电路补偿法的基本原理

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电路补偿法的基本原理范文第1篇

关键词: 功率因数;无功补偿;方式;效益 施

一、无功补偿的原理

无功补偿主要包括视在功率、无功功率、有功功率以及功率因数,同时还要了解它们之间的相互联系,在电路中的作用。

(一)视在功率

视在功率是指交流电源(发电机或变压器)的额定容量,也就是通常说的一个工厂或一个家庭各个时间段的用电量;它包括负载的有功功率和无功功率。

(二)无功功率

无功功率是按电磁感应原理工作的某个交流供用电设备和交流电源之间的能量交换,这种能量互换的最大值称为无功功率。如果用电设备为感性,则无功功率就是感性负载的磁场能和交流电源提供的电能交换;如果用电设备为容性则无功功率就是容性负载的电场能和交流电源的电能的互换。

(三)有功功率

有功功率是指设备做功和发热用掉的那部分功率,例如矿热炉加热,用掉的热能,电动机带动齿轮转动的动能等。有功功率一般用P表示,常用单位KW

(四)视在功率、无功功率、有功功率之间的关系。

有功功率和无功功率都是视在功率一部分,它们之间的关系为:S2=P2+Q2 即:S=√P2+Q2

(五)功率因数

在物理学中根据电磁感应原理,我们知道当不断变化的电流(交流电)通过电感时,电感要产生感应电动势,由于感应电动势总是阻碍电流的变化,也就是说感应电动势既阻碍电流增大,也阻碍电流减小,所以在相位上电感上的电流总是落后90°,而同时有功电流IR在相位上和电压是同步的,当电源输出电压U变化时: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

式中可以知道当COSφ增大时,有功功率就增加,当COSφ减小时有功功率就减小,由于COSφ能够反应出交流电源发出的功率(S)的利用效率,所以我们把COSφ称为功率因数,功率因数就是有功功率P和视在功率S的比值,既:COSφ=P/S

二、提高功率因数的办法

提高功率因数的方法常用的是补偿法,一般都采用电力电容器来补偿用电设备需要的无功功率,这就称为电容无功补偿法。

理想的电容器在电路是不消耗电能的,它只是从电源吸收电能转换成电场能,再把电场能转换成电能还给电源,完成它与电源之间的能量互换,因此电容上的功率也是无功功率,只是它的无功功率是由于电容上的电流IC超前电压90°引起的,和电感由于电流滞后引起的无功功率正好相反。

在纯电容电路中,当电容器两端的电压发生变化时,电容器极板上的电量也需随着变化,电流的大小取决于电压变化的快慢和电压的大小没有关系,相位上流过电容的电流总是超前电容两端的电压90°

我们可以看到在感性负荷的两端并联电力电容器可以提高功率因数,但并不改变感性功率负载的有功功率。只是得到同样的有功功率所需的视在功率减少了。

三、无功补偿方式

理论上而言,无功补偿最好的方式是在哪里需要的无功,就在哪里补偿,整个系统将没有无功电流的流动。但在实际电网当中这是不可能做到的。因为无论是变压器、输电线路还是各种负载,均会需要无功。所以实际电网当中就补偿装置的安装位置而言有如下几种补偿方式:①变电所集中补偿;②配电线路分散补偿;③负荷侧集中补偿;④用户负荷的就地补偿。

对于低压配网无功补偿,通常采用负荷侧集中补偿方式,即在低压系统(如变压器的低压侧)利用自动功率因数调整装置,随着负荷的变化,自动地投入或切除电容器的部分或全部容量。

(一)补偿容量的确定

考虑到动力类负荷,估计配变的功率因数在0.75左右,设计在满负荷状态下功率因数提高到0.90

假设配变容量为S,补偿前有功功率、无功功率和功率因数角分别为P1、Q1、和φ1,补偿后有功功率、无功功率和功率因数角分别为P2、Q2和φ2,Qb为需补偿的容量。由此可得出应补偿的容量为: Qb=Q1-Q2 =S×sinφ1-S×sinφ2 =S×(0.661-0.436) =0.225S 补偿百分比为:η%=Qb/S×100%=22.5% 根据电网的运行经验可以得出,补偿容量一般为变压器额定容量的20%～30%。

(二)补偿方式的选择

补偿方式分为三相共补、分相补偿和混合补偿(即共补加分补),一般而言当需要补偿的容量超过60kvar时,采用混合补偿是比较合适的,即可照顾到三相之间的不平衡,与分相补偿的效果完全相同,又可以降低成本。

(三)补偿级数的选择

补偿级数(即补偿电容器的分组数量)越多,补偿的精度越高,但随着补偿级数的增加,装置的成本会大幅度提高,而且设备的体积也会增大。综合考虑补偿精度、成本、箱体体积等因素,一般采用11级非常容量补偿,前9级为等容量以满足基本补偿,后2级为小容量以提高补偿精度。

四、无功补偿的效益

在现代用电企业中,在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中,电网传输功率除有功功率外,还需无功功率。

(一)节省企业电费开支

提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的,因为国家电价制度中,从合理利用有限电能出发,对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值,低于规定的数值,需要额外多收电费,高于规定数值,可相应地减少电费。使用无功补偿不但减少初次投资费用,而且减少了运行后的基本电费。

(二)降低系统的能耗

补偿前后线路传送的有功功率不变,P= UICOSφ,由于COSφ提高,补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1,为分析问题方便,可认为U2≈U1从而导出I1COSφ1=I2COSφ2。即I1/I2=COSφ2/COSφ1,这样线损P减少的百分数为:ΔP%= (1-I2/I1)×100% =(1-COSφ1/ COSφ2)×100%

当功率因数从0.70～0.85提高到0.95时,由上式可求得有功损耗将降低20%～45%。

(三)改善电压质量

以线路末端只有一个集中负荷为例,假设线路电阻和电抗为R、X,有功和无功为P、Q,则电压损失ΔU为:U=(PR+QX)/Ue×10-3(KV) 两部分损失:PR/Ue输送有功负荷P产生的;QX/Ue输送无功负荷Q产生的;配电线路:X=(2~4)R,U大部分为输送无功负荷Q产生的,变压器:X=(5~10)R QX/Ue=(5~10)PR/Ue,变压器U几乎全为输送无功负荷Q产生的。

可以看出,若减少无功功率Q,则有利于线路末端电压的稳定,有利于大电动机的起动。

(四)增加系统容量

三相异步电动机通过就地补偿后,由于电流的下降,功率因数的提高,从而增加了变压器的容量,计算公式如下:S=P/COSφ1×[(COSφ2/COSφ1)-1]。

五、结语

五在配电网中进行无功补偿、提高功率因数和做好无功优化,是一项建设性的节能措施。本文简要分析了无功补偿的方法和无功功率补偿容量的选择方法以及无功补偿后的良性影响。在实际设计中,要具体问题具体分析,使无功补偿应用获得最大的效益。

参考文献:

[1]张利生,电力网电能损耗管理及降损技术.北京:中国电力出版社,2005.

电路补偿法的基本原理范文第2篇

关键词：数字信号处理 智能功率模块 变压变频

中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0021-03

目前，随着大功率高频电力电子元器件和高速数字信号处理芯片的诞生，数字变压变频调速系统由于自身优越的调速性能，已经被广泛应用在交流调速系统中。交流调速的方法大致可以分为以下几种：变极调速，串电阻调速，降压调速，串级调速和变频调速。除去变频调速以外的其他调速方法，因为能源消耗大，调速成本高，性价比低，调速控制结构复杂，不便于维护等缺点，现如今已经被淘汰。交流变频调速通过改变电动机的电源频率，从而可以连续地改变同步转速，最终使电动机运转在一个较宽的范围以内。现在流行的交流变频调速方法有两种：变压变频法和矢量控制法[2]。从调速特性上看，交流变频调速系统在任何一个速度段的硬度特性，都与自然机械特性及其相似。同时，还具有调速范围宽、平滑性能优良等可以与直流调速系统相媲美的优良调速特性。

数字变压变频调速系统由于运行的经济性、调速平滑性以及调速机械特性等优良性能，已经广泛应用于数控机床、煤矿风机以及提升机、泵类、传送带、给料系统、制冷系统等设备的动力源，并起到了节约能源，提高电源利用率以及提升产品数量和质量的良好效果。

1、变压变频调速系统的基本组成

变压变频调速系统基本上由五大部分组成：主回路模块（主要有智能功率模块和IGBT开关原件驱动模块组成）、检测回路模块、数字控制器模块、故障综合模块（有数据检测综合单元组成）和主控制面板模块。本系统使用德州仪器公司生产的C2000系列中TMS320F2812作为数字控制器的主控芯片[1]，智能功率模块IPM-　PS21867　（Intelligent　Power　Module），以及电压空间矢量、数字PID等先进控制算法于一体的一款交—直—交数字式交流变频器。

由图1可以看出，主回路模块通过从单相交流输入端引入220V电源，然后经整流滤波获取逆变器所需的直流电源，再利用三相全桥逆变电路开关元件的通断控制，产生交流调速电机所需的频率可调的三相交流电。同时，在主回路上通过对过电流、过电压、过热等参数的测量，经故障综合模块引入到DSP的保护引脚PDPINTB实现对PWM信号的封锁，从而起到保护电机及其控制系统的作用。检测回路模块主要负责对电压、电流等模拟信号的采样，为实现软件调速系统的闭环控制和算法实现，起到决定性的作用。数字控制器模块综合主控制面板所传递的参数以及其它反馈信息，通过FLASH　RAM中所加载的程序和CPU内核高速运算性能，实现对交流电机的全数字式控制。

2、变压变频调速基本原理

2.1　变压变频问题的提出

根据电机学原理，交流异步电动机的定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁力线的结果，其有效值如下式计算[2]：

其中，—电源电压；—定子绕组的反电动势；—定子电流（）；—为线圈电阻和漏电感；

电源电压的一部分产生了定子绕组的反电动势（对应），另一部分消耗在由组成的阻抗上（对应）。定子电流一部分用于建立主磁场磁通，另一部分用于产生电磁力带动机械负载。当交流变压变频调速系统电源频率下降时，由式（2-1）可得定子绕组的反电动势会降低；在电源电压不变的情况下。通过式（2-2），将会引起定子电流的增加；加入外部负载不变时（即不变），则将会增加，将会使主磁通增加；由式（2-1）可得反电动势也会增加，最终达到新的平衡点。

由于电动机的磁通量与电动机的铁芯大小有关，通常在设计时已经达到饱和状态，因此将会使电动机的磁通量无法再增加，产生电流波形畸变，减弱电磁力矩，从而影响机械特性[4]。为解决上述问题，最有效的方法是维持主磁通量的不变，设法使E/f=K=常数，这样就要求在电动机在改变电源频率时，也应该保持不变。因为的大小无法控制，于是我们通过式（2-2）在阻抗压降很小的情况下，可以近似得到：，从而可以用加在绕组两端的电源电压的调整，实现对的调整，最终使得磁通量保持在一个恒定数值以内。

2.2　变压变频转矩补偿法

变频后机械特性的下降将使电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用，因此人们想办法来解决这个问题。一种简单的解决方法是采用V/F转矩补偿法[4]。

V/F转矩补偿法的原理是：针对频率降低时，电源电压U成比例地降低引起的下降过低，采用适当提高电压的方法来保持磁通量中恒定，使电动机转矩回升。有时也称它为转矩提升（torque　boost）。

适当提高电压将使调压比Ku>Kf，也就是说电压并不再随频率等比例地变化。采用V/F转矩补偿后的电动机机械特性如图2所示。

3、变压变频调速系统的软件实现

对于数字交流变频调速系统软件部分的设计、开发与调试，我们使用的TI公司的CCS3.3进行系统开发。系统的软件设计部分共分为两大部分：第一部分为主程序部分（主要是系统时钟、看门狗等模块的初始化），第二部分是系统主体运算控制部分（即系统的中断服务子程序INT0）。

3.1　主程序模块

主程序模块就是我们通常所说的系统的void　main（）所包含的程序部分，在系统上电复位后，首先进入的程序的起始地址指针便指向main（）函数内部的第一条指令，对系统时钟和锁相环（PLL），各种寄存器控制位的默认值，以及对系统监测模块看门狗等模块的初始化。然后，进入对系统对PIE向量表进行初始化，禁止清除所有的CPU中断标志，并对其它系统所用到的电机控制程序模块的各项参数进行赋值。完成上面初始化部分后，进入到中断使能部分，其中包括使能定时器T1，使能定时器T1的上溢中断，为执行下一步中断服务子程序INT0做好准备。最后是主循环等待，使系统等待中断时间的到来，进入中断程序，执行控制功能。

3.2　中断服务子程序模块

通过定时器1的上溢中断，使程序进入到中断服务程序部分，首先，我们要清除中断标志位，为后续环节提供准备，并保存系统中主要的参数数据。然后，就进入到程序主体程序部分，包括数字PID调节模块、电压/频率映射模块、空间矢量发生模块、PWM产生模块、捕捉模块、速度计算模块、PWM数模变换模块和低通滤波器模块。对应功能与说明如表1所示[3]

本系统有两种控制模式，一种是开环调速控制，另一种是闭环调速控制，是通过closeloopFlag闭环调节标志位进行选择的。基本程序结构图如图3所示，通过speedref速度参考值作为系统的给定值，速度给定值进入到RAMP_CNTL斜坡控制模块，此模块分时段阶梯式的增加给定值，直到达到给定值，起到平滑控制的效果，防止控制的突变造成的硬件运行的不稳定。数字PID环节主要对速度给定值与速度计算模块所获得的电机实际测量值的差值，进行比例积分微分调节，可以使系统的稳定性、快速性和动态性能有显著地提升。电压/频率映射模块可以根据输入频率的大小，通过查表函数获取最优的电压输出值VOUT，频率除作为本模块的输入以外，还为空间矢量发生器模块提供输入。利用频率和电压输出值，通过空间矢量发生器就可以产生Ta，Tb，Tc三个时间量值，然后通过PWM产生模块得到我们所需要的六路脉冲宽度调制波形，经IR2136驱动模块作用于智能功率模块，控制逆变器残生交流电机所需的三相交流电。PWM数模转换模块和低通滤波器模块只要是对输出的脉冲宽度波形进行采样，为方便程序调试与实验分析而设置的部分。

4、实验测试结果

如图3所示，通过PWM数模变换模块和低通滤波器模块，采集所得的三路PWM输出波形，及其对应理想状态下的正弦输出波形。当EnableFlag=0时，系统处于初始状态，无限循环。如图4所示。当EnableFlag=1时，进入中断服务子程序阶段。不同SpeedRef值，所对应的频率不同，从而产生的PWM的宽度和理想正弦波形的频率都不同。如图5-图7所示。

5、结语

经实验验证，数字式变频调速系统，不仅在系统稳定性方面，还是在实时的控制方面，与传统变频器相比，都存在优越的性能。对于实时性要求较高的调速系统领域，基于TMS320F2812的数字式变频器由于自身的高性能数据运算能力，已经得到普遍应用。

参考文献

[1]宁改娣，曾翔君，骆一萍等.DSP控制器原理及应用（第二版）[M].北京：科学出版社，2011.5.

[2]陈伯时，主编.电力拖动自动控制系统—运动控制系统（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2003.7.（159-160）.