楊學思

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

供電系統(tǒng)作為某實驗的重要配套系統(tǒng)，其整體性能對實驗的順利開展至關重要。供電系統(tǒng)由供電單元和切換單元組成，供電單元中的專用變頻器負責電機的動力供給，切換單元承擔5臺變頻器的遠控啟停和備用切換功能、故障保護功能和無功功率補償功能。

電機屬于感性負載，在不進行無功功率補償?shù)那闆r下，負載功率因數(shù)(λ)很小，供電系統(tǒng)輸出的效率低，為了增加功率因數(shù)，提高系統(tǒng)的運行效率，需要按照負載大小配置一定容量的電容，通過電容為負載提供無功功率，使供電系統(tǒng)的輸出更加高效、穩(wěn)定。當實驗電機的數(shù)量變化時，電容容量必須隨之改變，否則會出現(xiàn)欠補償和過補償，其中過補償會直接導致電路中電壓升高，造成回路元器件超負荷運行，嚴重情況可導致器件擊穿，線路損毀，從而影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

為了提高供電系統(tǒng)的運行效率，保障電機正常的升周速率，確保某實驗的順利開展，系統(tǒng)采用并聯(lián)補償電容的方法，由電容補償負載所需的無功功率，降低線路上的損耗，改善供電質(zhì)量，利用該方法可以有效地提高負載功率因數(shù)λ(λ越接近于1效率越高)，進而提高供電單元的運行效率。

原有供電系統(tǒng)僅具備500臺電機同時啟動、運行時的無功功率補償功能，不具備功率因數(shù)調(diào)整要求。根據(jù)某實驗方案的調(diào)整，需要滿足不同數(shù)量電機同時啟動、運行時的無功功率補償，實現(xiàn)不同工況條件下功率因數(shù)介于0.6～0.9。研制可調(diào)式無功功率補償裝置，保障供電系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定，使某實驗運行更加穩(wěn)定可靠。

1 設計要求

1.1 系統(tǒng)要求

可調(diào)式無功功率補償裝置與切換柜組成切換系統(tǒng)，補償裝置與負載端并聯(lián)，完成各工況要求下的無功功率補償要求，保障電機的升周、額定可靠運行。1) 提供一路市電： (380±10%) V，頻率：(50±1.5) Hz；2) 補償方式：并聯(lián)補償電容。

1.2 可調(diào)式無功功率補償裝置功能

1) 針對不同數(shù)量電機投入相應容量的補償電容；2) 共分為5種工況：100臺、200臺、300臺、400臺、500臺；3) 將功率因數(shù)提高至0.6～0.9；4) 與切換柜建立通訊，上傳數(shù)據(jù)。

2 研制方案

2.1 系統(tǒng)概述

供電系統(tǒng)由3臺專用變頻器、1臺切換柜、1臺可調(diào)式無功功率補償裝置、1臺進線柜組成，如圖1所示。供電系統(tǒng)具備1#工作、2#備用、3#檢修變頻器，能實現(xiàn)自動備用切換功能，變頻器承擔某實驗驅動任務，3臺變頻器的輸出連接至切換柜，通過切換柜的控制將供電輸送至負載端，在負載端并聯(lián)可調(diào)式無功功率補償裝置。電機負載為500臺，可調(diào)式無功功率補償裝置可對其進行無功功率補償。

圖1 供電控制系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of frequency power supply control system

2.2 可調(diào)式無功功率補償裝置設計

可調(diào)式無功功率補償裝置以西門子S7-1200 PLC作為控制核心，昆侖通泰Tpc7062Ti作為人機交互裝置，內(nèi)部安裝電容投切接觸器(沖擊電流峰值達工作電流100倍)和補償電容。系統(tǒng)控制方式示于圖2，通過觸摸屏進行輸入操作，將指令與PLC進行通訊，PLC進行程序判斷，發(fā)出驅動信號，經(jīng)過繼電器輸出至電容投切接觸器，將補償電容投入回路，提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)。

圖2 系統(tǒng)控制方式圖Fig.2 System control pattern diagram

可調(diào)式無功功率補償裝置主回路由6個電容接觸器和6組補償電容組成，外部并聯(lián)至電機端。主回路原理示于圖3。

圖3 主回路原理圖Fig.3 Schematic diagram of the main loop

3 補償電容匹配

3.1 補償電容計算原理

為了提高變頻器運行時效率，并滿足負載功率因數(shù)λ>0.6要求，切換系統(tǒng)分別在額定頻率運行時，根據(jù)負載數(shù)量在切換系統(tǒng)輸出端并聯(lián)相應補償電容調(diào)整負載功率因數(shù)。

圖4 電路向量圖Fig.4 Circuit vector diagram

根據(jù)電路相量圖4所示可知：

(1)

(2)

且

(3)

因此補償電容容量：

(4)

3.2 補償電容

根據(jù)電機啟動參數(shù)得知，單臺有功功率P=15 W；負載自然功率因數(shù)(補償前)cosφ1=0.38；補償后功率因數(shù)預計達到0.6

(5)

(6)

(7)

(8)

額定補償狀態(tài)下電壓U=380 V，額定補償狀態(tài)下ω=2πf=2π×1 000，因此，

(2.43-1.33)=0.014 μF

(9)

(2.43-0.48)=0.025 μF

(10)

按照以上述計算推導及真實負載測試，額定頻率運行時50臺電機補償電容容量為1 μF/相(星形連接方式)滿足0.6

3.3 補償電容分配方式

針對不同數(shù)量范圍的電機，由PLC進行自動電容補償，根據(jù)某實驗的要求，需滿足100臺、200臺、300臺、400臺、500臺五種工況下的實驗要求，電機數(shù)量均為50的倍數(shù)，因此以50臺電機作為基數(shù)，依次增加。

如表1所示，額定運行頻率補償電容時，根據(jù)所需的電容容量進行補償方式分配，單臺電機需0.02 μF，共分為11段范圍，若補償過多電容則會造成過補償，直接導致電路電壓升高，超出元器件額定耐壓范圍，造成器件擊穿線路損毀，間接導致實驗失敗，為避免過補償現(xiàn)象的發(fā)生，以每個范圍的最小電機數(shù)量進行補償電容計算，得出理論補償電容容量值，根據(jù)現(xiàn)有各容量電容，進行部分電容值微調(diào)得到各范圍的補償電容容量。

表1 補償電容匹配方式Table 1 Compensating capacitance matching mode

根據(jù)計算得出單臺電機額定狀態(tài)補償時所需電容容量為0.02 μF，單臺無功功率補償裝置滿足500臺電機所需要求，為滿足各數(shù)量電機所需電容值，通過計算和排列組合，選用如表2所示容量的電容，利用6組電容進行不同組合，實現(xiàn)最高10 μF的補償。

表2 電容容量組成Table 2 Capacitance composition

4 裝置控制功能

4.1 可編程邏輯控制器

為實現(xiàn)可調(diào)式無功功率補償裝置的各項控制功能，采用西門子1200系列可編程邏輯控制器(PLC)作為裝置整體控制核心。通過大量的實際工業(yè)應用情況來看，1200系列可編程邏輯控制器能夠滿足長期可靠工作要求，程序處理速度快，以及集成的PROFINET接口可用于編程、通訊，便于裝置與切換柜間信息交互，數(shù)據(jù)上傳等，符合本次設計的要求。

補償裝置控制核心S7-1200與切換柜控制核心S7-1500利用PROFINET進行通訊組網(wǎng)(圖5)，形成主站從站關系，從站PLC接收主站PLC采集的變頻器頻率，補償裝置內(nèi)從站PLC與昆侖通泰觸摸屏通過PROFINET通信，傳輸信號和啟動電機數(shù)量，最終由從站PLC驅動吸合相應容量的電容接觸器，達到提高功率因數(shù)目的。

圖5 通訊方式示意圖Fig.5 Communication diagram

4.2 電容補償投切功能

采用昆侖通泰TPC7062Ti觸摸屏作為上位機，利用MCGS嵌入式組態(tài)軟件進行界面設計，與西門子 S7-1200進行數(shù)據(jù)通訊，完成電容投切操作。

控制程序總體流程示于圖6，可調(diào)式無功功率補償裝置PLC接收切換柜PLC發(fā)送的變頻器頻率信號并進行判斷，若為額定1 000 Hz則進入補償程序。補償裝置PLC接收觸摸屏人為設定的啟動電機數(shù)量，PLC進行程序判斷，補償程序共有11段范圍可以選擇，根據(jù)啟動電機數(shù)量進行逐一比較，符合范圍要求則等待觸摸屏人為確認鍵指令，確認后PLC發(fā)送驅動信號，通過繼電器驅動相應電容補償接觸器，將補償電容投入回路，補償電容投入回路完成后，PLC反饋電容容量至觸摸屏進行顯示。

圖6 程序總流程圖Fig.6 General program flow chart

具體程序實現(xiàn)以額定補償狀態(tài)運行流程為例進行介紹，如圖7，確認額定補償狀態(tài)下，PLC接收觸摸屏發(fā)送啟動電機數(shù)量X，電機數(shù)量X依程序順序逐級進行判斷，共計11段：0≤X<50、50≤X<100、100≤X<150、150≤X<200、200≤X<250、250≤X<300、300≤X<350、350≤X<400、400≤X<450、450≤X<500、X=500。若符合其中一段的范圍，接收數(shù)量確認指令后，則驅動電容接觸器投入電容。

圖7 額定補償狀態(tài)流程圖Fig.7 Flow chart of rated compensation status

圖8為額定頻率電容補償界面，輸入框中輸入所需啟動電機的數(shù)量，按下確認鍵，對應補償電容投入回路，此時確認鍵變成灰色，由于補償電容的投切需要在變頻器無輸出狀態(tài)下進行，為防止變頻器啟動運行過程中人為操作修改電機數(shù)量，改變補償電容容量，造成事故的發(fā)生，確認鍵不再可用，變?yōu)榛疑@示。當實驗結束或改變電機數(shù)量時，按下停止鍵，此時電容接觸器斷開，確認鍵恢復為可點擊狀態(tài)。當操作人員輸入完所需電機數(shù)量，觸摸屏將數(shù)值傳輸至PLC，PLC進行程序判斷后，將確認啟動電機數(shù)量及補償電容容量值反饋至觸摸屏進行顯示。

圖8 額定頻率補償界面Fig.8 Rated frequency compensation interface

4.3 頻率保護功能

由于可調(diào)式無功功率補償裝置需要人為在觸摸屏中輸入所需啟動電機數(shù)量，在此過程中可能出現(xiàn)實驗人員對于變頻器頻率不確認就投入電容的情況，會造成嚴重的過補償現(xiàn)象發(fā)生，造成器件損毀，影響實驗運行。因此通過昆侖通泰觸摸屏和PLC進行通訊，共同完成頻率保護功能的設置。現(xiàn)以1#工作變頻器電容補償界面為例進行介紹，如圖9、圖10所示，當PLC判斷頻率為1 000 Hz時，“額定頻率補償啟動”按鈕為可操作狀態(tài)，可進入下一步操作；當PLC判斷頻率未達到1 000 Hz時，“額定頻率補償啟動”按鈕為灰色狀態(tài)，不可操作，設計為頻率保護功能，防止操作人員不清楚補償階段而導致過補償?shù)陌l(fā)生。

圖10 1#工作變頻器禁止電容補償界面Fig.10 1# working inverter forbid capacitance compensation interface

4.4 記錄功能

如表3所示，報警記錄包含接觸器故障和操作故障，可記錄時間并存檔，出現(xiàn)故障情況進行查詢，便于后期維護維修。

表3 故障報警Table 3 Fault alarm

5 實驗及應用情況

5.1 真實負載實驗

在某實驗室進行可調(diào)式無功功率補償裝置整體功能測試，分別進行不同工況下無功功率補償實驗，記錄如表4、表5所示。

表4 無功功率補償實驗Table 4 Reactive power compensation test

表5 可調(diào)式無功功率補償裝置功能檢驗Table 5 Function checklist of adjustable reactive power compensation device

經(jīng)過實驗室真實負載實驗，可調(diào)式無功功率補償裝置整體工作正常，與供電系統(tǒng)通訊正常。通過合理的補償電容容量配置，實測功率因數(shù)符合范圍0.6<λ<0.9，處于理想補償范圍，功率因數(shù)λ維持在0.7左右，設計符合要求。除滿足實驗室要求的具體5種工況外，補償裝置設置11段范圍所滿足工況可能更加豐富。

5.2 應用情況

裝置研制完成，整體安裝于某實驗室配電間，完成供電系統(tǒng)整體功能聯(lián)調(diào)，實驗啟動測試，驗證功能均符合設計要求，滿足實驗啟動運行要求。目前可調(diào)式無功功率補償裝置已順利投入實驗運行，穩(wěn)定運行一年。

6 結論

對可調(diào)式無功功率補償裝置進行了研制，達到了某實驗要求，得出以下結論。

(1) 通過真實負載實驗驗證，可調(diào)式無功功率補償裝置各項指標滿足預期要求，能夠正確完成補償電容的投切，實驗過程中未出現(xiàn)誤操作及異常情況，實測功率因數(shù)λ符合設計要求。在頻率保護功能測試中，頻率與補償狀態(tài)不一致時，不能進行電容投切操作，達到保護目的。

(2) 可調(diào)式無功功率補償裝置在供電系統(tǒng)中的應用，實現(xiàn)了多工況運行時的補償電容容量的調(diào)整，在滿足了實驗室要求的5種工況基礎上，電容分級更加精細，工況數(shù)量提升至11種。補償裝置提高了供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低供電的線路損耗，改善供電電壓質(zhì)量，穩(wěn)定設備運行，提高供電效率達到節(jié)能效果，為供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行打下良好基礎。

(3) 可調(diào)式無功功率補償裝置的研制以及投入使用，為以后開展動態(tài)可調(diào)無功功率補償裝置的研制奠定技術基礎。