一、谐波的存在及危害

  随着水泥行业自动化应用水平的不断完善提高，推动了电力电子现代技术的全方位应用。由于变频电机节能明显、运行稳定、操作方便、自动化程度高等特点被众多工矿企业所接受，广泛应用于水泥厂的各个工作环节，而变频电机同时也是水泥厂最大的谐波源。现场的电气技术人员和变频电机打交道多年，深知一些故障如无功补偿柜合不上开关、电容发热甚至炸裂、电动机莫名其妙被烧毁，但却找不到原因。殊不知电缆、配电设备发热、变压器发热等皆是谐波的原因，但是谐波摸不着、检测不到。因为电气工程师用50Hz频率的电流表无法检测250Hz频率的5次谐波电流，要用专业的谐波测试仪表测量，由于此仪表昂贵一般工厂均不配置。这就使本来看不清、摸不到的谐波披上神秘的色彩。笔者通过长时间在现场的摸索和体验，总结归纳出谐波危害：

  1、谐波电流使受电器设备发热，浪费大量无功功率，造成能源浪费；

  2、增加变压器铜损、磁损、铁损提高变压器机械噪声，增加变压器额外温度；

  3、使电力电容器发热、额定载流量减少，绝缘遭到破坏击穿；

  4、使电动机产生额外的铁损、铜损，振动噪声大，影响其稳定的转矩；

  5、导致控制系统畸变电压零点漂移，使控制系统失控；

  6、影响邻近的电力电子设备和通讯系统，影响设备正常运行；

  7、造成电容器过电流、过电压，减少电容器的使用寿命。增加电容器容量的衰减速度，使补偿式滤波效果降低，与系统产生并串联谐波，造成电容器的故障或放大谐波；

  8、谐波的增大，直接影响电网供电系统的品质因素，造成电网供电污染。

  二、工作原理及特点

  动态谐波节能装置主要由分级投切滤波电容器组和基于功率变换电路的可变电抗器KL组成，可变电抗器KL的一次侧绕组与多组电容器串联，电容器组根据滤除谐波频次和可变电抗器KL可调范围进行选择性投切。二次侧由双向反并联的晶闸管和相应的保护电路构成，其回路晶闸管导通角来改变可变电抗器KL一次与二次侧的阻抗比，从而起到改变LC滤波支路电抗值的作用，最终达到动态调谐的目的，见图一所示。

  QS 隔离开关、QF 断路器、KL可调电抗器、FS熔断器、KM 电容接触器、C 电容

图一

  晶闸管导通角的大小则由PLC控制器来控制。PLC控制器拥有24个数字输入口和16个数字输出口，同时配置EM235模拟量输入/输出控制模块给晶闸管发出控制脉冲信号。选用三相电参数谐波采集模块，采集经电压、电流互感器获得三相电量参数。并将采集到三相电流信号进行FFT（谐波模块）变换得到的各次谐波电流的有效值，再通过Modbus通讯协议送给PLC控制器。根据采集到的谐波电流信号，控制器发出开关量信号并通过中间继电器投切电容器组来调整滤波电流容量，也可以通过EM235控制脉冲触发电路调节晶闸管导通角来动态调节可变电抗器KL的电感，达到动态谐波调节的功能。见图二所示。

图二

  触摸屏采用昆仑通态MCGS组态软件与PLC通过RS-485协议进行Modbus通讯，通过触摸屏可以设置变量状态。（如选择手动投切电容器组、整定晶闸管控制电压量等）显示各变量参数（各次谐波电流值、各相电压值寻优K值控制结果等）各种设备工作状态，当参数异常和设备故障时，触摸屏还能报警。触摸屏是人机之间的交流接口，通过此屏操作能反映设备运行状态，实物触摸屏界面见图三。

图三

  触摸屏界面电流整形效果图如图四所示。给用户对动态谐波节能装置过滤谐波时的第一感观，清洁电源污染，利于设备正常运行。

图四

  动态谐波节能装置的特点：将传统电抗器单线绕组结构设计成一次与二次绕组；可变电抗器、电容器组组成串联谐振滤波电路具有高、低压隔离电载量连续可调，阻抗可变的特点；通过软切换电容器组，使得补偿给系统的无功功率也能进行调节，从而避免无功功率的过补偿始终保持谐振频率不变，使滤波效果及精度均能得到保证；该产品兼与有源滤波器和无源滤波器的特点，滤波稳定，价格适宜。

  三、投入动态谐波节能装置前后对比

  2012年4月在南京某水泥厂水泥磨选粉机变频电机进行试车，该磨机规格为Φ3.8×13m，变频器的型号为三菱FR-F540，功率132Kw，谐波节能装置未投入前，谐波测试仪对选粉机控制柜母排进行测试拍照如图五所示。

图五

  5次谐波电流为35A，占控制柜母排上所有负载的基波电流的11.2％，推算母排上基波电流为312.5A。变频电机引发的谐波干扰使车间配电所母排发热，用电设备发热，选粉机电机引线发热，每年均有烧毁选粉机电机的现象，磨机控制系统均有谐波干扰。谐波节能装置投入后，谐波测试仪对母排测试拍照如图六所示。

图六

  可以看到滤波后5次谐波为9A，占总载基波电流的3％，滤波效果显著。5次谐波对照直观明显，母排发热，用电设备发热现象和对车间电子设备的干扰得到改观，功率因素始终保持在0.92-0.98之内；系统谐波含量大大降低，为补偿前的20％左右下降到补偿后的3％左右；抑制了冲击负载引起的电压剧烈波动，稳定了电压，提高配电系统的安全性和可靠性，尤其是二年来试用动态谐波节能装置后，选粉机电机没烧毁过，该装置使用以来性能稳定，使用方便，有很好的节能效果，得到用户单位的好评。

  结语：

  水泥磨选粉机132Kw变频电机投入谐波节能装置二年来，效果明显。试想在5000T/d水泥生产线为例的话，窑头篦式冷却机系统有10台变频电机装机容量在1000Kw~1400Kw，窑中直流传统部分直流电机630Kw~730Kw，如果能进行谐波治理，仅节能一项，就非常可观，节电效果达到3％~5％，约投入14个月能收回成本，投资回报率高，可为高耗能企业降低能耗标准作出成绩。全国几千条水泥生产线若能得到应用，将为水泥行业节能减排、节省能源做出巨大贡献。