1 引言
陽(yáng)極氧化是鋁型材表面處理普遍應(yīng)用的工藝，在陽(yáng)極氧化工藝過(guò)程中目前廣泛使用的氧化電源是晶閘管整流電源。晶閘管整流電源作為一種具有非線性特性的產(chǎn)生諧波的設(shè)備，其從電網(wǎng)取用的電流是非正弦波形，其諧波分量使系統(tǒng)正弦電壓產(chǎn)生畸變。隨著鋁型材工廠產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，氧化電源的功率等級(jí)不斷提高，目前單機(jī)輸出已達(dá)到25KA，工廠內(nèi)使用的氧化電源的數(shù)量也越來(lái)越多。大量使用晶閘管整流電源作為鋁型材氧化電源，必然會(huì)造成鋁型材工廠內(nèi)的供電系統(tǒng)諧波污染嚴(yán)重，功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)，能源損耗嚴(yán)重，在國(guó)家對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求日趨嚴(yán)格，大力提倡節(jié)能降耗的今天，采用合適的方案對(duì)氧化電源所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行治理，并提高其功率因數(shù)，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。
2 諧波的定義及危害
2.1 諧波的定義
供電系統(tǒng)諧波的定義是對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1）稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics）或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實(shí)際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測(cè)量、危害及抑制，其頻率范圍一般為2≤n≤40。
2.2 諧波的危害
電力諧波的大量存在會(huì)直接影響用電的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、以及生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性?？偟恼f(shuō)來(lái)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）供用電設(shè)備在高頻分量作用下，集膚效應(yīng)增大、渦流、磁滯等影響增加，引起異常過(guò)熱，損耗大為增加；
（2）由于諧波頻率的疊加影響導(dǎo)致頻率不穩(wěn)，使旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，附加損耗增加，供用電設(shè)備機(jī)械振動(dòng)加大，甚至發(fā)生機(jī)械諧振；
（3）諧波成份使電流和電壓波形產(chǎn)生畸變，波峰的畸變會(huì)使對(duì)峰值敏感的設(shè)備或元件受影響(如過(guò)電壓引起擊穿或過(guò)電流引起誤動(dòng)) ，而波形過(guò)零點(diǎn)的畸變直接對(duì)測(cè)控元件或設(shè)備產(chǎn)生干擾和誤動(dòng)。
3 氧化電源諧波分析
3.1 氧化電源工作原理
氧化電源采用三相六脈波整流方案，原邊晶閘管調(diào)壓，副邊二極管整流。整流變壓器選用雙反星形五芯柱變壓器?？刂葡到y(tǒng)由調(diào)節(jié)控制單元、IOP觸摸屏、PLC調(diào)節(jié)器等部分組成。如下圖1是氧化電源系統(tǒng)框圖。
圖1 鋁型材氧化電源系統(tǒng)框圖
3.2 氧化電源的諧波分析與計(jì)算各種晶閘管電路產(chǎn)生的諧波次數(shù)與其電路形成有關(guān)，稱為電路的特征諧波。對(duì)稱三相變流電路的網(wǎng)側(cè)特征諧波次數(shù)為：
n=kp±1 k=1、2、3…（正整數(shù)）
式中p為一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)脈沖觸發(fā)次數(shù)（或稱脈動(dòng)次數(shù)）。
進(jìn)行諧波分析和計(jì)算最有意義的是特征諧波，如5，7，11，13次等。工程上也主要考慮濾除諧波源設(shè)備的特征諧波，其它諧波含量很小可以忽略。
由上圖1氧化電源系統(tǒng)框圖可見(jiàn)，氧化電源是一種典型的六脈沖整流設(shè)備，其特征諧波是5、7、11、13次諧波等，可以依據(jù)六相整流設(shè)備理論計(jì)算模型計(jì)算整流電源產(chǎn)生的各次主要諧波電流值：其中，5次I5 ≈0.175 I1、7次I7 ≈0.11 I1、11次I11 ≈0.045 I1、13次I13 ≈0.029 I1。這在工程應(yīng)用上已經(jīng)足夠精確。按380V電網(wǎng)側(cè)短路容量10MVA計(jì)算，額定輸出DC24KA/22V的氧化電源380V總進(jìn)線側(cè)各次諧波電流計(jì)算值如下表1所示，諧波治理要以該表為依據(jù)，以滿足國(guó)標(biāo)限值為治理目標(biāo)。
表1 氧化電源進(jìn)線諧波電流和國(guó)標(biāo)允許值
4 氧化電源諧波治理方案
4.1 方案選擇
鋁型材氧化電源特征諧波為5次、7次以及11次、13次諧波，其它諧波含量很少，可以忽略。并且氧化電源在為氧化槽提供直流電的過(guò)程中，輸出保持恒定，而且無(wú)特殊情況一般都保持較高功率或額定輸出，因此可以將氧化電源看成是一種諧波含量穩(wěn)定，諧波成分單一，功率較大的直流電源設(shè)備和諧波源設(shè)備。
對(duì)于這樣一類大功率諧波源，從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等角度分析，采用低壓LC無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置是合適的。無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置采用串聯(lián)諧振原理，由電力電容器、電抗器和電阻器等適當(dāng)組合而成，組成若干單調(diào)諧及高通濾波支路，和諧波源并聯(lián)運(yùn)行，除具有無(wú)功補(bǔ)償作用外，最重要還可以吸收諧波電流，有效地減小諧波量。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便。
從安裝角度分析：無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置適用于在諧波源處就地治理安裝，集中補(bǔ)償將很難避免諧振發(fā)生；對(duì)于氧化電源這樣大容量的諧波源來(lái)說(shuō)，就地治理也比較經(jīng)濟(jì)合理，效果最好，可以有效減少諧波電流在傳輸電纜上造成的功率損耗。
另外，氧化電源引起諧波超標(biāo)的主要是5、7次諧波，所以從工程角度考慮，濾波補(bǔ)償方案以吸收5、7次諧波為主；同時(shí)設(shè)計(jì)上還兼顧考慮對(duì)11、13次諧波部分吸收作用。
下圖2是DC24KA/22V氧化電源配套低壓無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置一次系統(tǒng)圖：
圖2 低壓無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置一次系統(tǒng)圖
4.2 仿真分析及校驗(yàn)
采用低壓無(wú)源濾波補(bǔ)償方案，用仿真軟件分析比較了多種效果。由于系統(tǒng)中的實(shí)際諧波量比較大，在相同基波的補(bǔ)償容量下，采用5、7次濾波組合有利于對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)無(wú)功補(bǔ)償及最大限度吸收5,7次諧波電流，同時(shí)避免對(duì)對(duì)其它次諧波放大。由于系統(tǒng)中11次及以上諧波分量本身就比較小，故不會(huì)產(chǎn)生太大影響。
濾波補(bǔ)償裝置投入后系統(tǒng)穩(wěn)定，不會(huì)與用戶供電系統(tǒng)發(fā)生整數(shù)次的特征諧波放大，且對(duì)系統(tǒng)的5次諧波吸收率達(dá)到了75%以上，7次諧波電流吸收率達(dá)到60%以上，11次及以上諧波電流平均吸收率也達(dá)到40%以上。下表2列出了低壓無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置投入后氧化電源總進(jìn)線側(cè)諧波值的減小情況，圖2是用福祿克電能質(zhì)量分析儀FLUKE 43B實(shí)際測(cè)到的濾波補(bǔ)償投入前后對(duì)比圖。由表2數(shù)據(jù)和圖3對(duì)比圖可見(jiàn)：無(wú)源濾波補(bǔ)償設(shè)備投入后運(yùn)行穩(wěn)定，濾波效果明顯，可以達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，平均功率因數(shù)達(dá)到了0.92以上。
表2 投入濾波器后氧化電源總進(jìn)線側(cè)諧波值
圖3 濾波補(bǔ)償投入前后對(duì)比圖
5 結(jié)論
本文提出了一種鋁型材氧化電源的諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償方案。對(duì)氧化電源的諧波進(jìn)行了分析，并對(duì)低壓無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后根據(jù)工程實(shí)踐對(duì)裝置的濾波補(bǔ)償效果進(jìn)行了仿真分析及校驗(yàn)。鋁型材氧化電源就地安裝低壓LC無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，經(jīng)濟(jì)成本合理，濾除諧波、無(wú)功補(bǔ)償效果及節(jié)能明顯，具有很好的實(shí)用性和推廣價(jià)值。