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感应加热装置网侧功率因数分析与补偿

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学术研究41Academic Research

2007 No.5王立峰　彭咏龙／感应加热装置网侧功率因数分析与补偿摘　要：针对目前单台感应加热装置网侧功率因数低，且电流波形畸变严重的情况，文章以100kW/400kHz感应加热设备的实体参数为依据，在理论分析的基础上搭建了仿真模型，详细研究了感应加热设备在恒负载情况下网侧的无功及电流谐波含量变化规律，并设计了适合于100kW感应加热设备的（TSF＋固定补偿）型可一体化装配的谐波及无功补偿装置，仿真结果显示，输出有功功率在30kW~100kW内变化时，该补偿装置能动态补偿网

侧功率因数到0.92以上而不会过补偿，并且大大降低了电流的谐波含量。关键词：感应加热；功率因数；无功；谐波中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：

1673-1131(2007)05-0041-04

感应加热装置网侧功率因数王立峰　彭咏龙／华北电力大学（保定　071003）

The Power Factor Analysis and Compensation of Induction Heat-ing System

Wang li-feng, Peng yong-long(North China Electric Power University, Baoding 071003, China)Abstract: Aims at the situation of low power factor and high THD of the induction heating system, this paper bases on the realparameters of one 100kW/400kHz system, builds a simulation model through theory analysis, makes a particular research about thechange rule of the reactive power and the current wave harmonics when the induction heating equipment is in the case of constant load,then a TSF+LC inset harmonics and reactive compensate model fixed the 100kW equipment has been designed, simulation resultsshows that when the output active power changes from 30kW to 100kW, the TSF+LC model can dynamic compensate the power factorof line side to greater than 0.92, but never over compensate, and the THD also falls down.KeyWords: induction heating; power factor; reactive power; harmonics

一、引言感应加热装置是将三相交流电经过整流和逆变后，通过感应线圈产生的感应涡流热效应对金属进行热处理的装置，与其它装置相比具有高效、快速、可局部加热和污染小的优点。但是由于采用了晶闸管相控整流加大电感滤波和加大电容稳压的方式来获得较为稳定的直流电压供给逆变桥，从而造成交流网侧的功率因数（ＰＦ）较低，电流总畸变率（ＴＨＤ）较大，为了补偿功率因数，常规的做法是对利用多台感应加热装置进行金属热处理的工厂进行厂用变压器二次侧的无功统一补偿来提高功率因数，由于是不可调式补偿，该方法不能实时跟踪设备的无功变化，往往使设备群处于过补偿状态，加之没有考虑电流波形的畸变，并不能很好的提高整个工厂用电的可靠性。本文针对实际的单台１００ｋＷ／４００ｋＨｚ高频感应加热设备建立了简化仿真模型，并由其特有的无功及电流谐波变化规律，设计了一种（ＴＳＦ＋固定补偿）型嵌入式补偿方案，从仿真结果看，该补偿方案能动态稳定网侧的功率因数在０．９２以上，并显著降低了网侧的电流波形畸变率。二、实际感应加热装置的简化模型实际电压型串联谐振式感应加热装置的主电路拓扑如图１，该装置采用ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ式变频结构，由厂用变压器提供的三相３８０Ｖ交流电经过进线电抗ＬＬ１／ＬＬ２／ＬＬ３，接入晶闸管三相全控桥整流，整流后的脉动直流电压经过滤波环节ＬＦ１，ＬＦ１２，ＬＦ２２，及稳压环节ＣＥ１，ＣＥ２，变为平

Author's profile作者简介王立峰（１９８２－），男，甘肃兰州人，汉族，在读研究生，主要研究方向为电力电子及电力传动。

彭咏龙（１９６６－），男，副教授，工学博士，主要从事电力电子技术工程应用方面的研究。

分析与补偿&Information

communications信息通信

422007 No.5

滑的直流电压，送入并联的ＭＯＳＦＥＴ高频逆变桥Ａ与ＭＯＳＦＥＴ高频逆变桥Ｂ，由于受功率器件容量限制和多管并联时分布参数的影响，逆变器单桥容量设计为５０ｋＷ，所以实际的１００ｋＷ感应加热装置为两桥并联结构，桥Ａ与桥Ｂ的输出经过匹配变压器Ｔ耦合输出给谐振槽路，在感应线圈上产生方波的高频电压，和正弦波高频电流，最终通过感应器中的涡流效应对工件进行淬火、熔炼、锻造等加工。

实际的１００ｋＷ／４００ｋＨｚ感应加热装置关键参数如表１所示，表中的ＣＥ１、ＣＥ２都是ＣＥＲＷ型电解电容３并２串制成的，容量为７０５０μＦ。此外，还需要说明交流网侧接入的是厂用变压器供给的线电压为３８０Ｖ的三相交流电，在拓扑图中省略了直流侧的ＩＧＢＴ过压过流保护部分等。为了便于对感应加热装置的网侧功率因数进行分析，需要将主电路拓扑做一定的简化和等效，直流侧的平波电抗属于ＬＦ１２与ＬＦ２２先并联，再与ＬＦ１串联的结构，通过简单的计算可以等效为ＬＦ＝１．５ｍＨ，电解电容ＣＥ１与ＣＥ２也是并联结构，可以等效为ＣＥ＝１４１００μＦ。感应器与被加热工件的整体等效电感Ｌ和等效电阻Ｒ的推导公式可参见文献１，其结果为：其中，Ｒ１和Ｌ１分别表示感应线圈的等效电阻和电感，Ｒ２和Ｌ２分别表示加热工件的等效电阻和电感，Ｍ为互感系数。而槽路部分的ＲＬＣ串联结构在加热装置工作时处于谐振状态，整体可等效为负载电阻Ｒ，对于１００ｋＷ装置计算可得Ｒ取２．０２５Ω，综合等效后的简化模型如图２所示。三、模型的网侧功率因数分析在Ｍａｔｌａｂ６．５１中建立感应加热装置简化模型的仿真系统，系统的所有参数设定都以实际模型等效得到的数据为准，以便最接近实际的反映装置的谐波和无功情况。仿真模型在触发角为３０度，直流输出电压约为４５０Ｖ时满功率１００ｋＷ输出这与实际工况相符。随机的选取触发角为５０度，将仿真运行与实际运行的网侧电流波形进行对比，结果如图３所示，其中，图３（ａ）是实际运行时的电流波形，图３（ｂ）是仿真运行时的电流波形，可以判断，所建立的等效模型可以很准确的反映装置的实际运行状态，可以根据仿真参数设计补偿器来验证补偿效果的合理性。

通过运行分析，可以得到调节整流桥中晶闸管的触发角从９０度变化到０度时的网侧Ａ相运行工况，其中电流的各次谐波含量是通过ＦＦＴ分析得到的，有功、无功的测量都是单相值，采用的测量方法是周期电压电流积分法。

图 号ＬＬ１￣ＬＬ３ＬＦ１ＣＥ１￣ＣＥ２ＬＦ１２￣ＬＦ２２ＴＣＶＴ１￣ＶＴ７名 称进线电抗平波电抗电解电容平波电抗匹配变压器板式电容晶闸管单位只台只台台个块规格型号１９．６μＨ４００Ａ／１ｍＨＣＥＲＷ４７００μＦ／４５０Ｖ２００　Ａ／１ｍＨ一百匹配ＣＣＧ８１－１２０ｋＶＡ／２０００ＰＫＰ３００Ａ／１４００Ｖ数量３１１２２１６０７

表１　实际装置的配置参数

（ａ）　实际波形（ｂ）　仿真波形图３　实际波形与仿真运行比较

( 1 )( 2 )

图２　简化模型图图１ 实际感应加热装置主电路图

角度８０７０６０５０４５４０３０５次（％）５８．５７４９．０９３９．０６３３．１６３１．１５２９．３２２６．３８７次（％）３０．５４１８．５２７．１６１．７３２．５０４．２３７．３３１１次（％）５．４９８．７０８．８４８．９８９．０３９．０２８．９２１３次（％）８．７２５．８１１．１６１．６３２．６５３．４３４．７８

表２　不同触发角时的系统运行工况角度８０７０６０５０４５４０３０ＴＨＤ（％）６６．９３５３．６９４０．９２３４．８１３３．１０３１．７０２９．８８有功Ｐ（ｋＷ）２．５２５．３０１０．３２１７．６８２１．６９２５．０４３２．４２无功Ｑ（ｋｖａｒ）１０．５９１４．４０１８．７３２１．４７２１．８８２１．５０１９．１２功率因数０．２３０．３４０．４８０．６３０．７００．７５０．８６

王立峰　彭咏龙／感应加热装置网侧功率因数分析与补偿学术研究43Academic Research

2007 No.5王立峰　彭咏龙／感应加热装置网侧功率因数分析与补偿四、滤波器的设计因为实际的加热装置运行功率不会低于６０ｋＷ，所以以６０￣３０度为主要谐波分析区域，对该区域内的各次谐波含量取平均得到５、７、１１、１３次谐波的含量分别为：３０．６％、４．２％、９．０％、２．９％，其比例约为１０：２：３：１，滤波器的无功分配以该比例为依据。此外无功最大值约为２２ｋｖａｒ，由Ｐ、Ｑ定义式可推得４５度处Ｐ等于Ｑ，且为无功最大值，这与测量值相符，由无功补偿容量计算公式可推出在最大无功处将功率因数由０．７０补偿到０．９８需要１８ｋｖａｒ的补偿容量。根据谐波含量比例可以将滤波器的固定补偿部分设计为：５、７、１１次单调谐滤波器及截止频率在１３次的高通滤波器的组合，容量依次为６ｋｖａｒ、２ｋｖａｒ、３ｋｖａｒ、１ｋｖａｒ，共计１２ｋｖａｒ；可投切部分设计为３组５次单调谐滤波器，每组２ｋｖａｒ，共计６ｋｖａｒ。这样分配是为了使补偿容量在感应加热设备的主要工作区域动态可调，从而保证不会过补偿，总的补偿装置仿真图如图４。确定了总的补偿方式以及各次滤波器的容量分配，可进一步设计匹配的串联调谐滤波器参数，结果如表３所示。上述调谐于ｎ次谐波的各串联调谐滤波器的设计步骤为：（１）　由滤波器容量ＱＦ确定电容器容量ＱＣ，单位为Ｍｖａｒ，（２）　电容器的电抗为，（３）　电抗器的大小为，（４）　电抗器的电阻为，，式中的Ｑ为品质因数，３０＜Ｑ＜１００，且ＵＳ单位为ｋＶ。对于高通滤波器，设计步骤与单调谐一样，只是电抗器的电阻为，且品质因数取值范围为：０．５＜Ｑ＜５。滤波器的ＬＣ固定部分和ＴＳＦ可投切部分的具体模型分别如图５所示，模型中的参数设置以表３的计算结果为准。

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中频感应熔炼炉的功率因数

中频感应熔炼炉的功率因数

中频感应熔炼炉的功率因数取决于多种因素，包括加热材料的电阻率、电导率、热导率、熔点、温度分布等。

这些因素会影响电流和电压的相位差，从而影响功率因数。

一般来说，中频感应熔炼炉的功率因数较低，通常在0.15左右。

这是因为熔炼炉中的加热材料是电的良导体，电流通过时会产生大量的无功损耗。

此外，熔炼炉的电源采用了中频交流电源，这种电源的频率较高，容易产生较大的谐波电流，进一步降低功率因数。

为了提高中频感应熔炼炉的功率因数，可以采用以下几种方法： 1. 增加滤波装置：在熔炼炉的电源输入端增加滤波装置，以减小谐波电流的影响。

2. 调整电源频率：通过调整电源频率，减小电流和电压的相位差，从而提高功率因数。

3. 增加负载电阻：通过增加负载电阻，减小电流和电压的相位差，从而提高功率因数。

4. 采用新型熔炼材料：通过采用新型熔炼材料，减小电流和电压的相位差，从而提高功率因数。

需要注意的是，提高中频感应熔炼炉的功率因数需要根据具体情况进行具体分析，针对不同的熔炼材料和电源设备采取不同的方法。

02电力负荷计算及功率因数补偿

02电力负荷计算及功率因数补偿


第2章 电力负荷计算及功率因数补偿
负荷计算的目的及意义
在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特 别重要的场所不允许中断供电的负荷，应视为特别重要的负荷。 (2) 二级负荷(second order load)。符合下列情况之一时，应为二级负荷：中 断供电将在政治、经济上造成较大损失时，例如主要设备损坏、大量产品报废、 连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等；中断供电将影 响重要用电单位的正常工作，例如交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力 负荷以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场 所秩序混乱时。 (3) 三级负荷(third order load)。三级负荷为一般电力负荷，所有不属于上述 一、二级负荷者均属三级负荷。 2) 各级电力负荷对供电电源的要求 (1) 一级负荷对供电电源的要求。对于一级负荷必须考虑有两路独立电源供 电，在发生事故时，在继电保护装置正确动作的情况下，两路电源不会同时丢失 或失去一路电源，在允许的时间内第二路电源自动投入。
电力负荷的分类
本章首先简单介绍工厂电力负荷的分级及有关概念，然后着重讲述 用电设备组计算负荷和工厂计算负荷的确定方法，电力系统的功率 损耗与电能损耗的计算，尖峰电流及其计算方法，最后讲述功率因 数的确定及补偿。本章内容是工厂供电系统运行分析和设计计算的 基础。
一、电力负荷的分类
电力负荷按用途分，有照明负荷和动力负荷，前者为单相负荷，在 三相系统中很难达到平衡；后者一般可视为平衡负荷。按行业分， 有工业负荷、非工业负荷和居民生活负荷等。工厂用电设备，按其 工作制(duty-type)可分以下3类。
2.4
第2章 电力负荷计算及功率因数补偿
电力负荷的分类
电容补偿功率因数

电容补偿功率因数

电容补偿功率因数一、引言在电力系统中，功率因数是衡量电能利用效率的重要指标之一。

功率因数是指电路中有功功率与视在功率的比值，它描述了电能的有效利用程度。

功率因数小于1时，说明电路中有较多的无功功率存在，造成能源的浪费。

为了提高电能的利用效率，可以采取各种措施来改善功率因数。

其中，电容补偿是一种常用的方法。

二、电容补偿的原理电容补偿是通过增加并联电容器来补偿电路中的无功功率。

电容器具有负电阻特性，可以消耗无功功率，从而提高功率因数。

当电路中的感性负载较多时，电容器的并联可以抵消感性负载的无功功率，从而改善功率因数。

三、电容补偿的优点1. 提高功率因数：电容补偿可以将无功功率转化为有功功率，减少电路中无效能的损耗，提高功率因数。

2. 降低线损：电容补偿可以减小电流的大小，降低线路的电阻损耗，从而降低线路的功耗和线损。

3. 改善电压质量：电容补偿可以减小电路的电感电压降，提高电压的稳定性，改善电压质量。

四、电容补偿的应用1. 工业用电：在工业生产中，常常会有大量的感性负载，如电动机、变压器等。

通过在电路中并联适当大小的电容器，可以消除感性负载的无功功率，提高功率因数，降低能耗，改善电力质量。

2. 商业用电：商业建筑中常常存在照明设备、空调设备等大量的感性负载。

通过电容补偿，可以降低用电成本，提高电能利用效率。

3. 电力系统：在电力系统中，通过电容补偿可以减少传输线路的电阻损耗，提高输电效率，减少线路的电压波动，保证电力供应的稳定性。

五、电容补偿的实施步骤1. 进行功率因数分析：首先需要对电路进行功率因数分析，确定是否需要进行电容补偿，以及补偿容量的大小。

2. 选择电容器：根据功率因数分析的结果，选择合适的电容器进行补偿。

电容器的额定容量应与无功功率的大小相匹配。

3. 并联电容器：将选择好的电容器并联到电路中，通过开关控制电容器的接入和断开，实现对电路的补偿控制。

4. 定期检测维护：电容补偿装置需要定期进行检测和维护，确保其正常运行和补偿效果。

无功补偿对电力系统功率因数的改善效果分析

无功补偿对电力系统功率因数的改善效果分析

无功补偿对电力系统功率因数的改善效果分析电力系统中的功率因数是衡量电能利用效率的重要指标之一。

传统电力系统中存在无功功率的消耗，这部分功率没有直接参与有用功的产生，却会造成电能的浪费和电网负荷的增加。

为了改善功率因数，提高电力系统的效率和稳定性，引入无功补偿技术成为解决方案之一。

本文将对无功补偿技术对电力系统功率因数的改善效果进行分析。

一、功率因数及其影响功率因数是指电力系统中有用功和总功率的比值，用cosφ表示。

当cosφ为1时，说明电力系统中的有用功和总功率一致，电能被充分利用，功率因数处于最佳状态。

然而，由于电力系统中存在电感、电容等元件，会引入无功功率，导致功率因数降低。

降低的功率因数会对电力系统产生一系列不利影响。

首先，电网负荷增加，进而导致线路过载、电压变化不稳等问题。

其次，能源的浪费增大，电能的实际利用效率降低。

再次，变压器和输电线路等设备的寿命缩短，增加了系统的维护成本。

因此，改善功率因数成为了电力系统运行和管理中的重要任务。

二、无功补偿技术的原理无功补偿技术是通过在电力系统中引入无功补偿装置，主要包括静态无功补偿装置（SVC）和静态无功发生器（STATCOM）。

这些装置能够根据电力系统的需求，自动调节和控制电流的相位和振幅，以实现对功率因数的改善。

静态无功补偿装置是一种能够在短时间内提供无功功率补偿的设备，主要通过改变电流的相位来实现对功率因数的调节。

而静态无功发生器则是一种可控制电压源，能够根据电网的需求主动提供无功功率，从而实现对功率因数的改善。

三、无功补偿技术的效果1. 提高功率因数无功补偿装置通过提供与电网所需的无功功率相当的无功功率，并控制其在理想相位上进行补偿，可以显著提高电力系统的功率因数。

当无功功率达到补偿要求时，功率因数接近于1，电网的运行效率得到有效提升。

2. 减少传输损耗无功补偿技术可以有效减少电力系统中的无功功率流动，降低传输线路和变压器等设备的无功功率损耗。