楊學(xué)思

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

供電系統(tǒng)作為某實(shí)驗(yàn)的重要配套系統(tǒng)，其整體性能對(duì)實(shí)驗(yàn)的順利開展至關(guān)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(fù)責(zé)電機(jī)的動(dòng)力供給，切換單元承擔(dān)5臺(tái)變頻器的遠(yuǎn)控啟停和備用切換功能、故障保護(hù)功能和無(wú)功功率補(bǔ)償功能。

電機(jī)屬于感性負(fù)載，在不進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)那闆r下，負(fù)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(yùn)行效率，需要按照負(fù)載大小配置一定容量的電容，通過(guò)電容為負(fù)載提供無(wú)功功率，使供電系統(tǒng)的輸出更加高效、穩(wěn)定。當(dāng)實(shí)驗(yàn)電機(jī)的數(shù)量變化時(shí)，電容容量必須隨之改變，否則會(huì)出現(xiàn)欠補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償，其中過(guò)補(bǔ)償會(huì)直接導(dǎo)致電路中電壓升高，造成回路元器件超負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重情況可導(dǎo)致器件擊穿，線路損毀，從而影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

為了提高供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，保障電機(jī)正常的升周速率，確保某實(shí)驗(yàn)的順利開展，系統(tǒng)采用并聯(lián)補(bǔ)償電容的方法，由電容補(bǔ)償負(fù)載所需的無(wú)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(fù)載功率因數(shù)λ(λ越接近于1效率越高)，進(jìn)而提高供電單元的運(yùn)行效率。

原有供電系統(tǒng)僅具備500臺(tái)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)、運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率補(bǔ)償功能，不具備功率因數(shù)調(diào)整要求。根據(jù)某實(shí)驗(yàn)方案的調(diào)整，需要滿足不同數(shù)量電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)、運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率補(bǔ)償，實(shí)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(wú)功功率補(bǔ)償裝置，保障供電系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定，使某實(shí)驗(yàn)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 系統(tǒng)要求

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

1.2 可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置功能

1) 針對(duì)不同數(shù)量電機(jī)投入相應(yīng)容量的補(bǔ)償電容；2) 共分為5種工況：100臺(tái)、200臺(tái)、300臺(tái)、400臺(tái)、500臺(tái)；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(tái)專用變頻器、1臺(tái)切換柜、1臺(tái)可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置、1臺(tái)進(jìn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)備用切換功能，變頻器承擔(dān)某實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)任務(wù)，3臺(tái)變頻器的輸出連接至切換柜，通過(guò)切換柜的控制將供電輸送至負(fù)載端，在負(fù)載端并聯(lián)可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。電機(jī)負(fù)載為500臺(tái)，可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置可對(duì)其進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。

圖1 供電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of frequency power supply control system

2.2 可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)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(jī)交互裝置，內(nèi)部安裝電容投切接觸器(沖擊電流峰值達(dá)工作電流100倍)和補(bǔ)償電容。系統(tǒng)控制方式示于圖2，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行輸入操作，將指令與PLC進(jìn)行通訊，PLC進(jìn)行程序判斷，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)繼電器輸出至電容投切接觸器，將補(bǔ)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(wú)功功率補(bǔ)償裝置主回路由6個(gè)電容接觸器和6組補(bǔ)償電容組成，外部并聯(lián)至電機(jī)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(bǔ)償電容匹配

3.1 補(bǔ)償電容計(jì)算原理

為了提高變頻器運(yùn)行時(shí)效率，并滿足負(fù)載功率因數(shù)λ>0.6要求，切換系統(tǒng)分別在額定頻率運(yùn)行時(shí)，根據(jù)負(fù)載數(shù)量在切換系統(tǒng)輸出端并聯(lián)相應(yīng)補(bǔ)償電容調(diào)整負(fù)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(bǔ)償電容容量：

(4)

3.2 補(bǔ)償電容

根據(jù)電機(jī)啟動(dòng)參數(shù)得知，單臺(tái)有功功率P=15 W；負(fù)載自然功率因數(shù)(補(bǔ)償前)cosφ1=0.38；補(bǔ)償后功率因數(shù)預(yù)計(jì)達(dá)到0.6

(5)

(6)

(7)

(8)

額定補(bǔ)償狀態(tài)下電壓U=380 V，額定補(bǔ)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(jì)算推導(dǎo)及真實(shí)負(fù)載測(cè)試，額定頻率運(yùn)行時(shí)50臺(tái)電機(jī)補(bǔ)償電容容量為1 μF/相(星形連接方式)滿足0.6

3.3 補(bǔ)償電容分配方式

針對(duì)不同數(shù)量范圍的電機(jī)，由PLC進(jìn)行自動(dòng)電容補(bǔ)償，根據(jù)某實(shí)驗(yàn)的要求，需滿足100臺(tái)、200臺(tái)、300臺(tái)、400臺(tái)、500臺(tái)五種工況下的實(shí)驗(yàn)要求，電機(jī)數(shù)量均為50的倍數(shù)，因此以50臺(tái)電機(jī)作為基數(shù)，依次增加。

如表1所示，額定運(yùn)行頻率補(bǔ)償電容時(shí)，根據(jù)所需的電容容量進(jìn)行補(bǔ)償方式分配，單臺(tái)電機(jī)需0.02 μF，共分為11段范圍，若補(bǔ)償過(guò)多電容則會(huì)造成過(guò)補(bǔ)償，直接導(dǎo)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(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，為避免過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象的發(fā)生，以每個(gè)范圍的最小電機(jī)數(shù)量進(jìn)行補(bǔ)償電容計(jì)算，得出理論補(bǔ)償電容容量值，根據(jù)現(xiàn)有各容量電容，進(jìn)行部分電容值微調(diào)得到各范圍的補(bǔ)償電容容量。

表1 補(bǔ)償電容匹配方式Table 1 Compensating capacitance matching mode

根據(jù)計(jì)算得出單臺(tái)電機(jī)額定狀態(tài)補(bǔ)償時(shí)所需電容容量為0.02 μF，單臺(tái)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置滿足500臺(tái)電機(jī)所需要求，為滿足各數(shù)量電機(jī)所需電容值，通過(guò)計(jì)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(jìn)行不同組合，實(shí)現(xiàn)最高10 μF的補(bǔ)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(shí)現(xiàn)可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的各項(xiàng)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(guò)大量的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用情況來(lái)看，1200系列可編程邏輯控制器能夠滿足長(zhǎng)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(shè)計(jì)的要求。

補(bǔ)償裝置控制核心S7-1200與切換柜控制核心S7-1500利用PROFINET進(jìn)行通訊組網(wǎng)(圖5)，形成主站從站關(guān)系，從站PLC接收主站PLC采集的變頻器頻率，補(bǔ)償裝置內(nèi)從站PLC與昆侖通泰觸摸屏通過(guò)PROFINET通信，傳輸信號(hào)和啟動(dòng)電機(jī)數(shù)量，最終由從站PLC驅(qū)動(dòng)吸合相應(yīng)容量的電容接觸器，達(dá)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(bǔ)償投切功能

采用昆侖通泰TPC7062Ti觸摸屏作為上位機(jī)，利用MCGS嵌入式組態(tài)軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，與西門子 S7-1200進(jìn)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(wú)功功率補(bǔ)償裝置PLC接收切換柜PLC發(fā)送的變頻器頻率信號(hào)并進(jìn)行判斷，若為額定1 000 Hz則進(jìn)入補(bǔ)償程序。補(bǔ)償裝置PLC接收觸摸屏人為設(shè)定的啟動(dòng)電機(jī)數(shù)量，PLC進(jìn)行程序判斷，補(bǔ)償程序共有11段范圍可以選擇，根據(jù)啟動(dòng)電機(jī)數(shù)量進(jìn)行逐一比較，符合范圍要求則等待觸摸屏人為確認(rèn)鍵指令，確認(rèn)后PLC發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電容補(bǔ)償接觸器，將補(bǔ)償電容投入回路，補(bǔ)償電容投入回路完成后，PLC反饋電容容量至觸摸屏進(jìn)行顯示。

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

具體程序?qū)崿F(xiàn)以額定補(bǔ)償狀態(tài)運(yùn)行流程為例進(jìn)行介紹，如圖7，確認(rèn)額定補(bǔ)償狀態(tài)下，PLC接收觸摸屏發(fā)送啟動(dòng)電機(jī)數(shù)量X，電機(jī)數(shù)量X依程序順序逐級(jí)進(jìn)行判斷，共計(jì)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(rèn)指令后，則驅(qū)動(dòng)電容接觸器投入電容。

圖7 額定補(bǔ)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(bǔ)償界面，輸入框中輸入所需啟動(dòng)電機(jī)的數(shù)量，按下確認(rèn)鍵，對(duì)應(yīng)補(bǔ)償電容投入回路，此時(shí)確認(rèn)鍵變成灰色，由于補(bǔ)償電容的投切需要在變頻器無(wú)輸出狀態(tài)下進(jìn)行，為防止變頻器啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中人為操作修改電機(jī)數(shù)量，改變補(bǔ)償電容容量，造成事故的發(fā)生，確認(rèn)鍵不再可用，變?yōu)榛疑@示。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束或改變電機(jī)數(shù)量時(shí)，按下停止鍵，此時(shí)電容接觸器斷開，確認(rèn)鍵恢復(fù)為可點(diǎn)擊狀態(tài)。當(dāng)操作人員輸入完所需電機(jī)數(shù)量，觸摸屏將數(shù)值傳輸至PLC，PLC進(jìn)行程序判斷后，將確認(rèn)啟動(dòng)電機(jī)數(shù)量及補(bǔ)償電容容量值反饋至觸摸屏進(jìn)行顯示。

圖8 額定頻率補(bǔ)償界面Fig.8 Rated frequency compensation interface

4.3 頻率保護(hù)功能

由于可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置需要人為在觸摸屏中輸入所需啟動(dòng)電機(jī)數(shù)量，在此過(guò)程中可能出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)人員對(duì)于變頻器頻率不確認(rèn)就投入電容的情況，會(huì)造成嚴(yán)重的過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象發(fā)生，造成器件損毀，影響實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。因此通過(guò)昆侖通泰觸摸屏和PLC進(jìn)行通訊，共同完成頻率保護(hù)功能的設(shè)置?，F(xiàn)以1#工作變頻器電容補(bǔ)償界面為例進(jìn)行介紹，如圖9、圖10所示，當(dāng)PLC判斷頻率為1 000 Hz時(shí)，“額定頻率補(bǔ)償啟動(dòng)”按鈕為可操作狀態(tài)，可進(jìn)入下一步操作；當(dāng)PLC判斷頻率未達(dá)到1 000 Hz時(shí)，“額定頻率補(bǔ)償啟動(dòng)”按鈕為灰色狀態(tài)，不可操作，設(shè)計(jì)為頻率保護(hù)功能，防止操作人員不清楚補(bǔ)償階段而導(dǎo)致過(guò)補(bǔ)償?shù)陌l(fā)生。

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

4.4 記錄功能

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

表3 故障報(bào)警Table 3 Fault alarm

5 實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用情況

5.1 真實(shí)負(fù)載實(shí)驗(yàn)

在某實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置整體功能測(cè)試，分別進(jìn)行不同工況下無(wú)功功率補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，記錄如表4、表5所示。

表4 無(wú)功功率補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)Table 4 Reactive power compensation test

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

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室真實(shí)負(fù)載實(shí)驗(yàn)，可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置整體工作正常，與供電系統(tǒng)通訊正常。通過(guò)合理的補(bǔ)償電容容量配置，實(shí)測(cè)功率因數(shù)符合范圍0.6<λ<0.9，處于理想補(bǔ)償范圍，功率因數(shù)λ維持在0.7左右，設(shè)計(jì)符合要求。除滿足實(shí)驗(yàn)室要求的具體5種工況外，補(bǔ)償裝置設(shè)置11段范圍所滿足工況可能更加豐富。

5.2 應(yīng)用情況

裝置研制完成，整體安裝于某實(shí)驗(yàn)室配電間，完成供電系統(tǒng)整體功能聯(lián)調(diào)，實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)測(cè)試，驗(yàn)證功能均符合設(shè)計(jì)要求，滿足實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)運(yùn)行要求。目前可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置已順利投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，穩(wěn)定運(yùn)行一年。

6 結(jié)論

對(duì)可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置進(jìn)行了研制，達(dá)到了某實(shí)驗(yàn)要求，得出以下結(jié)論。

(1) 通過(guò)真實(shí)負(fù)載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置各項(xiàng)指標(biāo)滿足預(yù)期要求，能夠正確完成補(bǔ)償電容的投切，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)誤操作及異常情況，實(shí)測(cè)功率因數(shù)λ符合設(shè)計(jì)要求。在頻率保護(hù)功能測(cè)試中，頻率與補(bǔ)償狀態(tài)不一致時(shí)，不能進(jìn)行電容投切操作，達(dá)到保護(hù)目的。

(2) 可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在供電系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多工況運(yùn)行時(shí)的補(bǔ)償電容容量的調(diào)整，在滿足了實(shí)驗(yàn)室要求的5種工況基礎(chǔ)上，電容分級(jí)更加精細(xì)，工況數(shù)量提升至11種。補(bǔ)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(shè)備運(yùn)行，提高供電效率達(dá)到節(jié)能效果，為供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行打下良好基礎(chǔ)。

(3) 可調(diào)式無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的研制以及投入使用，為以后開展動(dòng)態(tài)可調(diào)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。