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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 電爐諧波吸收及功率因數(shù)補(bǔ)償綜合裝置的研究與開發(fā)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目針對(duì)電爐短網(wǎng)的功率因數(shù)低、諧波含量大、回路損耗高等技術(shù)問題，以中鋼吉鐵103#電爐為研究對(duì)象，遵循變壓器視在功率不變的原則，提出諧波電流功率因數(shù)軟測(cè)量方法；采用SVC補(bǔ)償控制原理，多段式控制模式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的雙層閉環(huán)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制規(guī)律，經(jīng)運(yùn)行考核證明該裝置達(dá)到了短網(wǎng)諧波小于4%，短網(wǎng)功率因數(shù)在0.87-0.92可控，電耗下降率2%等優(yōu)異的性能指標(biāo)，還可以推廣應(yīng)用于礦山、電力、電氣化交通等領(lǐng)域。
- 詳細(xì)介紹：
- 本產(chǎn)品針對(duì)103#電爐的現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境和運(yùn)行條件，確定了下層以PLC為核心，采用電流、電壓綜合檢測(cè)和變送，晶閘管作為軟開關(guān)，過零點(diǎn)觸發(fā)，RLC完成補(bǔ)償和諧波調(diào)節(jié)的硬件電路結(jié)構(gòu)；上層以工控機(jī)為主體，與智能采集器通過RS485串行通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，能實(shí)時(shí)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制的短網(wǎng)雙層雙環(huán)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。電爐屬于工況復(fù)雜、沖擊性強(qiáng)的不對(duì)稱負(fù)載，特別因?yàn)槎叹W(wǎng)始終工作在低電壓大電流狀態(tài)加之受短網(wǎng)電參數(shù)的影響，使得短網(wǎng)上出現(xiàn)交流電壓與電流相位不同步以及含有諧波等現(xiàn)象，按照交流理論，可以采用并聯(lián)容性負(fù)載的方法，在短網(wǎng)回路中自行補(bǔ)償負(fù)載所需的感性電流，從而減少變壓器以及電網(wǎng)的無(wú)功供給，提高系統(tǒng)的效率。補(bǔ)償裝置可以采用靜止無(wú)功補(bǔ)償器。本產(chǎn)品采用補(bǔ)償和諧波抑制的兼容設(shè)計(jì)，在SVC（靜止無(wú)功補(bǔ)償器）補(bǔ)償電路控制模式下，同步地進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和抑制諧波電流的閉環(huán)控制。將電爐變壓器一次側(cè)的10KV高壓進(jìn)線，經(jīng)電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)分別變成AC 0-5V和AC 0-5A信號(hào)，由采集器，進(jìn)行相應(yīng)的處理，送入智能綜合電量變送器中，再與上位工控機(jī)通過RS485串行通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，在上位工控機(jī)獲取變壓器的一次側(cè)、二次側(cè)的電壓、電流、功率因數(shù)等信息，再根據(jù)諧波預(yù)測(cè)方法獲取諧波的含量等控制信息，之后經(jīng)過雙環(huán)的控制調(diào)節(jié)運(yùn)算，一次計(jì)算出A、B、C三相功率管控制角，按照分段式補(bǔ)償控制的模式，輸出控制指令給下位機(jī)的PLC，由PLC產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)控制電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合控制。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、設(shè)計(jì)發(fā)明的主要目的：本課題是以中鋼吉鐵一分廠的16500KVA的103#電爐為研究對(duì)象，基于廣譜變頻技術(shù)及短網(wǎng)補(bǔ)償技術(shù)對(duì)電爐工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，在裝置內(nèi)部采用諧振電路、補(bǔ)償電路來(lái)吸收諧波和提高功率因數(shù)，達(dá)到減少電爐功率損耗的目的。 2、基本思路：針對(duì)103#電爐的現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境和運(yùn)行條件，確定了下層以PLC為核心，采用電流、電壓綜合檢測(cè)和變送，晶閘管作為軟開關(guān)，過零點(diǎn)觸發(fā)，RLC完成補(bǔ)償和諧波調(diào)節(jié)的硬件電路結(jié)構(gòu)；上層以工控機(jī)為主體，與智能采集器通過RS485串行通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，能實(shí)時(shí)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制的短網(wǎng)雙層雙環(huán)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。 3、創(chuàng)新點(diǎn)：（1）分析了對(duì)短網(wǎng)回路影響因素，確定電感、電容、電阻等參數(shù)以及電路結(jié)構(gòu)形式，模擬出了短網(wǎng)回路的數(shù)學(xué)模型。（2）采用電流分解、倍頻變換的軟測(cè)量方法，應(yīng)用傅里葉級(jí)數(shù)理論實(shí)現(xiàn)了對(duì)短網(wǎng)基波電流、諧波電流以及功率因數(shù)的檢測(cè)。（3）在SVC補(bǔ)償電路控制模式下，同步地進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波電流抑制的閉環(huán)控制。（4）采用雙層雙環(huán)動(dòng)態(tài)分段式控制模式，采用SVC補(bǔ)償電路形式，構(gòu)建功率因數(shù)和諧波的閉環(huán)控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)地控制功率器件。 4、技術(shù)關(guān)鍵：（1）提高短網(wǎng)功率因數(shù)。（2）LC諧振式諧波抑制方法。 5、主要性能指標(biāo)（1）視在功率：16500KVA；（2）有功功率：15894KW；（3）無(wú)功功率：7236Kvar；（4）一次側(cè)電壓：10KV；（5）一次側(cè)電流：950A；（6）功率因數(shù)：≥0.85。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 與同類產(chǎn)品相比，具有以下的先進(jìn)性：（1）本裝置采用了上下位機(jī)的雙層結(jié)構(gòu)形式，調(diào)節(jié)狀態(tài)以及過程參數(shù)等在上位機(jī)可以實(shí)時(shí)保存和顯示，滿足了現(xiàn)場(chǎng)操作者的使用要求。（2）在補(bǔ)償控制模式下，同步地進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波電流抑制的閉環(huán)控制。（3）應(yīng)用傅里葉級(jí)數(shù)理論方法，采用電流分解、倍頻變換的軟測(cè)量方法，在不增加硬件和常規(guī)坐標(biāo)變換基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)短網(wǎng)基波電流、諧波電流以及功率因數(shù)的檢測(cè)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 該作品于2011年3月15日通過吉林省科技廳的鑒定，其評(píng)價(jià)為達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的水平。 2011.3 申報(bào)《鐵合金電爐DCS綜合控制軟件V1.2.1》軟件著作權(quán)登記，登記號(hào)：2011SR014095。 2010．5 申請(qǐng)《一種礦熱爐電極的非接觸檢測(cè)及最佳熔煉控制方法》的國(guó)家發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?01010186911X，在公示中。 2009．6 申報(bào)《礦熱爐電極橫梁位置的檢測(cè)裝置》實(shí)用新型專利，專利號(hào)ZL 2009 2 0093772．9 2011.5 獲第四屆“挑戰(zhàn)杯”長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 作品處于生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)合作
作品可展示的形式
- 圖片展示
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 主要技術(shù)特點(diǎn)：1.實(shí)時(shí)性：上位機(jī)采用RS485通訊的方式，能實(shí)時(shí)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，并且可以實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)保存以及在線輸出等功能。2.節(jié)能性：補(bǔ)償后使短網(wǎng)無(wú)功電流減少10%，電壓提高0-6V左右，提高生產(chǎn)效率到10%。3.安全性：提高功率因數(shù)，降低諧波，增加設(shè)備可靠性和壽命。成果應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景：研發(fā)裝置在中鋼吉鐵103#電爐試運(yùn)行，現(xiàn)已投入使用，運(yùn)行結(jié)果表明該裝置操作簡(jiǎn)便，完全滿足生產(chǎn)運(yùn)行需要。在此研究成果的基礎(chǔ)上，為鞍鋼集團(tuán)大孤山球團(tuán)廠破碎電磁站研發(fā)了660kVar補(bǔ)償容量的“動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及諧波抑制控制柜”裝置。且國(guó)家強(qiáng)化節(jié)能減排推行低碳經(jīng)濟(jì)等發(fā)展政策為本成果的推廣應(yīng)用開辟了廣闊的領(lǐng)域。
同類課題研究水平概述
- 近幾十年的時(shí)間里，國(guó)外在電爐電能品質(zhì)及功率補(bǔ)償方面做了大量的研究工作，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為：?jiǎn)挝浑姾囊话氵_(dá)到420-450kwh/t，甚至更低。國(guó)外很多發(fā)達(dá)國(guó)家電爐的供電網(wǎng)效率很高，大部分功率因數(shù)都在0.85～0.95之間，對(duì)一些功率因數(shù)低的進(jìn)行功率補(bǔ)償，如在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位的以色列Elspec公司生產(chǎn)的Activar產(chǎn)品，采用電子開關(guān)控制，做到了在5～20ms內(nèi)能投切全部電容器組對(duì)企業(yè)的降耗節(jié)能起到了一定的作用。目前我國(guó)電爐的電氣控制系統(tǒng)，耗能因素為：(1)功率因數(shù)低下，造成無(wú)功和損耗增加；(2)三相功率不平衡增加變壓器的額外損耗；(3)電網(wǎng)電壓正弦波發(fā)生畸變，電能質(zhì)量下降；(4)工作過程產(chǎn)生的諧波帶來(lái)附加的損耗和公害；(5)控制手段和水平不高，使能量轉(zhuǎn)換沒有處于最佳的工作點(diǎn)。所以冶金工業(yè)需要大力推廣節(jié)能工藝技術(shù)和技術(shù)裝備來(lái)降低能源消耗。工藝裝備技術(shù)落后，功率因數(shù)低，耗電量大，諧波含量高是電爐面臨的幾大主要問題。 TSC動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是采用晶閘管作為開關(guān)，投切電力電容器組、實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。ELSPEC是在國(guó)際上領(lǐng)先進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和濾波的公司，總部位于以色列Caesarea Industrial Park，主要市場(chǎng)在歐洲、亞洲、美洲，具有遍及全球的業(yè)績(jī)、全球性的銷售網(wǎng)絡(luò)，Elspec公司在全世界有40多個(gè)國(guó)家有銷售，北美的通用電氣、施耐德用Elspec的產(chǎn)品OEM后去銷售，西門子每年從Elspec采購(gòu)1000萬(wàn)美金的設(shè)備，可以看出該產(chǎn)品在國(guó)際上的地位。 Elspec的Equalizer產(chǎn)品在國(guó)際上唯一能真正做到5-20ms投切全部電容器組，包含了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、穩(wěn)定電壓、防止諧振等功能的綜合解決方案。采用無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)及專利投切技術(shù)，具有真正的Real-time 和 Transient-free的優(yōu)秀品質(zhì)，克服了浪涌沖擊電流、裝置使用壽命大大提高，電容器平均統(tǒng)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)10年之久，技術(shù)、性能領(lǐng)先于許多“準(zhǔn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償柜”。與國(guó)外相比，我國(guó)電爐還存在著較大的差距，特別中鋼吉鐵的103#電爐仍采用手動(dòng)操作方式，無(wú)疑電爐低壓補(bǔ)償及諧波抑制系統(tǒng)的研發(fā)使用，是解決電爐功率因數(shù)、諧波及提高有功功率綜合利用的最有效的手段及途徑。通過本課題的研究和實(shí)施，很好地解決了電爐短網(wǎng)的功率因數(shù)及諧波的問題，為企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和提高了企業(yè)的自動(dòng)化控制水平。
