎn)；借助于動(dòng)態(tài)諧波濾波器電路，采用智能控制算法，動(dòng)態(tài)搜索跟蹤諧波源，使濾波支路中諧波吸收電流達(dá)到最大值，使濾波效果及精度均能達(dá)到保證；該產(chǎn)品兼有源濾波器和無源濾波器的特點(diǎn)，濾波穩(wěn)定，性價(jià)比好。

  3、動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置在篦冷機(jī)的應(yīng)用和效果分析

  2014年10月在我廠2500T/D生產(chǎn)線窯頭篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)變頻機(jī)組首次應(yīng)用動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置。篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)機(jī)組共有12臺(tái)風(fēng)機(jī)，其中有6臺(tái)變頻電機(jī)，裝機(jī)容量542kw（其余6臺(tái)風(fēng)機(jī)是軟啟動(dòng)），如表1所示。

  表1 冷卻機(jī)風(fēng)機(jī)表

  動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置投入前，經(jīng)諧波測(cè)試儀對(duì)篦冷機(jī)變頻機(jī)組控制柜母排進(jìn)行諧波測(cè)試，其5次諧波如圖4所示。

  圖4 濾波柜投入前，變頻機(jī)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(fù)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(jī)組的諧波干擾使車向配電室母排發(fā)熱，用電設(shè)備發(fā)熱，電容濾波柜里的電容發(fā)熱甚至燒毀炸裂，嚴(yán)重時(shí)引起電機(jī)發(fā)熱，甚至燒毀，也會(huì)影響窯頭控制系統(tǒng)和計(jì)量裝置的正常運(yùn)行。

  圖5 濾波柜投入后，變頻機(jī)組控制柜母排5次諧波

  投入動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置后，經(jīng)諧波測(cè)試儀對(duì)篦冷機(jī)控制柜母排進(jìn)行諧波測(cè)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(jī)組控制柜母排電流有效值

  圖7、濾波柜投入后，變頻機(jī)組控制柜母排電流有效值

  圖6、圖7是動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置未投入和投入后的二張?bào)骼錂C(jī)變頻機(jī)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(shí)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(diǎn)和下午3點(diǎn)抄篦冷機(jī)控制柜電度表，找一個(gè)平均電度值，投入后也是抄表10天，早上9點(diǎn)和下午3點(diǎn)，找出電度平均值， 進(jìn)行比較后，得到一個(gè)結(jié)論：投入動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置后，篦冷機(jī)變頻機(jī)組控制柜，電度表顯示每小時(shí)可節(jié)電25kwh/H,這樣如果連續(xù)運(yùn)行一年的節(jié)電量及電費(fèi)： 24H*25KWH/H*365D*0.68元/KWH=148920元。由此可見當(dāng)年投入動(dòng)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(shí)又消除諧波，提高無功功率，消減設(shè)備發(fā)熱，提高電氣設(shè)備使用壽命，又消除諧波干擾。深受企業(yè)歡迎。

  4、 結(jié)語

  動(dòng)態(tài)諧波節(jié)能裝置在2500T/D的水泥生產(chǎn)線上應(yīng)用幾個(gè)月后，又在5000T/D的水泥生產(chǎn)線上的窯頭篦式冷卻機(jī)變頻機(jī)組和窯中直流傳動(dòng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，筆者認(rèn)為該產(chǎn)品濾波效果明顯，節(jié)能效益突出，是因?yàn)樵撗b置改變了產(chǎn)品單一濾波消諧功能的同時(shí)加大對(duì)產(chǎn)品節(jié)能增效方面的改進(jìn)，達(dá)到5%—8%的節(jié)電效果。

  該產(chǎn)品發(fā)揚(yáng)了有源濾波，無源濾波的各自特點(diǎn)，修正了各自的缺陷，是獨(dú)樹一幟，別具一格的新穎高新技術(shù)產(chǎn)品，它的節(jié)能增效的新穎特點(diǎn)，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(chǎn)線如果能全部應(yīng)用動(dòng)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(chǎn)做出一定的貢獻(xiàn)。