基本信息
- 项目名称：
- 电炉谐波吸收及功率因数补偿综合装置的研究与开发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目针对电炉短网的功率因数低、谐波含量大、回路损耗高等技术问题，以中钢吉铁103#电炉为研究对象，遵循变压器视在功率不变的原则，提出谐波电流功率因数软测量方法；采用SVC补偿控制原理，多段式控制模式，实现了系统的双层闭环动态补偿控制规律，经运行考核证明该装置达到了短网谐波小于4%，短网功率因数在0.87-0.92可控，电耗下降率2%等优异的性能指标，还可以推广应用于矿山、电力、电气化交通等领域。
- 详细介绍：
- 本产品针对103#电炉的现实工作环境和运行条件，确定了下层以PLC为核心，采用电流、电压综合检测和变送，晶闸管作为软开关，过零点触发，RLC完成补偿和谐波调节的硬件电路结构；上层以工控机为主体，与智能采集器通过RS485串行通讯的方式进行数据通讯，能实时对下位机进行控制的短网双层双环动态补偿的系统整体设计方案。电炉属于工况复杂、冲击性强的不对称负载，特别因为短网始终工作在低电压大电流状态加之受短网电参数的影响，使得短网上出现交流电压与电流相位不同步以及含有谐波等现象，按照交流理论，可以采用并联容性负载的方法，在短网回路中自行补偿负载所需的感性电流，从而减少变压器以及电网的无功供给，提高系统的效率。补偿装置可以采用静止无功补偿器。本产品采用补偿和谐波抑制的兼容设计，在SVC（静止无功补偿器）补偿电路控制模式下，同步地进行无功补偿和抑制谐波电流的闭环控制。将电炉变压器一次侧的10KV高压进线，经电压互感器(PT)和电流互感器(CT)分别变成AC 0-5V和AC 0-5A信号，由采集器，进行相应的处理，送入智能综合电量变送器中，再与上位工控机通过RS485串行通讯的方式进行数据通讯，在上位工控机获取变压器的一次侧、二次侧的电压、电流、功率因数等信息，再根据谐波预测方法获取谐波的含量等控制信息，之后经过双环的控制调节运算，一次计算出A、B、C三相功率管控制角，按照分段式补偿控制的模式，输出控制指令给下位机的PLC，由PLC产生相应的驱动脉冲，经控制电路实现系统的综合控制。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、设计发明的主要目的：本课题是以中钢吉铁一分厂的16500KVA的103#电炉为研究对象，基于广谱变频技术及短网补偿技术对电炉工况进行数据采集分析，在装置内部采用谐振电路、补偿电路来吸收谐波和提高功率因数，达到减少电炉功率损耗的目的。 2、基本思路：针对103#电炉的现实工作环境和运行条件，确定了下层以PLC为核心，采用电流、电压综合检测和变送，晶闸管作为软开关，过零点触发，RLC完成补偿和谐波调节的硬件电路结构；上层以工控机为主体，与智能采集器通过RS485串行通讯的方式进行数据通讯，能实时对下位机进行控制的短网双层双环动态补偿的系统整体设计方案。 3、创新点：（1）分析了对短网回路影响因素，确定电感、电容、电阻等参数以及电路结构形式，模拟出了短网回路的数学模型。（2）采用电流分解、倍频变换的软测量方法，应用傅里叶级数理论实现了对短网基波电流、谐波电流以及功率因数的检测。（3）在SVC补偿电路控制模式下，同步地进行无功补偿和谐波电流抑制的闭环控制。（4）采用双层双环动态分段式控制模式，采用SVC补偿电路形式，构建功率因数和谐波的闭环控制系统，动态地控制功率器件。 4、技术关键：（1）提高短网功率因数。（2）LC谐振式谐波抑制方法。 5、主要性能指标（1）视在功率：16500KVA；（2）有功功率：15894KW；（3）无功功率：7236Kvar；（4）一次侧电压：10KV；（5）一次侧电流：950A；（6）功率因数：≥0.85。
科学性、先进性
- 与同类产品相比，具有以下的先进性：（1）本装置采用了上下位机的双层结构形式，调节状态以及过程参数等在上位机可以实时保存和显示，满足了现场操作者的使用要求。（2）在补偿控制模式下，同步地进行无功补偿和谐波电流抑制的闭环控制。（3）应用傅里叶级数理论方法，采用电流分解、倍频变换的软测量方法，在不增加硬件和常规坐标变换基础上，实现了对短网基波电流、谐波电流以及功率因数的检测。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品于2011年3月15日通过吉林省科技厅的鉴定，其评价为达到国内领先的水平。 2011.3 申报《铁合金电炉DCS综合控制软件V1.2.1》软件著作权登记，登记号：2011SR014095。 2010．5 申请《一种矿热炉电极的非接触检测及最佳熔炼控制方法》的国家发明专利，申请号201010186911X，在公示中。 2009．6 申报《矿热炉电极横梁位置的检测装置》实用新型专利，专利号ZL 2009 2 0093772．9 2011.5 获第四届“挑战杯”长春工业大学大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 作品处于生产阶段
技术转让方式
- 技术合作
作品可展示的形式
- 图片展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 主要技术特点：1.实时性：上位机采用RS485通讯的方式，能实时对下位机进行控制，并且可以实时显示、数据保存以及在线输出等功能。2.节能性：补偿后使短网无功电流减少10%，电压提高0-6V左右，提高生产效率到10%。3.安全性：提高功率因数，降低谐波，增加设备可靠性和寿命。成果应用和产业化前景：研发装置在中钢吉铁103#电炉试运行，现已投入使用，运行结果表明该装置操作简便，完全满足生产运行需要。在此研究成果的基础上，为鞍钢集团大孤山球团厂破碎电磁站研发了660kVar补偿容量的“动态无功补偿及谐波抑制控制柜”装置。且国家强化节能减排推行低碳经济等发展政策为本成果的推广应用开辟了广阔的领域。
同类课题研究水平概述
- 近几十年的时间里，国外在电炉电能品质及功率补偿方面做了大量的研究工作，主要技术经济指标为：单位电耗一般达到420-450kwh/t，甚至更低。国外很多发达国家电炉的供电网效率很高，大部分功率因数都在0.85～0.95之间，对一些功率因数低的进行功率补偿，如在国际上处于领先地位的以色列Elspec公司生产的Activar产品，采用电子开关控制，做到了在5～20ms内能投切全部电容器组对企业的降耗节能起到了一定的作用。目前我国电炉的电气控制系统，耗能因素为：(1)功率因数低下，造成无功和损耗增加；(2)三相功率不平衡增加变压器的额外损耗；(3)电网电压正弦波发生畸变，电能质量下降；(4)工作过程产生的谐波带来附加的损耗和公害；(5)控制手段和水平不高，使能量转换没有处于最佳的工作点。所以冶金工业需要大力推广节能工艺技术和技术装备来降低能源消耗。工艺装备技术落后，功率因数低，耗电量大，谐波含量高是电炉面临的几大主要问题。 TSC动态补偿是采用晶闸管作为开关，投切电力电容器组、实现无功补偿的目的。ELSPEC是在国际上领先进行动态无功补偿和滤波的公司，总部位于以色列Caesarea Industrial Park，主要市场在欧洲、亚洲、美洲，具有遍及全球的业绩、全球性的销售网络，Elspec公司在全世界有40多个国家有销售，北美的通用电气、施耐德用Elspec的产品OEM后去销售，西门子每年从Elspec采购1000万美金的设备，可以看出该产品在国际上的地位。 Elspec的Equalizer产品在国际上唯一能真正做到5-20ms投切全部电容器组，包含了动态补偿、稳定电压、防止谐振等功能的综合解决方案。采用无触点电子开关及专利投切技术，具有真正的Real-time 和 Transient-free的优秀品质，克服了浪涌冲击电流、装置使用寿命大大提高，电容器平均统计寿命长达10年之久，技术、性能领先于许多“准实时动态补偿柜”。与国外相比，我国电炉还存在着较大的差距，特别中钢吉铁的103#电炉仍采用手动操作方式，无疑电炉低压补偿及谐波抑制系统的研发使用，是解决电炉功率因数、谐波及提高有功功率综合利用的最有效的手段及途径。通过本课题的研究和实施，很好地解决了电炉短网的功率因数及谐波的问题，为企业带来了可观的经济效益和提高了企业的自动化控制水平。
