1 引言
阳极氧化是铝型材表面处理普遍应用的工艺，在阳极氧化工艺过程中目前广泛使用的氧化电源是晶闸管整流电源。晶闸管整流电源作为一种具有非线性特性的产生谐波的设备，其从电网取用的电流是非正弦波形，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。随着铝型材工厂产能的不断扩大，氧化电源的功率等级不断提高，目前单机输出已达到25KA，工厂内使用的氧化电源的数量也越来越多。大量使用晶闸管整流电源作为铝型材氧化电源，必然会造成铝型材工厂内的供电系统谐波污染严重，功率因数不达标，能源损耗严重，在国家对电网质量要求日趋严格，大力提倡节能降耗的今天，采用合适的方案对氧化电源所产生的谐波进行治理，并提高其功率因数，具有很好的现实意义。
2 谐波的定义及危害
2.1 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。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2≤n≤40。
2.2 谐波的危害
电力谐波的大量存在会直接影响用电的安全性、可靠性、经济性、以及生产工艺和产品品质的稳定性。总的说来，主要表现在以下几个方面：
（1）供用电设备在高频分量作用下，集肤效应增大、涡流、磁滞等影响增加，引起异常过热，损耗大为增加；
（2）由于谐波频率的叠加影响导致频率不稳，使旋转电机转速不稳，附加损耗增加，供用电设备机械振动加大，甚至发生机械谐振；
（3）谐波成份使电流和电压波形产生畸变，波峰的畸变会使对峰值敏感的设备或元件受影响(如过电压引起击穿或过电流引起误动) ，而波形过零点的畸变直接对测控元件或设备产生干扰和误动。
3 氧化电源谐波分析
3.1 氧化电源工作原理
氧化电源采用三相六脉波整流方案，原边晶闸管调压，副边二极管整流。整流变压器选用双反星形五芯柱变压器。控制系统由调节控制单元、IOP触摸屏、PLC调节器等部分组成。如下图1是氧化电源系统框图。
图1 铝型材氧化电源系统框图
3.2 氧化电源的谐波分析与计算各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形成有关，称为电路的特征谐波。对称三相变流电路的网侧特征谐波次数为：
n=kp±1 k=1、2、3…（正整数）
式中p为一个电网周期内脉冲触发次数（或称脉动次数）。
进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，如5，7，11，13次等。工程上也主要考虑滤除谐波源设备的特征谐波，其它谐波含量很小可以忽略。
由上图1氧化电源系统框图可见，氧化电源是一种典型的六脉冲整流设备，其特征谐波是5、7、11、13次谐波等，可以依据六相整流设备理论计算模型计算整流电源产生的各次主要谐波电流值：其中，5次I5 ≈0.175 I1、7次I7 ≈0.11 I1、11次I11 ≈0.045 I1、13次I13 ≈0.029 I1。这在工程应用上已经足够精确。按380V电网侧短路容量10MVA计算，额定输出DC24KA/22V的氧化电源380V总进线侧各次谐波电流计算值如下表1所示，谐波治理要以该表为依据，以满足国标限值为治理目标。
表1 氧化电源进线谐波电流和国标允许值
4 氧化电源谐波治理方案
4.1 方案选择
铝型材氧化电源特征谐波为5次、7次以及11次、13次谐波，其它谐波含量很少，可以忽略。并且氧化电源在为氧化槽提供直流电的过程中，输出保持恒定，而且无特殊情况一般都保持较高功率或额定输出，因此可以将氧化电源看成是一种谐波含量稳定，谐波成分单一，功率较大的直流电源设备和谐波源设备。
对于这样一类大功率谐波源，从经济性、可靠性等角度分析，采用低压LC无源滤波补偿装置是合适的。无源滤波补偿装置采用串联谐振原理，由电力电容器、电抗器和电阻器等适当组合而成，组成若干单调谐及高通滤波支路，和谐波源并联运行，除具有无功补偿作用外，最重要还可以吸收谐波电流，有效地减小谐波量。该装置的优点是结构简单，运行可靠，维护方便。
从安装角度分析：无源滤波补偿装置适用于在谐波源处就地治理安装，集中补偿将很难避免谐振发生；对于氧化电源这样大容量的谐波源来说，就地治理也比较经济合理，效果最好，可以有效减少谐波电流在传输电缆上造成的功率损耗。
另外，氧化电源引起谐波超标的主要是5、7次谐波，所以从工程角度考虑，滤波补偿方案以吸收5、7次谐波为主；同时设计上还兼顾考虑对11、13次谐波部分吸收作用。
下图2是DC24KA/22V氧化电源配套低压无源滤波补偿装置一次系统图：
图2 低压无源滤波补偿装置一次系统图
4.2 仿真分析及校验
采用低压无源滤波补偿方案，用仿真软件分析比较了多种效果。由于系统中的实际谐波量比较大，在相同基波的补偿容量下，采用5、7次滤波组合有利于对系统的实时无功补偿及最大限度吸收5,7次谐波电流，同时避免对对其它次谐波放大。由于系统中11次及以上谐波分量本身就比较小，故不会产生太大影响。
滤波补偿装置投入后系统稳定，不会与用户供电系统发生整数次的特征谐波放大，且对系统的5次谐波吸收率达到了75%以上，7次谐波电流吸收率达到60%以上，11次及以上谐波电流平均吸收率也达到40%以上。下表2列出了低压无源滤波补偿装置投入后氧化电源总进线侧谐波值的减小情况，图2是用福禄克电能质量分析仪FLUKE 43B实际测到的滤波补偿投入前后对比图。由表2数据和图3对比图可见：无源滤波补偿设备投入后运行稳定，滤波效果明显，可以达到国标要求，平均功率因数达到了0.92以上。
表2 投入滤波器后氧化电源总进线侧谐波值
图3 滤波补偿投入前后对比图
5 结论
本文提出了一种铝型材氧化电源的谐波治理和无功补偿方案。对氧化电源的谐波进行了分析，并对低压无源滤波补偿装置进行了设计，最后根据工程实践对装置的滤波补偿效果进行了仿真分析及校验。铝型材氧化电源就地安装低压LC无源滤波补偿装置，结构简单可靠，经济成本合理，滤除谐波、无功补偿效果及节能明显，具有很好的实用性和推广价值。