专利名称：真空自耗电弧炉功率补偿与谐波抑制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于功率补偿与谐波抑制技术领域，尤其是涉及一种真空自耗电弧炉 功率补偿与谐波抑制装置。
背景技术：
真空自耗电弧炉是一种复杂的真空熔炼设备，主要用于熔炼钛、钨、钼、钽、铌等高 熔点活泼金属及耐热钢、不锈钢等合金钢。真空自耗电弧炉配套的电源系统由整流变压 器、平衡电抗器、限流电抗器等组成，非线性负荷大，电压电流畸变率高，功率因数低；另外， 真空自耗电弧炉的熔炼工艺有别于一般的工业炉，在整个熔炼过程中经常发生电弧短路现 象，造成短路冲击电流，也会降低功率因数，并且使谐波畸变量加大。这些原因导致电网能 量损失，影响工厂效益，并且严重危害供电电网电能质量，而且，如果功率因数达不到国家 规定的指标，经常遭遇供电部门的罚款，功率因数越低，罚款越多。因此对真空自耗电弧炉 进行功率补偿和谐波抑制具有十分重要的意义。为了提高真空自耗电弧炉的功率因数，抑制谐波、电压闪变，提高真空自耗电弧炉 的功效性和安全性，近些年来，以德国ALD公司为代表的电弧炉生产厂家开始采用晶闸管 调压，双反星带平衡电抗器二极管整流的新型电源系统，整个电源系统由两套整流电源并 联运行，组成12脉波电路，其调节精度高，响应速度快，均流效果好，稳定性高，从一定程度 上提高了功率因数，满足了电网供电质量及用户使用要求，但是，如何在使用该电源的基础 上，进一步提高功率因数，抑制谐波，一直是业内人士研究的重点和难点。目前市场上也有一些功率补偿装置，但大部分功率补偿装置所采用的无功补偿控 制器都是简单型的，一方面是简单计算功率或测量电压和电流波形相位移进行投切，缺乏 对电网负荷性质的深入研究，特别是对电网高次谐波及电容对谐波放大效应了解甚少，另 一方面是简单的将功率因数作为投切电容器的判断依据，不能满足实际运行需要，常有投 切振荡发生，严重影响设备的安全使用寿命，并且也没有考虑电容器对谐波的放大效应，本 身也没有防谐和抗谐波干扰的能力，造成已安装无功自动补偿控制器的用户不能正常进行 电容器投切，这种控制器不能满足真空自耗电弧炉无功补偿和谐波抑制的需要。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种真空 自耗电弧炉功率补偿与谐波抑制装置，其结构简单、设计合理，智能化程度高，成本低，节约 能源，便于推广使用。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种真空自耗电弧炉功率 补偿与谐波抑制装置，包括变压器、通过短网与变压器相接的真空自耗电弧炉和接在短网 与真空自耗电弧炉之间给真空自耗电弧炉供电的整流电源设备，所述整流电源设备为由两 台整流柜并联运行组成的等效十二脉波整流电路；其特征在于还包括与短网相接的控制 系统与控制系统相接的换向开关以及与换向开关和短网分别相接的补偿抑制系统；所述控制系统包括主控制器电路和给控制系统供电的电源电路，主控制器电路的输入端接信号 调理电路，信号调理电路的输入端接电流互感器的二次侧和电压互感器的二次侧，电流互 感器的一次侧接短网并采集短网上的电流，电压互感器的一次侧接短网并采集短网上的电 压，信号调理电路对电流互感器所采集的电流信号和电压互感器所采集的电压信号进行调 理后输出给对信号进行比对、分析和计算的主控制器电路，主控制器电路的输出端接触发 投切组并将触点输出反馈至主控制器电路的继电器功放输入电路，所述继电器功放输入电 路的输出端接进行手动投切、停止投切和自动投切选择的换向开关；所述补偿抑制系统由 并联连接的主补偿抑制柜和辅补偿抑制柜构成，所述主补偿抑制柜通过断路器Ql与短网 相接，所述辅补偿抑制柜通过断路器Q2与短网相接；所述主补偿抑制柜和辅补偿抑制柜内 均并联连接有四组无源滤波器，所述四组无源滤波器由两组五次谐波滤波器、一组七次谐 波滤波器和一组十一次谐波滤波器构成。所述五次谐波滤波器由依次串联连接的断路器Q、接触器K、电抗器L5和电容器C5 构成。所述七次谐波滤波器由依次串联连接的断路器Q、接触器K、电抗器L7和电容器C7 构成。所述十一次谐波滤波器由依次串联连接的断路器Q、接触器K、电抗器Lll和电容 器Cll构成。所述控制系统还包括接在主控制器电路输入端并对参考功率因数进行设置的按 键电路和接在主控制器电路输出端并对电压、电流、有功功率及无功功率参数进行显示的 显不电路。所述主控制器电路为集成有RS-232通信电路的控制器电路。所述主控制器电路为由单片机构成的控制器电路。所述单片机为芯片80C196。本实用新型与现有技术相比具有以下优点1、采用主副两组补偿抑制柜实现了精细化投切。本实用新型主要针对真空自耗电 弧炉电源特点和熔炼工艺设计，采用并联连接的主补偿抑制柜和辅补偿抑制柜构成补偿抑 制系统，每个补偿抑制柜内均并联连接有4组无源滤波器，共8组无源滤波器，在具体投切 时，可根据熔炼过程的启弧期、正常熔炼期和补缩期的熔炼工艺对电流的不同要求将无源 滤波器投切组数设定成4-8组，实现精细化投切补偿以达到最佳的补偿效果，同时也可以 避免因快速投切所产生的投切振荡。另外，由于在真空自耗电弧炉十二脉波整流电源中五 次、七次谐波含量小，十一次谐波含量相对较高，但是补偿抑制系统中的电容器对谐波都有 放大作用，因此对五次和七次谐波都有必要进行抑制，另外也要抑制含量较高的十一次谐 波。所以对五次谐波和七次谐波各设计两组滤波系统，抑制五次和七次谐波，容量适合；对 于含量比较高的十一次谐波，设计四组滤波系统，可以有效的消除十一次谐波。2、采用无源滤波方法，治理了特定次高含量谐波。本实用新型采用断路器、接触 器、电抗器和电容器组成的无源滤波器作为滤波系统。主要原理是利用电抗器和电容器的 阻抗与频率有关的特性，适当选择滤波器的拓扑形式和电抗器、电容器的参数，使滤波器对 于某些特定频率的谐波电流呈低阻抗，该特定频率的谐波电流将大量的流入滤波器，从而 减小流入公网电网的该特定频率的谐波电流，起到了滤波的作用。另外，无源滤波系统成本
4比较低，经济实惠可适用于大容量系统中。3、采用高性能微机技术智能控制系统实现了智能化程度高的控制。本实用新型所 采用的智能控制器是根据电弧炉电源系统和熔炼工艺过程并总结传统控制器的优缺点而 研制的。智能控制器采用功率因数设定和实际无功需求相结合作为电容器投切的判断依 据，从根本上避免了投切振荡的发生和向电网倒送无功，并且具有过电压和低电压限值设 定功能，有利于电网电压的调整，还具有对电网和电容器的基波电压和电流及谐波电压和 电流实行有效监控和越限保护功能，此外还可记录电容器投切次数，故障记录及闭锁功能， 为保证设备安全运行和防止谐波放大提供了有效手段。综上所述，本实用新型设计合理、智能化程度高，使用效果好，不仅实现了精细化 的投切补偿，达到了最佳的补偿效果，同时还避免了因快速投切所产生的投切振荡，治理了 特定次高含量谐波，成本低，节约能源，便于推广使用。下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本实用新型的结构示意图。 图2为本实用新型主(辅)补偿抑制柜的结构示意图, 附图标记说明
1-变压器；2-真空自耗电弧炉；
4-控制系统；4-1-主控制器电路； 4-3-信号调理电路；4-4-电流互感器； 4-6-继电器功放输入4-7-按键电路； 电路；
5_换向开关；6-补偿抑制系统； 6-2-辅补偿抑制柜；6-11-五次谐波滤波
器；
6-13-十一次谐波滤波
ο
3-整流电源设备；
4-2-电源电路； 4-5-电压互感器； 4-8-显示电路；
6-1-主补偿抑制柜； 6-12-七次谐波滤波 器；
具体实施方式如图1和图2所示，本实用新型包括变压器1、通过短网与变压器1相接的真空自 耗电弧炉2和接在短网与真空自耗电弧炉2之间给真空自耗电弧炉2供电的整流电源设备 3，所述整流电源设备3为由两台整流柜并联运行组成的等效十二脉波整流电路；其特征在 于还包括与短网相接的控制系统4、与控制系统相接的换向开关5以及与换向开关5和短 网分别相接的补偿抑制系统6 ；所述控制系统4包括主控制器电路4-1和给控制系统4供 电的电源电路4-2，主控制器电路4-1的输入端接信号调理电路4-3，信号调理电路4-3的 输入端接电流互感器4-4的二次侧和电压互感器4-5的二次侧，电流互感器4-4的一次侧 接短网并采集短网上的电流，电压互感器4-5的一次侧接短网并采集短网上的电压，信号 调理电路4-3对电流互感器4-4所采集的电流信号和电压互感器4-5所采集的电压信号进 行调理后输出给对信号进行比对、分析和计算的主控制器电路4-1，主控制器电路4-1的输
5出端接触发投切组并将触点输出反馈至主控制器电路4-1的继电器功放输入电路4-6，所 述继电器功放输入电路4-6的输出端接进行手动投切、停止投切和自动投切选择的换向开 关5 ；所述补偿抑制系统6由并联连接的主补偿抑制柜6-1和辅补偿抑制柜6-2构成，所述 主补偿抑制柜6-1通过断路器Ql与短网相接，所述辅补偿抑制柜6-2通过断路器Q2与短 网相接；所述主补偿抑制柜6-1和辅补偿抑制柜6-2内均并联连接有四组无源滤波器，所述 四组无源滤波器由一组五次谐波滤波器6-11、一组七次谐波滤波器6-12和两组十一次谐 波滤波器6-13构成。本实施例中，所述五次谐波滤波器6-11由依次串联连接的断路器Q、接触器K、电 抗器L5和电容器C5构成。所述七次谐波滤波器6-12由依次串联连接的断路器Q、接触器 K、电抗器L7和电容器C7构成。所述十一次谐波滤波器6-13由依次串联连接的断路器Q、 接触器K、电抗器Lll和电容器Cll构成。所述控制系统4还包括接在主控制器电路4-1 输入端并对参考功率因数进行设置的按键电路4-7和接在主控制器电路4-1输出端并对电 压、电流、有功功率及无功功率参数进行显示的显示电路4-8。所述主控制器电路4-1为集 成有RS-232通信电路的控制器电路。所述主控制器电路4-1为由单片机构成的控制器电 路。所述单片机为芯片80C196。本实用新型的工作过程是当换向开关5选择自动投切的方式时，系统开始工作 后，通过按键电路4-7设置参考功率因数，电流互感器4-4采集系统的电流信号，电压互感 器4-5采集系统的电压信号，经信号调理电路4-3调理后，传送至主控制器电路4-1，主控 制器电路4-1将电流、电压信号进行比对分析，计算有功功率、无功功率参数，并对计算结 果进行分析，将计算出来的功率需求和设定的参考功率因数进行比对，输出相应控制信号 给继电器功放输入电路4-6，继电器功放输入电路4-6触发主补偿抑制柜6-1和辅补偿抑 制柜6-2中五次谐波滤波器6-11、七次谐波滤波器6-12和十一次谐波滤波器6-13的投切 组数，使无功负荷保持在最低水平，并有效的防止投切振荡，避免向系统倒送无功电能和对 系统产生的谐波进行放大，同时，继电器功放输入电路4-6将触点输出反馈至主控制器电 路4-1，形成闭环控制回路，实现智能化控制，主控制器电路4-1输出显示控制信号给显示 电路4-8，显示电路4-8对电压、电流、有功功率及无功功率参数进行实时显示，主控制器电 路4-1中集成的RS-232通信电路，能够实现系统远程通讯，本实用新型与具有远程通信功 能的设备相连，可进行远程参数设置和远程监控。另外，根据负载的不同，功率因数变化的不同，当本实用新型用于功率因数相对变 化较小的负载时，还可通过换向开关5选择收手动投切方式；换向开关5还可以选择停止投 切的方式，通过手动投切、停止投切和自动投切三种方式的选择，可最大限度地抑制谐波。经测试，测试所用的真空自耗电弧炉，在应用本实用新型前，电网的功率因数在 0. 3-0. 6之间，谐波畸变严重，其中11次谐波含量超过基波的10%，使用本实用新型后，整 个熔炼过程中80%以上的时间其功率因数超过0. 98，且有部分时间功率因数达到1，真正 实现全补偿的目的。谐波部分也得到有效的抑制，谐波畸变量被治理到2.3%，其中含量最 高的11次谐波含量也只有基波的1. 8%。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根 据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍 属于本实用新型技术方案的保护范围内。
权利要求一种真空自耗电弧炉功率补偿与谐波抑制装置，包括变压器(1)、通过短网与变压器(1)相接的真空自耗电弧炉(2)和接在短网与真空自耗电弧炉(2)之间给真空自耗电弧炉(2)供电的整流电源设备(3)，所述整流电源设备(3)为由两台整流柜并联运行组成的等效十二脉波整流电路；其特征在于还包括与短网相接的控制系统(4)、与控制系统相接的换向开关(5)以及与换向开关(5)和短网分别相接的补偿抑制系统(6)；所述控制系统(4)包括主控制器电路(4 1)和给控制系统(4)供电的电源电路(4 2)，主控制器电路(4 1)的输入端接信号调理电路(4 3)，信号调理电路(4 3)的输入端接电流互感器(4 4)的二次侧和电压互感器(4 5)的二次侧，电流互感器(4 4)的一次侧接短网并采集短网上的电流，电压互感器(4 5)的一次侧接短网并采集短网上的电压，信号调理电路(4 3)对电流互感器(4 4)所采集的电流信号和电压互感器(4 5)所采集的电压信号进行调理后输出给对信号进行比对、分析和计算的主控制器电路(4 1)，主控制器电路(4 1)的输出端接触发投切组并将触点输出反馈至主控制器电路(4 1)的继电器功放输入电路(4 6)，所述继电器功放输入电路(4 6)的输出端接进行手动投切、停止投切和自动投切选择的换向开关(5)；所述补偿抑制系统(6)由并联连接的主补偿抑制柜(6 1)和辅补偿抑制柜(6 2)构成，所述主补偿抑制柜(6 1)通过断路器Q1与短网相接，所述辅补偿抑制柜(6 2)通过断路器Q2与短网相接；所述主补偿抑制柜(6 1)和辅补偿抑制柜(6 2)内均并联连接有四组无源滤波器，所述四组无源滤波器由一组五次谐波滤波器(6 11)、一组七次谐波滤波器(6 12)和两组十一次谐波滤波器(6 13)构成。
2.按照权利要求1所述的真空自耗电弧炉功率补偿与谐波抑制装置，其特征在于所 述五次谐波滤波器(6-11)由依次串联连接的断路器Q、接触器K、电抗器L5和电容器C5构 成。
3 .按照权利要求1所述的真空自耗电弧炉功率补偿与谐波抑制装置，其特征在于所 述七次谐波滤波器(6-12)由依次串联连接的断路器Q、接触器K、电抗器L7和电容器C7构 成。
4.按照权利要求1所述的真空自耗电弧炉功率补偿与谐波抑制装置，其特征在于所 述十一次谐波滤波器(6-13)由依次串联连接的断路器Q、接触器K、电抗器Lll和电容器 Cll构成。
5.按照权利要求1所述的真空自耗电弧炉功率补偿与谐波抑制装置，其特征在于所 述控制系统(4)还包括接在主控制器电路(4-1)输入端并对参考功率因数进行设置的按键 电路(4-7)和接在主控制器电路(4-1)输出端并对电压、电流、有功功率及无功功率参数进 行显示的显示电路(4-8)。
6.按照权利要求1所述的真空自耗电弧炉功率补偿与谐波抑制装置，其特征在于所 述主控制器电路(4-1)为集成有RS-232通信电路的控制器电路。
7.按照权利要求1所述的真空自耗电弧炉功率补偿与谐波抑制装置，其特征在于所 述主控制器电路(4-1)为由单片机构成的控制器电路。
8.按照权利要求7所述的真空自耗电弧炉功率补偿与谐波抑制装置，其特征在于所 述单片机为芯片80C196。
专利摘要本实用新型公开了一种真空自耗电弧炉功率补偿与谐波抑制装置，包括变压器、真空自耗电弧炉和十二脉波整流电源设备；其特征在于还包括与短网相接的控制系统、与控制系统相接的换向开关以及与换向开关和短网分别相接的补偿抑制系统；控制系统包括主控制器电路、电源电路、信号调理电路、电流互感器、电压互感器和继电器功放输入电路；补偿抑制系统由并联连接的主补偿抑制柜和辅补偿抑制柜构成，主补偿抑制柜和辅补偿抑制柜分别通过断路器Q1和Q2与短网相接；主补偿抑制柜和辅补偿抑制柜内均并联连接有一组五次谐波滤波器、一组七次谐波滤波器和两组十一次谐波滤波器。本实用新型结构简单、设计合理，智能化程度高，节约能源，便于推广使用。
文档编号H02J3/18GK201733106SQ201020280768
公开日2011年2月2日 申请日期2010年8月2日 优先权日2010年8月2日
发明者孙国鹏, 张钰哲, 李选峰 申请人:西安海联石化科技有限公司