姜紀(jì)華

(杭州朝陽(yáng)能源科技有限公司， 浙江 杭州 310018)

在輪胎生產(chǎn)制造過(guò)程中，涉及煉膠、壓延、擠出、成型、裁斷、硫化及檢測(cè)等多道且復(fù)雜工序，其中煉膠工藝是整個(gè)輪胎生產(chǎn)制造工藝系統(tǒng)的第一道工序。目前國(guó)內(nèi)輪胎企業(yè)煉膠生產(chǎn)設(shè)備采用大功率型密煉機(jī)，密煉機(jī)配電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到煉膠設(shè)備完好性及膠料產(chǎn)能與質(zhì)量，直接影響著輪胎成品質(zhì)量。

1 密煉機(jī)電能質(zhì)量現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)輪胎生產(chǎn)企業(yè)中表1，其煉膠中心大型密煉機(jī)設(shè)備大多數(shù)均直接由整流調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)，而密煉機(jī)負(fù)載具有的兩大特性：

表1 國(guó)內(nèi)密煉機(jī)電能質(zhì)量現(xiàn)狀

（1）負(fù)載波動(dòng)幅度大且頻繁，每3 min負(fù)載從最小到最大電流波動(dòng)；

（2）無(wú)功和諧波所占比例相當(dāng)都很大，諧波大造成無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾娙萜鳠o(wú)法正常投入運(yùn)行,增加無(wú)功的同時(shí)，大大占用了系統(tǒng)容量；無(wú)功大造成電能利用率低，諧波制約無(wú)功的降低，這將對(duì)供電的穩(wěn)定性造成以下威脅。

綜合上述因素，密煉機(jī)工作時(shí)，其負(fù)載側(cè)功率因數(shù)一般在0.3～0.5之間，電能利用率較低；另外整流裝置負(fù)載屬于非線性負(fù)載，在工作時(shí)產(chǎn)生了大量的諧波電流和諧波電壓，該諧波又造成補(bǔ)償用的電容器無(wú)法正常的投入運(yùn)行，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量。

2 密煉機(jī)配電結(jié)構(gòu)及測(cè)試數(shù)據(jù)

為改善密煉機(jī)配電設(shè)備存在的上述電能問(wèn)題，選擇集團(tuán)公司煉膠中心的一臺(tái)密煉機(jī)作為電能質(zhì)量數(shù)據(jù)測(cè)試和治理對(duì)象。該臺(tái)密煉機(jī)主機(jī)由兩臺(tái)1 250 kW直流電機(jī)分別拖動(dòng)主機(jī)、從機(jī)負(fù)載，前端電網(wǎng)側(cè)由單臺(tái)容量為4 000 kVA-6 kV/0.66 kV干式整流變壓器集中供電，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇在低壓側(cè)對(duì)兩臺(tái)負(fù)載分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)如圖1(a)處所示。

由于主從機(jī)的負(fù)載類型一致，測(cè)試中看出兩者的特點(diǎn)相似，區(qū)別僅在于負(fù)載大小不同，具體詳見(jiàn)圖2、圖3圖4所示。

（1）主機(jī)、從機(jī)負(fù)載功率變化趨勢(shì)如圖2、圖3所示。

（2）電壓、電流諧波畸變率，如圖4所示。

3 電能質(zhì)量?jī)?yōu)化建議及方案

基于密煉機(jī)周期性工作的特點(diǎn)，負(fù)載波動(dòng)迅速，同時(shí)AC/DC整流時(shí)產(chǎn)生大量的諧波，這些都使得無(wú)源補(bǔ)償不能滿足要求，因?yàn)檫@樣容易產(chǎn)生諧振的問(wèn)題，之前使用的無(wú)源動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生故障，導(dǎo)致前端電網(wǎng)側(cè)變壓器故障跳閘、甚至引起電氣火災(zāi)事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)運(yùn)行安全。

為改善密煉機(jī)直流調(diào)速裝置存在的上述電能問(wèn)題，建議應(yīng)進(jìn)行電能質(zhì)量綜合治理。從電能質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)看，諧波含量達(dá)到30%以上，已經(jīng)可以和無(wú)功含量相比擬，從功率三角形來(lái)看（圖5），此時(shí)同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功和諧波能獲得最大的電流下降率。

3.在幼兒園有限的空間內(nèi)，擴(kuò)大幼兒同伴交往的范圍。在幼兒園，相同年齡段的幼兒生活在各自固定的班集體，很少打破各班級(jí)的界限，創(chuàng)造同伴交往的機(jī)會(huì)?？梢源蚱瓢嗉?jí)界限，為幼兒創(chuàng)造各種的同伴交往機(jī)會(huì)，使他們能在與陌生的同伴交往時(shí)，運(yùn)用正確的交往策略，提升自信，并為大班幼兒今后面臨更復(fù)雜的交往人群時(shí)能靈活運(yùn)用策略打下基礎(chǔ)。

基于密煉機(jī)配電系統(tǒng)存在的電能質(zhì)量特性，應(yīng)考慮使用有源濾波綜合補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行諧波和無(wú)功同時(shí)綜合治理，最大程度降低視在電流，消除安全隱患，提高設(shè)備效率。為此選擇在集團(tuán)公司煉膠中心其中一臺(tái)直流調(diào)速密煉機(jī)實(shí)施就地SVG有源濾波補(bǔ)償技改。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)及實(shí)際工況制定以下治理方案：

密煉機(jī)配電系統(tǒng)中，密煉機(jī)主、從機(jī)負(fù)載電源（功率1 250 kW）由容量為4 000 kVA-6 kV/0.66 kV整流變壓器單獨(dú)供電，補(bǔ)償時(shí)在變壓器低壓出線側(cè)集中治理無(wú)功和諧波，主機(jī)和從機(jī)綜合配置一套容量為1.5 Mvar有源濾波綜合補(bǔ)償設(shè)備（SVG），在主機(jī)和從機(jī)的直流調(diào)速裝置前端電源側(cè)各串接一臺(tái)三相交流電抗器，同時(shí)在負(fù)載側(cè)加裝電流互感器以實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流采樣。具體方案示意圖如圖6所示。

4 有源濾波綜合補(bǔ)償裝置系統(tǒng)組成介紹

4.1 有源濾波綜合補(bǔ)償設(shè)備工作原理

有源濾波綜合補(bǔ)償設(shè)備的基本原理如圖7所示, 通過(guò)負(fù)載側(cè)電流互感器(CT1)檢測(cè)負(fù)載電流，并提取需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功及低次諧波成分，主功率控制器根據(jù)此信息控制主功率電路發(fā)出反向電流，抵消負(fù)載的無(wú)功及低次諧波成分。

有源濾波綜合補(bǔ)償設(shè)備可等效為一個(gè)電壓源，它通過(guò)交流電抗器連接到電網(wǎng)上。如圖8所示，將電網(wǎng)電壓和有源濾波綜合補(bǔ)償設(shè)備輸出的電壓分別用向量US和UI表示，則連接電抗X上的電壓UL即為US和UI的相位差，而連接電抗的電流是由其上的電壓所確定,這個(gè)電流就是補(bǔ)償設(shè)備補(bǔ)償出的電流I。因此，有源濾波綜合補(bǔ)償設(shè)備通過(guò)控制內(nèi)部有源電力電子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的通斷，改變輸出電壓的幅值和相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而有源濾波綜合控制補(bǔ)償設(shè)備的補(bǔ)償電流的相位和幅值。

有源濾波綜合補(bǔ)償設(shè)備補(bǔ)償無(wú)功時(shí)各個(gè)運(yùn)行模式的圖解如表2所示，補(bǔ)償諧波時(shí)，其工作模式和補(bǔ)償無(wú)功時(shí)相類似。

表2 有源濾波綜合補(bǔ)償設(shè)備補(bǔ)償無(wú)功運(yùn)行模式圖解

4.2 有源濾波綜合補(bǔ)償設(shè)備的特點(diǎn)

有源濾波綜合補(bǔ)償裝置為三相電網(wǎng)的無(wú)功及低次諧波補(bǔ)償器，應(yīng)用于電網(wǎng)無(wú)功及低次諧波治理領(lǐng)域，具備下述功能特點(diǎn)：

（1）兼具低次諧波補(bǔ)償功能。

（2）高功率密度設(shè)計(jì)，兼容多種應(yīng)用場(chǎng)合。

（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，參數(shù)穩(wěn)定，無(wú)功及諧波補(bǔ)償效果好。

（5）兼?zhèn)渖舷逻M(jìn)線設(shè)計(jì)，靈活性強(qiáng)。

（6）功率模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由數(shù)字信號(hào)處理DSP，人機(jī)界面和大功率電力電子器件構(gòu)成。

（7）配置完善的系統(tǒng)保護(hù)功能。

（8）輔以散熱風(fēng)機(jī)和多種通訊接口。

（9）可通過(guò)電腦可以進(jìn)行監(jiān)控，支持遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)機(jī)。

有源濾波綜合補(bǔ)償裝置系統(tǒng)框如圖9所示，有源濾波綜合補(bǔ)償裝置系統(tǒng)由有源濾波綜合補(bǔ)償裝置單柜組合而成，有源濾波綜合補(bǔ)償裝置系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)負(fù)載電流CT檢測(cè)負(fù)載電流，并提取需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功及低次諧波成分，主功率控制器根據(jù)此信息控制主功率電路發(fā)出反向電流，抵消負(fù)載的無(wú)功及低次諧波成分。單一有源濾波綜合補(bǔ)償裝置系統(tǒng)中最多可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)主有源濾波綜合補(bǔ)償裝置機(jī)柜和7臺(tái)副有源濾波綜合補(bǔ)償裝置機(jī)柜的并聯(lián)，主機(jī)柜中具有人機(jī)界面單元，可以顯示每一臺(tái)有源濾波綜合補(bǔ)償裝置的信息以及控制每一臺(tái)有源濾波綜合補(bǔ)償裝置的工作。

5 治理效果及評(píng)價(jià)

5.1 方案治理效果

通過(guò)電能質(zhì)量分析測(cè)試儀器在直流調(diào)速裝置前端電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行測(cè)試，一個(gè)密煉周期約3 min測(cè)試，記錄整個(gè)周期的數(shù)據(jù)，從圖10中分析其工作過(guò)程（重載時(shí)期）可分為兩個(gè)階段，其負(fù)載的波動(dòng)較大。

通過(guò)測(cè)試收集到的數(shù)據(jù)，計(jì)算其補(bǔ)償效果如表3所示。

表3 方案主機(jī)和從機(jī)補(bǔ)償效果

因此通過(guò)對(duì)密煉機(jī)主、從機(jī)直流調(diào)速裝置電源電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行電能質(zhì)量綜合治理，即在加裝有源濾波綜合補(bǔ)償設(shè)備后，該臺(tái)密煉機(jī)電網(wǎng)側(cè)總體達(dá)到表4效果。

表4 治理效果參數(shù)表

5.2 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

以下為電能質(zhì)量分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖如圖11、圖12、圖13所示。

（電網(wǎng)背景諧波存在，主要為5和11次，含量3%～4%左右）

根據(jù)上述測(cè)試圖表中數(shù)據(jù)顯示，密煉機(jī)電能質(zhì)量經(jīng)優(yōu)化綜合治理后，其電網(wǎng)側(cè)諧波含量降幅明顯，功率因數(shù)值提高顯著。

5.3 治理效果評(píng)價(jià)

在該臺(tái)密煉機(jī)主從機(jī)直流調(diào)速裝置電源側(cè)安裝容量1.5 Mvar的有源濾波綜合補(bǔ)償設(shè)備，針對(duì)密煉機(jī)直流調(diào)速裝置存在的電能質(zhì)量問(wèn)題，補(bǔ)償設(shè)備投運(yùn)后經(jīng)過(guò)近幾年的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，治理效果顯著，以下數(shù)據(jù)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備投運(yùn)前后實(shí)際測(cè)試所得各項(xiàng)指標(biāo)：

表5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

上述數(shù)據(jù)為某些工作點(diǎn)的數(shù)據(jù)或者多個(gè)工作點(diǎn)平均后的數(shù)據(jù)，且讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)取整，有稍許偏差，但不影響最終結(jié)論。

從上表數(shù)據(jù)可以得出：在密煉機(jī)6 kV/0.66 kV配電系統(tǒng)中，投用有源濾波綜合補(bǔ)償裝置以后總電流下降超過(guò)40%，大大釋放配電容量，基波功率因數(shù)COSΦ平均達(dá)到0.95以上，綜合功率因素PF超過(guò)0.92，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)電能質(zhì)量?jī)?yōu)化綜合治理后對(duì)于電網(wǎng)諧波抑制、提高功率因數(shù)以及節(jié)能降耗等方面均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展到今天，“碳中和”的重要性已經(jīng)成為不言而喻的社會(huì)熱點(diǎn)與共識(shí)。輪胎生產(chǎn)企業(yè)屬于高能耗傳統(tǒng)制造業(yè)，其中煉膠工序的密煉機(jī)耗電量在輪胎整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)總能耗中占據(jù)極重比例，如何發(fā)展和應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù)、降低煉膠綜合能耗顯得尤為重要，因此推進(jìn)密煉機(jī)電能質(zhì)量?jī)?yōu)化綜合治理是行之有效的節(jié)能方式。