电弧炉及轧钢厂供电系统的间谐波问题

1 电弧炉和轧钢机产生的间谐波
1.1 间谐波的定义
应用窗口FOUIE变换对周期性信号进行时域→频域变换，频率为系统基波频率整数倍的分量称为谐波（hamonics）分量，频率为基波频率非整数倍的分量称为间谐波(interhamonics)分量。
1.2 由于无功波动而产生的间谐波
电弧炉和轧钢机都属于冲击性载荷，工作中将会产生很大的无功波动。因此，负载电流波动较大，波动频率一般在50HZ以下，波形特征是波形幅值变化较大，存在调幅波。如图1所示。
图1 冲击性载荷的电流波形
1.3周波变流器产生的间谐波
由可控硅供电的直流轧钢电动机在交流供电侧主要产生整数次谐波。而周波变流器供电的同步轧钢电动机情况则有所不同，周波变流器的电流幅值和相位均被调制。因为电机转速可调，要求电流、电压和频率变化（基速下），或电压不变、频率变化(基速以上)。触发角不断变化，触发时对应的周期也变化，因此谐波中除了次谐波外每个谐波旁有一系列的旁频谐波。
间谐波是周波变流器供电时的特有现象。间谐波频谱宽度与电机的转速有关，即和供电频率有关。电机转速越高，电机供电电流的频率越高，间谐波频带越宽。
间谐波频带宽度可以用间谐波系数来表示，电动机转速越高K值就越大。在电机基速以上运行时，各次谐波附近间谐波的频带几乎连成一片。以包钢初轧厂1150轧机的500KW电动机为例，初速和高速运行时，调谐范围是6-12HZ，而且整个调速范围内是线性的。表1.3列出了轧钢电动机转速分别为60、90和120r／min时对应的5次、7次、11次和13次谐波及附近间谐波的频带：
表1.3包钢1150轧机不同转速的间谐波
由上面分析可看出，周波变流器供电的同步轧钢电动机电源中，有复杂的间谐波存在，而且是随电机转速而变化的，与可控硅供电的直流轧钢电动机相比，谐波情况复杂得多。
2 间谐波的测试
当信号中含有多种频率的谐波时，Fourie分析的基波频率应是各种频率的最大公约数。
若信号中仅含频率是系统基波频率整数倍的谐波分量时，Fourie分析的基波频率即是系统基波频率。也就是说，Fourie变换的窗口宽度为一个系统基波周期即可。目前，大多数电力谐波分析仪内部的Fourie窗口宽度都是一个系统基波周期。
若信号中含有系统基波频率非整数倍的非谐波分量即间谐波时，则FOurie窗口宽度应加宽，例如，信号包含间谐波分量的频率为190HZ和35HZ时，高Fourie窗口的宽度应为0.25。
一般情况下，特别是由于负荷的冲击性引起的间谐波分量频率无法预测时，Fourie窗口宽度是很难确定的。IEC制定的电磁兼容标准IEC1000－4-7规定Fourie变换窗口宽度TW一般取0.08s～0.5s为宜。对于准稳态谐波TW=I.1s～0.5S；对于波动谐波Tw＝0.32S；对于快变谐波TW=0.08s～0.16s。
这里更特别指出的是，使用不具有间谐波测试分析功能的仪器测量冲击性负荷或带有周波变流器供电负荷的谐波时，将会产生很大的误差，甚至会给谐波滤波器设计带来误导。
例：我们在1996年12月曾利用两种不同方法测量分析马钢中板厂负荷母线谐波电压和谐波电流。
（1）Fourie变换窗口宽度Tw=0.02S时分析结果如下：
基波相电压：5.85Kv 基波电流：566A
主导谐波电压次数：11 12 13 22 23 24 25 27 35
谐波电压含有率(％)：2.3 1.1 0.7 1.3 0.6 1.2 0.5 0.8 1.1
电压总畸变率(％)：4.3
主导谐波电流次数：2 3 4 5 7 9 10 11 12 13 14 22
谐波电流（A）：23 11 18 16 9 10 23 34 19 26 11 12
(2)Fourie变换窗口宽度Tw=0.02时分析结果如下：
基波相电压：5.85Kv 基波电流：499A
主导谐波电压次数：11 12.875 13 13.125 22.87 23
24.875 25
谐波电压含有率（%）：1.6 0.5 0.3 0.5 0.5 0.5 0.5 0.4
电压总畸变率(%)：4.4
主导谐波电流次数：0.625 0.6875 0.75 0.875 1.125
10.875 11 11.0625 12.875 13 13.0625
谐波电流（A）：15.3 32 39 71 31 12 21 11 9 15 8
上述分析结果表明，马钢中板厂负荷主要产生的谐波电流是低于50HZ的间谐波电流和高于550HZ的11次、13次及附近的间谐波电流。过去认为2、3、4、5、7次谐波电流较大，实在是一个误区。
3 含有间谐波源供电系统的谐波治理问题
当供电系统中有较大的冲击性负荷或带有周波变流器供电负荷时，系统中肯定存在谐波和间谐波。对这种供电系统的谐波治理问题比较复杂。这里只讲几点必须要注意的问题。
(1)谐波计算：要根据负荷冲击特性和周波变流器供电的电功机调速范围正确计算供电系统中的谐波的间谐波电流。对滤波器进行初步设计。
(2)谐波和间谐波测量：在可能的情况下，选用具有间谐波测量分析功能的仪器对负荷产生的谐波和间谐波进行测量。测量数据可以作为设计滤波器的主要依据。
(3)对于高闪（≥7）谐波及其附近的间谐波，一般设计二阶高通滤波器，滤波效果较佳；对低次(＜7)谐波及其附近的间谐波，为减小基波损耗，提高滤波效果，并有效地避免谐振，以设计C型高通滤波器为好，个别谐波电流较大的频率可设计单调谐滤波器。
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