Geräte zur Blindleistungskompensation und Oberschwingungskontrolle für die metallurgische Industrie

Geräte zur Blindleistungskompensation und Oberschwingungskontrolle für die metallurgische Industrie

Als Grundpfeiler des Industriesystems übernimmt die metallurgische Industrie die Schlüsselaufgabe der Metallverhüttung und -verarbeitung. Mit der steigenden Nachfrage nach Metallen in der modernen Industrie haben metallurgische Unternehmen ihre Größe weiter ausgebaut und auch der Leistungs- und Automatisierungsgrad der Produktionsanlagen wurde kontinuierlich verbessert. Allerdings sind immer deutlichere Probleme mit der Stromqualität aufgetreten - Blindleistungsverluste und Oberwellenverschmutzung sind zu „unsichtbaren Hindernissen“ geworden, die die effiziente, sichere und energiesparende Produktion metallurgischer Unternehmen einschränken. Daher ist die Implementierung einer wirksamen Blindleistungskompensation und Oberschwingungskontrolle zu einer zwingenden Aufgabe für die qualitativ hochwertige Entwicklung der metallurgischen Industrie geworden.

I. Kernprobleme der Stromqualität in der metallurgischen Industrie

Anders als in gewöhnlichen Industrieszenarien führen die Stromverbrauchsmerkmale metallurgischer Unternehmen zur Komplexität und Schwere ihrer Stromqualitätsprobleme, die sich hauptsächlich in drei Kernaspekten widerspiegeln:

● Erstens schwere und komplexe Stromlasten. Die Kernproduktionsausrüstung metallurgischer Unternehmen besteht hauptsächlich aus induktiven Hochleistungslasten, die sich durch große Kapazität, starken Laststoß, schnelles Starten-Stopp und Bremsen sowie Dauerbetrieb auszeichnen. Vom Hochgeschwindigkeitsbetrieb von Walzwerken bis zum Hochtemperaturschmelzen von Elektrolichtbogenöfen stellt jede Produktionsverbindung extrem hohe Anforderungen an die Stabilität des Stromnetzes.

● Zweitens hoher Anteil nicht-linearer Lasten. Mit der Popularisierung der Automatisierungstechnik setzen metallurgische Werkstätten in großem Umfang leistungselektronische Geräte wie Gleichstrommotoren, von Umrichtern angetriebene Wechselstrommotoren, Geräte zur Geschwindigkeitsregelung mit variabler Frequenz, Transformatoren und Reaktoren ein. Während des Betriebs unterbrechen diese Geräte die Sinuswellenform des Stromnetzstroms und werden so zur Hauptquelle für Oberschwingungen.

● Drittens: schwere Verschmutzung der Stromqualität. Der Betrieb von Kerngeräten wie Walzwerken und Lichtbogenöfen führt direkt zu Spannungsschwankungen und Flackern im Stromnetz, was zu einem Dreiphasenungleichgewicht, einem niedrigen Leistungsfaktor, erhöhten Leitungsverlusten und anderen Problemen führt. Ein übermäßiger Oberwellengehalt hat sogar zu „harmonischen Gefahren für die Öffentlichkeit“ geführt, die nicht nur den sicheren und stabilen Betrieb des Stromnetzes beeinträchtigen, sondern auch die Betriebseffizienz und Lebensdauer elektrischer Geräte verringern und versteckte Gefahren für die Produktionssicherheit mit sich bringen.

● Daher ist die Lösung der Probleme der Blindleistungskompensation und der Oberschwingungskontrolle in metallurgischen Stromverteilungssystemen nicht nur der Schlüssel zur Gewährleistung der Stromqualität und des sicheren Betriebs des Stromsystems, sondern auch eine wichtige Maßnahme zur Reduzierung des Energieverbrauchs, zur Verbesserung der Produktionseffizienz und zur Minimierung von Sicherheitsrisiken für Unternehmen.

II. Typische Belastungen in der metallurgischen Industrie: Hauptquellen von Oberschwingungen und Blindleistung

Die Lasteigenschaften variieren in den verschiedenen Bereichen der metallurgischen Produktion stark und die dadurch verursachten Probleme mit der Stromqualität haben ihre eigenen Schwerpunkte. Unter diesen sind die drei repräsentativsten Lasten die Hauptverursacher von Oberschwingungen und Blindleistung:

Typische Belastung	Kernmerkmale	Harmonische Erzeugung	Fluktuation der Blindleistung	Auswirkungen auf das Stromnetz
Elektrolichtbogenofen	Nicht-linearer und transienter Lichtbogenwiderstand; asymmetrischer drei-Phasenbogen	Große Menge an Harmonischen hoher{0}}Ordnung (bis zu 30 % der Grundwelle)	Starke Fluktuation	Am schwerwiegendsten (Spannungsflackern, drei-Phasenungleichgewicht, Gegenstrom)
Raffinationsofen	Stabiler Arbeitszustand; keine Schmelzperiode	Bestimmte Oberschwingungen (weniger als bei Lichtbogenöfen)	Relativ stabil	Mäßig (beeinträchtigt die Qualität der Stromversorgung und die Lebensdauer der Geräte)
Mittelfrequenzofen	Hohe Effizienz; geringe Lastschwankung; Gleichrichtungs- und Umkehrprozess	Eine große Anzahl von Harmonischen (erzeugt durch Gleichrichtung und Umkehrung)	Geringe Fluktuation; hoher Leistungsfaktor	Mäßig (verschmutzt das Stromnetz, beeinträchtigt die umliegenden Geräte)

 

1. Lichtbogenofen: Als Kernausrüstung für das metallurgische Schmelzen ist es auch die Hauptquelle für die Verschmutzung der Stromqualität. Die Nicht-Linearität und die vorübergehende Variation des Lichtbogenwiderstands erzeugen eine große Anzahl von Harmonischen hoher -Ordnung. Unterdessen erzeugt der asymmetrische drei{4}}Phasenlichtbogen beim Betrieb von Wechselstrom-Lichtbogenöfen einen Gegensystemstrom, der zu einem drei-Phasenungleichgewicht des Stromnetzes und offensichtlichem Spannungsflimmern führt, was die schwerwiegendsten Auswirkungen auf das Stromnetz hat. In praktischen Anwendungsfällen kann der Oberwellengehalt beim Betrieb eines Elektrolichtbogenofens mehr als 30 % der Grundwelle erreichen und den normalen Betrieb des Stromnetzes erheblich beeinträchtigen.

2. Raffinierungsofen: Im Vergleich zu Lichtbogenöfen sind die Betriebsbedingungen von Raffinationsöfen ohne Schmelzperiode stabiler und die Änderungen der Wirk- und Blindleistung sind relativ stabil. Obwohl seine Auswirkungen auf das Stromnetz geringer sind als die von Lichtbogenöfen, erzeugt er dennoch gewisse Oberschwingungen und Blindleistungsverluste. Im Langzeitbetrieb wirkt sich dies auch auf die Qualität der Stromversorgung und die Lebensdauer der Geräte aus, was nicht ignoriert werden darf.

3. Mittelfrequenzofen: Eine hoch-effiziente und energiesparende-Schmelzanlage, die Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz-durch Gleichrichtung und Umkehr in Zwischenfrequenzleistung (über 300 Hz) umwandelt. Es zeichnet sich durch geringe Lastschwankungen, einen hohen Wirkungsgrad, geringe Blindleistungsschwankungen und einen hohen Leistungsfaktor aus. Allerdings erzeugen die Gleichrichtungs- und Umkehrverbindungen eine große Anzahl von Harmonischen. Wenn es nicht rechtzeitig kontrolliert wird, wird es die Umgebung des Stromnetzes verschmutzen und den normalen Betrieb der umliegenden Geräte beeinträchtigen. Beispielsweise verursachte der Zwischenfrequenzofen einer Maschinenverarbeitungsanlage einst aufgrund übermäßiger Oberschwingungen eine verringerte Effizienz elektrischer Geräte und erhöhte Stromverbrauchskosten.

III. Gefahren durch Oberschwingungen und Blindleistung in metallurgischen Stromversorgungssystemen

Für Industrien mit hohem-Energieverbrauch-und Stromabhängigkeit-wie der Metallurgie sind die durch Oberschwingungen und Blindleistung verursachten Gefahren systematisch und wirken sich nicht nur auf Geräte und Stromnetze aus, sondern wirken sich auch direkt auf die Produktionseffizienz und Sicherheit von Unternehmen aus:

 

● Aus Sicht des Stromnetzes verringert der Blindleistungsverlust die Effizienz der Stromübertragung, erhöht Leitungs- und Transformatorverluste und führt zu einer instabilen Stromnetzspannung. Übermäßige Harmonische verzerren die Spannungswellenform, verursachen ein Ungleichgewicht der drei Phasen und geraten sogar in Resonanz mit Kondensatorbänken, was zu Sicherheitsunfällen wie Kondensatorexplosionen führt. Beispielsweise kam es bei einem Stahlunternehmen einmal zu einem Durchbrennen der neutralen Leitung aufgrund der Überlagerung der 3. Harmonischen auf der neutralen Leitung, was zu einem vollständigen Stromausfall im Werk und einem direkten wirtschaftlichen Verlust von mehr als 10 Millionen Yuan führte.

● Aus Gerätesicht beschleunigen Oberwellen die Alterung der Isolierung elektrischer Geräte, verkürzen die Lebensdauer von Kerngeräten wie Transformatoren und Motoren und erhöhen die Ausfallrate und Wartungskosten der Geräte. Der Transformatorkern erzeugt durch harmonische Wirbelströme zusätzliche Verluste mit einem Temperaturanstieg um das 1,5-fache des Normalwertes; Der Kupferverlust der Motorstatorwicklungen erhöht sich aufgrund des Skin-Effekts, wodurch der Wirkungsgrad um 5–10 % sinkt. Unterdessen stören Oberschwingungen die SPS-Steuerungssysteme, was zu Sprüngen bei den Produktionsdaten führt, die Stabilität der Produktqualität beeinträchtigt und die Ausschussrate erhöht.

● Aus der Sicht der Unternehmenskosten führt ein niedriger Leistungsfaktor zu Bußgeldern für die Anpassung des Leistungsfaktors durch die Energieabteilungen, und Oberwellenverschmutzung wird den Energieverbrauch erhöhen und die Produktionseffizienz verringern, was auf lange Sicht zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten für Unternehmen führt. Daher ist die Kontrolle der Oberschwingungs- und Blindleistung nicht nur eine Forderung zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung, sondern auch ein entscheidender Faktor für die sichere Produktion metallurgischer Unternehmen.

IV. Gezielte Lösungen: Optimale Stromqualitätskontrolle für die metallurgische Industrie

Mit Blick auf die Schwachstellen der Stromqualität in der metallurgischen Industrie und in Kombination mit den Eigenschaften typischer Lasten haben Branchenpraktiken bewiesen, dass die koordinierte Steuerung von Static Var Generator (SVG) und Active Power Filter (APF) die effizienteste und stabilste Lösung ist, mit der die beiden Ziele „Blindleistungskompensation + Oberschwingungsfilterung“ erreicht und Probleme mit der Stromqualität vollständig gelöst werden können.

 

Steuergeräte	Kernfunktion	Reaktionsgeschwindigkeit	Entscheidender Vorteil	Anwendungseffekt
SVG	Dynamische Blindleistungskompensation	Kleiner oder gleich 5 ms	Keine Über--Vergütung/Unter--Vergütung; stabilisieren die Netzspannung	Leistungsfaktor größer oder gleich 0,95; Spannungsflimmern effektiv kontrolliert
APF	Dynamische harmonische Filterung	Kleiner oder gleich 10 ms	Präzise Filterung (2.–50. Harmonische); keine Resonanz	Aktuelle Verzerrungsrate kleiner oder gleich 3,45 %; nationalen Standards entsprechen

 

1. Statischer Var-Generator (SVG): Blindleistung dynamisch kompensieren und Netzspannung stabilisieren

Herkömmliche Methoden zur Blindleistungskompensation (z. B. thyristorgeschaltete Kondensatoren, thyristorgesteuerte Drosseln usw.) haben die Probleme einer langsamen Reaktionsgeschwindigkeit und einer leichten Über-{1}}Kompensation oder Unter--Kompensation, da sie sich nicht an die Eigenschaften großer Laststöße und schneller Blindleistungsschwankungen metallurgischer Anlagen anpassen können. Im Gegensatz dazu ist SVG aufgrund seines Vorteils bei der Echtzeit-Dynamikkompensation zum bevorzugten Gerät für die Blindleistungskompensation in der metallurgischen Industrie geworden.

SVG kann den Blindstrom im Stromnetz in Echtzeit erkennen und schnell einen Kompensationsstrom mit gleicher Größe und entgegengesetzter Phase zur Blindlast ausgeben. Dadurch wird eine stufenlos einstellbare Blindleistungskompensation realisiert, die Über-{0}}Kompensation und Unter--Kompensation vollständig eliminiert, die Spannung des Stromnetzes effektiv stabilisiert und Spannungsflimmern unterdrückt. Beispielsweise wurde bei einem Walzwerk-Renovierungsprojekt eines Edelstahlunternehmens durch den Austausch herkömmlicher MCR-Kompensationsgeräte durch SVG die Reaktionsgeschwindigkeit von mehr als 200 ms auf innerhalb von 5 ms erhöht, der Leistungsfaktor von 0,85 auf über 0,95 erhöht, Spannungsflimmern effektiv kontrolliert und Probleme wie Lichtflimmern und ungleichmäßige Walzwerksleistung vollständig gelöst. Darüber hinaus können hochwertige SVG-Produkte den Systemleistungsfaktor stabil auf über 0,98 kompensieren, wodurch die Kapazität von Transformatoren und Kabeln effektiv freigesetzt wird und indirekt Kapitalinvestitionen eingespart werden, die für die Kapazitätserweiterung des Unternehmens erforderlich sind.

2. Active Power Filter (APF): Filtert Oberwellen dynamisch und reinigt die Stromnetzumgebung

Geräte wie Frequenzumrichter, Gleichrichter und Zwischenfrequenzöfen in der metallurgischen Industrie sind typische Oberwellenquellen. Herkömmliche LC-Filter können keine präzise Filterung erreichen und neigen zu Resonanzen mit dem Stromnetz. Als „Oberwellenkiller“ kann APF die Probleme der Oberwellenverschmutzung in der metallurgischen Industrie bekämpfen.

Sein Funktionsprinzip besteht darin, APF parallel zu harmonischen -erzeugenden Lasten zu schalten. Durch die Erkennung des von der Last erzeugten Oberschwingungsstroms in Echtzeit steuert es sich selbst, um einen Kompensationsstrom mit gleicher Stärke und entgegengesetzter Phase zum Oberschwingungsstrom auszugeben, wodurch die Auswirkungen von Oberschwingungen auf das Verteilungsnetz ausgeglichen und eine präzise Filterung der 2. bis 50. Oberschwingung realisiert wird. Nach der Einführung von APF in einer Schmelze wurde die gesamte harmonische Stromverzerrungsrate auf der Niederspannungsseite des Verteilungstransformators erheblich reduziert, und die Hauptharmonischeninhalte wie die 5. und 7. Harmonische änderten sich von einem Überschreiten des Standards zu einem Erfüllen nationaler Standards. Weitere Projektdaten zeigen, dass nach Inbetriebnahme des APF die Stromverzerrungsrate des Systems von 25,56 % auf unter 3,45 % gesenkt werden kann, was die Stabilität des Stromnetzes umfassend verbessert.

Es ist erwähnenswert, dass SVG- und APF-Geräte mit hohem Schutzniveau für raue Produktionsumgebungen in der metallurgischen Industrie wie Metallstaub und Säurenebel weitere Vorteile bieten, da sie einen langfristig stabilen Betrieb in komplexen Umgebungen ermöglichen und die Nachhaltigkeit der Kontrolleffekte gewährleisten.

Die Kontrolle der Stromqualität ermöglicht eine umweltfreundliche und effiziente Entwicklung der metallurgischen Industrie

Die qualitativ hochwertige Entwicklung der metallurgischen Industrie kann nicht von einer stabilen, effizienten und sauberen Energieversorgung getrennt werden. Blindleistungskompensation und Oberschwingungskontrolle sind nicht nur der Schlüssel zur Lösung von Stromqualitätsproblemen, sondern auch eine wichtige Unterstützung für metallurgische Unternehmen, um Kosten zu senken, die Effizienz zu verbessern, eine sichere Produktion zu gewährleisten und eine grüne Transformation zu erreichen.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Leistungselektroniktechnologie wurde die Leistung von SVG- und APF-Geräten kontinuierlich optimiert und sie wurden in zahlreichen Szenarien der metallurgischen Industrie ausgereift eingesetzt. - Von der harmonischen Steuerung von Lichtbogenöfen und Raffinerieöfen bis hin zur Blindleistungskompensation von Walzwerken bieten diese Geräte metallurgischen Unternehmen eine starke Unterstützung bei der Lösung von Problemen bei der Stromqualität, der Reduzierung des Energieverbrauchs, der Minimierung von Ausfällen und der Verbesserung des Nutzens.

In Zukunft werden die Anforderungen an die Stromqualität im Zuge der Transformation der metallurgischen Industrie hin zu Intelligenz und Ökologisierung weiter verbessert. Auch die Technologien zur Blindleistungskompensation und Oberschwingungskontrolle werden weiterhin innovativ sein, was der nachhaltigen Entwicklung der metallurgischen Industrie neue Impulse verleihen und der Industrie dabei helfen wird, die Entwicklungsziele „Energieeinsparung, Effizienz und Sicherheit“ zu erreichen.

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