矿山电气传动装置谐波治理和无功补偿Word格式.docx

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一般Q值选在30～60之间。

（2）双调谐滤波器

图1（b）为双调谐滤波器，这种滤波器相当于两个单调谐滤波器，有两个

—2—

调谐频率。

双调谐滤波器具有基波损耗小的优点，但由于结构复杂、调谐困难，只在直流高压输电工程少量应用，自动化传动系统很少采用。

1.1.2无源高通滤波器

图2为几种典型的高通滤波器，主要用于频率较高谐波的滤除。

高通滤波器在频率高于某个特定频率的区域内呈现低阻抗，且阻抗随频率增加变化很小，有一个较宽的滤波频率范围，这个特定频率称为高通滤波器的通频限。

高通滤波器的主要缺点是有功损耗较大，一般情况下只设一组高通滤波器来滤除11次以上的谐波电流。

图2（a）（b）（c）（d）

（1）一阶高通滤波器

图2（a）为一阶高通滤波器，由电容器、电阻器串联组成。

这种滤波器需要大容量的电容器，并且对基波电流有很大的损耗，所以应用较少。

（2）二阶高通滤波器

图2（b）为二阶高通滤波器，这种滤波器性能好、结构简单，目前应用较为广泛。

参数计算时，首先确定高通滤波器的通频限，然后将通频限作为调谐频率，按上述单调谐滤波器的计算方法，求出滤波电容器、电抗器的参数，电阻器由下面公式来确定：

R——高通电阻器的阻值（

）；

——高通电阻计算系数（通常取10～20）；

L——滤波电抗器的电感值（H）

—3—

C——滤波电容器的电容值（F）

（3）三阶高通滤波器

图2（c）为三阶高通滤波器，这种滤波器在二阶高通滤波器的基础上，增加了副电容C1，且副电容C1的电容量远小于主电容C2，从而提高了滤波器的基波阻抗，减少了基波损耗。

但由于其结构也较为复杂，成本较高，故电气自动化传动系统应用较少。

（4）C型高通滤波器

图2（d）为C型高通滤波器，这种滤波器类属三阶高通滤波器，副电容C1的参数选择使其与电抗器L在基波时谐振，从而减少基波损耗。

这种滤波器结构也较为复杂，且对电网频率波动及元件参数漂移敏感，电气自动化传动系统也较少应用。

无源滤波对电网而言，在基波频率下呈容性，即除了滤波之外还可以向电网输送容性的无功功率，起到无功补偿的作用。

无源滤波器主要缺点是：

滤波特性依赖于电源阻抗；

不能完全滤除谐波，尤其对非特征次谐波的滤波效果较差；

滤波器参数漂移或谐波源频率大幅变化时，滤波器与电网之间有并联谐振的危险。

1.2有源滤波

为了克服无源滤波器存在的缺点，近年来伴随着电力电子技术的高速发展，有源滤波器（ActivePowerFilter——APF）已经逐步研发和得以利用，其主要优点是：

可滤除频率和大小随时间变化的谐波，实现动态滤波。

在动态滤波的同时，可对负载的无功功率进行动态补偿。

降低了与电网产生并联谐振的危险。

1.2.1有源滤波器的工作原理

有源滤波的原理是制造安装一个与负载传动系统谐波电流大小相等、相位相

反的谐波电流源，使两者合成后流经电网的电流没有谐波成分。

若有源滤波器设

计时考虑无功补偿的需要，可同时起到无功补偿的作用。

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图3、有源滤波器的原理方框图

有源滤波器的原理方框图如图3。

图中is为电网电流，iL负载电流，iAPF为有源滤波器电流，三者之间的电流关系为：

——负载电流的基波分量；

——负载电流的谐波分量。

如果满足

，则电网电流

，即电网电流中只含负载电流的基波，谐波完全被有源滤波器的补偿电流所抵消。

若负载电流的基波含有功分量

和无功分量

，而有源滤波器电流iAPF满足

只含负载电流基波有功分量，总的负载对电网而言是一个不含谐波，并且功率因数等于1的负载。

1.2.2有源滤波器的分类

根据有源滤波器和负载与电网的联接形式不同，有源滤波器可分为并联式有

源滤波器和串联式有源滤波器两种类型，如图4所示。

—5—

图4（a）并联式有源滤波器（b）串联式有源滤波器

（1）并联式有源滤波器

图4（a）为并联式有源滤波器，工作时向电网输出补偿电流，抵消负载的谐波电流，适用于晶闸管直流传动和交-交变频交流传动等谐波源具有电流源性质的负载。

（2）串联式有源滤波器

图4（b）为串联式有源滤波器，工作时输出补偿电压，抵消负载的谐波电压，适用于谐波源具有电压源性质的负载，如直流侧有大电容的整流电源等。

2、无功补偿的基本方法

为了满足公用电网对用电设备功率因数的要求和减少冲击性负载引起的公用电网电压波动，常常需要采取无功补偿措施。

无功补偿有静态补偿和动态补偿两种方法，静态补偿简称静补，主要是针对平均功率因数或平均无功功率进行补偿；

动态补偿简称动补，主要是针对冲击性无功功率引起公用电网电压波动的补偿。

2.1静态无功补偿

电气自动化传动系统绝大部分用电设备产生的无功功率为感性无功，静补的方法是用电设备并接电力电容器组，用容性无功补偿用电设备的感性无功，来提高功率因数。

这种方式一般电容器是常接的，要求较高的场合也有采用电容器根据负载功率因数变化分组投切的。

电容器常接的方法简单经济，适用于无功功率变化不大的场合，电容器组的总无功容量可按下面的方法确定：

—6—

——补偿电容器组需要的总容量（kvar）；

——用电设备的平均有功功率（kw）；

——补偿前用电设备的平均功率因数；

——补偿后用电设备的平均功率因数。

三相系统每相电容器所需的电容量可按下面的方法确定：

；

——星形联结时每相电容器所需的电容量（

——三角形联结时每相电容器所需的电容量（

——电网频率（Hz）；

U——电容器组切入处的线电压有效值（KV）。

2.2动态无功补偿

动态无功补偿主要用于抑制冲击性无功功率引起的公用电网电压波动，工程上高压电网常用的动态无功补偿有晶闸管投切电力电容器和晶闸管控制电抗器两种方法。

2.2.1晶闸管投切电力电容器方法

晶闸管投切电力电容器方法又称TSC方法。

这种方法是将补偿用的电力电容器分为几组，根据负载无功功率的变化，利用晶闸管无触点开关把电力电容器组投入电网或从电网中切除。

图5为TSC动补示意图。

图5、TSC动补示意图

—7—

2.2.2晶闸管控制电抗器方法

晶闸管控制电抗器方法又称TCR或相控电抗器方法。

这种方法是利用控制晶闸管导通角来改变TCR电抗器输出的感性无功。

负载感性无功增大时，TCR感性无功减小，负载感性无功减小时，TCR感性无功增大，从而保持两者总的无功基本不变。

对电网而言总的无功有所增加，但由无功冲击引起的电网电压波动会明显减小。

图6（a）为TCR动补示意图。

图6（a）TCR动补示意图（b）TCT动补示意图

为了降低晶闸管的耐压要求，也可以采用短路阻抗50%～100%的高阻抗变压器来取代TCR电抗器，这种方法称为TCT动补方法。

TCR动补和TCT动补本质上属于同一种动补方法，图6（b）为TCT动补示意图。

3、谐波治理和无功补偿应用实例

本例为集团公司小官庄铁矿2#主井提升机交—交变频自动化传动系统配置的谐波治理和无功补偿装置，该装置采用晶闸管投切电力电容器来实现谐波滤波和动态无功补偿，由北京金自天正科技股份有限公司设计和成套。

3.1电气传动系统主要技术参数

3.1.1交—交变频同步主电动机技术参数

型号：

TDBS2600KW20极

额定功率：

2600KW；

定子额定电压：

1500V；

定子额定电流：

532A；

极数：

20极；

频率：

10HZ；

相数：

2×

3相；

定子绕组接线：

双绕组，Y/Y接法。

额定励磁电压：

178V；

额定励磁电流：

298A。

功率因数：

0.9859（滞后）；

额定转速：

60r/min；

冷却方式：

强迫风冷。

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短时过载能力为2倍额定电流，60秒；

切断电流为2.25倍额定电流。

3.1.2交—交变频电气主传动系统

调速系统采用原装进口全数字矢量控制交—交变频调速装置+分体式变流柜。

交—交变频主回路采用12脉动、逻辑无环流可逆变流器。

由两套（六台）

电网自然换流，逻辑无环流可逆变流器组成，对应同步电动机定子六相，每相连成三相桥式电路，采用有中点方式，输出端星点连接，电动机星点和变频器星点独立的系统。

两套变频器由两组（六台）整流变压器供电，当一套变频器故障时，主电动机两套绕组串接，由无故障的一套变频器单独供电，实现提升机的全载半速运行。

3.1.3提升机6KV母线短路参数

最大运行方式6KV母线短路电流：

18.16KA；

最小运行方式6KV母线短路电流：

11.03KA。

3.2谐波治理和无功补偿方案

根据以往提升机交—交变频传动系统谐波治理和无功补偿经验，选择TSC动补兼谐波滤波的方案。

3.2.1无功补偿参数计算

（1）提升机主传动电动机无功功率冲击

提升机主传动电机按2倍过载作为最大无功功率冲击，则2倍过载时：

有功功率

视在功率

无功功率

——主传动电动机额定功率（KW）；

——主传动变压器二次侧线电压（V）；

——主传动电动机额定电流（A）。

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（2）提升机6KV母线短路容量和电压波动

按最小运行方式计算6KV母线短路容量为：

6KV母线电压波动为：

超过了国家标准规定允许电压波动2.5%的要求，需要动态无功补偿。

（3）将电压波动减小到1%所需的无功补偿量

6KV母线允许的无功功率冲击量为：

提升机主传动所需的无功补偿量为：

考虑到其他因素，无功补偿量取

，并将无功补偿装置分为四组进行动态投切。

3.2.2谐波滤波的参数计算

根据同类型提升机交—交变频传动系统谐波的经验数值，四组无功补偿电容器分别接入滤波电抗器、高通电阻组成二阶高通滤波器，对5次、7次、11次谐波进行滤波。

四组无功补偿容量分别是无功补偿总容量的35%、25%、20%、20%，即：

5次高通—12.1

5次高通—21.5

7次高通1.2

11次高通1.2

（1）各滤波支路每相电容器应有的基波容抗：

XC5-1=[52/（52-1）]×

（7.82/2.1）=30.18Ω

XC5-2=[52/（52-1）]×

（7.82/1.5）=42.25Ω

XC7=[72/（72-1）]×

（7.82/1.2）=51.76Ω

XC11=[112/（112-1）]×

（7.82/1.2）=51.12Ω

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（2）电容器基本单元选择

选4.5KV、100Kvar滤波电力电容器为基本单元，每个电容器额定电流为ICN=100/4.5=22.2A，基波容抗为XC=45002/100000=202.5Ω，每个电容器的电容量为C=106/100π×

202.5=15.7

。

（3）各滤波支路每相并联电容器数量和并联后的基波容抗：

5次高通—1XC/XC5-1=202.5/30.18=6.7取7并

XC5-1=202.5/7=28.9Ω

5次高通—2XC/XC5-2=202.5/42.25=4.8取5并

XC5-2=202.5/5=40.5Ω

7次高通XC/XC7=202.5/51.76=3.9取4并

XC7=202.5/4=50.6Ω

11次高通XC/XC11=202.5/51.12=3.96取4并

XC5-2=202.5/4=50.6Ω

（4）各滤波支路每相电抗器的基波感抗和电感量：

5次高通—1XL5-1=1.05×

28.9/52=1.22Ω

L5-1=10×

1.22/π=3.89mH

5次高通—2XL5-2=1.05×

40.5/52=1.71Ω

L5-2=10×

1.71/π=5.45mH

7次高通XL7=1.05×

50.6/72=1.08Ω

L7=10×

1.08/π=3.44mH

11次高通XL11=1.05×

50.6/112=0.44Ω

L11=10×

0.45/π=1.4mH

（5）各滤波支路每相高通电阻的阻值确定

按式：

KR取KR=5，则：

R5-1=

R5-2=

—11—

R7=

R11=

（6）各滤波支路高通滤波器的通频限

根据

，则：

集团公司小官庄铁矿2#主井提升机TSC谐波滤波和无功补偿装置系统单线图，如图7所示。

图7、2#主井提升机TSC谐波滤波和无功补偿装置系统单线图

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3.3北京金自天正科技股份有限公司设计选择数据

滤波支路

项目

H5-1

H5-2

H7

H11

单路补偿容量（Kvar）

2100

1500

1200

单相补偿容量（Kvar）

700

500

400

单只电容容量（Kvar）

100

单只电容值（μF）

15.7

单相电容值（μF）

109.9

78.5

62.8

单相电容并联数（只）

7

5

4

电抗器电感量（mH）

4.00

5.60

3.54

1.41

高通电阻阻值（Ω）

30.04

42.05

37.54

23.90

本例所作的参数计算，与北京金自天正科技股份有限公司设计选择数据基本相符。

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