周 靜 李永振

(西安石油大學(xué)井下測控研究所 陜西西安)

功率因數(shù)校正技術(shù)在松耦合電能傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用＊

周 靜 李永振

(西安石油大學(xué)井下測控研究所 陜西西安)

松耦合電能傳輸系統(tǒng)是一種新型的電能傳輸技術(shù),其關(guān)鍵部件是松耦合變壓器,它的耦合系數(shù)較低,制約著系統(tǒng)的傳輸功率。文章主要通過研究無源功率因素校正(PPFC),搭建填谷式無源功率因數(shù)校正電路,提高系統(tǒng)有功功率,使功率因素校正技術(shù)應(yīng)用于松耦合電能傳輸系統(tǒng)。

松耦合;可分離變壓器;電能傳輸系統(tǒng);功率因數(shù)校正

0 引 言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工程化技術(shù)研究是中海石油研究中心牽頭的國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)的重大課題,西安石油大學(xué)井下測控研究所承擔(dān)了“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心器工程化技術(shù)研究”的子課題(子課題編號:2007AA090801-01);其中國家科技重大專項(xiàng)課題“多枝導(dǎo)流適度出砂技術(shù)”的子課題:電機(jī)泵動力旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具及配套技術(shù)研究(子課題編號:2008ZX05024-003-05),是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心器中的重要組成部分。

作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)核心部件的可控偏心器,其原理是利用電機(jī)泵產(chǎn)生推動翼肋伸縮的動力,當(dāng)采用電機(jī)泵動力時,電機(jī)泵的能量來源于井下渦輪發(fā)電機(jī)。由于可控偏心器的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了電機(jī)泵要安裝在不旋轉(zhuǎn)套上,而發(fā)電機(jī)要安裝在旋轉(zhuǎn)的主軸上,這樣就涉及到旋轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)之間的能量傳輸問題。以前一直采用的是接觸式滑環(huán)能量傳輸方式,由于接觸式滑環(huán)存在安裝非常不方便、旋轉(zhuǎn)時易磨損、易受到井下鉆井液、水的腐蝕以及泥漿的影響等缺陷,迫切的需要一種新的非接觸式能量傳輸方式松耦合電能傳輸技術(shù)。而作為松耦合電能傳輸技術(shù)的核心部分松耦合變壓器,對它的研究則顯得尤為重要。

1 松耦合電能傳輸系統(tǒng)的組成

松耦合電能傳輸系統(tǒng)式根據(jù)麥克斯維爾電磁場原理,通過可分離變壓器進(jìn)行能量的傳遞。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 松耦合電能傳輸系統(tǒng)

以可分離變壓器為分界點(diǎn),能量傳輸框圖由兩大部分組成,變壓器原邊由交流電網(wǎng)輸入,整流濾波成直流電,并經(jīng)過功率因數(shù)校正,通過高頻逆變給變壓器原邊繞組提供高頻交流電流。通過原邊繞組與副邊繞組的感應(yīng)電磁耦合將電能經(jīng)過整流濾波和功率調(diào)節(jié)后提供給用電設(shè)備。

從該系統(tǒng)可以看出,整個系統(tǒng)的總的傳輸功率由4部分組成:1)從工頻交流道直流的變換效率;2)從直流到高頻逆變的逆變效率;3)從次級輸出端到負(fù)載的變換效率;4)感應(yīng)耦合環(huán)節(jié)的功率傳輸效率。前3項(xiàng)與通態(tài)壓降和高頻開關(guān)損耗有關(guān),采用軟開關(guān)技術(shù)和功率因數(shù)校正技術(shù)可以解決這些問題。關(guān)于第4項(xiàng),可分離變壓器屬于松耦合結(jié)構(gòu),要增大感應(yīng)耦合能力,必須提高系統(tǒng)的工作頻率,選擇合適的電磁結(jié)構(gòu)和參數(shù),以及補(bǔ)償電路等方法,力求可分離變壓器傳輸功率的最大化[1]。

2 功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)

電能通過發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線送到用戶端,電源、變壓器和輸電線路電阻所產(chǎn)生的損耗I2R和發(fā)熱、升溫有關(guān),受功耗、發(fā)熱和溫升的限制,發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路及各種電器都有額定電流、額定電壓、額定功率的限制。在輸電線路中傳送的功率包括有功功率和無功功率兩部分,其中無功部分在發(fā)電機(jī)、輸電線路和負(fù)載間來回傳送,并不產(chǎn)生有用的功,但是卻占用了電力系統(tǒng)的容量。這部分無功容量取決于負(fù)載的功率因數(shù)λ,功率因數(shù)λ越小,無功電流越大,電力系統(tǒng)發(fā)送的電能利用率越低,造成資源的浪費(fèi)。功率因數(shù)λ=1時,電力系統(tǒng)發(fā)送功率的利用率最高,這時發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)輸送的功率全部被負(fù)載利用。在工程上,功率因數(shù)定義為有用功率與視在功率之比,在正弦電路中功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差φ決定的,λ=cosφ[2]。

功率因數(shù)校正技術(shù)的核心是通過開關(guān)變換器的電流或電壓的控制,使電源側(cè)的輸入電流跟蹤其電壓,使得開關(guān)變換器從電源吸收無畸變的正弦電流,使得輸入端等效為一個純電阻,功率因數(shù)λ=1。

按照PFC電路使用的元器件分類可分為:無源PFC(PPFC)和有源PFC(APFC)兩種類型。其中,PPFC僅使用二極管、電感和電容器件等無源器件,電路結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,但對電流波形失真的抑制效果較差。APFC技術(shù)除了使用無源元件之外,還使用晶體三極管以及控制IC等有源器件,APFC可以實(shí)現(xiàn)較高的功率因數(shù),產(chǎn)生正弦電流波形,但缺點(diǎn)是電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高。

鑒于要保證電源部分應(yīng)該符合可控偏心器的實(shí)際安裝尺寸以及井下電路不宜于復(fù)雜的實(shí)際情況,本樣機(jī)采用了無源功率因數(shù)校正(PPFC)。

早期的功率因數(shù)校正(Power Factor Correction,PFC)技術(shù)采用的都是無源功率因數(shù)校正(Passive Power Factor Correction,PPFC)技術(shù)。最簡單的無源功率因數(shù)校正電路時在整流橋前面加一個濾波電感,增加整流二極管的導(dǎo)通時間,降低輸入電流的幅值,實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。傳統(tǒng)的無源功率因數(shù)校正由電感和電容構(gòu)成濾波電路放置于橋式整流的輸入端,可將線路功率因數(shù)提高到0.7,但是這種校正電路必須使用大而笨重的鐵心電感器,不符合小型化的要求。新型的無源功率因數(shù)校正電路由3個二極管和2個電容組成,放置于橋式整流電路的輸出端,稱之為填谷式無源功率因數(shù)校正。線路功率因數(shù)可提高到0.9以上,且電路結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn),其基本思想是采用兩個串聯(lián)電容作為濾波電容,適當(dāng)?shù)嘏渖蠋字欢O管,使用電容的串聯(lián)充電、并聯(lián)放電,以增大整流二極管的導(dǎo)通角,改善輸入側(cè)的功率因數(shù)。

3 填谷式無源功率因數(shù)校正電路工作原理

填谷式無源功率因數(shù)校正電路如圖2所示,這種PPFC電路被置于橋式整流電路的輸出端,電路由容值相同的直流濾波電容C1,C2和3個二極管D5,D6,D7組成一個二極管直流濾波電容網(wǎng)絡(luò)。

圖2 填谷式無源功率因數(shù)校正電路

其工作原理是:當(dāng)渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)出50 Hz的正弦交流電壓由零向峰值Um變化的1/4周期內(nèi),整流二極管D1和D4導(dǎo)通,電流對電容C1并經(jīng)對D6充C2電。當(dāng)輸入電壓達(dá)到峰值Um時,由于C1=C2,所以Uc1=Uc2=Um/2。當(dāng)輸入電壓從峰值開始下降時,電容C1通過負(fù)載和D5放電,直到交流電壓到達(dá)Um/2之前,二極管D1、D4一直導(dǎo)通。當(dāng)瞬時交流電壓幅度小于Um/2時,C2通過D7和負(fù)載放電。當(dāng)瞬時交流電壓低于直流電壓時,D1和D4因反向偏置而截至,但是D2和D3不會馬上導(dǎo)通,于是交流輸入電流阻斷,出現(xiàn)死區(qū)。當(dāng)交流電壓為負(fù)半周開始時的一段時間內(nèi),因?yàn)榻涣魉矔r電壓依然小于直流電壓,所以D2和D3仍然是截止的。當(dāng)交流電壓高于直流電壓時,D2和D3導(dǎo)通,電流對C1,C2充電,如此交替。由于電容和二極管網(wǎng)絡(luò)的串并聯(lián)特性,因此這種結(jié)構(gòu)增大了二極管的導(dǎo)通角,可由60°～70°增加到120°～135°,從而使輸入電流的波形得到改善,線路的功率因數(shù)提高到0.9以上[3]。

4 填谷式無源功率因數(shù)校正電路的參數(shù)選擇

為了確定填谷式無源功率因數(shù)校正電路中兩個直流濾波電容的參數(shù)以及對輸入電流波形的校正情況,在電路仿真軟件Multisim和PSpice中對該電路進(jìn)行了仿真。仿真電路圖如圖3所示。

圖3 填谷式無源功率因數(shù)校正仿真電路

按照仿真圖,電源參數(shù)設(shè)置成我們的渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)的實(shí)際工作參數(shù),改變圖中C7、C8的容值,通過兩個Wattmeter儀器測試系統(tǒng)的輸入輸出功率如圖4所示。

圖4 輸入輸出功率隨容值的變化曲線

通過仿真,從圖4可以看出,當(dāng)直流濾波電容選為10 μF時,負(fù)載得到的功率是最大的,而此時測得系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.945。所以,選擇兩個直流濾波電容的融值為10μF較為合適[4]。

5 填谷式無源功率因數(shù)校正電路的實(shí)踐

搭建了填谷式功率因數(shù)校正電路,并且將電路串進(jìn)所設(shè)計(jì)的松耦合電能傳輸系統(tǒng)中,即串接在整流部分的輸出端,測試了系統(tǒng)的渦輪發(fā)電機(jī)的輸入電流波形,電流波形主要是通過互感器轉(zhuǎn)換成電壓波形,在示波器中得到,如圖5(a)、(b)所示(橫縱是時間值,縱軸是電壓值),加入填谷式功率因數(shù)校正電路的交流輸入電流波形較未加入功率因數(shù)校正電路的交流輸入電流波形畸變得到了較為明顯的改善[5]。

從上述的論述中可以看出,填谷式功率因數(shù)校正電路是串接在整流電路后,取代了單個直流濾波電容,因?yàn)橹绷鳛V波電容容值較大,所以使得交流電源的輸入電流發(fā)生較大的畸變。電流畸變率的大小與的乘積有關(guān)。的值越大,交流電源輸入的畸變率越大高。當(dāng)采用渦輪發(fā)電機(jī)作為電源時,是固定的,如果負(fù)載也是固定的,那么輸入電流的畸變率只與濾波電容有關(guān)。當(dāng)采用填谷式功率因數(shù)校正電路時,改用了兩個濾波電容和,與三個二極管組成的網(wǎng)絡(luò),使得兩個電容可以串聯(lián)充電、并聯(lián)放電。即相當(dāng)于把充電時的直流濾波電容的容值從放電時的減小到1/2,所以使電源輸入電流波形的畸變率減小,功率因數(shù)增大[6]。

6 結(jié)束語

松耦合電能傳輸系統(tǒng)中,系統(tǒng)所得到的有功功率是非常重要的因素。本文對感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了研究,分析研究了功率因數(shù)校正技術(shù),并使得功率因數(shù)校正技術(shù)應(yīng)用于松耦合電能傳輸系統(tǒng);同時,通過仿真與實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了功率因數(shù)校正技術(shù)可以大大地提高了系統(tǒng)的有功功率,降低了系統(tǒng)的無功損耗。

[1] 劉 建.基于松耦合變壓器的全橋諧振變換器的研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2008

[2] 武 瑛.新型無接觸供電系統(tǒng)的研究[D].【博士】中國科學(xué)院院研究生院,2007

[3] 張永祥,田 野,李 琳.松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),200,18(1)

[4] 毛賽君.非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].【碩士】南京航空航天大學(xué),2006

[5] 楊民生.基于DSP的非接觸式電源系統(tǒng)的研究[D].【碩士】湖南大學(xué),2005

[6] 劉勝利,李龍文.高頻開關(guān)電源新技術(shù)應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2008

PI,2010,24(6):1～3

The loosely coupled power transmission system is a new power transmission system,its key component is the loosely coupled transformer.Its coupling coefficient is relatively low,so the power transmission of the system is restricted.By researching the passive power factor correction(PPFC)and setting up valley-type passive power factor correction circuit,this article focuses on improving the system active power,and making power factor correction technology into the loosely coupled power transmission system.

Key words:loosely coupled;separable transformer;power transmission system;power factor correction

Application of power factor correction technology to the loosely coupled power transmission system.

Zhou Jing and Li Yongzhen.

TM714.3

B

1004-9134(2010)06-0001-03

國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)項(xiàng)目“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心器工程化技術(shù)研究”(編號:2007AA090801-01)和國家科技重大專項(xiàng)課題“多枝導(dǎo)流適度出砂技術(shù)”項(xiàng)目子課題“電機(jī)泵動力旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具及配套技術(shù)研究”(編號:2008ZX05024-003-05)資助

周 靜,女,1964年生,1988年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為西安石油大學(xué)教授,主要從事國家863項(xiàng)目:旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)的研究。郵政編碼:710065

2010-06-01編輯:高紅霞)