電路補償法的基本原理

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電路補償法的基本原理范文第1篇

關鍵詞: 功率因數;無功補償;方式;效益 施

一、無功補償的原理

無功補償主要包括視在功率、無功功率、有功功率以及功率因數,同時還要了解它們之間的相互聯系,在電路中的作用。

(一)視在功率

視在功率是指交流電源(發電機或變壓器)的額定容量,也就是通常說的一個工廠或一個家庭各個時間段的用電量;它包括負載的有功功率和無功功率。

(二)無功功率

無功功率是按電磁感應原理工作的某個交流供用電設備和交流電源之間的能量交換,這種能量互換的最大值稱為無功功率。如果用電設備為感性,則無功功率就是感性負載的磁場能和交流電源提供的電能交換;如果用電設備為容性則無功功率就是容性負載的電場能和交流電源的電能的互換。

(三)有功功率

有功功率是指設備做功和發熱用掉的那部分功率,例如礦熱爐加熱,用掉的熱能,電動機帶動齒輪轉動的動能等。有功功率一般用P表示,常用單位KW

(四)視在功率、無功功率、有功功率之間的關系。

有功功率和無功功率都是視在功率一部分,它們之間的關系為:S2=P2+Q2 即:S=√P2+Q2

(五)功率因數

在物理學中根據電磁感應原理,我們知道當不斷變化的電流(交流電)通過電感時,電感要產生感應電動勢,由于感應電動勢總是阻礙電流的變化,也就是說感應電動勢既阻礙電流增大,也阻礙電流減小,所以在相位上電感上的電流總是落后90°,而同時有功電流IR在相位上和電壓是同步的,當電源輸出電壓U變化時:S=UI,P=UIRQ=UIL,所以得到:I2=IR2+ IL2既:S2=P2+Q2S=√P2+Q2

IRIR UP

COSφ= ―― = ―― = ――

IIU S

有功功率P=S×COSφ

式中可以知道當COSφ增大時,有功功率就增加,當COSφ減小時有功功率就減小,由于COSφ能夠反應出交流電源發出的功率(S)的利用效率,所以我們把COSφ稱為功率因數,功率因數就是有功功率P和視在功率S的比值,既:COSφ=P/S

二、提高功率因數的辦法

提高功率因數的方法常用的是補償法,一般都采用電力電容器來補償用電設備需要的無功功率,這就稱為電容無功補償法。

理想的電容器在電路是不消耗電能的,它只是從電源吸收電能轉換成電場能,再把電場能轉換成電能還給電源,完成它與電源之間的能量互換,因此電容上的功率也是無功功率,只是它的無功功率是由于電容上的電流IC超前電壓90°引起的,和電感由于電流滯后引起的無功功率正好相反。

在純電容電路中,當電容器兩端的電壓發生變化時,電容器極板上的電量也需隨著變化,電流的大小取決于電壓變化的快慢和電壓的大小沒有關系,相位上流過電容的電流總是超前電容兩端的電壓90°

我們可以看到在感性負荷的兩端并聯電力電容器可以提高功率因數,但并不改變感性功率負載的有功功率。只是得到同樣的有功功率所需的視在功率減少了。

三、無功補償方式

理論上而言,無功補償最好的方式是在哪里需要的無功,就在哪里補償,整個系統將沒有無功電流的流動。但在實際電網當中這是不可能做到的。因為無論是變壓器、輸電線路還是各種負載,均會需要無功。所以實際電網當中就補償裝置的安裝位置而言有如下幾種補償方式:①變電所集中補償;②配電線路分散補償;③負荷側集中補償;④用戶負荷的就地補償。

對于低壓配網無功補償,通常采用負荷側集中補償方式,即在低壓系統(如變壓器的低壓側)利用自動功率因數調整裝置,隨著負荷的變化,自動地投入或切除電容器的部分或全部容量。

(一)補償容量的確定

考慮到動力類負荷,估計配變的功率因數在0.75左右,設計在滿負荷狀態下功率因數提高到0.90

假設配變容量為S,補償前有功功率、無功功率和功率因數角分別為P1、Q1、和φ1,補償后有功功率、無功功率和功率因數角分別為P2、Q2和φ2,Qb為需補償的容量。由此可得出應補償的容量為: Qb=Q1-Q2 =S×sinφ1-S×sinφ2 =S×(0.661-0.436) =0.225S 補償百分比為:η%=Qb/S×100%=22.5% 根據電網的運行經驗可以得出,補償容量一般為變壓器額定容量的20%～30%。

(二)補償方式的選擇

補償方式分為三相共補、分相補償和混合補償(即共補加分補),一般而言當需要補償的容量超過60kvar時,采用混合補償是比較合適的,即可照顧到三相之間的不平衡,與分相補償的效果完全相同,又可以降低成本。

(三)補償級數的選擇

補償級數(即補償電容器的分組數量)越多,補償的精度越高,但隨著補償級數的增加,裝置的成本會大幅度提高,而且設備的體積也會增大。綜合考慮補償精度、成本、箱體體積等因素,一般采用11級非常容量補償,前9級為等容量以滿足基本補償,后2級為小容量以提高補償精度。

四、無功補償的效益

在現代用電企業中,在數量眾多、容量大小不等的感性設備連接于電力系統中,電網傳輸功率除有功功率外,還需無功功率。

(一)節省企業電費開支

提高功率因數對企業的直接經濟效益是明顯的,因為國家電價制度中,從合理利用有限電能出發,對不同企業的功率因數規定了要求達到的不同數值,低于規定的數值,需要額外多收電費,高于規定數值,可相應地減少電費。使用無功補償不但減少初次投資費用,而且減少了運行后的基本電費。

(二)降低系統的能耗

補償前后線路傳送的有功功率不變,P= UICOSφ,由于COSφ提高,補償后的電壓U2稍大于補償前電壓U1,為分析問題方便,可認為U2≈U1從而導出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2=COSφ2/COSφ1,這樣線損P減少的百分數為:ΔP%= (1-I2/I1)×100% =(1-COSφ1/ COSφ2)×100%

當功率因數從0.70～0.85提高到0.95時,由上式可求得有功損耗將降低20%～45%。

(三)改善電壓質量

以線路末端只有一個集中負荷為例,假設線路電阻和電抗為R、X,有功和無功為P、Q,則電壓損失ΔU為:U=(PR+QX)/Ue×10-3(KV) 兩部分損失:PR/Ue輸送有功負荷P產生的;QX/Ue輸送無功負荷Q產生的;配電線路:X=(2~4)R,U大部分為輸送無功負荷Q產生的,變壓器:X=(5~10)R QX/Ue=(5~10)PR/Ue,變壓器U幾乎全為輸送無功負荷Q產生的。

可以看出,若減少無功功率Q,則有利于線路末端電壓的穩定,有利于大電動機的起動。

(四)增加系統容量

三相異步電動機通過就地補償后,由于電流的下降,功率因數的提高,從而增加了變壓器的容量,計算公式如下:S=P/COSφ1×[(COSφ2/COSφ1)-1]。

五、結語

五在配電網中進行無功補償、提高功率因數和做好無功優化,是一項建設性的節能措施。本文簡要分析了無功補償的方法和無功功率補償容量的選擇方法以及無功補償后的良性影響。在實際設計中,要具體問題具體分析,使無功補償應用獲得最大的效益。

參考文獻:

[1]張利生,電力網電能損耗管理及降損技術.北京:中國電力出版社,2005.

電路補償法的基本原理范文第2篇

關鍵詞：數字信號處理 智能功率模塊 變壓變頻

中圖分類號：TM921 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2012）11-0021-03

目前，隨著大功率高頻電力電子元器件和高速數字信號處理芯片的誕生，數字變壓變頻調速系統由于自身優越的調速性能，已經被廣泛應用在交流調速系統中。交流調速的方法大致可以分為以下幾種：變極調速，串電阻調速，降壓調速，串級調速和變頻調速。除去變頻調速以外的其他調速方法，因為能源消耗大，調速成本高，性價比低，調速控制結構復雜，不便于維護等缺點，現如今已經被淘汰。交流變頻調速通過改變電動機的電源頻率，從而可以連續地改變同步轉速，最終使電動機運轉在一個較寬的范圍以內。現在流行的交流變頻調速方法有兩種：變壓變頻法和矢量控制法[2]。從調速特性上看，交流變頻調速系統在任何一個速度段的硬度特性，都與自然機械特性及其相似。同時，還具有調速范圍寬、平滑性能優良等可以與直流調速系統相媲美的優良調速特性。

數字變壓變頻調速系統由于運行的經濟性、調速平滑性以及調速機械特性等優良性能，已經廣泛應用于數控機床、煤礦風機以及提升機、泵類、傳送帶、給料系統、制冷系統等設備的動力源，并起到了節約能源，提高電源利用率以及提升產品數量和質量的良好效果。

1、變壓變頻調速系統的基本組成

變壓變頻調速系統基本上由五大部分組成：主回路模塊（主要有智能功率模塊和IGBT開關原件驅動模塊組成）、檢測回路模塊、數字控制器模塊、故障綜合模塊（有數據檢測綜合單元組成）和主控制面板模塊。本系統使用德州儀器公司生產的C2000系列中TMS320F2812作為數字控制器的主控芯片[1]，智能功率模塊IPM-　PS21867　（Intelligent　Power　Module），以及電壓空間矢量、數字PID等先進控制算法于一體的一款交—直—交數字式交流變頻器。

由圖1可以看出，主回路模塊通過從單相交流輸入端引入220V電源，然后經整流濾波獲取逆變器所需的直流電源，再利用三相全橋逆變電路開關元件的通斷控制，產生交流調速電機所需的頻率可調的三相交流電。同時，在主回路上通過對過電流、過電壓、過熱等參數的測量，經故障綜合模塊引入到DSP的保護引腳PDPINTB實現對PWM信號的封鎖，從而起到保護電機及其控制系統的作用。檢測回路模塊主要負責對電壓、電流等模擬信號的采樣，為實現軟件調速系統的閉環控制和算法實現，起到決定性的作用。數字控制器模塊綜合主控制面板所傳遞的參數以及其它反饋信息，通過FLASH　RAM中所加載的程序和CPU內核高速運算性能，實現對交流電機的全數字式控制。

2、變壓變頻調速基本原理

2.1　變壓變頻問題的提出

根據電機學原理，交流異步電動機的定子繞組的反電動勢是定子繞組切割旋轉磁力線的結果，其有效值如下式計算[2]：

其中，—電源電壓；—定子繞組的反電動勢；—定子電流（）；—為線圈電阻和漏電感；

電源電壓的一部分產生了定子繞組的反電動勢（對應），另一部分消耗在由組成的阻抗上（對應）。定子電流一部分用于建立主磁場磁通，另一部分用于產生電磁力帶動機械負載。當交流變壓變頻調速系統電源頻率下降時，由式（2-1）可得定子繞組的反電動勢會降低；在電源電壓不變的情況下。通過式（2-2），將會引起定子電流的增加；加入外部負載不變時（即不變），則將會增加，將會使主磁通增加；由式（2-1）可得反電動勢也會增加，最終達到新的平衡點。

由于電動機的磁通量與電動機的鐵芯大小有關，通常在設計時已經達到飽和狀態，因此將會使電動機的磁通量無法再增加，產生電流波形畸變，減弱電磁力矩，從而影響機械特性[4]。為解決上述問題，最有效的方法是維持主磁通量的不變，設法使E/f=K=常數，這樣就要求在電動機在改變電源頻率時，也應該保持不變。因為的大小無法控制，于是我們通過式（2-2）在阻抗壓降很小的情況下，可以近似得到：，從而可以用加在繞組兩端的電源電壓的調整，實現對的調整，最終使得磁通量保持在一個恒定數值以內。

2.2　變壓變頻轉矩補償法

變頻后機械特性的下降將使電動機帶負載能力減弱，影響交流電動機變頻調速的使用，因此人們想辦法來解決這個問題。一種簡單的解決方法是采用V/F轉矩補償法[4]。

V/F轉矩補償法的原理是：針對頻率降低時，電源電壓U成比例地降低引起的下降過低，采用適當提高電壓的方法來保持磁通量中恒定，使電動機轉矩回升。有時也稱它為轉矩提升（torque　boost）。

適當提高電壓將使調壓比Ku>Kf，也就是說電壓并不再隨頻率等比例地變化。采用V/F轉矩補償后的電動機機械特性如圖2所示。

3、變壓變頻調速系統的軟件實現

對于數字交流變頻調速系統軟件部分的設計、開發與調試，我們使用的TI公司的CCS3.3進行系統開發。系統的軟件設計部分共分為兩大部分：第一部分為主程序部分（主要是系統時鐘、看門狗等模塊的初始化），第二部分是系統主體運算控制部分（即系統的中斷服務子程序INT0）。

3.1　主程序模塊

主程序模塊就是我們通常所說的系統的void　main（）所包含的程序部分，在系統上電復位后，首先進入的程序的起始地址指針便指向main（）函數內部的第一條指令，對系統時鐘和鎖相環（PLL），各種寄存器控制位的默認值，以及對系統監測模塊看門狗等模塊的初始化。然后，進入對系統對PIE向量表進行初始化，禁止清除所有的CPU中斷標志，并對其它系統所用到的電機控制程序模塊的各項參數進行賦值。完成上面初始化部分后，進入到中斷使能部分，其中包括使能定時器T1，使能定時器T1的上溢中斷，為執行下一步中斷服務子程序INT0做好準備。最后是主循環等待，使系統等待中斷時間的到來，進入中斷程序，執行控制功能。

3.2　中斷服務子程序模塊

通過定時器1的上溢中斷，使程序進入到中斷服務程序部分，首先，我們要清除中斷標志位，為后續環節提供準備，并保存系統中主要的參數數據。然后，就進入到程序主體程序部分，包括數字PID調節模塊、電壓/頻率映射模塊、空間矢量發生模塊、PWM產生模塊、捕捉模塊、速度計算模塊、PWM數模變換模塊和低通濾波器模塊。對應功能與說明如表1所示[3]

本系統有兩種控制模式，一種是開環調速控制，另一種是閉環調速控制，是通過closeloopFlag閉環調節標志位進行選擇的。基本程序結構圖如圖3所示，通過speedref速度參考值作為系統的給定值，速度給定值進入到RAMP_CNTL斜坡控制模塊，此模塊分時段階梯式的增加給定值，直到達到給定值，起到平滑控制的效果，防止控制的突變造成的硬件運行的不穩定。數字PID環節主要對速度給定值與速度計算模塊所獲得的電機實際測量值的差值，進行比例積分微分調節，可以使系統的穩定性、快速性和動態性能有顯著地提升。電壓/頻率映射模塊可以根據輸入頻率的大小，通過查表函數獲取最優的電壓輸出值VOUT，頻率除作為本模塊的輸入以外，還為空間矢量發生器模塊提供輸入。利用頻率和電壓輸出值，通過空間矢量發生器就可以產生Ta，Tb，Tc三個時間量值，然后通過PWM產生模塊得到我們所需要的六路脈沖寬度調制波形，經IR2136驅動模塊作用于智能功率模塊，控制逆變器殘生交流電機所需的三相交流電。PWM數模轉換模塊和低通濾波器模塊只要是對輸出的脈沖寬度波形進行采樣，為方便程序調試與實驗分析而設置的部分。

4、實驗測試結果

如圖3所示，通過PWM數模變換模塊和低通濾波器模塊，采集所得的三路PWM輸出波形，及其對應理想狀態下的正弦輸出波形。當EnableFlag=0時，系統處于初始狀態，無限循環。如圖4所示。當EnableFlag=1時，進入中斷服務子程序階段。不同SpeedRef值，所對應的頻率不同，從而產生的PWM的寬度和理想正弦波形的頻率都不同。如圖5-圖7所示。

5、結語

經實驗驗證，數字式變頻調速系統，不僅在系統穩定性方面，還是在實時的控制方面，與傳統變頻器相比，都存在優越的性能。對于實時性要求較高的調速系統領域，基于TMS320F2812的數字式變頻器由于自身的高性能數據運算能力，已經得到普遍應用。

參考文獻

[1]寧改娣，曾翔君，駱一萍等.DSP控制器原理及應用（第二版）[M].北京：科學出版社，2011.5.

[2]陳伯時，主編.電力拖動自動控制系統—運動控制系統（第3版）[M].北京：機械工業出版社，2003.7.（159-160）.