1 引言

陽極氧化是鋁型材表面處理普遍應(yīng)用的工藝，在陽極氧化工藝過程中目前廣泛使用的氧化電源是晶閘管整流電源。晶閘管整流電源作為一種具有非線性特性的產(chǎn)生諧波的設(shè)備，其從電網(wǎng)取用的電流是非正弦波形，其諧波分量使系統(tǒng)正弦電壓產(chǎn)生畸變。隨著鋁型材工廠產(chǎn)能的不斷擴大，氧化電源的功率等級不斷提高，目前單機輸出已達到25KA，工廠內(nèi)使用的氧化電源的數(shù)量也越來越多。大量使用晶閘管整流電源作為鋁型材氧化電源，必然會造成鋁型材工廠內(nèi)的供電系統(tǒng)諧波污染嚴(yán)重，功率因數(shù)不達標(biāo)，能源損耗嚴(yán)重，在國家對電網(wǎng)質(zhì)量要求日趨嚴(yán)格，大力提倡節(jié)能降耗的今天，采用合適的方案對氧化電源所產(chǎn)生的諧波進行治理，并提高其功率因數(shù)，具有很好的現(xiàn)實意義。

2 諧波的定義及危害

2.1 諧波的定義

供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1）稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics）或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制，其頻率范圍一般為2≤n≤40。

2.2 諧波的危害

電力諧波的大量存在會直接影響用電的安全性、可靠性、經(jīng)濟性、以及生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性。總的說來，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）供用電設(shè)備在高頻分量作用下，集膚效應(yīng)增大、渦流、磁滯等影響增加，引起異常過熱，損耗大為增加；

（2）由于諧波頻率的疊加影響導(dǎo)致頻率不穩(wěn)，使旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，附加損耗增加，供用電設(shè)備機械振動加大，甚至發(fā)生機械諧振；

（3）諧波成份使電流和電壓波形產(chǎn)生畸變，波峰的畸變會使對峰值敏感的設(shè)備或元件受影響(如過電壓引起擊穿或過電流引起誤動) ，而波形過零點的畸變直接對測控元件或設(shè)備產(chǎn)生干擾和誤動。

3 氧化電源諧波分析

3.1 氧化電源工作原理

氧化電源采用三相六脈波整流方案，原邊晶閘管調(diào)壓，副邊二極管整流。整流變壓器選用雙反星形五芯柱變壓器。控制系統(tǒng)由調(diào)節(jié)控制單元、IOP觸摸屏、PLC調(diào)節(jié)器等部分組成。如下圖1是氧化電源系統(tǒng)框圖。

圖1 鋁型材氧化電源系統(tǒng)框圖

3.2  氧化電源的諧波分析與計算

各種晶閘管電路產(chǎn)生的諧波次數(shù)與其電路形成有關(guān)，稱為電路的特征諧波。對稱三相變流電路的網(wǎng)側(cè)特征諧波次數(shù)為：

n=kp±1   k=1、2、3…（正整數(shù)）

式中p為一個電網(wǎng)周期內(nèi)脈沖觸發(fā)次數(shù)（或稱脈動次數(shù)）。

進行諧波分析和計算最有意義的是特征諧波，如5，7，11，13次等。工程上也主要考慮濾除諧波源設(shè)備的特征諧波，其它諧波含量很小可以忽略。

由上圖1氧化電源系統(tǒng)框圖可見，氧化電源是一種典型的六脈沖整流設(shè)備，其特征諧波是5、7、11、13次諧波等，可以依據(jù)六相整流設(shè)備理論計算模型計算整流電源產(chǎn)生的各次主要諧波電流值：其中，5次I5 ≈0.175 I1、7次I7 ≈0.11 I1、11次I11 ≈0.045 I1、13次I13 ≈0.029 I1。這在工程應(yīng)用上已經(jīng)足夠精確。按380V電網(wǎng)側(cè)短路容量10MVA計算，額定輸出DC24KA/22V的氧化電源380V總進線側(cè)各次諧波電流計算值如下表1所示，諧波治理要以該表為依據(jù)，以滿足國標(biāo)限值為治理目標(biāo)。

表1 氧化電源進線諧波電流和國標(biāo)允許值

4 氧化電源諧波治理方案

4.1 方案選擇

鋁型材氧化電源特征諧波為5次、7次以及11次、13次諧波，其它諧波含量很少，可以忽略。并且氧化電源在為氧化槽提供直流電的過程中，輸出保持恒定，而且無特殊情況一般都保持較高功率或額定輸出，因此可以將氧化電源看成是一種諧波含量穩(wěn)定，諧波成分單一，功率較大的直流電源設(shè)備和諧波源設(shè)備。

對于這樣一類大功率諧波源，從經(jīng)濟性、可靠性等角度分析，采用低壓LC無源濾波補償裝置是合適的。無源濾波補償裝置采用串聯(lián)諧振原理，由電力電容器、電抗器和電阻器等適當(dāng)組合而成，組成若干單調(diào)諧及高通濾波支路，和諧波源并聯(lián)運行，除具有無功補償作用外，最重要還可以吸收諧波電流，有效地減小諧波量。該裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便。

從安裝角度分析：無源濾波補償裝置適用于在諧波源處就地治理安裝，集中補償將很難避免諧振發(fā)生；對于氧化電源這樣大容量的諧波源來說，就地治理也比較經(jīng)濟合理，效果最好，可以有效減少諧波電流在傳輸電纜上造成的功率損耗。

另外，氧化電源引起諧波超標(biāo)的主要是5、7次諧波，所以從工程角度考慮，濾波補償方案以吸收5、7次諧波為主；同時設(shè)計上還兼顧考慮對11、13次諧波部分吸收作用。

下圖2是DC24KA/22V氧化電源配套低壓無源濾波補償裝置一次系統(tǒng)圖：

圖2 低壓無源濾波補償裝置一次系統(tǒng)圖

4.2 仿真分析及校驗

采用低壓無源濾波補償方案，用仿真軟件分析比較了多種效果。由于系統(tǒng)中的實際諧波量比較大，在相同基波的補償容量下，采用5、7次濾波組合有利于對系統(tǒng)的實時無功補償及最大限度吸收5,7次諧波電流，同時避免對對其它次諧波放大。由于系統(tǒng)中11次及以上諧波分量本身就比較小，故不會產(chǎn)生太大影響。

濾波補償裝置投入后系統(tǒng)穩(wěn)定，不會與用戶供電系統(tǒng)發(fā)生整數(shù)次的特征諧波放大，且對系統(tǒng)的5次諧波吸收率達到了75%以上，7次諧波電流吸收率達到60%以上，11次及以上諧波電流平均吸收率也達到40%以上。

下表2列出了低壓無源濾波補償裝置投入后氧化電源總進線側(cè)諧波值的減小情況，圖2是用福祿克電能質(zhì)量分析儀FLUKE 43B實際測到的濾波補償投入前后對比圖。由表2數(shù)據(jù)和圖3對比圖可見：無源濾波補償設(shè)備投入后運行穩(wěn)定，濾波效果明顯，可以達到國標(biāo)要求，平均功率因數(shù)達到了0.92以上。

表2  投入濾波器后氧化電源總進線側(cè)諧波值

圖3 濾波補償投入前后對比圖

5 結(jié)論

本文提出了一種鋁型材氧化電源的諧波治理和無功補償方案。對氧化電源的諧波進行了分析，并對低壓無源濾波補償裝置進行了設(shè)計，最后根據(jù)工程實踐對裝置的濾波補償效果進行了仿真分析及校驗。鋁型材氧化電源就地安裝低壓LC無源濾波補償裝置，結(jié)構(gòu)簡單可靠，經(jīng)濟成本合理，濾除諧波、無功補償效果及節(jié)能明顯，具有很好的實用性和推廣價值。