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電路補(bǔ)償法的基本原理范文第1篇

關(guān)鍵詞: 功率因數(shù);無功補(bǔ)償;方式;效益 施

一、無功補(bǔ)償?shù)脑?/p>

無功補(bǔ)償主要包括視在功率、無功功率、有功功率以及功率因數(shù),同時(shí)還要了解它們之間的相互聯(lián)系,在電路中的作用。

(一)視在功率

視在功率是指交流電源(發(fā)電機(jī)或變壓器)的額定容量,也就是通常說的一個(gè)工廠或一個(gè)家庭各個(gè)時(shí)間段的用電量;它包括負(fù)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(yīng)原理工作的某個(gè)交流供用電設(shè)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(shè)備為感性,則無功功率就是感性負(fù)載的磁場能和交流電源提供的電能交換;如果用電設(shè)備為容性則無功功率就是容性負(fù)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(shè)備做功和發(fā)熱用掉的那部分功率,例如礦熱爐加熱,用掉的熱能,電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)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(guān)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(guān)系為:S2=P2+Q2 即:S=√P2+Q2

(五)功率因數(shù)

在物理學(xué)中根據(jù)電磁感應(yīng)原理,我們知道當(dāng)不斷變化的電流(交流電)通過電感時(shí),電感要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,由于感應(yīng)電動(dòng)勢總是阻礙電流的變化,也就是說感應(yīng)電動(dòng)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(shí)有功電流IR在相位上和電壓是同步的,當(dāng)電源輸出電壓U變化時(shí):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(dāng)COSφ增大時(shí),有功功率就增加,當(dāng)COSφ減小時(shí)有功功率就減小,由于COSφ能夠反應(yīng)出交流電源發(fā)出的功率(S)的利用效率,所以我們把COSφ稱為功率因數(shù),功率因數(shù)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(shù)的辦法

提高功率因數(shù)的方法常用的是補(bǔ)償法,一般都采用電力電容器來補(bǔ)償用電設(shè)備需要的無功功率,這就稱為電容無功補(bǔ)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(zhuǎn)換成電場能,再把電場能轉(zhuǎn)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(dāng)電容器兩端的電壓發(fā)生變化時(shí),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(guān)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(fù)荷的兩端并聯(lián)電力電容器可以提高功率因數(shù),但并不改變感性功率負(fù)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(bǔ)償方式

理論上而言,無功補(bǔ)償最好的方式是在哪里需要的無功,就在哪里補(bǔ)償,整個(gè)系統(tǒng)將沒有無功電流的流動(dòng)。但在實(shí)際電網(wǎng)當(dāng)中這是不可能做到的。因?yàn)闊o論是變壓器、輸電線路還是各種負(fù)載,均會(huì)需要無功。所以實(shí)際電網(wǎng)當(dāng)中就補(bǔ)償裝置的安裝位置而言有如下幾種補(bǔ)償方式:①變電所集中補(bǔ)償;②配電線路分散補(bǔ)償;③負(fù)荷側(cè)集中補(bǔ)償;④用戶負(fù)荷的就地補(bǔ)償。

對于低壓配網(wǎng)無功補(bǔ)償,通常采用負(fù)荷側(cè)集中補(bǔ)償方式,即在低壓系統(tǒng)(如變壓器的低壓側(cè))利用自動(dòng)功率因數(shù)調(diào)整裝置,隨著負(fù)荷的變化,自動(dòng)地投入或切除電容器的部分或全部容量。

(一)補(bǔ)償容量的確定

考慮到動(dòng)力類負(fù)荷,估計(jì)配變的功率因數(shù)在0.75左右,設(shè)計(jì)在滿負(fù)荷狀態(tài)下功率因數(shù)提高到0.90

假設(shè)配變?nèi)萘繛镾,補(bǔ)償前有功功率、無功功率和功率因數(shù)角分別為P1、Q1、和φ1,補(bǔ)償后有功功率、無功功率和功率因數(shù)角分別為P2、Q2和φ2,Qb為需補(bǔ)償?shù)娜萘?。由此可得出?yīng)補(bǔ)償?shù)娜萘繛? Qb=Q1-Q2 =S×sinφ1-S×sinφ2 =S×(0.661-0.436) =0.225S 補(bǔ)償百分比為:η%=Qb/S×100%=22.5% 根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可以得出,補(bǔ)償容量一般為變壓器額定容量的20%～30%。

(二)補(bǔ)償方式的選擇

補(bǔ)償方式分為三相共補(bǔ)、分相補(bǔ)償和混合補(bǔ)償(即共補(bǔ)加分補(bǔ)),一般而言當(dāng)需要補(bǔ)償?shù)娜萘砍^60kvar時(shí),采用混合補(bǔ)償是比較合適的,即可照顧到三相之間的不平衡,與分相補(bǔ)償?shù)男Ч耆嗤?又可以降低成本。

(三)補(bǔ)償級數(shù)的選擇

補(bǔ)償級數(shù)(即補(bǔ)償電容器的分組數(shù)量)越多,補(bǔ)償?shù)木仍礁?但隨著補(bǔ)償級數(shù)的增加,裝置的成本會(huì)大幅度提高,而且設(shè)備的體積也會(huì)增大。綜合考慮補(bǔ)償精度、成本、箱體體積等因素,一般采用11級非常容量補(bǔ)償,前9級為等容量以滿足基本補(bǔ)償,后2級為小容量以提高補(bǔ)償精度。

四、無功補(bǔ)償?shù)男б?/p>

在現(xiàn)代用電企業(yè)中,在數(shù)量眾多、容量大小不等的感性設(shè)備連接于電力系統(tǒng)中,電網(wǎng)傳輸功率除有功功率外,還需無功功率。

(一)節(jié)省企業(yè)電費(fèi)開支

提高功率因數(shù)對企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益是明顯的,因?yàn)閲译妰r(jià)制度中,從合理利用有限電能出發(fā),對不同企業(yè)的功率因數(shù)規(guī)定了要求達(dá)到的不同數(shù)值,低于規(guī)定的數(shù)值,需要額外多收電費(fèi),高于規(guī)定數(shù)值,可相應(yīng)地減少電費(fèi)。使用無功補(bǔ)償不但減少初次投資費(fèi)用,而且減少了運(yùn)行后的基本電費(fèi)。

(二)降低系統(tǒng)的能耗

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

當(dāng)功率因數(shù)從0.70～0.85提高到0.95時(shí),由上式可求得有功損耗將降低20%～45%。

(三)改善電壓質(zhì)量

以線路末端只有一個(gè)集中負(fù)荷為例,假設(shè)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(fù)荷P產(chǎn)生的;QX/Ue輸送無功負(fù)荷Q產(chǎn)生的;配電線路:X=(2~4)R,U大部分為輸送無功負(fù)荷Q產(chǎn)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(fù)荷Q產(chǎn)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(wěn)定,有利于大電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。

(四)增加系統(tǒng)容量

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

五、結(jié)語

五在配電網(wǎng)中進(jìn)行無功補(bǔ)償、提高功率因數(shù)和做好無功優(yōu)化,是一項(xiàng)建設(shè)性的節(jié)能措施。本文簡要分析了無功補(bǔ)償?shù)姆椒ê蜔o功功率補(bǔ)償容量的選擇方法以及無功補(bǔ)償后的良性影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,要具體問題具體分析,使無功補(bǔ)償應(yīng)用獲得最大的效益。

參考文獻(xiàn):

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

電路補(bǔ)償法的基本原理范文第2篇

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理 智能功率模塊 變壓變頻

中圖分類號：TM921 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)字信號處理芯片的誕生，數(shù)字變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由于自身優(yōu)越的調(diào)速性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在交流調(diào)速系統(tǒng)中。交流調(diào)速的方法大致可以分為以下幾種：變極調(diào)速，串電阻調(diào)速，降壓調(diào)速，串級調(diào)速和變頻調(diào)速。除去變頻調(diào)速以外的其他調(diào)速方法，因?yàn)槟茉聪拇?，調(diào)速成本高，性價(jià)比低，調(diào)速控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于維護(hù)等缺點(diǎn)，現(xiàn)如今已經(jīng)被淘汰。交流變頻調(diào)速通過改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率，從而可以連續(xù)地改變同步轉(zhuǎn)速，最終使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在一個(gè)較寬的范圍以內(nèi)?，F(xiàn)在流行的交流變頻調(diào)速方法有兩種：變壓變頻法和矢量控制法[2]。從調(diào)速特性上看，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在任何一個(gè)速度段的硬度特性，都與自然機(jī)械特性及其相似。同時(shí)，還具有調(diào)速范圍寬、平滑性能優(yōu)良等可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的優(yōu)良調(diào)速特性。

數(shù)字變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由于運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、調(diào)速平滑性以及調(diào)速機(jī)械特性等優(yōu)良性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、煤礦風(fēng)機(jī)以及提升機(jī)、泵類、傳送帶、給料系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等設(shè)備的動(dòng)力源，并起到了節(jié)約能源，提高電源利用率以及提升產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量的良好效果。

1、變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本組成

變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)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(guān)原件驅(qū)動(dòng)模塊組成）、檢測回路模塊、數(shù)字控制器模塊、故障綜合模塊（有數(shù)據(jù)檢測綜合單元組成）和主控制面板模塊。本系統(tǒng)使用德州儀器公司生產(chǎn)的C2000系列中TMS320F2812作為數(shù)字控制器的主控芯片[1]，智能功率模塊IPM-　PS21867?。↖ntelligent　Power　Module），以及電壓空間矢量、數(shù)字PID等先進(jìn)控制算法于一體的一款交—直—交數(shù)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(jīng)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(guān)元件的通斷控制，產(chǎn)生交流調(diào)速電機(jī)所需的頻率可調(diào)的三相交流電。同時(shí)，在主回路上通過對過電流、過電壓、過熱等參數(shù)的測量，經(jīng)故障綜合模塊引入到DSP的保護(hù)引腳PDPINTB實(shí)現(xiàn)對PWM信號的封鎖，從而起到保護(hù)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的作用。檢測回路模塊主要負(fù)責(zé)對電壓、電流等模擬信號的采樣，為實(shí)現(xiàn)軟件調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)控制和算法實(shí)現(xiàn)，起到?jīng)Q定性的作用。數(shù)字控制器模塊綜合主控制面板所傳遞的參數(shù)以及其它反饋信息，通過FLASH　RAM中所加載的程序和CPU內(nèi)核高速運(yùn)算性能，實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)的全數(shù)字式控制。

2、變壓變頻調(diào)速基本原理

2.1　變壓變頻問題的提出

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，交流異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組的反電動(dòng)勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁力線的結(jié)果，其有效值如下式計(jì)算[2]：

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

電源電壓的一部分產(chǎn)生了定子繞組的反電動(dòng)勢（對應(yīng)），另一部分消耗在由組成的阻抗上（對應(yīng)）。定子電流一部分用于建立主磁場磁通，另一部分用于產(chǎn)生電磁力帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載。當(dāng)交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)電源頻率下降時(shí)，由式（2-1）可得定子繞組的反電動(dòng)勢會(huì)降低；在電源電壓不變的情況下。通過式（2-2），將會(huì)引起定子電流的增加；加入外部負(fù)載不變時(shí)（即不變），則將會(huì)增加，將會(huì)使主磁通增加；由式（2-1）可得反電動(dòng)勢也會(huì)增加，最終達(dá)到新的平衡點(diǎn)。

由于電動(dòng)機(jī)的磁通量與電動(dòng)機(jī)的鐵芯大小有關(guān)，通常在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，因此將會(huì)使電動(dòng)機(jī)的磁通量無法再增加，產(chǎn)生電流波形畸變，減弱電磁力矩，從而影響機(jī)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(shè)法使E/f=K=常數(shù)，這樣就要求在電動(dòng)機(jī)在改變電源頻率時(shí)，也應(yīng)該保持不變。因?yàn)榈拇笮o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(diào)整，實(shí)現(xiàn)對的調(diào)整，最終使得磁通量保持在一個(gè)恒定數(shù)值以內(nèi)。

2.2　變壓變頻轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法

變頻后機(jī)械特性的下降將使電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力減弱，影響交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的使用，因此人們想辦法來解決這個(gè)問題。一種簡單的解決方法是采用V/F轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法[4]。

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

適當(dāng)提高電壓將使調(diào)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(zhuǎn)矩補(bǔ)償后的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性如圖2所示。

3、變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

對于數(shù)字交流變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)、開發(fā)與調(diào)試，我們使用的TI公司的CCS3.3進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分共分為兩大部分：第一部分為主程序部分（主要是系統(tǒng)時(shí)鐘、看門狗等模塊的初始化），第二部分是系統(tǒng)主體運(yùn)算控制部分（即系統(tǒng)的中斷服務(wù)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(tǒng)的void　main（）所包含的程序部分，在系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進(jìn)入的程序的起始地址指針便指向main（）函數(shù)內(nèi)部的第一條指令，對系統(tǒng)時(shí)鐘和鎖相環(huán)（PLL），各種寄存器控制位的默認(rèn)值，以及對系統(tǒng)監(jiān)測模塊看門狗等模塊的初始化。然后，進(jìn)入對系統(tǒng)對PIE向量表進(jìn)行初始化，禁止清除所有的CPU中斷標(biāo)志，并對其它系統(tǒng)所用到的電機(jī)控制程序模塊的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行賦值。完成上面初始化部分后，進(jìn)入到中斷使能部分，其中包括使能定時(shí)器T1，使能定時(shí)器T1的上溢中斷，為執(zhí)行下一步中斷服務(wù)子程序INT0做好準(zhǔn)備。最后是主循環(huán)等待，使系統(tǒng)等待中斷時(shí)間的到來，進(jìn)入中斷程序，執(zhí)行控制功能。

3.2　中斷服務(wù)子程序模塊

通過定時(shí)器1的上溢中斷，使程序進(jìn)入到中斷服務(wù)程序部分，首先，我們要清除中斷標(biāo)志位，為后續(xù)環(huán)節(jié)提供準(zhǔn)備，并保存系統(tǒng)中主要的參數(shù)數(shù)據(jù)。然后，就進(jìn)入到程序主體程序部分，包括數(shù)字PID調(diào)節(jié)模塊、電壓/頻率映射模塊、空間矢量發(fā)生模塊、PWM產(chǎn)生模塊、捕捉模塊、速度計(jì)算模塊、PWM數(shù)模變換模塊和低通濾波器模塊。對應(yīng)功能與說明如表1所示[3]

本系統(tǒng)有兩種控制模式，一種是開環(huán)調(diào)速控制，另一種是閉環(huán)調(diào)速控制，是通過closeloopFlag閉環(huán)調(diào)節(jié)標(biāo)志位進(jìn)行選擇的?；境绦蚪Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示，通過speedref速度參考值作為系統(tǒng)的給定值，速度給定值進(jìn)入到RAMP_CNTL斜坡控制模塊，此模塊分時(shí)段階梯式的增加給定值，直到達(dá)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(yùn)行的不穩(wěn)定。數(shù)字PID環(huán)節(jié)主要對速度給定值與速度計(jì)算模塊所獲得的電機(jī)實(shí)際測量值的差值，進(jìn)行比例積分微分調(diào)節(jié)，可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和動(dòng)態(tài)性能有顯著地提升。電壓/頻率映射模塊可以根據(jù)輸入頻率的大小，通過查表函數(shù)獲取最優(yōu)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(fā)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(fā)生器就可以產(chǎn)生Ta，Tb，Tc三個(gè)時(shí)間量值，然后通過PWM產(chǎn)生模塊得到我們所需要的六路脈沖寬度調(diào)制波形，經(jīng)IR2136驅(qū)動(dòng)模塊作用于智能功率模塊，控制逆變器殘生交流電機(jī)所需的三相交流電。PWM數(shù)模轉(zhuǎn)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(jìn)行采樣，為方便程序調(diào)試與實(shí)驗(yàn)分析而設(shè)置的部分。

4、實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

如圖3所示，通過PWM數(shù)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(yīng)理想狀態(tài)下的正弦輸出波形。當(dāng)EnableFlag=0時(shí)，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，無限循環(huán)。如圖4所示。當(dāng)EnableFlag=1時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序階段。不同SpeedRef值，所對應(yīng)的頻率不同，從而產(chǎn)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(jié)語

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)字式變頻調(diào)速系統(tǒng)，不僅在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，還是在實(shí)時(shí)的控制方面，與傳統(tǒng)變頻器相比，都存在優(yōu)越的性能。對于實(shí)時(shí)性要求較高的調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)域，基于TMS320F2812的數(shù)字式變頻器由于自身的高性能數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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