电磁加热器的谐波干扰治理

杨利建

【摘  要】随着我国经济的快速发展，用电需求不断增加，特别是近几年变频器、整流设备及电磁加热器投入市场，给电网带来了谐波与电磁干扰。本文着重介绍电磁加热器谐波干扰的治理。

【关键词】谐波;电磁干扰;功率因数;中频炉;畸变

1谐波的概述

1.1谐波的定义

供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。

1.2谐波源

谐波源是指向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，电力系统中电力电子装置是最主要的谐波污染源，例如这两年的电磁加热器就是代表.

1.3谐波产生的原因

谐波产生的原因就是由于非线性负载所导致的。比如说当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，形成非正弦电流，就是电流的畸变。同理，电压波形不再保持理性的正弦变化波形称为电压畸变。而电网谐波的产生是由于电网中存在着非线性负荷，例如电力变压器和电抗器、可控硅整流设备、电弧炉、以及电磁加热器等，另外，当系统中发生谐振时，也就产生了谐波。

2电磁加热器

2.1电磁加热器介绍

电磁加热器（Electromagnetic heater）是一种利用电磁感应原理将电能转化成热能的装置，电磁加热控制器将AC220V，50/60Hz的交流电整流变成直流电，再将直流电转成频率为20-40KHz的高频高压电，或者是380V 50/60Hz的三相交流电转换成直流电再将直流电转换成10～30KHz的高频低压大电流电，用来工业产品加热。目前我们用的最多的是AC380V 50Hz，10～15KHz的中频加热设备，它常常与电磁加热线圈配套使用。

2.2产生根源

电磁加热器在工作时会产生较高含量的谐波电流并且功率因数较高，其中整流装置为 6 脉波整流的中频炉，其特征谐波为 6n±1 次谐波电流（即 5、7、11、13？？？次谐波），大量谐波电流会传输到电网中，是电网负载中最大的谐波源之一。

3中频炉概念

中频炉，中频电炉使用电源方式不同于工频电锅炉，是将380V的工频交流电源输入中频电源柜（中频电源柜内，一般是10-30KHz，具有过压保护、过流保护、如有过压、过流现象会自动停机报警），在中频电源柜内将工频交流电源整流为单相直流电，再通过逆变成为单相交流中频电压、电流（单相交流中频电压、电流是安全的），将单相交流中频电压、电流输入加热器产生感应电对锅炉内的物体进行感应加热。

4电磁加热器产生的危害

电磁加热器对电磁炉加热，产生的谐波会严重影响电网的完全运行，具体表现在以下几个方面  危害一：谐波电流在变压器中产生涡流，使变压器过热，降低了变压器的输出容量，使变压器的噪声增大，严重影响变压器的寿命。危害二：谐波电流的趋附效应会使导线等效截面变小，增加线路损耗。由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。危害三：谐波过电压会影响电网上其它各种电气设备不能正常工作。谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。危害四：导致自动控制装置产生误动作，仪表计量不准确。对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大;热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低;电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生。对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。危害五：谐波会干扰附近通讯设备正常运行。危害六：谐波产生的瞬态过电压会使设备的绝缘破坏，产生短路故障。危害七：谐波会引起公共电网中局部产生并联谐振和串联谐振，导致设备故障或损坏。

5电磁加热器谐波治理方案

1）加大变压器容量，相对于谐波干扰相应地减小，并在谐波源配电柜处，电容器加装串联电抗器，防止电容对谐波的放大。2）就地谐波治理最重要：在该中频炉出线回路中并联一台有源滤波装置，有源滤波装置的优势：（1）有源滤波是滤除谐波最有效的方式，其基本原理是“抵消”，有源滤波装，置检测出谐波电流后，产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，从而抵消谐波电流分量，使电网电流中只含基波分量。（2）有源滤波能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。（3）滤除谐波的效率能达到 90%以上。（4）装置对尖峰过电压、谐波过电压、操作过电压等进行综合谐波保护。尤其是对谐波过电压能起积极的消谐作用，保护设备的稳定运行，不受过电压干扰。3）对整流设备增加整流倍数4）保持三相负荷平衡5）加强对非线形负荷用户的管理，组织有关人员在送电前进行谐波评估，严格执行供电营业规则第五十五条：电网公共连接点电压正玹畸变率和用户注入电网的谐波电流不得超过国家标准GB/T14549-93的规定。这些条款已经对谐波治理有了明确的要求，但实际存在着很大的差距，主要表现在：供电企业基层对谐波产生的原因及危害不太了解，供电企业目前没有普及谐波测试的设备和技术，由于专业测试数据仪器成本较高。

6结束语

谐波污染已引起社会的高度重视。以电磁加热器为例，随着对谐波产生的机理、谐波现象的进一步认识，将会找到更加有效的方法抑制和消除諧波，同时也有助于制定更加合理的谐波管理标准。加大对谐波研究的投入将会大大加快对谐波问题的解决，当然谐波问题的最终解决将取决于相关技术的发展，特别是电力电子技术的发展。随着国民经济、谐波抑制技术的进一步发展、法制的进一步完善和对高效利用能源要求的增强，谐波治理问题最终将会得到妥善的解决。在国内，电能质量治理工作已经深入开展，对综合动态的谐波治理措施及电网的无功功率补偿问题已提上日程。但是要消除谐波污染，除在电力系统中大力发展高效的滤波措施外，在设计、制造和使用非线性负载时，应预先采取有力的抑制谐波的措施，减小谐波侵入电网，从而真正减少由于谐波污染带来的种种危害。

参考文献：

[1]电能质量——供用电网谐波    GB/T14549——1993[J]

[2] 吕润馀，电力系统高次谐波[M]，北京;中国电力出版社，1998

[3] 陈伟华，电磁兼容使用手册，北京;机械工业出版，1998

[4] Georg  M.Wakileh[奥地利]，电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计，北京;机械工业出版社，2003

[5] 陈志业，尹华丽，电能质量及其治理新技术[J]，电网技术，2002（7）

[6] 张浩，戴瑞珍，谐波抑制的工程设计方法探讨，电网技术，2002（6）

[7] 童军，章舟等，用户电能质量测试评估与解决方案案例集，中国电力出版社，2009

[8] 王亮，中频炉的工作原理及谐波治理，电工技术，2006（6）

（作者单位：武汉吉隆集团）