中频炉谐波仿真分析Word文档格式.docx

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Abstract

AsthedevelopmentofChinesesteelindustry,theenterprisehasbeginningtousepowersteelmakingofintermediatefrequencyfurnacesteelmakinginrecentyears.Thereareadvantagesanddisadvantagesoftheapplyingofmediumfrequencysmeltingtechnology.Ontheonehand,itcanreducethepollutionandenergylossesofthesteelindustry,improvethesteelworkers'

workingenvironmentandresultinthehigheconomicefficiencyandthesocialefficiency.Ontheotherhand,becauseofintermediatefrequencyinverterpowerrectifierandequipmentofnonlinear,itmakesalargenumberofharmonicwhichthreatensthesafetyofelectricalequipmentandpowergriditself.

ThispaperismainlybasedonMATLAB/SimPowerSystemsofintermediatefrequencyfurnaceharmonicsimulationanalysis,themainworkareasfollows:

（1）introducestheworkprincipleofintermediatefrequencyfurnace.

（2）realizedtheintermediatefrequencyfurnaceSimPowerSystemssimulation.

（3）realizedtheSimPowerSystemssimulationofdecreasingtherectifiertransformerleakageresistanceandaddingthepassivefilterfortheinfluenceoftheharmonicsofintermediatefrequencyfurnace.

Keywords：

intermediatefrequencyfurnace,harmonics,SimPowerSystems,simulate,restraintmeasures

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.2中频炉发展概况及趋势2

1.2.1感应加热电源的发展概况2

1.2.2感应加热电源的发展趋向3

1.3本文的主要工作3

第2章中频炉的工作原理与结构4

2.1中频炉的工作原理4

2.2中频电源的结构4

2.2.1变压器与整流装置4

2.2.2续流二极管5

2.2.3滤波电路5

2.2.4逆变器5

第3章电力系统中的谐波10

3.1谐波的基本概念10

3.2谐波分析的基础10

3.3谐波的产生及影响11

3.4电力系统谐波抑制方案12

第4章MATLAB/SimPowerSystems仿真工具13

4.1MATLAB13

4.1.1MATLAB简介13

4.1.2MATLAB平台简介13

4.1.3MATLAB语言的特点14

4.2SimPowerSystems15

4.2.1SimPowerSystems简介15

4.2.2SimPowerSystems库简介15

第5章中频炉谐波仿真分析17

5.1概述17

5.2中频炉模型的搭建与仿真17

5.2.1模型搭建步骤17

5.2.2仿真运行测试结果24

5.3中频炉谐波抑制措施探讨26

5.3.1改变整流变压器漏电抗对中频炉谐波的影响26

5.3.2加装无源滤波器抑制中频炉谐波28

第6章结论与展望30

6.1本文主要成果和结论30

6.2进一步的工作30

致谢31

参考文献32

第1章绪论

第2章课题背景

能源已经成为全人类所关注的热点，怎样更好的节能已经成为全人类迫切要解决的重要内容。

中国是个制造业大国，而铸造、冶炼和加热行业则是制造业的基础。

作为生产汽车零部件和有色、黑色、合金铸造的设备，高速钢、模具钢、合金钢等特殊钢的冶炼设备以及用于淬火、锻造、冲压等加热设备的高效节能环保技术的研究开发，理所当然成为人们关注的重要课题。

利用电磁感应加热理念一经提出，立即引起广泛关注。

感应加热是通过电磁感应原理即利用涡流对工件进行加热。

由于是从工件内部，也就是从工件的电流透入深度层开始加热的，大大缩短了热传导时间，加热速度快、氧化层薄、金属烧结少；

可以根据不同的工艺要求，对工件进行局部或整体加热，而且对加热深度可以严格控制，对加热温度也容易控制；

大气和周围环境，工人的作业环境得以大大改善。

在建设和谐社会，大力提倡环保的今天，更加符合时代的要求。

而且感应加热设备可以随时启动、停止，不需要电极或添加燃料，自动化程度高。

感应加热装置由两部分组成，一部分是提供能量的交流电源，也称变频电源；

另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈，称感应炉。

早期的感应加热电源，工频有（50Hz或60Hz）固态电源，中频有发电机旋转和固态电源，高频则有电子管电源。

1890年瑞典人发明了第一台感应炉———开槽式有心炉。

1916年美国人制造出闭槽式有心炉，用于有色金属冶炼。

无心炉是1921年在美国出现，当时采用的是火花式中频电源。

后来才出现了中频机组电源和固体式晶闸管变频电源。

1966年瑞士BBC公司成功研制成感应加热用得晶闸管中频电源，很快取代了传统的中频发电机组，成为中频感应加热设备发展的主流。

此后，世界各国都在大力发展这类变频装置。

近年来，随着我国钢铁工业的发展，炼钢企业陆续开始采用大功率的中频炉炼钢，中频冶炼技术应用于炼钢行业，减少了钢铁行业的污染和能源损耗，改善了钢铁工人的工作环境，产生了巨大的经济效益和社会效益。

但是，中频炉靠其变频装置将三相工频交流电转换为单相中频交流电，整流变频装置是中频炉的核心设备。

整流和逆变设备是非线性的，使得电网中出现大量的谐波，由于谐波的作用，使得用电设备和电网本身的安全都受到威胁，电力用户的经济效益也会受到影响。

谐波可使电动机产生附加功率损耗和发热，对继电保护、自动控制装置等产生干扰，严重时会引起误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

谐波对电机的影响除了引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。

谐波还会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波进一步放大，增加了对电网中各种元件和电气设备的危害，甚至会引起严重事故。

因此，大功率中频炉的谐波问题不可忽略，目前中频炉谐波污染问题已经引起了国内外学术界的高度关注。

目前，相关文献对中频炉谐波的研究仅限于谐波实测分析或测试，分析还不够深入，介于此种情况，本文将结合Matlab/SimPowerSystems构建中频炉模型进行仿真分析，从而找出抑制中频炉谐波的方法，有针对地制定滤波和无功补偿方案，从而减小中频炉对电网的谐波污染，改善电网的电能质量。

第3章中频炉发展概况及趋势

第4章感应加热电源的发展概况

20世纪90年代以来，我国高能耗行业成套设备的研究己先后突破了一批关键共性技术，使我国的铸造、冶炼和加热产品能耗有所下降，但仍比先进国家平均水平高出21%左右。

究其原因，除了先进发达国家的技术创新能力强、先进技术推广应用及时等因素外，其优良的设备是最重要的因素。

其中典型的设备制造商当数美国的ABB、英达（INDUCTOTHERM）、彼乐（PILLAR）、阿贾克斯（AJAX）和德国的容克（JUNKER）以及日本的富士等跨国公司。

他们生产的熔炼设备功率大，效率高，自动控制技术先进，节能效果明显，因此占世界各国的市场份额很大。

我国的铸造、汽车、泵业等行业的熔炼、加热设备市场几乎全被他们控制和垄断。

尽管如此，这些公司仍投入巨资，不断研究开发新的技术和设备，以确保他们技术的领先地位和世界市场的占有率。

我国高能耗行业的成套熔炼设备的研究开发也比较早。

在电力电子技术出现以前，中频加热电源多用中频发电机组，但从晶闸管元件出现以后，六十年代后期发展了感应加热用晶闸管中频电源，它比中频发电机组有较多经济优点，因而得到广泛的应用。

从第一台晶闸管感应加热电源出现到上世纪七十年代，电力电子技术处于传统技术阶段。

感应电源的整流、逆变工作频率低、噪音高，控制系统一般由分立元件构成，这段时一期的技术发展主要是容量的扩一大和控制手段的提高。

上世纪七十年代后期，大功率晶体管、门极可关断晶闸管和功率场效应管等全控型功率半导体器件商品化，使电力电子技术出现一次飞跃。

进入八十年代以后，半导体工艺日渐成熟，并不断出现新技术，特别是大功率半导体器件模块的发明，使电力电子器件的体积大为减小，并大大提高工作效率和可靠性。

八十年代后期GTR、POWERMOSFET容量不断地提高，同时出现了IGBT、SIT、SITH、MCT等自关断器件，它们在全固态中、高频感应加热电源中发挥至关重要的作用。

目前，我国晶闸管中频电源技术可以说已较成熟。

进入1990年之后，由于国产快速晶闸管制造工艺上采用中子幅照等工艺使晶闸管的关断时间进一步缩短、容量进一步提高。

启动技术己有撞击式起动，零压起动，内、外桥转换等方案。

国内建筑业对钢材的大量需求，促使1991年到1993年全国出现了第二次中频热，几年时间内国内新增加了几万台中频电源设备，很多用户提款待货，使得感应加热电源设备在国内大范围推广使用；

其功率容量己从几十千瓦增加到五百千瓦，甚至一千千瓦。

快速晶闸管的关断时间已从35μs左右降到25μs左右，甚至20μs以下；

阻断电压已从1600V上升到2000V左右；

单管容量已从500A增加到1000A。

这一阶段主电路方案在国内分为两种：

一是以浙江大学为代表的并联方案；

另一是以湘潭电机厂为代表的串联方案。

为了缩短我国与先进发达国家之间的差距，国家出台了一系列鼓励民族工业振兴发展的政策，国内各相关科研院所和企业投入了较大的人力物力从事先进技术和设备的开发研究，