本发明涉及中频炉控制技术领域，具体涉及一种中频炉谐波滤波系统及其工作方法。
背景技术：
中频感应炉（中频炉）是废铁回收再熔炼的主流设备。其主要由变压器、中频电源柜、补偿电容器、短网、中频感应熔炼炉、液压倾动装置、水冷系统、烘炉设备等组成。其原理是将50hz电源经中频电源柜整流为直流再逆变为100hz以上的中频电源，使中频感应熔炼炉中废钢感应发热熔化为钢水。整流电路产生与整流脉动数相关的特征谐波，谐波次数：特征谐波次数为：hn=kp±1，p代表相数（脉波数），k为正整数；中频逆变电路产生非特征谐波，非特征谐波频率为：fhm=2*fln±f1，式中：fhm为交流电源侧产生的非特征谐波频率，fln为中频频率，f1为电网频率。整流产生的特征谐波hn和中频电源产生非特征谐波hm注入电网系统将会对电网系统产生很大的危害。因而，在设计和建设非线性负荷的配电系统时，应采取抑制和消除谐波的措施，使用户配电系统满足国家制订的谐波标准《电能质量公用电网谐波》gb/t14549-93要求，并使用户计费点月平均功率因数高于0.9。
现有技术通常采取以下措施抑制或消除谐波影响:一是增大供电系统对谐波的承受能力；提高系统的短路容量；采用较高电压供电；二是减小谐波发生量：增加整流装置的脉动数、增大换向电抗、改善触发对称度；同类型非线性负荷尽量集中供电，利用谐波源之间的相位不同相互抵消部分谐波；三是安装电力谐波滤波装置。其中，加大系统的短路容量难以实现；增加整流器的等效相数也受到限制，当等效相数超过12相时，需增加移相设备，同时会带来维修运行上的不便，因而安装谐波滤波装置就成了首选，谐波滤波装置既能消除谐波，又能补偿无功功率，提高功率因数，具有显著的经济效益。
在采取安装电力谐波滤波装置手段时，目前一般按整流回路特征谐波设置滤波回路，并按中频炉功率因数或无功发生量等物理量来投切滤波装置。由于在中频炉不同的生产阶段中频逆变电路产生非特征谐波是变化的，已投入的滤波回路调谐频率如高于该非特征谐波频率时，滤波回路将对该非特征谐波放大，严重时产生系统谐振，危害设备和电网系统安全；为避免谐波放大和系统谐振，部分技术将滤波回路谐振频率设置得低于非特征谐波频率，虽可避免谐波放大和系统谐振，但牺牲了对谐波的滤波性能。
技术实现要素：
本发明的目的是：提供一种通过实时监测中频炉的中频电源频率相应动态调整谐波滤波支路的投入和切除以实现对中频炉谐波的滤波处理，能够有效避免滤波装置对中频电源产生的非特征谐波的放大甚至是谐振从而确保系统安全的中频炉谐波滤波系统及其工作方法。
本发明的技术方案是：本发明的中频炉谐波滤波系统的工作方法，由中频炉谐波滤波系统实施，所述中频炉谐波滤波系统包括为中频熔炼炉供电的中频电源，还包括：
隔离整形单元，用于将中频电源交流电压信号变换为与中频电源的实时频率相等的脉冲信号；隔离整形单元的输入端与中频电源的输出端电连接；
频率检测控制单元，用于检测中频电源当前频率信号并相应发出谐波滤波投切控制命令；
光耦隔离单元，用于将隔离整形单元与频率检测控制单元隔离并实现信号耦合传输；光耦隔离单元的输入端与隔离整形单元的输出端电连接；频率检测控制单元的信号输入端与光耦隔离单元的输出端信号电连接；光耦隔离单元的电源端与频率检测控制单元的电源输出端电连接；
谐波滤波单元，用于对中频电源的谐波滤波；其包括n个调谐频率不同的与中频电源并联的滤波支路，其中n为大于1的自然数；
控制执行单元，用于根据频率检测控制单元的命令控制谐波滤波单元中相应的滤波支路的投入和切除；控制执行单元的控制信号输入端与频率检测控制单元的信号输出端电连接；控制执行单元与谐波滤波单元的各滤波支路控制电连接；
上述隔离整形单元包括隔离变压器ta、限流电阻r1、稳压二极管d1和整流二极管d2；隔离变压器ta的初级输入端即为上述的隔离整形单元的输入端；隔离变压器ta的次级输出端包括a接线端和b接线端；限流电阻r1的一端与隔离变压器ta的次级输出端的a接线端电连接；限流电阻r1的另一端与稳压二极管d1的负极具有公共接点；稳压二极管d1的正极与整流二极管d2的正极具有公共接点，该2个公共接点共同构成上述的隔离整形单元的输出端；整流二极管d2的负极与隔离变压器ta的次级输出端的b接线端电连接；
上述光电隔离单元包括限流电阻r2、保护二极管d3和光电耦合器g1；光电耦合器g1包括发光二极管和光敏三极管；保护二极管d3的正极和光电耦合器g1的发光二极管的负极具有公共接点，该公共接点和限流电阻r2的一端共同构成上述的光电隔离单元的输入端；保护二极管d3的负极、光电耦合器g1的发光二极管的正极以及限流电阻r2的另一端共线；光电耦合器g1的光敏三极管的射极即为上述的光耦隔离单元的电源端；光电耦合器g1的光敏三极管的集电极即为上述的光耦隔离单元的输出端；
中频炉谐波滤波系统的工作方法，包括谐波滤波单元的滤波支路的投入和切除方法，其中谐波滤波单元的滤波支路的投入方法包括以下步骤：
①隔离整形单元对中频电源电压信号实时检测，并将变换为与中频电源的实时频率相等的脉冲信号经光电隔离单元发送给频率检测控制单元；
②频率检测控制单元实时采样光电隔离单元发送的频率信号，得到中频电源的实时中频频率f；
③频率检测控制单元将实时中频频率f与谐波滤波单元中未投入的调谐频率最小的滤波支路所对应的调谐频率进行对比，若实时中频频率f小于当前参与对比的滤波支路的调谐频率，则不动作；若实时中频频率f大于当前参与对比的滤波支路的调谐频率，则频率检测控制单元通过控制执行单元接通谐波滤波单元中该滤波支路使其投入；
④重复步骤①至步骤③，直至谐波滤波单元中的全部滤波支路均被控制投入。
谐波滤波单元的滤波支路的切除方法包括以下步骤：
⑤隔离整形单元对中频电源电压信号实时检测，并将变换为与中频电源的实时频率相等的脉冲信号经光电隔离单元发送给频率检测控制单元；
⑥频率检测控制单元实时采样光电隔离单元发送的频率信号，得到中频电源的实时中频频率f；
⑦频率检测控制单元将实时中频频率f与谐波滤波单元中最后投入的调谐频率最大的滤波支路所对应的调谐频率进行对比，若实时中频频率f大于当前参与对比的滤波支路的调谐频率，则不动作；若实时中频频率f小于当前参与对比的滤波支路的调谐频率，则频率检测控制单元通过控制执行单元断开谐波滤波单元中该滤波支路使其切除；
⑧重复步骤⑤至步骤⑦，直至谐波滤波单元中的全部滤波支路均被控制切除。
进一步的方案是：上述的频率检测控制单元为plc可编程逻辑控制器；plc可编程逻辑控制器具有电源输入端、直流电源输出端vdd、信号输入端i1和信号输出端y1至yn，其中n为与上述谐波滤波单元中滤波支路数n的数值相同的自然数；plc可编程逻辑控制器的直流电源输出端vdd即为上述的频率检测控制单元的电源输出端；plc可编程逻辑控制器的信号输入端i1即为上述的频率检测控制单元的信号输入端；plc可编程逻辑控制器的信号输出端y1至yn共同构成上述的频率检测控制单元的信号输出端。
进一步的方案还有：上述的控制执行单元包括第一继电器组和第二继电器组；第一继电器组由继电器ka1至kan组成；第二继电器组由继电器km1至kmn组成，其中n为与上述谐波滤波单元中滤波支路数n的数值相同的自然数；第一继电器组的各第一继电器ka的输入端共同构成上述的控制执行单元的控制信号输入端；第一继电器组的各第一继电器ka的常开触点串接在第二继电器组的相应第二继电器km与市电va之间；第二继电器组的各第二继电器km的常开触点串接于上述的谐波滤波单元相应的滤波支路中。
本发明具有积极的效果：（1）本发明的中频炉谐波滤波系统的工作方法，通过实时检测中频炉的中频电源的频率，根据实时中频频率相应控制谐波滤波单元中的滤波支路的导通投入或切除，同时确保被投入的滤波支路调谐频率低于中频炉中频产生的谐波频率，从而可完全避免谐波滤波装置对中频产生的非特征谐波的放大甚至谐振，确保谐波滤波装置和电网系统的安全。（2）本发明采用的中频炉谐波滤波系统，结构简单、成本较低、实现方便，运行安全可靠。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意框图；
图2为图1中除谐波滤波单元以外的一种具体实施例的电原理图；
图3为图1中谐波滤波单元的一种具体实施例的电原理图；图中还显示了其与中频电源、电网供电变压器以及图2中的控制执行单元的电连接关系。
上述附图中的附图标记如下：
隔离整形单元1，光电隔离单元2，频率检测控制单元3，控制执行单元4，谐波滤波单元5，中频电源6，中频熔炼炉7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
（实施例1）
见图1至图3，本实施例的中频炉谐波滤波系统，用于给中频熔炼炉7供电的中频电源6的谐波滤波，其主要由隔离整形单元1、光电隔离单元2、频率检测控制单元3、控制执行单元4以及谐波滤波单元5组成。
隔离整形单元1用于将中频电源6输出的交流电压信号变换为与中频电源6的实时频率相等的脉冲信号；隔离整形单元1的输入端与中频电源6的输出端电连接。
频率检测控制单元3用于检测中频电源6当前频率信号并相应发出谐波滤波投切控制命令.
光耦隔离单元2用于将隔离整形单元1与频率检测控制单元3隔离并实现信号耦合传输；光耦隔离单元2的输入端与隔离整形单元1的输出端电连接；频率检测控制单元3的信号输入端与光耦隔离单元2的输出端信号电连接；光耦隔离单元2的电源端与频率检测控制单元3的电源输出端电连接；
谐波滤波单元5用于对中频电源6的谐波滤波；其包括n个调谐频率由低到高的与中频电源6并联的滤波支路，其中n为大于1的自然数；
控制执行单元4用于根据频率检测控制单元3的命令控制谐波滤波单元5中相应的滤波支路的投入和切除；控制执行单元4的控制信号输入端与频率检测控制单元3的信号输出端电连接；控制执行单元4与谐波滤波单元5的各滤波支路控制电连接。
详见图2和图3，作为一种优选的方式，前述的隔离整形单元1主要由隔离变压器ta、限流电阻r1、稳压二极管d1和整流二极管d2组成；隔离变压器ta的初级输入端(图2中的a、b接线端)即为隔离整形单元1的输入端；隔离变压器ta的次级输出端包括a接线端和b接线端；限流电阻r1的一端与隔离变压器ta的次级输出端的a接线端电连接；限流电阻r1的另一端与稳压二极管d1的负极具有公共接点；稳压二极管d1的正极与整流二极管d2的正极具有公共接点，该2个公共接点共同构成隔离整形单元1的输出端；整流二极管d2的负极与隔离变压器ta的次级输出端的b接线端电连接。限流电阻r1、稳压二极管d1、整流二极管d2组成限幅整形电路；限幅整形电路将交流正弦的中频电源整流为半波的、电压幅度受稳压二极管d1限制的、与中频频率相等的脉冲信号。
光电隔离单元2主要由限流电阻r2、保护二极管d3和光电耦合器g1组成；光电耦合器g1包括发光二极管和光敏三极管；保护二极管d3的正极和光电耦合器g1的发光二极管的负极具有公共接点，该公共接点和限流电阻r2的一端共同构成光电隔离单元2的输入端；保护二极管d3的负极、光电耦合器g1的发光二极管的正极以及限流电阻r2的另一端共线；光电耦合器g1的光敏三极管的射极即为光耦隔离单元2的电源端；光电耦合器g1的光敏三极管的集电极即为前述的光耦隔离单元的输出端。
频率检测控制单元3优选采用plc可编程逻辑控制器；plc可编程逻辑控制器具有外接ac220v市电的电源输入端va、n、输出24v直流电源的直流电源输出端vdd以及信号输入端i1和信号输出端y1至yn，其中n为与前述的谐波滤波单元5中滤波支路数n的数值相同的自然数；plc可编程逻辑控制器的直流电源输出端vdd即为前述的频率检测控制单元3的电源输出端；plc可编程逻辑控制器的信号输入端i1即为前述的频率检测控制单元3的信号输入端；plc可编程逻辑控制器的信号输出端y1至yn共同构成前述的频率检测控制单元3的信号输出端。
控制执行单元4包括第一继电器组和第二继电器组；第一继电器组由继电器ka1至kan组成；第二继电器组由继电器km1至kmn组成，其中n为与前述的谐波滤波单元中滤波支路数n的数值相同的自然数；第一继电器组的各第一继电器ka的输入端共同构成前述的控制执行单元4的控制信号输入端；第一继电器组的各第一继电器ka的常开触点串接在第二继电器组的相应的第二继电器km与ac220v市电va之间；第二继电器组的各第二继电器km的常开触点串接于谐波滤波单元5相应的滤波支路中。第一继电器组中的各第一继电器ka为中间继电器，通过第一继电器ka常开触点控制第二继电器组的相应各第二继电器km线圈的导通，从而控制各相应的第二继电器km常开触点的闭合，使得谐波滤波单元5的相应的滤波支路导通投入，控制执行可靠。
谐波滤波单元5由n个滤波支路组成，n为大于1的自然数；各滤波支路与中频电源6并联在电网末端的变压器t的输出端上。滤波支路从1到n，所对应的调谐频率依次增高，各滤波支路的调谐频率根据实际使用时中频炉的具体情况进行相应设置。例如：某中频炉整流方式为12脉整流，特征谐波主要为11、13、23、25次，从开炉至完成熔炼中频频率变化范围为110hz～210hz，在交流电源侧产生的非特征谐波频率为170～至370hz，则滤波支路调谐频率设置：第一路149hz、第二路146hz、第三路345hz.。随着中频频率的升高，逐步调谐频率由小到大依次投入，既对特征谐波有很好的吸收，又可避免非特征谐波的放大甚至谐振。
本实施例的中频炉谐波滤波系统，其在工作时的工作方法包括谐波滤波单元5的滤波支路的投入和切除方法，其中谐波滤波单元5的滤波支路的投入方法包括以下步骤：
①隔离整形单元1对中频电源6的电压信号实时检测，并将变换为与中频电源6的实时频率相等的脉冲信号经光电隔离单元2发送给频率检测控制单元3；
②频率检测控制单元3实时采样光电隔离单元2发送的频率信号，得到中频电源6的实时中频频率f；
③频率检测控制单元3将实时中频频率f与谐波滤波单元5中未投入的调谐频率最小的滤波支路所对应的调谐频率进行对比，若实时中频频率f小于当前参与对比的滤波支路的调谐频率，则不动作；若实时中频频率f大于当前参与对比的滤波支路的调谐频率，则频率检测控制单元3通过控制执行单元4接通谐波滤波单元5中该滤波支路使其投入；
④重复步骤①至步骤③，直至谐波滤波单元5中的全部滤波支路均被控制投入。
谐波滤波单元5的滤波支路的切除方法包括以下步骤：
⑤隔离整形单元1对中频电源6的电压信号实时检测，并将变换为与中频电源6的实时频率相等的脉冲信号经光电隔离单元2发送给频率检测控制单元3；
⑥频率检测控制单元3实时采样光电隔离单元2发送的频率信号，得到中频电源6的实时中频频率f；
⑦频率检测控制单元3将实时中频频率f与谐波滤波单元5中最后投入的调谐频率最大的滤波支路所对应的调谐频率进行对比，若实时中频频率f大于当前参与对比的滤波支路的调谐频率，则不动作；若实时中频频率f小于当前参与对比的滤波支路的调谐频率，则频率检测控制单元3通过控制执行单元4断开谐波滤波单元5中该滤波支路使其切除；
⑧重复步骤⑤至步骤⑦，直至谐波滤波单元中的全部滤波支路均被控制切除。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。