中频感应加热炉的电能质量优化技术

一、所属行业：电气

二、适用范围：钢铁，化工，有色金属行业中的感应加热炉包括中频炉、电弧炉和矿热炉等

三、技术内容：

（一）基本原理

感应加热炉的电能质量优化技术，是通过英纳仕电气电能质量优化装置（iNAS-JD系列感应加热炉节电装置，包括最新一代有源电力滤波器和静止同步无功补偿器）对感应加热炉设备进行谐波治理和无功补偿，提高感应加热炉功率因数和降低感应加热炉产生的谐波功率，从而有效降低这类设备的线路损耗，提高电能利用率。

（二）关键技术

综合了半导体技术、电力电子、控制盒传感器等多种学科，核心控制技术包括了电力电子变化器技术。本技术以DSP为核心控制单元，通过对系统电压、电流采样，A/D转换得到数字信号，利用相关理论对数字信号运算，计算出谐波电流和无功电流的大小、负荷电流与系统电压的相位夹角，然后合成指令信号即谐波补偿电流和无功补偿电流，再利用电力电子变换技术和空间矢量补偿技术通过PWM发生器发出PWM信号，对大功率变流器进行通断控制，控制变流器电压和电流输出，通过高频电抗器滤波产生补偿电流，实现对节电装置的畸变功率进行实时补偿。无功功率采用瞬时无功功率、零序电流补偿和直流母线电压的补偿，计算出电网所需补偿的无功功率，再通过变流器实现对节电装置的无功电流的补偿。

(三)工艺流程：

 

 

 

 

 

图1系统工作原理图

 

四、主要技术指标：

主要技术参数：感应加热炉实施电能质量优化后，功率因数大于0.95，谐波电流畸变率低于5%，可提高冶炼效率22%以上，降低电能损耗9%。

技术对比：

1）感应加热炉炉谐波含量85%以上为低次谐波，而系统保护类产品主要面向高次谐波，因此谐波改善轻微几乎可忽略，节能效果难以令人满意，更为严重的是谐波能量大大超出节电设备承受范围，长期容易损毁，事故频频，影响企业生产的正常进行。

2）部分节能设备生产厂家采用传统LC滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。这种滤波器出现最早，成本比较低，但同时存在一些较难克服的缺点，比如只能针对单次谐波，容易产生谐波共振，导致设备损毁，随着时间谐振点会漂移，导致谐波滤除效果越来越差。同时，这一方式无法应对瞬变、浪涌和高次谐波，存在节能漏洞。而针对感应加热炉产生的大量无功电流，目前要采用并入电容的方式来补偿无功电流，但因其控制方法的局限，其补偿后的功率因数只能在0.9左右。假设负载所需有功功率不变的条件下，电网功率因数由0.9提升到0.95，电网的视在电流将下降约3%，即电网的线路损耗和变损可下降6%，由此可见即便在0.9功率因数供电条件下，进一步提升功率因数，仍然具有很大的节能潜力。直接采用电容补偿时，还容易与供电系统产生谐振，导致设备损坏，尤其补偿电容被击穿。

3）基于英纳仕iNAS-JD节电装置的感应加热炉的电能质量优化技术，不仅对感应加热炉产生的大量的无功电流进行补偿，使系统的功率因数大于0.95，而且还对不仅包含低次谐波，还包含浪涌、瞬变及高次谐波，实现了全频域覆盖，消除了浪涌、瞬变及高次谐波对感应加热炉系统的危害和电量的浪费。基于iNAS-JD的感应加热炉的电能质量优化技术主要采用大功率数字PWM整流技术，通过对感应加热设备的无功功率和谐波功率进行实时检测，实时计算出设备所需的无功功率和谐波功率，并通过大功率逆变器实时向设备提供所需的无功功率和谐波功率。该技术可实现感应加热炉设备工作时功率因数大于0.95，谐波电流的畸变率小于5%，可大幅降低线路和变压器损耗，提高加工的效率，同时可消除浪涌、瞬变及高次谐波对这个电网系统的影响，确保安全用电。iNAS-JD系列节电装置最大单机输出电流800A，最高工作电压2KV，适合40T感应加热炉的节能改造。

五、技术鉴定情况：

通过国家电力电子产品质量监督检验中心、上海电器设备检测所检测；拥有三项相关专利。

六、典型用户及投资效益：

本技术目前已成功应用于广东韶钢松山股份有限公司设备备件部机械制造厂3T中频炉电能质量优化。改造前，中频炉熔炼的吨金属液用电量为1521千瓦时，使用该技术后，中频炉熔炼的吨金属液用电量为1382千瓦时，吨金属熔炼节电139千瓦时，节电率达9.1%。

七、推广前景和节能潜力：

我国目前每年生产钢铁9亿吨，其中有20%以上需要感应加热炉熔炼和加工，其中包括7000万吨-1亿吨的废钢炼钢、6000万吨的合金钢的加工和热处理、300万吨的钢轨用钢热处理等。随着技术进步和我国钢铁保有量的提升，电炉钢与转炉钢的比例将稳步提升，大多数感应加热电炉有进行节电改造的需要。此外，我国每年还有3000万吨以上的有色金属。2800万吨的铁合金、170万吨的工业硅（电弧炉为主）需要用感应加热炉熔炼和加工处理。