終端無功補償與自適應電容調節(jié)技術

毛書凡

（天津理工大學工程訓練中心，天津 300384）

利用電容器對交流電進行功率因數(shù)補償，是目前普遍采用的節(jié)電和提高電能利用率有效的現(xiàn)場（隨機）補償技術手段，也是目前最行之有效的補償方法[1-2]。而現(xiàn)場隨機補償往往要求設備體積小、效率高，并且可自動控制補償?shù)墓β室驍?shù)[3]?，F(xiàn)有報道功率因數(shù)自動補償設備所采用的方案，總體上可分為兩類：靜止無功補償裝置（static var compensator，SVC）和靜止無功發(fā)生器（static var generator，SVG）。其中，SVC由于采用控制晶閘管的導通角控制飽和電抗的電流方法，調整補償無功功率，因此存在飽和電抗器體積大、晶閘管開關損耗大，滿足不了現(xiàn)場隨機補償要求[4-5]；雖然SVG與SVC相比，無需飽和電抗，效率有所提高，但是制成的補償設備電抗體積大、自關斷器件開關損耗大，也不易制成現(xiàn)場隨機補償設備[6-7]。

本文提出基于自適應電容調節(jié)技術，利用含有自關斷器件的功率因數(shù)補償控制電路，通過邏輯驅動電路、脈寬調制電路、零點檢測電路和功率因數(shù)檢測電路，分別控制電容充放電回路中的兩只自關斷器件在交流電壓波形零點時的關斷和導通，以控制電容器充放電電壓的高低，實現(xiàn)調節(jié)電容器補償電流的大小；而對用于補償設備功率因數(shù)的電容器容量，也可以進行自動調整，提高用電效率?？梢哉J為該電路是利用可調節(jié)的等效電容器暨自適應電容調節(jié)技術，實現(xiàn)對可變負載功率因數(shù)的自適應補償電路。該電路不但可以克服現(xiàn)有SVC和SVG損耗大的缺點，而且因為只是采用了有足夠裕量的單只補償電容器，線性調節(jié)出低于標定值的所需電容量，免去不同容量的電容器組，既實現(xiàn)了無觸點、無投切、體積小、效率高等優(yōu)點，又易于對功率因數(shù)補償進行自動控制，進而滿足可變負載設備高效節(jié)電、現(xiàn)場自適應補償?shù)钠惹行枨蟆?/p>

1 技術原理

該補償電路的基本原理如圖1所示，50 Hz市電由輸入端A和B接入用電負載FZ的電源，由于用電設備FZ是感性負載，圖1中電抗器L1的阻抗與電容器C的容抗相比為1%，可忽略不計。D1和D2為二極管，自關斷器件T1和T2等效為開關。圖2是圖1的等效電路圖，圖2將FZ等效為電阻RL和電感串聯(lián)后與補償電容器C相并聯(lián)。

圖1 補償電路的基本原理Fig.1 Basic principle of compensation circuit

圖2 補償電路的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of compensation circuit

1.1 電容器與交流電路

電容器存儲的能量如下[8]：

從式（1）可以看出，電容器存儲的能量與加在兩端的電壓的平方成正比，改變電容器的端電壓即可改變電容器存儲的能量。

由于在交流電路中，電容器工作時充電電流等于放電電流，則平均功率等于零，具體如下式：

式中：p為有功功率瞬時值。

1.2 非正弦波無功功率與有功功率

定義含有非正弦波的交流電路中，有功功率P、視在功率S和無功功率Q的關系為

由于電容器在充放電過程中的電壓波形，只有在開關導通時，充電電壓波形為局部邊界和放電的邊界正弦波，而中部是非正弦波，由此可知電容器補償?shù)臒o功功率為

式中：U，I分別為視在功率的電壓、電流。

從式（4）可以看出，當φ為90°時，sin90°值為1，則Q達到最大值，Q=UI，這與該電路開關控制充電電壓在π/2時補償最大的情況相吻合。在實際電路中，一方面考慮線損，另一方面還要考慮補償余量，所以Q取1.2UI即可。視在功率S是不遵守能量守恒定律的，且S只是占有；P在實際上遵循了能量守恒定律的應用。

1.3 時域控制充放電電壓控制無功補償

圖2中，電流關系如下：

由式（5）可以看出，在交流電周期式的工作中，實現(xiàn)自關斷器件T1和T2對電容器C的充放電電壓高低控制，即可控制交流電負載功率因數(shù)補償?shù)碾娏鞔笮?，即圖2中ic。

電容器充放電的功率如下式：

式中：T為交流電源正弦波的周期。

在交流電周期式的工作中，如實現(xiàn)了自關斷器件對電容器的充放電，既控制電壓U，又控制了電容器充放電電流大小。改變了式（6）中ω=2πfφ的φ角度，改變了充放電電壓U，所以改變了瞬時有功功率，進而達到對交流電負載的功率因數(shù)自動補償?shù)哪康?，此時有功功率P如下：

2 技術及方法實現(xiàn)

通過驅動電路控制的自關斷器件，組成如圖3所示的開關電路對電容器C的充電和放電過程進行控制。

圖3 控制充放電的開關電路Fig.3 Switch circuit of controlling charge and discharge

圖4為電容器兩端充放電電壓波形，圖中黑色面積的部分為充電電壓波形。交流電AC經(jīng)限流電感L加至補償用電容器C，T1，T2和兩只二極管D1，D2。在交流電壓的正半周期內(nèi)，由驅動電路驅動T1的q端以零點為起點，在（0，π/2）區(qū)間內(nèi)經(jīng)二極管D2對電容器進行時間可調式充電控制；在（π/2，π）區(qū)間內(nèi)驅動T2的r端經(jīng)二極管D1對電容器進行放電控制；在交流電壓的負半周期內(nèi)，以π點為起點在（π，3π/2）驅動T2的r端經(jīng)二極管D1對電容器進行時間可調式充電控制；在（3π/2，2π）區(qū)間內(nèi)T1經(jīng)二極管D2對電容器進行放電控制，從而在交流電周期性工作中實現(xiàn)了電容器充電。

圖4 電容器兩端充放電電壓波形Fig.4 Voltage waveform of charge and discharge at both ends of capacitor

3 技術應用

3.1 實例

圖5是使用上述原理設計的一種自關斷器件電容器功率因數(shù)補償控制裝置的電路原理框圖。

圖5 電路原理框圖Fig.5 Circuit principle block diagram

在自適應電容模塊中，電流經(jīng)濾波電路內(nèi)的電容器C1、電感L和電容器C2濾波后，由電容器C經(jīng)開關電路構成主電路[9]，見圖3。工作時，功率因數(shù)檢測模塊內(nèi)的電流互感器將檢測出的電流波形傳給相位比較器與變壓器檢測到的電壓波形進行相位比較后，以電壓形式傳給脈寬調制模塊，其波形如圖6中所示。

圖6 交流整流電壓波形、零點采樣波形和輸出脈寬控制波形Fig.6 AC rectifier voltage waveform，zero sampling waveform and output pulse width control waveform

同時，零點檢測模塊依據(jù)功率因數(shù)檢測模塊檢測到的電壓波形向脈寬調制模塊傳送零點同步脈沖電壓；脈寬調制模塊再根據(jù)接收到的零點同步脈沖電壓，調制輸出相應脈寬控制電壓波形，該波形為交流負半波的邏輯驅動輸出波形。輸出脈寬寬度以適應在交流電正、負半周分別以零點和π點為起點在0～π/2和π～3π/2內(nèi)周期性變化。

交流電壓周期性變化。在交流電的正半周由開關電路自關斷器件T1的控制端，控制T1導通，經(jīng)二極管D2對電容器C進行充電控制；在交流電的負半周由開關電路自關斷器件T2的控制端，控制T2導通，經(jīng)二極管D1對電容器C進行充電控制。零點檢測模塊將功率因數(shù)檢測模塊內(nèi)的正半周方波驅動自關斷器件T2的控制端，控制T2導通，經(jīng)二極管D1對電容器C進行放電控制；負半周期方波輸出自關斷器件T1的控制端，控制T1導通，經(jīng)二極管D2對電容器C進行放電控制。

該電路在交流電周期性的工作中實現(xiàn)了在自關斷器件以端電壓零點開始對電容器充電和至零點電流放電。

3.2 主要器件參數(shù)的選擇

由于采用交流電壓在零點電位時開通，其限流電抗器在電路中可大幅減小限流電感值。由于選擇了自關斷器件的開通管壓降與二極管壓降電壓之和，作為并聯(lián)在220 V交流電壓的補償電容短路壓降的電抗率計算值，其結果為：n=2/220≈0.009，可等效為0.01計算，遠遠低于現(xiàn)有設計標準0.04～0.16，達到了減小限流電感體積要求。

由于自關斷器件T1和T2在整個充放電過程中設計為零點開通和關斷，自關斷器件只有在1/4時間處于開關損耗狀態(tài)，所以散熱量較大的問題也得以解決。

4 實驗結果

經(jīng)4臺220 V，2 A樣機和1臺三相380 V，10 A樣機實驗結果表明，用該方法制作成的自關斷器件功率因數(shù)補償控制裝置不但損耗少、體積小，可自動控制功率因數(shù)在0.97～0.98，并且還具有噪音小的特點，完全能夠勝任現(xiàn)場隨機補償?shù)囊?，且電壓波形無明顯畸變，無電壓升高現(xiàn)象。

尤其是采用三個單相交流功率因數(shù)自動補償控制電路所組合成的三相交流功率因數(shù)自動補償控制裝置，可分別對三相電壓中的任一項負載單獨進行功率因數(shù)補償，達到了三相電壓電能質量的相對平衡。經(jīng)過上述樣機的運行，證明了利用自適應電容技術實現(xiàn)功率因數(shù)就地自動補償方法的可行性。

對自關斷器件導通在自適應電容充放電回路的線性調節(jié)曲線的實驗測試結果如圖7所示。

圖7 實驗測試結果曲線圖Fig.7 Graph of experimental test results

曲線對功率因數(shù)檢測反饋電壓與自關斷器件柵極導通時間所對應的占空比及線性調節(jié)關系如表1所示。

表1 線性調節(jié)關系Tab.1 Linear regulatory relationship

自關斷器件導通的控制電壓，同樣在閉環(huán)系統(tǒng)中也是作為功率因數(shù)檢測的反饋控制電壓，對應功率因數(shù)的線性關系如圖8所示。

圖8 線性關系Fig.8 Graph of linear relation

隨著功率因數(shù)的線性增長，當以24 W電機作為負載時，且交流電壓保持在220 V的條件下，選擇的補償電容為12 μF/400 V，對應的電流線性下降的實驗數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 實驗數(shù)據(jù)線形圖Fig.9 Linear graph of experimental data

測試感性負載的電流下降平均值為22%，實驗結果對無功功率的抑制作用和節(jié)電效果明顯，詳細實驗參數(shù)如表2所示。

表2 實驗參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

另制作的一臺三相380 V，10 A自關斷器件功率因數(shù)自動補償裝置，對5 kW某品牌三相空調進行現(xiàn)場隨機補償，每相補償電容均為22 μF/400 V，得到的實際數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實際數(shù)據(jù)表Tab.3 Actual data sheet

補償前輸入電流在8.7～9 A間動態(tài)變化，補償后電流在6.2～6.5 A間變化。補償電流在2.2～2.5 A間動態(tài)變化而補償前后電壓無變化；并且未發(fā)現(xiàn)高次諧波；補償裝置無噪聲；電網(wǎng)的提高利用率在27%～29%；節(jié)電率為5%～7%。

5 結論

本文介紹了一種通過控制電容器自身充放電電壓對交流用電設備進行功率因數(shù)自動補償?shù)姆椒ǎ诶碚撋险撟C了該方法的可行性，并通過利用自關斷器件的自關斷特性，組成開關電路，進行了自適應電容技術對功率因數(shù)補償控制電路的測試數(shù)據(jù)分析。用該電路制成自關斷器件電容器功率因數(shù)補償控制裝置的實例，驗證了該方法原理制成的電路和裝置，通過采用零電流充放電電路降低了開關損耗，縮小了限流電抗的體積進而提高了工作效率。該方法具有損耗小、效率高、體積小、結構簡單、成本低、使用和維修方便等優(yōu)點，為電容器功率因數(shù)補償方法提供了新的方案。