铸造工业的感应加热第六讲 感应熔炼电炉用变频电源、电热电容器、整流变压器的选择以及谐波影响与抑制措施

李韵豪

应达（中国） 供图

1 感应熔炼电炉用变频电源

1.1 串联谐振与并联谐振电源性能比较

感应熔炼电炉的电源装置由工频电源、中频发电机组发展到现今用电力半导体器件SCR（晶闸管）或者IGBT（绝缘栅双极型晶体管）组成的静止式固态变频装置。工信部工产业[2010]第122号公告《部分工业行业淘汰落后生产工艺装备和产品指导目录》已将无心工频感应电炉和中频发电机感应加热电源列为2010年内立即淘汰产品。采用SCR、IGBT电力半导体器件的感应熔炼电炉用变频电源，由于工作在中频频段（＞60Hz～100kHz的频段，见GB/T 5959.1—2019），又称之为中频电源。变频电源按其电路结构不同分为电流馈电型和电压馈电型。电流馈电型电源用直流电抗器滤波，可获得直流电流，负载电流为矩形波，负载电压近似正弦波。电流馈电型常用于并联（或串并联）谐振逆变电路，电容器并联谐振电路中逆变器的电压与线圈电压相同，电流则比线圈电流小很多。电压馈电型电源用电容器滤波，可获得直流电压，负载两端电压为矩形波，负载电流近似为正弦波。电压馈电型大多用于串联谐振逆变电路。线圈与电容器串联谐振电路中逆变器电压是感应器线圈电压的函数，逆变器电流与感应器线圈电流相同。

表1 串联谐振与并联谐振电路性能比较

采用串联谐振和并联谐振电路的性能比较见表1。

采用串联谐振还是并联谐振变频电源，要根据铸造厂实际情况、性价比等因素综合考虑。在某些场合采用IGBT器件串联谐振设备的性能的确优于SCR器件并联谐振设备（串联谐振并不局限于IGBT，晶闸管多有使用），而且随着IGBT等电力半导体器件国产化程度的提高和控制技术的进步，其优越性会更加突出。近年来，世界范围内IGBT的研发投入以及包括感应熔炼电炉的应用数量激增，而晶闸管的研发和应用数量开始出现萎缩，已形成鲜明的对比。像高铁、高压电力、新能源汽车等一些新兴领域技术应用，就是很好的例子。至于这两种线路节能与否，虽然与采用的线路有一定关系，但它更与电源和感应器等的合理设计、制作及现场安装等，甚至与操作者作业水平都有关系。有些铸造厂采用串联设备后感觉“熔化速度比过去用并联设备要快了。”但熔炼速度提高与节能与否，毕竟不是一回事。

德国ABP感应系统公司欧文·德约茨认为，由于并联谐振电路自身的特点，使电源在回路发生短路时有着良好的保护性。因为具有缓冲功能的平波电抗器可以有效抑制电流快速上升，当回路发生故障时，能可靠地关断。此外，并联谐振的变频电源逆变侧损耗非常小（因为大电流只在谐振回路工作），可精确控制感应器线圈电压（可以充分利用电容器组最高电压）。但并联谐振也存在缺点：低功率状态下功率因数不如串联谐振，然而这一差别可以通过增加额外的补偿装置来提高。串联谐振变频电源的功率因数即使在低功率状态下，仍然能接近1。由于其电路中没有缓冲的平波电抗器，当回路发生故障时极易导致元器件损坏，为了获得与并联电源类似的工作稳定性，需增加监控；逆变器回路电流大，其电流值与感应器电流相等，而这一数值是电炉有效电流值的5～10倍，为了达到与并联型电路相近的线路损耗，导电铜排必须具有很大的截面积[1，2]。

1.2 变频电源主电路

国内有一定规模的铸造厂在新上感应熔炼项目时，多采用串联谐振型设备，但目前国内的铸造厂并联谐振型逆变电源仍占多数。后续内容涉及此类问题，如不特别说明均指并联谐振型逆变电源，对串联谐振型逆变电源有兴趣的读者，可以阅读参考文献[3，4]。

并联谐振电路变频电源的主电路如图1所示。

图1 并联谐振电路变频电源的主电路

并联谐振电路变频电源主电路由四部分组成：

（1）三相全控桥式整流电路 它将正弦的50Hz交流电压UN整流成脉动的直流电压Ud，调节直流电压Ud就可以调节负载电流。

（2）滤波电抗器 作为储能电感，滤波电抗器将工频网络与中频网络隔开，对脉动的直流电流Id滤波，当中频网络发生短路故障时，配合过电流保护系统限制短路电流的上升率及峰值。

（3）逆变器 由4只（组）晶闸管组成的单相桥式逆变电路，将直流电流Id逆变为中频电流Ia，并将其送入负载电路。

（4）负载电路 由感应器和电热电容器组成并联谐振电路。当基波和谐波组成的方波中频电流Ia进入并联谐振电路时，由于该谐振电路对基波电流呈现大的阻抗，对谐波电流呈现小的阻抗，因此方波中频电流在感应器负载的电压接近正弦波形。

与感应熔炼电炉配套的变频电源执行J B/T 8669—1997《中频感应加热用半导体变频装置》（该标准1998年实施，经2010年复审，现行有效）。这个标准规定了变频电源的效率，对1000Hz以下的频率等级，其效率不低于92%；对2500Hz频率等级，其效率不低于90%；对4000Hz的频率等级，其效率不低于85%（对非上述频率等级的效率值可由用户与制造厂协商确定）。变频电源的交流进线电压，也就是整流变压器阀侧线电压可按国家标准GB/T 156—2017《标准电压》来选择，三相三线系统的标准电压为220V/380V、380V/660V和1000V（考虑到电气元件的耐受电压因素，国内许多厂家生产的变频电源进线线电压值一般都不超过900V）。

1.3 变频电源主电路参数计算

以整流变压器阀侧线电压660V、12脉冲、双整流器、额定功率3600kW、标称频率300Hz、并联谐振逆变电路的变频电源为例，介绍主电路参数计算。

1）忽略逆变换相重叠角的变频电源输出电压（中频电压）Ua：

式中 Ua——忽略逆变换相重叠角的变频电源输出电压（V）；

Ud——直流电压（V）。整流变压器阀侧线电压与变频电源直流电压关系见表2；

φ——晶闸管逆变触发超前角（°）。晶闸管逆变触发超前角参考值见表3。

本例，Ud＝810V，φ＝32°，则

表2 整流变压器阀侧线电压与变频器直流电压关系

表3 国产晶闸管逆变触发超前角近似值

2）直流电流Id和Idq：

式中 Pa——变频电源额定功率（W）；

ηi——变频装置逆变器效率，在忽略了换相角及变频电源其他内阻的情况下，工程近似计算时仅需考虑变频电源逆变器效率（见表4）。本例，ηi取0.97。

变频电源的能耗在6%～8%，主要是整流器、逆变器、电热电容器及大电流母线的损耗。模块化设计的IGBT电源比SCR电源的损耗减少约1%，IGBT技术的采用，使变频电源部分的能耗可以控制在下限6%。

表4 变频电源逆变器效率

如果整流变压器为12脉冲输出，则每组整流桥输出直流电流Idq为

直流电流Id乘以0.6是考虑两个整流桥可能有60%和40%的不均衡。

4）整流晶闸管的选择：整流晶闸管通态平均电流值IT（AV）＝1800A；整流晶闸管断态重复峰值电压（即反向重复峰值电压）UAK=2000V。

整流晶闸管实际承受的电压值应满足下式：

式中 UA——整流晶闸管实际承受的电压值（V）；

UN——交流进线电压的方均根值（V）；

K——系数，取K＝1.1。交流进线线电压可能有+10%的波动。

整流晶闸管的电流裕度系数KPI、电压裕度系数KPU分别为

整流晶闸管的电流裕度系数KPI过去按1.5～2.0选取，随着半导体器件质量的提高，在水冷合乎规范的情况下，可在1.4～1.8之间选取。而整流晶闸管的电压裕度系数KPU仍按1.5～2.0选取。

本例，电流裕度系数KPI和电压裕度系数KPU分别为：

5）整流器交流进线线电流Is：

如果是Y、Δ两组整流，则每组桥的交流进线线电流为Isq：

若有晶闸管并联，则其中每一个晶闸管的电流半波平均值为Ithn：

式中 UAki——逆变快速晶闸管的电压值（V）。

若需要串联，则串联的每一只晶闸管电压为UAkn：

式中 n——串联晶闸管数量（只）。串联晶闸管应由生产厂家按均压要求选配，并组装成一体。

本例，选择2只晶闸管串联，n=2，故

8）逆变快速晶闸管（KK）的选择：

逆变快速晶闸管的电流裕度系数KKI、电压裕度系数KKU分别为

式中 IT（AV）——逆变快速晶闸管通态平均电流值（A）；

URM——逆变快速晶闸管断态重复峰值电压或者反向重复峰值电压（V）。

逆变快速晶闸管的电流裕度系数KKI，在频率6000Hz以下按1.5～2.0选取。考虑到关断时间toff和恢复电荷Qr因素或其他特殊原因，频率≥6000Hz时，电流裕度系数KKI可适当放大到3.0，电压裕度系数KKU仍按1.5～2.0选取即可。大功率设备的进线电压多为660V、1000V（一般为900V），甚至还有更高的进线电压，考虑到可靠性和经济性（高压元件的价格比2000年以前降低了很多），炉子生产厂家往往将整流晶闸管和逆变快速晶闸管的电压裕度系数提高到3，有时甚至4。

本例，逆变快速晶闸管（KK）选取IT(AV)＝2000A、URM＝2000V、双串、两组逆变桥共16只逆变快速晶闸管，则

式中 Ld——滤波电抗器电感量（mH）；

IM——限制直流电流峰值（A）。IM＝πIT(AV)；

Id——整流器电流，也就是流过Ld的电流（A）。若是Y形、Δ形联结两组整流，则Id就是每一组整流的电流值，即Idq，而Ld就是每一组整流桥的滤波电感值。

f——频率（Hz），f＝50Hz。

2 电热电容器

2.1 电容、电容器、电热电容器

（1）电容 贮存电荷的能力（定性）。在其他导体的影响可以忽略时，电容器的一个电极上贮存的电荷量与两电极之间电压的比值（定量）。

（2）电容器 用来提供电容的器件。用于电力系统、电工设备的电容器，统称电力电容器。而电热电容器是指感应加热回路中用来提高功率因数、改善回路电压和频率等特性的电力电容器。电热电容器与其他电力电容器相比，存在功率集中、电压低、电流大以及会散发大量的热等问题。

在感应熔炼电炉系统中，电热电容器组与感应器（线圈）并联或串联组成负载谐振电路，用来补偿感应器的无功功率，提高功率因数，并向变频电源的逆变电路提供换相电流。

在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法，符号是F。用法拉作为单位太大，工程上常用的单位是微法，符号是μF。换算关系是1F=106μF，1μF=10-6F。电热电容器的容量可以用国际单位制的微法表示，为方便起见，我国感应加热行业一般以电热电容器的无功功率表示其容量，单位是kVar。感应熔炼电炉并联谐振电路的电热电容器组是由多台电热电容器用铜软带或铜排与谐振回路（槽路）汇流母排并联组成。早期电热电容器外壳采用冷轧钢板，接线瓷柱是采用锡焊，为避免机械应力损坏瓷柱，安装时只得采用铜软带联接。现在电热电容器外壳采用铝合金材料，引出接线柱安装方式为密封件装配式，具有一定的弹性，因此可以采用铜排联接。但运输时，则必须将联接的铜排拆掉。电热电容器组安装在电容器柜中。为预防电热电容器外壳与电容器柜电气拉弧造成电热电容器损坏（这类损坏现场发生较多），目前频率≤2000Hz时采用外壳与芯子绝缘的装配方式，即电热电容器外壳不作为一个电极。这种情况下，电容器外壳直接与接地的机架联接安装。频率＞2000Hz的电热电容器仍采用将外壳作为一极，主要是考虑分布电容因素与减少外壳在磁场下发热的情况，此时电容器与机架必须绝缘。

电热电容器组的台数N由式（14）求出：

式中 N——并联电容器台数（台）；

Qc——电热电容器的总无功功率，也就是总容量（kVar）；

CN——单台电热电容器额定容量（kVar）。

以第三讲选择的电热电容器即单台容量（无功功率）2000kVar、额定电压1200V、频率300Hz为例，说明电热电容器的容量与电压、电流的关系：

式中 CN——额定电容（F）；

QN——电热电容器额定容量，无功功率（kVar）；

ω——角频率，ω=2πf（rad/s)；

UN——电热电容器两端的电压（V）。

国外生产的电热电容器的容量许多是用微法表示的，可根据式（15）计算出我们习惯的无功功率(kVar)表示的容量值。

电热电容器的额定电流为

式中 IN——电热电容器额定电流（A）。

已知额定电流、额定电压，可求出电热电容器的容量（无功功率)。

电热电容器订货技术条件：名称、型号、电压（kV）、容量（kVar)、频率（Hz），其实，型号里已包括电压、容量、频率这三要素。

电热电容器型号的含义：

R——电力电容器的系列代号，R表示电热电容器。

第三讲举例当中选用的电热是容器型号为RFM1.2-2000-0.3S就表示该电热电容器的液体介质为二芳基乙烷，固体介质为全膜，额定电压1.2kV，额定容量为2000kVar，额定频率为0.3kHz，水冷却。

电热电容器采用的标准：G B/T 3981（所有部分）/IEC60110（所有部分）《感应加热装置用电力变压器》；GB/T 2900.16—1996/neq IEC60050(436):1990 《电工术语：电力电容器》。

2.2 电热电容器应用存在的问题

（1）过负荷 电热电容器有一定的过负荷能力，在正常通水冷却、散热良好的情况下，允许在1.35倍额定电流下长期运行，这也就意味着电热电容器在额定电压、额定频率条件下的容量只要不超过1.35倍就可以安全运行。

从公式（15）可以看出，感应熔炼电炉运行中电压升高，频率升高都会引起QN的增大。QN的增大会使电热电容器功率损耗增加、温度升高，严重时会导致击穿；绝缘介质长期在高温作用下加速老化、绝缘强度降低而影响使用寿命。

1）过电压运行：变频电源输出电压超出额定电压时，会引起实际的容量（无功功率）QS增加，QS与变频电源运行的实际电压US、额定电压UN的关系为

由式（19）可知，如果实际电压升高10%，电热电容器实际的容量值（无功功率）QS将提高21%。因此，电热电容器单元端子间有效电压不宜超过额定电压而长期运行（过渡过程除外），每天允许在不超过1.05UN的电压下最多12h，重复施加电压峰值的最大值应不超过1.05UN（见GB/T 3984.1—2004/IEC 60110-1：1998，IDT）。为防止过电压引起电热电容器的故障，变频电源截压限幅整定应不得超过1.05UN。

2）频率升高运行：感应熔炼电炉在运行时随着炉衬耐火层腐蚀冲刷减薄，设计线圈匝数会呈现偏少的现象（等效感抗值降低），电流会增加，变频电源截流保护，达不到额定功率输出，此时为使阻抗匹配，只有减少并联谐振电热电容器组的数量。以并联谐振为例，电路谐振时，感抗与容抗相等，

式中 ω——角频率，ω＝2πf（rad/s）；

f0——谐振频率（Hz）；

L——等效感抗值（H）；

C——等效容抗值（F）。

感抗、容抗减小，都会引起谐振频率升高，而电热电容器的额定容量（无功功率）又与它的运行频率成正比关系，即

式中 QS——电热电容器实际容量（无功功率）（kVar）；

QN——电热电容器的额定容量（无功功率）（kVar）；

fS——电热电容器运行时实际频率（Hz）；

fN——电热电容器额定频率（Hz）。

炉子在运行过程中，如果电热电容器组中有单台损坏，从式（22）可以看出，电容器减少，电容器组的谐振频率会升高，电容器单元的容量（无功功率）会按（fS/fN）的比例增大。例如，由4台电热电容器组成的电容器组，当1台电热电容器因损坏而开路后，根据式（21）、式（22）可知谐振频率将上升，（）fN＝1.155fN，导致电热电容器组的容量（无功功率）上升15.5%。电热电容器的工作频率不得超过1.2倍额定频率。若超过则必须降低炉子运行功率，以免电热电容器因发热损坏。

电热电容器过负荷运行造成损坏的原因，最多的还是过电流。因电热电容器本来就是大电流器件，发热量大，需要水冷却来保证正常运行，一旦过流，电容器会迅速升温，从而造成电容器热击穿损坏。引起过电流的原因，最多的是工况发生变化导致超频，且超频比超压更容易造成电热电容器损坏。为保证电热电容器安全运行，应该按照厂家提供的说明书要求正确使用。GB/T 9984.1—2004/IEC 60110-1∶1998规定：电热电容器运行过程中，所承受的负荷不超过这些电容器的额定电压、额定电流和额定容量。

（2）电热电容器水冷问题 为感应熔炼电炉配套的电热电容器，一般都采用通水冷却。电热电容器的热源不仅是介质损耗，还包括电阻损耗产生的有功损耗，这里的电阻，对于电容器单元，指所有导杆、连接导线、钎焊接头、极板内部熔丝以及内部放电电阻等，对于电容器组，指单元、导电母线等。

由于电热电容器的构造特点，与感应器线圈相比，电热电容器对水冷系统有着同变频电源同等级别的要求。这就是为什么我们制定水冷系统方案时，总是把电热电容器的水冷与变频电源放在一起考虑。

电热电容器的冷却水温用一斜线隔开两个温度值来表示。前一个温度值是电容器可以投入运行的最低温度。最低温度不得低于2℃（低于2℃时会冻裂电容器内的冷却水管，故环境温度低于2℃时，如果炉子停止运行要及时排尽水管中的积水）；后一个温度值是水冷系统冷却水温的上限，即电热电容器的进水温度不得超过30℃，电热电容器的出水温度不应超过40℃（电热电容器的水冷系统最多可以3台串联，此时进第1台电容器的水温不应高于30℃，同时还应调节流量、压力，使得从第3台电容器出来的水温也要低于40℃），故水冷式电热电容器温度用“+2/+40”来表示。

电热电容器冷却系统水温外的其他要求应参照JB/T 8669—1997《中频感应加热用半导体变频装置》的要求。

1）冷却水流量：额定容量QN≤1000kVar，冷却水流量≥4L/min；QN＞1000kVar，冷却水流量≥6L/min。

2）冷却水进水压力：表压0.2～0.3MPa（参照JB/T 8669—1997）。

3）按其电气回路电压选择冷却水管的直径和长度及其材料，能把泄漏电流限制在20mA以下。

4）设备运行时，在电热电容器上方5cm处测得的最热点的空气温度应不高于50℃。

5）应能承受1.5倍的额定工作压力、历时5min的水压试验。

6）应采取措施限制腐蚀作用以及沉积物和气体的形成。推荐采用去离子水的循环装置。

7）对水质的要求：酸碱度p H值7～8.5，硬度≤10°G （1°G 为1L水中含氧化钙（CaO）小于10mg），总固体含量不超过250mg/L。

（3）电热电容器现场安装问题

1）电热电容器柜与炉子感应器线圈的相对位置，在保证安全及操作、维护方便的前提下，两者距离越近越好，以减少线路阻抗和损耗。

2）为减少电热电容器组积落的导电粉尘，防止发生短路和外壳对地放电，电热电容器柜应按密封要求设计，电热电容器柜连接变频电源和炉子感应器线圈的导电母排，必须按规范设置保护罩网，以防触电事故。

3）电热电容器柜应可靠接地，接地电阻值应≤4Ω。

4）电热电容器柜的金属框架、柜壳的发热问题：电热电容器柜金属框架、柜壳的温升没有相应的标准约束，可参照电热设备操作手柄的表面温升30℃作为表面温升限值。金属框架、柜壳超过表面温升限值，与大电流母线和框架外壳距离过近（按设计规范母线电流＞1500A，与金属构件距离应≥300mm）、金属框架机械设计不当（未考虑大电流母线产生的磁场影响）以及汇流排安装不规范等因素有关。金属框架、柜壳发热使能耗增加。

5）电热电容器柜内大电流母线及汇流母排的布置应合理，长度尽可能短，截面足够，两极靠近，汇流母排宽面相对。大容量、高功率密度的电热电容器柜的大电流母线及汇流母排应加水冷。大电流母线及汇流母排表面温升35℃。非水冷母排的表面温升以环境温度为基准，水冷母排的表面温升应以水冷系统进水温度为基准。

6）电热电容器可以垂直安装（瓷套朝上），根据需要也可以侧卧安装。电容器安装间隔应≥20mm。从汇流母排引到电热电容器出线套管和接地片或管接头上的连接导线应采用铜排或软连接线，连接线的截面积按≤4A/mm2选用。

7）电热电容器在中频大电流条件下工作，接线柱导杆会发热，由于热胀冷缩以及电磁力振动引起紧固螺母松动造成拉电弧损坏，因此新设备在开始运行的一段时间内要进行3次检查并确保螺母紧固。

8）大容量电热电容器存储时，要用铜丝将两个电极短路，以防止存储期间因静电导致电容器被充电而引起触电伤人事故。

3 整流变压器

3.1 整流变压器的特点

为变频电源的整流装置专供的电源变压器称为整流变压器。

整流变压器与电力变压器虽然原理相同（都是根据法拉第电磁感应定律，通过交变磁场将高压、低压绕组联系在一起，完成改变电压、电流和传递电能的功能）、结构相似（两者器身都是由绕在共同铁心上的两个或两个以上的绕组组成）、外观相近（都是一种静止的电器设备），但两者还是存在很大差异。

1）电力变压器高压、低压绕组电压通常与电网电压等级相匹配，而整流变压器只是网侧电压与电网电压等级匹配，它输出的阀侧电压可根据负载要求和整流方式来定。网侧顾名思义，即电网侧，阀侧名称起源于半导体二极管的单向导电性，当整流桥的正极电位比负极电位高时，整流变压器的输出电压大于零，当整流桥的正极电位比负极电位低时，整流变压器的输出电压等于零，其作用犹如闸阀。

2）电力变压器的负载一般都是线性阻抗，它的负载电流波形与负载电压波形一样，都是正弦波形，而且高压与低压绕组的视在功率相等。整流变压器的负载是半导体器件组成的整流网络，或是电感、或是电容器组成的滤波网络，这些非线性特性使得阀侧电流波形以及由阀侧电流决定的网侧电流波形都是非正弦的。阀侧电流还与整流器的型式有关。非正弦电流引起整流变压器漏抗压降较大，因此使得它的直流电压的输出特性也较软。

3）电力变压器在一个周期内只有3个正弦脉冲波，为提高电能质量，整流变压器在一个周期内的脉冲数（即等效相数）可以为6个或12个。

4）当半导体整流器发生短路故障时，变压器中就流过很大的短路电流，就会产生比电力变压器大1.4～1.6倍的电动力。整流变压器阻抗比同容量的电力变压器高30%，以抑制di/dt，保护整流元件。这样，同等容量的整流变压器就比电力变压器体积大，外形矮粗，其绕组结构也有更高的机械强度。

5）半导体整流器有可能发生异常的过电压，整流变压器比电力变压器有着更高的绝缘强度。

6）整流变压器需进行换算阻抗计算。

7）整流变压器由于谐波引起的附加损耗不容忽视，因此同样功率等级条件下的整流变压器在制造时，用铜量及硅钢片数量比电力变压器要多。

由此可见，铸造厂为感应熔炼电炉配套的变频电源的电源变压器采用电力变压器替代是不合适的。只要是带具有整流装置的变频电源这样的负载，都必须选用整流变压器[5，6]。

3.2 整流变压器的额定参数

（1）额定容量 整流变压器的额定容量是指额定电压、额定电流下连续运行时能输送的容量，单位为kVA。对于单相变压器是指额定电流与额定电压的乘积；对于三相变压器是指三相容量之和。

变频电源的输入功率在整流变压器的阀侧测量，输出功率在变频电源逆变回路输出端测量。测得的输出功率与输入功率的比值，即为变频电源的实测效率。变频电源的额定功率就是逆变回路的输出功率。因此，通过变频电源的额定功率求整流变压器的额定容量，就必须把变频电源效率这个因素考虑进去。

对于电压型（串联型）变频电源，因为其输入功率因数接近1，所以给它配套的整流变压器的额定容量与它的额定功率数值几乎相等。考虑到变频电源的效率，一般取额定功率值的1.05～1.10倍就可以作为整流变压器的额定容量值。

整流变压器额定容量SN与电流型（并联型）变频电源额定功率P的经验关系式为

式中 S——为电流型（并联型）变频电源配套的整流变压器额定容量(kVA）；

P ——变频电源额定功率（kW）；

k ——整流变压器的效率、整流变压器网侧功率因数、谐波损耗系数和容量裕度系数的综合影响经验数值，取0.85；

η1——变频电源整流器的效率，取0.97；

η2——变频电源逆变器的效率，取0.97。

例如，电流馈电型（并联型）电路的变频电源额定功率3600kW，代入式（23），则整流变压器的额定容量为4500kVA。

（2）额定电压 额定电压是变压器长时间运行所能承受的工作电压。它是由制造厂家规定的变压器空载时在额定分接头上的电压。对于三相变压器，如不特别说明，额定电压都是指线电压，而单相变压器是指相电压，单位为kV。为适应网电压变化的需要，变压器高压侧有分接抽头，通过调整高压绕组匝数来调节低压侧输出电压。依靠油作为冷却介质的油浸式整流变压器额定容量超过1600kVA，由于阀侧绕组匝数太少，一般按网侧电压的±5%的分接抽头，≤1600kVA时则按2×2.5%分接抽头。依靠空气对流的整流变压器一般都按2×2.5%分接抽头。

（3）联结组标号 也称作“联结组别”。根据整流变压器网侧、阀侧绕组的相位关系把变压器联结成各种不同的组合称为绕组的联结组。联结组标号的书写形式是：用大写、小写英文字母Y或y分别表示网侧、阀侧绕组Y联结；D或d分别表示网侧、阀侧绕组的Δ联结。用逗号“，”将网侧与阀侧分隔开。英文字母后边的阿拉伯数字则表示网侧、阀侧电压向量间相位移的大小。

联结组标号采用时钟表示法（用时钟序数表示是因为网侧、阀侧绕组对应的线电压之间的相位差是30°的整数倍，这正好与时钟上小时数之间的角度一样），即把网侧线电压的相量作为时钟的长针，固定在12点上，阀侧线电压的相量作为时钟的短针，看短针指在哪一个数字上就作为该联结组标号。如“D，yn11”表示网侧是三角形（Δ）联结，阀侧绕组是星形（Y）联结，用“n”表示中心点引出。标号为11点表示若阀侧线电压超前于网侧线电压30°，则短针指在11点的位置，其接线组别规定为11。

1）6脉冲整流变压器系统的联结组标号有两种形式：“D，d0”和“D，yn11”。

2）12脉冲整流变压器系统的联结组标号也有两种形式：一种是以上两种不同联结组别“D，d0”与“D，yn11”并联运行获得等效的12脉冲形式；另一种是最常用的“三绕组”的12脉冲波形式，其联结组标号为“D，d0-yn11”。两台6脉冲整流变压器并联运行组成等效12脉冲的优点是可以使“D，d0”与“D，yn11”两种电压的变比非常接近，其误差精度可达±0.2%。而采用单台三绕组的12脉冲形式，由于“yn接”与“d接”匝数需相差倍，且为整数匝，因此必须用固定的匝数比，如3/5、4/7、7/12、8/14、11/19、15/26、18/31、19/33、22/38、23/40、26/45等。当采用固定匝比后，其误差精度可达±1%，整流变压器容量越小，匝数越少，其变比误差也越小。因此，铸造厂在选择整流变压器时，除非容量特别大和变频电源对电压误差精度要求特别高，绝大多数情况都应采用单台三绕组12脉冲形式，因为相对第一种形式，毕竟它用材省、占地少、投资低、效率高。

3）24脉冲整流变压器系统，可以由4台三相双绕组、2台三相三绕组的单机24脉冲整流变压器系统组成，但从供电效率和经济效益来讲，为感应熔炼电炉配置的24脉冲整流变压器系统多采用两台三相三绕组整流变压器并联形式，而且主要采用两台联结组标号均为“D，d0，yn11”，网侧延边三角形联结法，相位角分别偏移+7.5°、-7.5°，阀侧分别为星形联结和三角形联结，阀侧输出电压相角相差15°，两台整流变压器并联供电。

（4）阻抗电压 短路电压百分数，在数值上与整流变压器的阻抗百分数相等，表明变压器内阻抗的大小。将阀侧绕组短路在网侧绕组缓慢升高电压，当阀侧绕组的短路电流等于额定值时，此时网侧所施加的电压，一般以额定电压的百分数表示。

感应熔炼电炉配套的整流变压器的阻抗电压值，可参考表5的数据提供给整流变压器生产厂家设计。

表5 几种整流变压器阻抗电压选择

国内某整流变压器研究机构提供的整流变压器短路阻抗资料：≤2500kVA，6.5%；3150～5000kVA，7.0%；6300～10 000kVA，7.5%；12 500～31 500kVA，8.0%。参考文献[7]则提供了另一组数据：500～1000kVA，5.5%；1000～2000kVA，6%；2000～3000kVA，6.5%；3000～4000kVA，7%。这些资料都可以作为参考。

（5）整流变压器的绝缘等级与绝缘水平

1）绝缘等级：A级。

2）绝缘水平：网侧电压10k V，阀侧电压0.66kV时，h.v.LI75AC35/I.V.AC5（h.v.表示高压；LI75表示该变压器高压雷电冲击耐受电压为75kV；AC35表示工频耐受电压为35kV。I.V表示低压；该变压器低压AC5表示工频耐受电压为5kV），网侧6kV、阀侧0.66kV的绝缘水平h.v.LI60AC25/I.V.AC5表示该变压器高压雷电冲击耐受电压为60kV，AC25表示工频耐受电压为25kV。

3.3 整流变压器的相关标准

感应熔炼电炉用整流变压器相关标准主要有以下三种：GB 1094（所有部分）《电力变压器》；GB/T 18494.1—2014《工业用变流变压器》；JB/DQ 2113—1984《电化学用整流变压器》。

4 谐波的产生及其危害

4.1 谐波的产生

向公用电网注入谐波电流的非线性电气设备称之为谐波源。铸造厂使用的感应熔炼电炉装置就是多个谐波源的集合。

1）感应熔炼电炉电流馈电型晶闸管变频电源中的三相全控桥式整流器是谐波源。晶闸管整流器交流侧的电压波形是正弦波，电流是正负对称的矩形波，从该电流傅里叶级数展开式可知，装置从电网中吸收谐波电流。这些谐波电流在电网回路中引起阻抗压降，从而使电网电压也含有谐波成分，造成电网电压波形产生畸变。

2）由于整流变压器漏抗的存在，在晶闸管换相时，导通的晶闸管电流不可能立即上升到稳定值，而被关断的晶闸管电流也不可能立即降到零，换相期间，两相相间发生短路，使得电压波形出现“毛刺”，造成了电网电压波形畸变和谐波的产生。

3）平波电抗器和逆变器的影响：平波电抗器不可能使电流完全平直，逆变器对电流的影响也不容忽视，这些都会产生谐波。

4）进线三相交流电不完全对称，使电压波形畸变和电流谐波成分更加复杂。

在所有谐波源中，变频电源的整流器产生的谐波电流是主要的谐波源。作为电流型谐波源，抑制变频电源产生的谐波应首先从抑制谐波电流入手[5，6]。

4.2 谐波的危害

（1）对电网的危害 谐波电流注入电网，在供电线路上产生压降，谐波电压与基波电压迭加致使公共连接点（用户接入公共电网的连接处）电压波形畸变。谐波影响电网系统的保障系统和设备的稳定运行，增加电网的附加损耗，影响电网设备和用电设备的正常工作，导致额定工作点偏移，使设备功能不能正常发挥。

（2）对电气设备的影响 当谐波次数h＝3k-1次时（k为任意正整数，1、2、3、…），谐波电压分量为逆序分量（2、5、8、…），产生逆序磁通，使电动机产生反转力矩，引起发电机定子、转子产生附加损耗和温升，且转子尤为严重，从而影响发电机输出，导致电动机功率因数和最大转矩下降。整流变压器的激磁电流额外加大。有资料介绍，电压畸变率超过10%会导致电子开关产生误动作，超过5%会导致计算机系统工作紊乱。谐波使电热电容器介质局部放电和热老化，损耗增加，使电热电容器因温升而损坏，有时还会产生谐波放大。谐波对输电线路也会造成不良影响。

（3）谐波引起功率因数恶化 谐波电流的平均功率为零，也就是说谐波电流都是无功电流，谐波的存在会引起电网功率因数的恶化[7，8]。

4.3 谐波的抑制措施

GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》规定了公用电网谐波电压限值，见表6。

表6 公用电网谐波电压

如果产生的谐波电压超过了表6中的数据，就必须采取措施加以限制。

1）增加短路比。短路比是指电网短路容量与变频器额定功率的比值。如未采取谐波抑制措施，为保证电能质量，就必须对变频电源额定功率加以限制，即增加短路比。

英国电力部门所推荐的整流装置与电网短路容量及整流相数的关系（见图2），可供我们参考。

图2 整流装置的额定功率与电网短路容量及整流相数的关系

2）通过提高整流变压器的网侧及阀侧电压等级，提高系统承受谐波的能力。

3）利用整流变压器的相位移和提高整流相数抑制谐波。

在一般情况下，整流器这类谐波源的电流含有的特征谐波次数h与整流相数在理论上有以下关系：

式中 P ——整流器相数，P＝3、6、12、18、24、36、…

k ——任意正整数，k＝1、2、3、4、…

由此可见，增加整流相数这一措施对减少谐波电流十分有效，而增加整流相数就是通过改变整流变压器的接线方式和改变移相绕组来实现的。

据ABP公司提供的不同整流相数整流器中的谐波量，12脉冲整流电路中，5次、7次谐波已基本消除，24脉冲整流中，5次、7次谐波效果同12脉冲，对11次、13次谐波能进行更为有效的抑制。电流谐波与基波相比的百分率见表7[1]。

表7 电流谐波与基波相比的百分率 (%)

4.4谐波分析

以3600kW变频电源、网侧电压10kV、12脉冲整流变压器、阀侧电压2×660V、50Hz为例，进行谐波分析，其中11次、13次、23次、25次谐波电流见表8，35次、37次谐波忽略不计。

表8 变频电源运行时折算到10kV侧谐波电流方均根值计算 (12脉冲）

Ih为h次谐波电流，即

式中 Id´—— 一组Y（或Δ）6脉冲整流的基波方均根值（A）；

Kh——谐波系数，根据计算和谐波电流仿真频谱图得出；

K——整流变压器变比，本例K＝0.66kV/10kV，即K＝0.066。

Idq—— 一组Y（或Δ）6相整流的直流电流值（A）。本例，Idq＝2651.0A。

Kx——计算修正系数。

Kx根据仿真得出，Kx＝1.112，则

国标GB/T 14549—1993对电网中注入的谐波电流值加以规范，该标准中的“注入公共连接点的谐波电流允许值”规定在基准短路容量100MVA、10kV标准电压时，谐波电流的方均根值不得超过表9中的数值。

表9 注入公共连接点的谐波电流允许值

当电网公共连接点的最小短路容量不同于表9中100MVA的基准短路容量时，可按式（26）修正表9中的谐波电流允许值，即：

式中 Ih——短路容量为SK1时的第h次谐波电流允许值（A）；

SK1——公共连接点的最小短路容量（MVA），见表10；

SK2——基准短路容量（MVA）；

Ihp——表9中的第h次谐波电流允许值（A）。

表10 公共连接点最小短路容量

由表10可见，只要公共连接点的最小短路容量≥210MVA，则3600kW、2×660V阀侧电压、12脉冲整流谐波电流值就已接近国标限定的允许值。但国标还规定，同一连接点的每个用户，向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与公共连接点的供电设备容量之比进行分配，这样虽可接近标准容量，但实际达标很难。

总之，提高整流相数是抑制谐波电流的有效措施。铸造厂现场单台电炉一般采用12脉冲整流，两台电炉采用24脉冲整流。三台电炉可采用18脉冲或36脉冲整流，分别将两绕组（6相）或三绕组（12相）的三台整流变压器网侧延边三角形移相-20°、0°、+20°或-10°、0°、+10°（两绕组或三绕组阀侧接法相同）。超过24脉冲对抑制谐波电流的效果不明显，在铸造厂现场较少使用。

GB/T 10067.31—2013《电热装置基本技术条件 第31部分：中频无心感应炉》中规定：功率大于500kW变频装置一般应配置整流变压器，整流器的形式应有利于电网谐波的减少，必要时应在整流器网侧配置谐波吸收装置。根据国家“电力法”和“供电营业规则”，依照“谁污染、谁治理”的原则，把用户在公共连接点的谐波电流限制在GB/T 14549—1993规定的范围之内。

感应熔炼电炉变频电源的整流装置作为谐波源，其负荷较为平稳，谐波成分也较稳定，故适合于在整流器原边加装无源型交流滤波与无功补偿装置。该装置主要由电容器、滤波电抗器、PLC控制器、接触器及断路器组合而成，与谐波源并联。在实际运用中，根据现场实测的谐波电流大小及无功功率要求情况进行有针对性的设计，该装置向谐波源提供一个低阻抗通道，谐波电流大部分流入滤波器（滤波效果可达90%以上），使电压畸变减少，而对于基波频率，滤波装置可向电网提供无功功率，以提高功率因数，达到无功补偿效果[9-11]。

在整流变压器阀侧加装无源型交流滤波与无功补偿装置，投资少（是整流变压器网侧治理的1/3，是有源滤波器的1/20），因与谐波源并联，能就地吸收大量谐波电流，使用户的整个用电系统损耗降低，是解决谐波超标的首选方案。

5 感应熔炼电炉谐波治理应注意的几个问题

1）感应熔炼电炉配电系统不仅含有大量的特征谐波电流，还含有丰富的非特征谐波（间谐波）电流，因此炉子配电系统无源滤波器设计的难点，是在滤除特征谐波的同时如何避免或降低系统的并联谐振点对其非特征谐波（间谐波）的谐振放大问题。

2）在无源滤波器设计过程中，应加强对系统网架结构、运行方式及系统参数的调研，测试典型负荷的谐波和无功发射特性，搭建仿真模型优化设计方案，确保无源滤波器安全稳定运行。

3）滤波器各支路容量的确定是个比较复杂的计算过程，涉及大量计算。原则是基波补偿容量尽量小，不要导致过补无功功率倒送现象，而是有更多的容量可以吸收谐波电流。

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