低電壓無功補償投切電容器裝置研究

摘 要：切換電容器接觸器、晶閘管投切電容器裝置（TSC）、復(fù)合開關(guān)投切電容器裝置作為工業(yè)低壓系統(tǒng)中常用的電容器投切裝置，在可靠性、體積、能耗、壽命等方面各有不同的缺陷。鑒于第三代半導(dǎo)體材料SiC已在電力電子器件中大量使用，試圖通過新型材料電力電子器件的選用和對交流接觸器的適應(yīng)性設(shè)計，提出新的電容器投切裝置方案，并通過MATLAB仿真驗證方案。

關(guān)鍵詞：投切電容器裝置；SiC；節(jié)銀型交流接觸器；MATLAB仿真

中圖分類號：TM52" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0010-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.003

0" " 引言

在工業(yè)低電壓系統(tǒng)中，感性負載電動機作為生產(chǎn)的主要動力使用數(shù)量巨大，使得低壓電網(wǎng)的功率因數(shù)大大降低，低壓電網(wǎng)中存在較大的無功功率，無功功率的存在會引起電路損耗增加、線路溫升過高或投資增加、用電設(shè)備電壓下降等問題，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性都受到影響，所以必須對系統(tǒng)進行無功補償，提升系統(tǒng)的功率因數(shù)。

在工業(yè)低電壓系統(tǒng)中進行無功補償?shù)姆椒ㄓ性谧兣潆娛壹醒a償，或在大功率負載旁邊加裝電力電容器等方式。

電力電容器在投入或切除時由于其電壓不能突變，會在系統(tǒng)中出現(xiàn)涌流i=C（du/dt），接通單組電容器時涌流可達50倍額定電流，接通一組電容器時涌流可超過160倍[1]，這樣大的電流會對電容器本身、線路中的其他電器或線路造成沖擊，甚至損壞設(shè)備。因此，抑制電力電容器投入時的涌流顯得非常重要。

1" " 無功補償投切電容器裝置的分類

在工業(yè)低電壓系統(tǒng)中，常用的有效抑制涌流的電力電容器投切裝置一般有三類。

1.1" " 切換電容器接觸器

切換電容器接觸器是傳統(tǒng)的低壓電力電容器的投切裝置，是在三相交流接觸器的基礎(chǔ)上每極加裝了一組限流電阻和先通型的切換觸點，其原理圖如圖1所示[2]。

具體工作原理是當切換電容器接觸器線圈得電時，銜鐵帶動所有動觸頭支架動作，首先先通型觸點閉合，將限流電阻串入回路，電力電容器在限制涌流的情況下投入系統(tǒng)。隨著觸頭支架運動，接觸器的主觸點閉合，完全將電力電容器投入系統(tǒng)。此時觸頭支架繼續(xù)前行，先通型觸點的鎖扣裝置被打開，從觸頭支架上脫離被反力簧彈出電力電容器運行回路。接觸器吸合結(jié)束后由主觸頭為電力電容器正常供電運行。切除電力電容器時接觸器線圈斷電，主觸頭斷開電路。

盡管切換電容器接觸器在投切時能夠限制涌流，保持在投切電容器裝置要求的20倍額定電流以內(nèi)[3]，但依然存在由于投切時機的不確定而可能產(chǎn)生較大涌流的現(xiàn)象。這樣的涌流也有將限流電阻絲燒斷的風險，限流電阻燒斷后切換電容器接觸器則成為普通交流接觸器，進而出現(xiàn)涌流會燒毀電容、熔焊觸點等更大的運行故障。

1.2" " 晶閘管投切電容器裝置（TSC）

晶閘管投切電容器裝置能夠很好地限制涌流的產(chǎn)生，其主要結(jié)構(gòu)包括晶閘管、檢測電路、驅(qū)動電路和控制器等，基本工作原理圖如圖2所示[4]。

其工作原理是利用晶閘管導(dǎo)通時間可控的優(yōu)勢，當晶閘管兩端電壓基本相同時觸發(fā)其導(dǎo)通。在控制器接到需要投入該組電容器組的指令時，控制器依據(jù)檢測電路獲取的晶閘管兩端的電壓判斷投切時機，當檢測到晶閘管兩端電壓為零時控制器給驅(qū)動電路導(dǎo)通信息，驅(qū)動電路觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通回路。

當電源電壓和電容器兩端電壓基本相同時投入電容器，電壓過零投入時能很好地抑制涌流。但晶閘管的管壓降在1～3.5 V，存在功率損耗大、散熱器體積大等缺陷，在高壓場合較為適用。

1.3" " 復(fù)合開關(guān)投切電容器裝置

結(jié)合交流接觸器的觸頭接觸電阻小和晶閘管能精確無涌流投入電容器的優(yōu)點，復(fù)合開關(guān)投切電容器裝置應(yīng)運而生，克服了前述主要缺點，該裝置先后產(chǎn)生過兩種形式的產(chǎn)品[5]。

一種是用三個磁保持繼電器和三組正反并聯(lián)的晶閘管（也可以是一只晶閘管和一只二極管）組合成三相共補式復(fù)合開關(guān)投切裝置。該復(fù)合開關(guān)的動作時序為：晶閘管在其兩端電壓接近零時被觸發(fā)導(dǎo)通，電力電容器接入電網(wǎng)電路，磁保持繼電器線圈得電觸頭閉合，晶閘管停止觸發(fā)和磁保持繼電器斷電，電力電容器投入完成進入正常運行；晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，磁保持繼電器線圈反向得電，觸頭分斷，晶閘管在電流過零時被關(guān)斷，電容器被切換停止運行，磁保持繼電器線圈斷電。該結(jié)構(gòu)的復(fù)合開關(guān)投切裝置具有電容器正常運行時線圈不通電而節(jié)能的優(yōu)點，但有磁保持繼電器機械壽命短和可能被卡住而不動作等缺點。

另一種是把上述復(fù)合開關(guān)投切裝置中的三個磁保持繼電器更換為一個交流接觸器，動作時序的不同是投入電容器后交流接觸器線圈不斷電；在切除電容器時，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后交流接觸器線圈斷電，觸頭分斷，其余均與前述復(fù)合開關(guān)投切裝置相同。其優(yōu)點除了磁保持繼電器是復(fù)合開關(guān)投切裝置，還有交流接觸器的機械壽命次數(shù)多，運行可靠。

對比以上三種類型投切電容器裝置，投切性能和穩(wěn)定運行性能都在逐步提高，在電氣控制柜智能化和小型化發(fā)展的趨勢下，更加小型化、智能化、高可靠性、低價格的投切電容器裝置更受關(guān)注。本文展開新型材料SiC電力電子器件用于投切電容器裝置的相關(guān)探討。

2" " 碳化硅器件的無功補償電容投切裝置研究及仿真

2.1" " 主電路設(shè)計及工作原理

主電路方案設(shè)計的首要任務(wù)是抑制電容器投切時的涌流，其次是最大程度滿足體積小、價格低廉等要素?？傮w設(shè)計采用交流斬波開關(guān)和交流接觸器相結(jié)合的思路，原理圖如圖3所示。

一組交流斬波開關(guān)采用MOSFET和二極管串聯(lián)后再反向并聯(lián)的模式；一組交流斬波開關(guān)和交流接觸器一相觸頭并聯(lián)，共三相。下面以星型連接的電容器組為例，說明投切工作流程。電容器投切裝置的檢測電路、控制電路和觸發(fā)電路等同交流接觸器線圈共用一路電源，該回路得電，就是電容器投切裝置接到投入電容器組的信號，此時零電壓檢測電路檢測兩相（如A、B相）交流斬波開關(guān)的線電壓，該值為0 V時MOSFET同時被觸發(fā)導(dǎo)通，電容器投入，再過π/2時，最后一相的MOSFET被觸發(fā)導(dǎo)通，此時電容器組全部投入。MOSFET的觸發(fā)電路處于持續(xù)觸發(fā)狀態(tài)。在電容器組全部投入后的一個工頻周期內(nèi)，控制電路發(fā)出交流接觸器線圈接通的信號，交流接觸器線圈得電閉合，主觸頭旁路了交流斬波開關(guān)，系統(tǒng)正常運行?？梢栽诮涣鹘佑|器閉合后關(guān)斷交流斬波開關(guān)，但由于MOSFET的觸發(fā)電路功耗很小，為了運行的可靠性，本方案選擇不關(guān)斷的運行模式。當交流接觸器線圈回路失電，電容器投切裝置停止運行，MOSFET關(guān)斷。

2.2" " 器件的選擇

本文中交流斬波開關(guān)是采用MOSFET和二極管為半導(dǎo)體功率器件。第三代半導(dǎo)體材料SiC禁帶寬度大（3.2 eV）、熱導(dǎo)率高（硅材料3倍）、電子飽和遷移速率大（硅材料3倍）、電子密度高、臨界擊穿電場強度高[6]、導(dǎo)通阻抗低（1 mΩ/cm2）[7]，特別是在較高的擊穿電壓條件下，單極SiC器件的通態(tài)電阻小于硅器件的1/300。目前，用SiC制作的二極管和MOSFET具有導(dǎo)通電阻小、擊穿電壓高、體積小等高性能指標。

低電壓無功補償系統(tǒng)中，當功率開關(guān)管未打開時可能承受2倍峰值電壓的電壓值，接近1 200 V。系統(tǒng)在運行時，開關(guān)管處于打開狀態(tài)，一旦需要持續(xù)通流就要求導(dǎo)通電阻小。同時，要盡可能減小產(chǎn)品的體積，因此功率器件選用SiC二極管和MOSFET。

一般情況下，交流接觸器型號中標稱的額定電流為AC-3負載類別，但交流接觸器可以承受的最大電流為約定發(fā)熱電流。在低電壓無功補償系統(tǒng)，電容器組投入時由交流斬波開關(guān)先導(dǎo)通，切除時交流接觸器觸頭基本無電弧產(chǎn)生，因此觸頭的電氣磨損很少。所以，交流接觸器選擇時，一是保證電容器組運行電流不超過交流接觸器的約定發(fā)熱電流為宜，二是選用非頻繁動作場合使用的節(jié)銀型交流接觸器。

2.3" " 電容器投入時刻的選取

要避免電容器投入時產(chǎn)生涌流，投入時刻的選取非常重要。設(shè)電網(wǎng)電壓為標準電壓u=Umsin ωt，其中Um為電壓幅值，ω為工頻電壓角頻率，電容器投入瞬間的電流為[8]：

i（t）中的第一項為正常運行時的穩(wěn)態(tài)電流，第二項為投入瞬間電源電壓和電容器電壓差引起的電流振動分量，第三項為電源電壓變化率引起的電流振蕩分量，最大為2Im。

當cos α=0時，第三項就為0 A。滿足該條件的投入時刻是電容器電流過零的時刻，也就是電源電壓在峰值時刻。

當uC0=Umsin α?xí)r，第二項就為0 A，滿足該條件的投入時刻以uC0初始值計算。根據(jù)國標，“每一電容器單元或電容器組應(yīng)具備足以在3 min內(nèi)從最初的電壓Un放電到75 V或更低的放電器件”。實際運行中，電容器在切除后會采取放電措施。所以在確定投入時刻時，假定電容器放電完畢，不帶剩余電壓，選擇電源電壓過零時刻。電源電壓和電容器上電壓都為0 V，滿足第二項值為0 A的條件。

無法做到第二、三項同時滿足，所以選擇滿足第二項為0 A的投入時刻，接受在投入時具有因電源電壓自然變化而產(chǎn)生的涌流?？傮w限制涌流的效果非常明顯。

2.4" " 仿真分析

對設(shè)計的低電壓無功補償投切電容器裝置進行仿真驗證。為較為清晰地對比出抑制涌流的效果，使用了單組電容器在電壓非過零情況下投入、過零情況下投入和三相電容器在電壓過零情況下投入三組仿真結(jié)果。仿真中所有器件都用了理想模型。

單組電容器投切過程的仿真，使用晶閘管投切電容器裝置其中一相的斬波開關(guān)投入電容器。仿真模型如圖4所示。用示波器從上到下依次監(jiān)測電源電壓、電容器電流、電容器電壓。

圖5是選擇在電源電壓的相位角為5°時投入的情形，從仿真圖可以看出涌流是正常電流的約42倍（圖中最高點被圖框限制了），說明隨機投入電容器時涌流非常大。

從圖6的仿真結(jié)果可以看出，選擇電源電壓過零時投入電容器時，電路中沒有涌流產(chǎn)生，抑制涌流效果非常明顯。本設(shè)計選擇的開關(guān)器件MOSFET開關(guān)速度快，可以精準控制，完全可以實現(xiàn)過零投入的控制。

三相電容器投切過程的仿真模型中，僅使用了三相斬波開關(guān)和電容器，用于旁路的交流接觸器的投入和切除相對簡單，本模型不予仿真，原理圖如圖7所示。其中電源電壓為400 V/50 Hz，電容器為450 V/60 kvar/50 Hz。設(shè)電源電壓表達式為：

對于三角形連接的電容器的投入時刻，選擇線電壓過零時刻觸發(fā)該兩相的MOSFET，如選擇觸發(fā)A、B兩相，則需要uab=ua-ub=327sin wt-327sin（ωt-

120°）=0時觸發(fā)MOSFET，即在wt=150°時觸發(fā)即可。當C相的電壓過零，即wt=240°時觸發(fā)C相斬波開關(guān)，C相無涌流接通，電容器投入完成。仿真效果如圖8所示。

3" " 結(jié)束語

本文通過對現(xiàn)有三種投切電容器裝置進行分析，提出了一種低電壓無功補償投切電容器裝置的解決思路，主要是用SiC材料的MOSFET和二極管各2個組成斬波開關(guān)，3組斬波開關(guān)和節(jié)銀型交流接觸器并聯(lián)組成投切裝置。該方案具有使用SiC材料器件而減小裝置體積和使用節(jié)銀型交流接觸器而降低成本的優(yōu)點。對方案用MATLAB進行了仿真，尤其是通過隨機閉合和電壓過零閉合兩種對比仿真了對涌流抑制的作用，抑制涌流的效果明顯。本文還提供了三角形連接的電容器投入時刻的選擇方式。在仿真的基礎(chǔ)上，本方案還需要通過實物的調(diào)試和試驗。

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收稿日期：2024-03-20

作者簡介：席志剛（1973—），男，甘肅甘谷人，高級工程師，研究方向：低壓電器。