前言
　　 金屬線纜加工行業(yè)在國(guó)家的建設(shè)和發(fā)展中起著十分重要的作用，隨著科技的不斷進(jìn)步，大量的數(shù)控整流變頻設(shè)備在這一行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。新設(shè)備的推廣，使金屬線纜加工產(chǎn)品品種、產(chǎn)量和質(zhì)量得到大幅提升；但大量的整流變頻設(shè)備同時(shí)也對(duì)用戶電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，具體表現(xiàn)為電力諧波分量高、功率因數(shù)低、供用電設(shè)備發(fā)熱損耗大、電容無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備故障率高等問(wèn)題。嚴(yán)重影響用戶供用電設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)成本提高、質(zhì)量下降，影響了行業(yè)的正常發(fā)展。
因此，研究絞線、拉絲生產(chǎn)工藝所使用的直流、變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生的諧波，及其有效治理措施，便成了金屬線纜加工行業(yè)提高生產(chǎn)效益的新途徑。

1、直流及變頻設(shè)備產(chǎn)生的諧波

　 絞線、拉絲等金屬線纜加工工藝所使用的直流、變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其核心是使用了現(xiàn)代大功率電力電子整流換流控制技術(shù)。出于降低設(shè)備成本和運(yùn)行維護(hù)成本的需要，一般實(shí)際使用的直流、變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備的功率部件都為六脈沖(六相)整流方式。

　 一個(gè)典型的六脈沖整流電路見圖1。理論上，它的頻譜包含的諧波次數(shù)為n，而且n=6m±1(m為整數(shù)，且m≥1) ，各次諧波電流的幅值為：In = I1/n　(n=5,7,11,13,……) 。因此，典型的六脈沖整流電路一般含有5、7、11、13等等次數(shù)的諧波電流In。

以下為對(duì)某拉絲機(jī)的實(shí)測(cè)結(jié)果。

表1：某拉絲機(jī)A相主要電能參數(shù)匯總

濾波裝置狀態(tài)　　A相有功(kW)　　A相視在功率(kVA)　　A相功率因數(shù)(DPF)　　A相電壓(RMS)　 (伏)　　A相電流(RMS)(安)　　A相電壓總畸變率(THDu)　　總等值諧波電流ITDD
退出　　100　　205　　0.50　　232.3　　880　　4.82%　　226
注：總等值諧波電流ITDD＝√∑In　(n=5, 7, 11，13) ；

表2：某拉絲機(jī)A相特征諧波電流分量匯總

　 濾波/補(bǔ)償裝置狀態(tài)　　5次(I5)　　7次(I7)　　11次(I11)　　13次(I13)
　 退出時(shí)各次電流值(安)　　220　　5　　50　　10

　 由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，被測(cè)整流換流設(shè)備產(chǎn)生的主要諧波電流為I5 =19.7% I1；I7 =13.3% I1；I5 =8.3% I1；I5 =6.4% I1；總諧波電流ITDD ＞25%。在標(biāo)準(zhǔn)6脈沖整流換流模型中，非特征次諧波的幅度應(yīng)為零；但由于實(shí)際電路中還存在其他負(fù)荷，同時(shí)實(shí)際的6脈沖整流換流設(shè)置由于元件參數(shù)、及觸發(fā)脈沖不對(duì)稱及電路阻尼等因素影響，使非特征次諧波仍會(huì)出現(xiàn)，但正常情況下其幅值一般較小。

2、諧波的主要影響

　　鋼絞線生產(chǎn)企業(yè)中的絞線、拉絲工藝使用大量的整流變頻設(shè)備，其在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生以5、 7、11、13次為特征頻率的諧波電流分量，諧波成份正常時(shí)會(huì)高達(dá)總電流的25%左右；當(dāng)電網(wǎng)存在諧振放大，其所占比例會(huì)更高。這些諧波電流在電網(wǎng)中流動(dòng)產(chǎn)生諧波電壓，在產(chǎn)生諧波功率，增加損耗、降低設(shè)備利用率的同時(shí)，過(guò)高的諧波分量，會(huì)干擾設(shè)備和生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。嚴(yán)重時(shí)，諧振放大會(huì)引起電壓波動(dòng)，干擾設(shè)備和生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量；甚至因過(guò)壓過(guò)流使設(shè)備擊穿或燒毀，引發(fā)生產(chǎn)事故，增加生產(chǎn)成本。

3、抑制諧波的主要方法

降低用電系統(tǒng)諧波干擾的主要方法包括：
3.1 設(shè)備改造：例如增加整流換流裝置相數(shù)；
3.2 供用電方式改造：如改變?nèi)刖W(wǎng)電壓等級(jí)；利用諧波源的互補(bǔ)性組合使用等。
3.3 加裝濾波設(shè)備：無(wú)源或有源諧波抑制裝置。
　　　根據(jù)負(fù)荷諧波特性及工藝技術(shù)條件，一般可考慮采取3.1至3.3三種諧波抑制方式。
其中加裝濾波設(shè)備又可分為：
1) 濾波吸收方式
其原理是利用濾波器對(duì)流經(jīng)某一系統(tǒng)的某些次數(shù)的諧波分量形成低阻抗，吸收這些諧波分量以減少其對(duì)系統(tǒng)的影響。
本方式為常用濾波方式，適用于存在各次諧波分量的系統(tǒng)，設(shè)備造價(jià)較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便可靠，實(shí)用性強(qiáng)，運(yùn)行操作方便，可根據(jù)負(fù)荷變化實(shí)現(xiàn)分級(jí)自動(dòng)投切，運(yùn)行損耗小；需要時(shí)，可根據(jù)實(shí)際考慮兼作無(wú)功補(bǔ)償用途。
本方式對(duì)諧波電壓、電流都能有效吸收，其濾波效率可根據(jù)工程需要而靈活設(shè)計(jì)。
采用本方式對(duì)異于調(diào)諧頻率的諧波分量(尤其裝有補(bǔ)償電容時(shí)) 易產(chǎn)生諧振放大，因此在工程設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)需要特別的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。
2)有源濾波方式
為新型電力電子濾波裝置，其原理是用有源唬濾波器產(chǎn)生一反向分量去抵悄系統(tǒng)有在的諧波分量。本方式適用于存在各次諧波分量的系統(tǒng)，濾波效率高，適用性強(qiáng)，可兼有無(wú)功補(bǔ)償功能，不會(huì)產(chǎn)生諧振放大問(wèn)題，運(yùn)行損耗小，但設(shè)備造價(jià)較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)技術(shù)要求較高。

4、工程實(shí)例
根據(jù)絞線、拉絲工藝設(shè)備特點(diǎn)，設(shè)計(jì)使用無(wú)源濾波吸收方式，具體目標(biāo)為：
l減少電力諧波：消除諧波損耗和諧波干擾，提高電能質(zhì)量；
l提高功率因數(shù)：增加配電設(shè)備的供電容量，提高設(shè)備利用率。。
l減少電能損耗：節(jié)能降耗，減少變壓器，電容器組、開關(guān)、電纜等設(shè)備的發(fā)熱，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低生產(chǎn)成本。
l保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備：解決普通電容器組因諧波存在產(chǎn)生諧振放大而經(jīng)常損壞或根本無(wú)法運(yùn)行等問(wèn)題，避免生產(chǎn)用設(shè)備或元件因過(guò)電壓而經(jīng)常擊穿或過(guò)熱燒毀。
l提高產(chǎn)品質(zhì)量：避免諧波對(duì)控制電路的干擾，使數(shù)字設(shè)備、伺服電機(jī)運(yùn)行的更加準(zhǔn)確；電機(jī)運(yùn)行的更加平穩(wěn)，保證正常生產(chǎn)秩序，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
以下為某生產(chǎn)線諧波抑制實(shí)例。
　　
　附圖為一臺(tái)帶整流變頻負(fù)荷變壓器配置的濾波器組簡(jiǎn)圖。其中包括濾除低次諧波分量的單調(diào)諧支路，及濾除高頻諧波分量的帶通支路。設(shè)計(jì)采用由電容器和電抗器組合成各調(diào)諧支路，其中電容器分成數(shù)組，投切方式為自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制接觸器投切電容器組。濾波器組中的電容器、電抗器再加上電阻器適當(dāng)組合成各種單調(diào)、高通諧波濾波器支路，對(duì)5次、7次、11次和13次及以上諧波分量吸收濾過(guò)。

某拉絲工藝生產(chǎn)線產(chǎn)生的諧波及其工程治理效果如下：
表3：濾波/補(bǔ)償裝置投入前后某拉絲機(jī)A相主要電能參數(shù)匯總

濾波裝置狀態(tài)　　A相有功(kW)　　A相視在功率(kVA)　　A相功率因數(shù)(DPF)　　A相電壓(RMS)　 (伏)　　A相電流(RMS)(安)　　A相電壓總畸變率(THDu)　　總等值諧波電流ITDD
投前　　100　　205　　0.50　　232.3　　880　　4.82%　　226
投后　　85　　90　　0.96　　241.0　　390　　2.23%　　84
注：總等值諧波電流ITDD＝√∑In　(n=5, 7, 11，13) ；

表4：濾波/補(bǔ)償裝置投入前后某拉絲機(jī) A相特征諧波電流分量匯總

濾波/補(bǔ)償裝置狀態(tài)　　5次(I5)　　7次(I7)　　11次(I11)　　13次(I13)
投入前各次電流值(安)　　220　　5　　50　　10
投入后各次電流值(安)　　75　　15　　35　　5

根據(jù)對(duì)濾波/補(bǔ)償裝置投入前、后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)案例工程濾波/補(bǔ)償投運(yùn)后的效果總結(jié)如下：
4.1使電壓、電流波形得到極大改善根據(jù)國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549-93要求。0.4kV級(jí)電網(wǎng)的電壓波形總畸變率THDu≤5%。由于諧波電壓是由諧波電流流經(jīng)系統(tǒng)等值阻抗產(chǎn)生的，要限制諧波電壓，就必須控制電力用戶各諧波源注入電網(wǎng)的各次諧波電流，即應(yīng)采取有效措施抑制流經(jīng)系統(tǒng)的諧波電流。實(shí)際上，濾波/補(bǔ)償裝置投入前，某拉絲所在供電網(wǎng)絡(luò)的電壓總畸變率THDu為4.82%，接近國(guó)標(biāo)限值；濾波/補(bǔ)償裝置投入后對(duì)應(yīng)供電網(wǎng)絡(luò)的總畸變率THDu為2.23%。說(shuō)明由于濾波/補(bǔ)償裝置對(duì)諧波電流的有效吸收，使電壓波形總畸變率得到良好控制，極大改善了電壓、電流波形。

電壓、電流諧波成份的大幅下降，使電氣設(shè)備機(jī)械震動(dòng)大為減小，電纜及導(dǎo)線集膚效應(yīng)、變壓器鐵芯磁感應(yīng)環(huán)流減少，大大降低電氣設(shè)備發(fā)熱損耗；延緩絕緣老化，增加設(shè)備壽命；此外，諧波分量降低會(huì)直接提高供用電設(shè)備利用效率，減少對(duì)自動(dòng)控制和保護(hù)裝置的干擾和影響，避免誤觸發(fā)或測(cè)量誤差等，保證生產(chǎn)秩序和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

4.2、改善負(fù)荷功率因數(shù)，提高供用電設(shè)備利用率
濾波/補(bǔ)償裝置投入前，拉絲負(fù)荷功率因數(shù)為0.5，屬嚴(yán)重偏低。濾波/補(bǔ)償裝置投入后，在抑制電壓、電流諧波成份的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)供用電設(shè)備無(wú)功需求的有效補(bǔ)償，使負(fù)荷功率因數(shù)得到顯著提高，實(shí)測(cè)值為0.96。負(fù)荷功率因數(shù)的大幅提高，大大增加了供用電設(shè)備利用率。使電氣設(shè)備發(fā)熱損耗大大降低，絕緣老化延緩，設(shè)備壽命增加。

4.3有效抑制普通電容器組與供用電系統(tǒng)之間對(duì)諧波的諧振放大。由于使用了濾波/補(bǔ)償裝置，一方面大幅降低諧波分量，同時(shí)對(duì)基波實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償；另一方面使用偏調(diào)諧方式使濾波/補(bǔ)償回路對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存在的各次諧波都呈現(xiàn)感性，從而避免出現(xiàn)對(duì)諧波分量產(chǎn)生諧振放大作用，保證了供用電設(shè)備安全和生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5、結(jié)語(yǔ)
上述工程案例說(shuō)明，應(yīng)用濾波/補(bǔ)償裝置有效的改良了絞線、拉絲工藝中主要設(shè)備的用電情況，減少了諧波影響，提高了功率因數(shù)。
該工程實(shí)施近一年的結(jié)果顯示：濾波/補(bǔ)償裝置顯著改善了企業(yè)用電的各項(xiàng)電能指標(biāo)，降低了生產(chǎn)成本、提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，增強(qiáng)了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。