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摘要：文章对中频炉谐波产生原理及谐波特点进行分析，并对珠海凌达压缩机有限公司铸造车间中频炉谐波进行测量提出治理方案，以减少谐波对电网的影响，提高电网质量。
关键词：谐波；中频炉
中图分类号：TF748.422 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）08-0037-03
中频炉是将工频交流电整流成直流后转变为中频交流电的电源装置，一般频率可达300～1 000 Hz。中频电流通过电容和感应线圈在线圈中形成高密度磁力线，切割线圈中的金属材料并产生涡流使金属材料熔化。
中频炉工作时产生的谐波会增加变压器和电网损耗，对继电保护及计量设施产生干扰，谐波还会使无功补偿电容器回路被放大。本文通过对中频炉整流电路进行分析，对珠海凌达压缩机有限公司的中频炉谐波进行测量，并通过分析及测量对谐波提出治理方案，以达到提高电网质量的目的。
1 谐波简析
从严格意义上说谐波是指电流中所含有的频率为基波整数倍的电量，我们正常使用的电网电压波形可看作是正弦波，其电压可表示为：
式中，u为电压有效值，α为相角，ω为频率。
当一个正弦电压源加在一个非线性装置上时，其产生的电流不是完全的正弦波形。由于存在系统阻抗，将造成非正弦的压降，因而在负荷端引起电压畸变，也就是我们平常所说的谐波。
对于周期为T=2π/ω的非正弦电压u（ωt），当满足狄里赫利条件，则傅里叶级数展开为：
上式中频率与工频相同的分量成为基波，频率为基波整数倍的分量称为谐波（同理可得出非正弦电流）。
n次谐波电压及电流含有率分别为：
式中，Un为n次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值，In为n次谐波电流有效值，I1为基波电流有效值。
谐波电压含有量UH及电流含有量IH分别为。
电压谐波总畸率及电流谐波总畸变率分别为。
2 中频炉整流电路谐波分析
我们通过目前常用的6脉动和12脉动整流电路对对中频炉产生的谐波情况进行分析。
6脉动整流电路指以6个晶闸管组成的三相桥式整流电路，如图1所示。
如电路满足狄利克雷条件，即直流侧电感无穷大，交流侧电抗为零，迟触发角α为零，对交流侧电流按傅里叶级数展开为：
通过上面的公式可以看出，6脉动整流电路谐波分量主要为5、7、11、13等6k±1（k为整数）次，因此6脉动整流电路的特征谐波分量主要为6k±1（k为整数）次。
12脉动整流电路有两组6脉动的桥式电路并联组成，如图2所示。
两组桥的交流侧分别接到三绕组变压器的两个二次绕组上，一个绕组是星型接法，另一个是三角形加法，两者线电压相位差为30度。同6脉动整流电路一样，若变压器绕组满足狄利克雷理想条件。则Ⅰ、Ⅱ的网侧电流傅里叶级数展开分别为：
根据以上两式相加得整个电路电流：
通过上面的公式可以看出，12脉动整流电路中主要为11、13、23、25等次谐波，即12 k±1次谐波（k为整数）。在上式中我们可以看出5、7、17次谐波相互抵消，因此12脉动整流电路的特征谐波为12 k±1次谐波。
通过上面对两种电路的分析，可以得出，a脉动整流电路的特征谐波数为（ak±1），由于理想条件难以满足整流电路中除了特征谐波以外还存在其他次的谐波。
3 现场谐波测试情况
为了进一步验证中频炉的谐波水平及验证分析结果，对珠海凌达压缩机有限公司铸造车间的中频炉进行谐波测试。该中频炉600 kW，选用6脉动整流电路，变压器Dy11接法。由于变压器的主要负载为中频炉，因此我们测试点选在了变压器出线母线处，测量使用的工具为FLUKE 1760专家型电能质量测试仪，测试时设备按正常生产进行。
在测试中我们发现，在生产过程中三相电压畸变明显，波形存在毛刺，也不再是平滑的正弦波。三相电流波形畸变明显，呈现出整流设备的特性。随着负载的变化，电压电流畸变率也随之变化。表1中我们针对各次谐波的情况进行了统计并对谐波畸变量进行了计算。
从表1可以看出，正常生产时系统电压为239 V，基波电流为812 A。其中主要存在的是5、7和11次谐波，谐波电压总畸变率达到7.23%，谐波电流总畸变率24%。符合我们前面关于6脉动整流电路中特征谐波的分析。
根据国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》的规定，电压及电流允许畸变量如表2、3中要求。通过表4的对比可以看出，5次谐波电压畸变率、电流畸变率超过国标要求，7和11次谐波的电流畸变率超过国标要求，电流及电压总畸变率超过国标要求，需要进行有效治理。
4 谐波治理措施
目前谐波治理主要有无源滤波、有源滤波及混合型滤波等方案。有源滤波器的滤波效果要优于无源滤波器，一般成本较高，实际使用中主要用于谐波量复杂且变化较大的场合。无源滤波器结构简单投入成本小，滤波效果受系统变化的影响较大。
根据以上的测量和分析，凌达公司铸造车间的谐波成分相对简单，其中5、7和11次谐波较严重，同时考虑到投入成本等问题，可采用无源滤波装置对其进行治理。在变压器低压侧安装5、7次单调谐滤波结构，滤除5和7次谐波；同时安装11次二阶高通滤波器结构，用于滤除11次及以上的谐波电流。
5 谐波治理效果分析
无源滤波可看作是无源滤波器与谐波源并联的电路，可以简化为图3的电路。以5次滤波结构为例，在忽略电感及电路阻抗的情况下，当L5与C5在5次谐波时产生谐振使其回路阻抗等于0，因此5次谐波通过滤波电路被短路。实际上由于电路和电感存在阻抗，因此有极小的5次谐波电流反馈到电网中，但由于分量很小不会产生影响。同理可得7次及11次滤波结构能够较好的对相应谐波量进行吸收。
在图3中，若去掉电感L5，则该电路就变成普通的无功补偿电路。滤波电路的阻抗，当不带电抗器时其阻抗，通过两者的比值可以反应出滤波回路中电抗器对回路阻抗的影响程度，通过计算可得，在基波的情况下，5次滤波器对外所表现的特性阻抗为0.96ZC5，同样按照上面的计算也可得出7次及11次滤波器对外所表现的特性阻抗。
综上，采用推荐的滤波方案不但完成了滤波任务，同时还对无功进行了补偿。在实际的操作过程中，需要综合无功补偿一起考虑，防止补偿不到位或者过补偿的情况。
6 结 语
随着中频炉在工业中的数量和容量不断增多，谐波对电网的影响也将增大。通过对中频炉谐波进行分析，并且对不同次的谐波进行有针对的治理，可有效减少谐波对电网的影响，提高电网的质量。
参考文献：
[1] 汪光华.基于无源滤波的中频炉谐波治理研究[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2011，（7）.
[2] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[3] 潘双双.中频电炉谐波实测分析及抑制措施[J].低壓电器，2008，（19）.
[4] GB/T 14549-1993，电能质量公用电网谐波[S].
[5] 王亮.中频炉工作原理及谐波治理[J].大众用电，2005，（12）.
[6] 周勇，王文峰，赵慧光.电容器的谐波放大问题分析[J].郑州大学学报，2005，（26）.
[7] 刘圣奇.无源/有源滤波原理及其应用分析[J].湖南工业大学学报，2009，（5）.
关键词：谐波；中频炉
中图分类号：TF748.422 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）08-0037-03
中频炉是将工频交流电整流成直流后转变为中频交流电的电源装置，一般频率可达300～1 000 Hz。中频电流通过电容和感应线圈在线圈中形成高密度磁力线，切割线圈中的金属材料并产生涡流使金属材料熔化。
中频炉工作时产生的谐波会增加变压器和电网损耗，对继电保护及计量设施产生干扰，谐波还会使无功补偿电容器回路被放大。本文通过对中频炉整流电路进行分析，对珠海凌达压缩机有限公司的中频炉谐波进行测量，并通过分析及测量对谐波提出治理方案，以达到提高电网质量的目的。
1 谐波简析
从严格意义上说谐波是指电流中所含有的频率为基波整数倍的电量，我们正常使用的电网电压波形可看作是正弦波，其电压可表示为：
式中，u为电压有效值，α为相角，ω为频率。
当一个正弦电压源加在一个非线性装置上时，其产生的电流不是完全的正弦波形。由于存在系统阻抗，将造成非正弦的压降，因而在负荷端引起电压畸变，也就是我们平常所说的谐波。
对于周期为T=2π/ω的非正弦电压u（ωt），当满足狄里赫利条件，则傅里叶级数展开为：
上式中频率与工频相同的分量成为基波，频率为基波整数倍的分量称为谐波（同理可得出非正弦电流）。
n次谐波电压及电流含有率分别为：
式中，Un为n次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值，In为n次谐波电流有效值，I1为基波电流有效值。
谐波电压含有量UH及电流含有量IH分别为。
电压谐波总畸率及电流谐波总畸变率分别为。
2 中频炉整流电路谐波分析
我们通过目前常用的6脉动和12脉动整流电路对对中频炉产生的谐波情况进行分析。
6脉动整流电路指以6个晶闸管组成的三相桥式整流电路，如图1所示。
如电路满足狄利克雷条件，即直流侧电感无穷大，交流侧电抗为零，迟触发角α为零，对交流侧电流按傅里叶级数展开为：
通过上面的公式可以看出，6脉动整流电路谐波分量主要为5、7、11、13等6k±1（k为整数）次，因此6脉动整流电路的特征谐波分量主要为6k±1（k为整数）次。
12脉动整流电路有两组6脉动的桥式电路并联组成，如图2所示。
两组桥的交流侧分别接到三绕组变压器的两个二次绕组上，一个绕组是星型接法，另一个是三角形加法，两者线电压相位差为30度。同6脉动整流电路一样，若变压器绕组满足狄利克雷理想条件。则Ⅰ、Ⅱ的网侧电流傅里叶级数展开分别为：
根据以上两式相加得整个电路电流：
通过上面的公式可以看出，12脉动整流电路中主要为11、13、23、25等次谐波，即12 k±1次谐波（k为整数）。在上式中我们可以看出5、7、17次谐波相互抵消，因此12脉动整流电路的特征谐波为12 k±1次谐波。
通过上面对两种电路的分析，可以得出，a脉动整流电路的特征谐波数为（ak±1），由于理想条件难以满足整流电路中除了特征谐波以外还存在其他次的谐波。
3 现场谐波测试情况
为了进一步验证中频炉的谐波水平及验证分析结果，对珠海凌达压缩机有限公司铸造车间的中频炉进行谐波测试。该中频炉600 kW，选用6脉动整流电路，变压器Dy11接法。由于变压器的主要负载为中频炉，因此我们测试点选在了变压器出线母线处，测量使用的工具为FLUKE 1760专家型电能质量测试仪，测试时设备按正常生产进行。
在测试中我们发现，在生产过程中三相电压畸变明显，波形存在毛刺，也不再是平滑的正弦波。三相电流波形畸变明显，呈现出整流设备的特性。随着负载的变化，电压电流畸变率也随之变化。表1中我们针对各次谐波的情况进行了统计并对谐波畸变量进行了计算。
从表1可以看出，正常生产时系统电压为239 V，基波电流为812 A。其中主要存在的是5、7和11次谐波，谐波电压总畸变率达到7.23%，谐波电流总畸变率24%。符合我们前面关于6脉动整流电路中特征谐波的分析。
根据国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》的规定，电压及电流允许畸变量如表2、3中要求。通过表4的对比可以看出，5次谐波电压畸变率、电流畸变率超过国标要求，7和11次谐波的电流畸变率超过国标要求，电流及电压总畸变率超过国标要求，需要进行有效治理。
4 谐波治理措施
目前谐波治理主要有无源滤波、有源滤波及混合型滤波等方案。有源滤波器的滤波效果要优于无源滤波器，一般成本较高，实际使用中主要用于谐波量复杂且变化较大的场合。无源滤波器结构简单投入成本小，滤波效果受系统变化的影响较大。
根据以上的测量和分析，凌达公司铸造车间的谐波成分相对简单，其中5、7和11次谐波较严重，同时考虑到投入成本等问题，可采用无源滤波装置对其进行治理。在变压器低压侧安装5、7次单调谐滤波结构，滤除5和7次谐波；同时安装11次二阶高通滤波器结构，用于滤除11次及以上的谐波电流。
5 谐波治理效果分析
无源滤波可看作是无源滤波器与谐波源并联的电路，可以简化为图3的电路。以5次滤波结构为例，在忽略电感及电路阻抗的情况下，当L5与C5在5次谐波时产生谐振使其回路阻抗等于0，因此5次谐波通过滤波电路被短路。实际上由于电路和电感存在阻抗，因此有极小的5次谐波电流反馈到电网中，但由于分量很小不会产生影响。同理可得7次及11次滤波结构能够较好的对相应谐波量进行吸收。
在图3中，若去掉电感L5，则该电路就变成普通的无功补偿电路。滤波电路的阻抗，当不带电抗器时其阻抗，通过两者的比值可以反应出滤波回路中电抗器对回路阻抗的影响程度，通过计算可得，在基波的情况下，5次滤波器对外所表现的特性阻抗为0.96ZC5，同样按照上面的计算也可得出7次及11次滤波器对外所表现的特性阻抗。
综上，采用推荐的滤波方案不但完成了滤波任务，同时还对无功进行了补偿。在实际的操作过程中，需要综合无功补偿一起考虑，防止补偿不到位或者过补偿的情况。
6 结 语
随着中频炉在工业中的数量和容量不断增多，谐波对电网的影响也将增大。通过对中频炉谐波进行分析，并且对不同次的谐波进行有针对的治理，可有效减少谐波对电网的影响，提高电网的质量。
参考文献：
[1] 汪光华.基于无源滤波的中频炉谐波治理研究[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2011，（7）.
[2] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[3] 潘双双.中频电炉谐波实测分析及抑制措施[J].低壓电器，2008，（19）.
[4] GB/T 14549-1993，电能质量公用电网谐波[S].
[5] 王亮.中频炉工作原理及谐波治理[J].大众用电，2005，（12）.
[6] 周勇，王文峰，赵慧光.电容器的谐波放大问题分析[J].郑州大学学报，2005，（26）.
[7] 刘圣奇.无源/有源滤波原理及其应用分析[J].湖南工业大学学报，2009，（5）.