2009 二月

功率因数校正

钢铁行业的亲密合作伙伴

生产钢材的轧钢厂需要巨大的能量将炽热的钢材制成钢板、钢条或其它型钢。泰国型钢公司也不例外。为了保持高达320000吨的高质量钢筋的产能,泰国型钢公司的电源供应系统中设置了六台变压器,总输出为15兆伏安。其中两台变压器(变压器5和6,见表)用于线性负载。另外四台变压器(变压器1-4)主要用于供应厂内变频器驱动电机的非线性负载,总输出为11兆伏安。

泰国型钢公司的产品主要用于高层建筑、工业厂房、道路、桥梁、高速公路、水坝、机场和其它领域。为保证产品质量,该公司不仅投资购入高质量的机器设备,还投资进行工艺开发。因此,为了改进电能质量和节约能源,泰钢在早期就安装了自己的功率因数校正(PFC)系统。

 表: 变压器数据和负载
变压器 1

22/0.64 KV, 3 MVA

 

3组件,250 KW DC电机
2组件,350 KW DC电机
变压器 2

22/0.64 KV, 3 MVA

 

3组件,250 KW DC电机
2组件,350 KW DC电机

变压器 3

22/0.64 KV, 2.5 MVA

 

1组件,250 KW DC电机
3组件,350 KW DC电机

变压器 4

22/0.64 KV, 2.5 MVA

 

1组件,250 KW DC电机
3组件,350 KW DC电机
1组件,172 KW DC电机

变压器 5

22/0.4 KV, 2.0 MVA

 

有无变频器的AC电机
变压器 6

22/0.4 KV, 2.0 MVA

 

AC电机和厂房设施

安装该系统的主要目的在于:

  • 防止谐振和减少谐波;
  • 防止电压下降,增加电压稳定性;
  • 降低无功功率;
  • 降低变压器和电缆损耗;
  • 降低功率消耗;
  • 延长电气设备的使用寿命,并且:
  • 提高现有电能使用效率,从而增加产能。

然而遗憾的是,经过几年使用后,原先安装在PFC系统中的电容器(10 x 150 kvar,760 V,安装在TR1、 TR2、 TR3 和 TR4)均出现爆裂或损坏现象。因此,泰钢需要找出过早损坏的原因,并尽快采用可靠的新解决方案。正是出于上述考虑,泰钢找到了ITM公司。后者是位于泰国的电气工程公司,专供爱普科斯的PFC产品和电能质量解决方案。在泰国本地,具有必要的专业技术和设备并能测量和分析电网、电能和电压质量的公司是不多的,而ITM正是其中之一。

 

定制型解决方案


ITM总经理Thumrongdej Mungcharoen在无功功率补偿和减少谐波方面有着20多年的工作经历,泰钢公司要求他找出这些元件损坏的根本原因。为了检查电能质量的总体情况,并特别检查谐波,他安装了实时电能分析仪,并尽可能多地采集相关数据(见图 1)。在评估测量数据时,ITM发现电流(THD-I)总谐波失真的值很高,且电压(THD-V)总谐波失真的波动很大。THD-I显示的值为35%至大于200%,而THD-V的平均值在2%-6%之间变动。 为了保护电容器并减少谐波污染,ITM建议为泰钢实施解谐的PFC解决方案。

 图1: 电网分析报告

图中文字:Wednesday: 星期三;Thursday: 星期四;Friday: 星期五

总 RMS:356.66 V
直流 水平:0.15 V
基本 (H1) RMS:356.53 V
总谐波失真 THD:    4.92 %FND (Even: 0.41 %FND, Odd: 4.90 %FND)

根据EN 50160所做的电网分析报告的摘录和电网分析。

 

“基于我们的分析,我们推荐使用爱普科斯PhaseCap® premium系列中的800 V MKK电容器,来代替原先的760-V电容器,” Mungcharoe解释说。新款重型电容器将安装在系统原先的反应器附近,这些电容器经特别设计,适用于高负载场合,工作很正常,与之前的电容器完全不同,。

 发言摘录
“只有采用适当的专业技术和可靠的元件,才能设计出可以满足最恶劣条件下使用要求的PFC系统,” 泰国ITM公司的总经理Thumrongdej Mungcharoen指出。

于是,泰钢向ITM下了订单,安装14级800 V 170 kvar设备,每级配置6个PhaseCap 高级 MKK800-D-25-11电容器和1个MKK800-D-20-11电容器。

PhaseCap 高级系列电容器成功用于风力涡轮机和工业装置已有多年,其主要特点和优势如下:

具有极高的耐冲击电压能力,冲击电压可达额定电压的300倍;

  • 使用寿命达130000小时;
  • 干式电容器,充入氮气;
  • 采用成熟的MKK技术,并且:
  • 采用三重安全系统。

在2007年安装后,ITM重新进行了测量,发现PhaseCap 高级电容器不仅大大改进了cos phi值,而且改善了总谐波失真值。THD-V降低了1-5%,THD-I的波动幅度缩窄到了20-80%。由于PhaseCap 高级电容器的成功安装和运行,TSC于2008年6月决定,再次安装7级800 V 170 kvar设备。

 图 2: 泰钢解谐PFC系统的配置

完整的PFC谐波滤波系统由10级150 kvar设备组成,7%解谐。每个级的开关由电容器接触器完成。

解谐PFC系统


解谐PFC系统可用于所有谐波失真程度高的场合。它们除了降低无功功率以外,还可减少系统中的谐波。由于采用解谐的方式降低谐波,电容器和整个系统的使用寿命也得以延长。解谐PFC系统由电容器和谐波滤波器组成,后者按照预先确定的幅度解谐,产生一系列共振电路(见图2)。因而,系统中的自然共振频率低于主要谐波,且不与现有谐波接近。在泰钢的装置中,第5谐波(250 Hz)是主要的。出于此原因,滤波器电路的共振频率设计为189 Hz,即PFC系统相应具有的解谐因数为7%(见图3)。

 图 3: 有无解谐滤波器的阻抗

解谐PFC系统可显著降低系统中的谐波。

 

依据下列公式,计算出解谐因数:

其中:

P

XL

XC

fn

fres    

 

以百分比表示的解谐因数

扼流圈电抗

电容器电抗

主电源频率

共振电路的谐振频率

对新元件安装前后测量以及相关数值的评估显示泰钢完全实现了其设定的目标(见图4):电流和电压的THD值得以大大改善,从而提高了电能质量和供电稳定性。降低电能消耗不仅实现了泰钢的基本目标,而且保护了环境。

 图 4: 解谐PFC系统中的谐波电流

上图显示在解谐因数为7%时,有无补偿情形下的模拟谐波电流(红色部分)。

泰钢遇到的问题清楚表明,为了让PFC系统发挥作用,所需做的工作远不止将一些关键元件组合在一起那么简单。在工程专业技术、现有条件评估、主要参数测量的基础上,PFC和电能质量专家ITM与爱普科斯一起,设计出定制型的解决方案,以满足钢铁生产厂家的要求。在泰钢所获得的成功有力地证明了爱普科斯提供的电能质量解决方案所具有的优越性。

作者:Lukas Motta(PFC产品市场部经理)

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