曹逸榮 劉乾梟 劉 彬

1上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 上海 200314 2南通特爾浦檢測服務(wù)有限公司 南通 226001 3上海振華重工集團(tuán)有限公司 上海 200125

0 引言

岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）通常包含主驅(qū)動回路及輔助回路。主驅(qū)動回路包括整流、逆變、變頻等環(huán)節(jié)用于驅(qū)動主驅(qū)動電動機。輔助回路包括控制回路、輔助電動機、投光燈、步道燈等設(shè)備，用以控制主驅(qū)動回路及相關(guān)輔助設(shè)備，可見岸橋的感性負(fù)載占比較高，使得大量的電能作用于感性負(fù)載產(chǎn)生無功功率，導(dǎo)致整機運行的功率因數(shù)較低。較低的功率因數(shù)使得線路中的電壓存在壓降、供電質(zhì)量降低、違背節(jié)能減排的問題。另一方面，部分岸橋標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格書內(nèi)明確注明其設(shè)備的功率因數(shù)應(yīng)大于0.9或0.95，有必要采用無功功率補償技術(shù)提高岸邊集裝箱起重機的功率因數(shù)。

目前，針對岸橋的工況有2種用以提高起重機功率因數(shù)的無功功率補償方案。

1）利用驅(qū)動回路中的IGBT動態(tài)的調(diào)節(jié)感性負(fù)載，提高功率因數(shù)。文獻(xiàn)[1]闡述了基于TMGE系統(tǒng)的動態(tài)無功功率補償技術(shù)方案，利用高壓側(cè)電源檢視表(PQM)檢測無功電流，并以模擬量的形式傳輸至IGBT整流器。IGBT調(diào)節(jié)無功電流，實現(xiàn)感性負(fù)載與容性負(fù)載的相互抵消，達(dá)到降低無功功率的目的，使得系統(tǒng)功率因數(shù)提高。需要注意的是，該方案中的IGBT較為特殊，其特點在于：無論IGBT是否處于工作狀態(tài)，都能自動調(diào)節(jié)無功電流，達(dá)到無功功率的調(diào)節(jié)。這種動態(tài)無功功率補償效果較好，但對驅(qū)動系統(tǒng)的硬件配置有一定要求，成本上不可控。同時，有一定的技術(shù)壁壘存在，無法大范圍的推廣使用。

2）在輔助回路中并聯(lián)電容，實現(xiàn)功率因數(shù)的提高。采用該方案的主要原因在于，主驅(qū)動回路僅可實現(xiàn)岸橋工作時的整機系統(tǒng)的功率因數(shù)提高。當(dāng)起重機處于待機狀態(tài)時，主驅(qū)動無法實現(xiàn)無功功率補償，但是輔助回路仍舊存在大量感性負(fù)載，產(chǎn)生無功功率，導(dǎo)致整機的功率因數(shù)較低。為解決上述功率因數(shù)較低的問題，通常較為普遍的技術(shù)方案為：在輔助回路處并聯(lián)電容，解決設(shè)備待機時功率因數(shù)較低的問題。

2 功率因數(shù)補償柜的相關(guān)參數(shù)匹配

2.1 補償電容計算的理論基礎(chǔ)

圖1為基于岸橋系統(tǒng)架構(gòu)所搭設(shè)的最簡電路模型。在該模型中U為輔助變壓器二次側(cè)輸出，R2與L2分別為變壓器二次側(cè)輸出側(cè)的阻抗與感抗。當(dāng)模型回路中未并入電容之前，輸入電流與負(fù)載電流RL相等。RL與電源U之間的相位差為φ1。并入電容C2后，負(fù)載電流IRL減少的同時C增加，RL和C之間的和為輸入電流，輸入電流I與電源之間的相位差為φ。

圖1 基于岸橋系統(tǒng)架構(gòu)所搭設(shè)的最簡電路模型

由圖2可知，φ＜φ1，則有 cosφ＞cosφ1，故并聯(lián)電路后有功功率由P1提高至P。

圖2 相位差圖解

由圖1可知，當(dāng)并聯(lián)電容后，RL的有功分量與輸入電流的有功分量相等，可得

RL的無功分量減去C的無功分量等于的無功分量，可得

整理得

聯(lián)立式（1）與式（3）可得式（4）

又因電容電流電壓之間的關(guān)系為

聯(lián)立式（4）、式（5）可得補償電容容量

式中：φ1為初始情況下的相位差，φ為并聯(lián)電容后的相位差，ω為頻率，P為功率，U為電壓。

又因電容的計算公式為

聯(lián)立式（6）、式（7）可得無功功率補償為

2.2 補償電容容量及補償無功功率計算

由于補償電容的作用是補償輔助變壓器二次側(cè)的感性負(fù)載的無功功率，應(yīng)先計算岸邊集裝箱起重機輔變二次側(cè)滿載情況下的有功功率。按照目前的工況，依據(jù)表1可得輔變二次側(cè)最大有功功率為224 kW。

表1 設(shè)備功率參數(shù)

負(fù)載端自然功率因數(shù)cosφ1=0.75，補償后的功率因數(shù)為 0.9＜cosφ＜0.95。

當(dāng) cosφ1=0.75 時

當(dāng) cosφ=0.9 時

當(dāng) cosφ=0.95 時

當(dāng)輔助變壓器二次側(cè)電壓U為AC380V時，工頻為50 Hz的條件下，角頻率為

ω= 2πf= 2×50π

為確保功率因素提升至0.9，則補償電容容量為

為確保功率因素提升至0.95，則補償電容容量為

通過上述計算及推導(dǎo)可得，為確保功率因數(shù)從0.75提升至最少0.9，功率補償設(shè)備的補償電容的容量的理論值區(qū)間范圍為0.196 F＜C＜0.273 F。

通常為更快的幫助設(shè)計人員確定無功功率補償設(shè)備的型號，則需要確定需補償無功功率這一重要參數(shù)。該參數(shù)可通過以下過程完成計算：

當(dāng)功率因數(shù)提升至0.9時，需補償?shù)臒o功功率為

當(dāng)功率因數(shù)提升至0.95時，需補償?shù)臒o功功率為

通過上述計算及推導(dǎo)可得，為確保功率因數(shù)從0.75提升至最少0.9，功率補償設(shè)備無功功率補償容量的理論值區(qū)間范圍是為 89.12 kVAR ＜Qc ＜123.9 kVAR。

基于取大不取小的原則，岸橋輔助變壓器二次側(cè)輸出端添加的無功功率補償設(shè)備的補償電容容量應(yīng)當(dāng)大于0.273 F，無功功率補償容量應(yīng)當(dāng)大于123.9 kVAR，即可滿足設(shè)計要求。通常無功功率補償容量選取150 kVAR。

2.3 功率補償設(shè)備的分段設(shè)計工況

前文所述中輔助變壓器二次側(cè)最大有功功率為224 kW，但當(dāng)設(shè)備實際進(jìn)行抓箱作業(yè)時，不同工況的情況下，其有功功率是不同的。例如當(dāng)集裝箱起重機在日間作業(yè)時，所有的投光燈步道燈都需要關(guān)閉，而晚間所有的燈具又需要亮起。再如后大梁掛艙液壓缸、高速制動器等設(shè)備是間歇性工作，故整機有功功率一直處于動態(tài)變化。無功功率補償柜的無功功率補償也必須動態(tài)地隨著設(shè)備的工況進(jìn)行變動，避免電容的過補償導(dǎo)致元器件燒毀等問題。動態(tài)的無功功率補償又分為線性動態(tài)補償和非線性的動態(tài)補償兩種。針對岸橋的工況可采用非線性的動態(tài)補償即可。將無功功率補償分為幾個區(qū)間，當(dāng)設(shè)備在不同的有功功率情況下，動態(tài)的調(diào)整無功功率補償。

表2為基于上文中的計算和推導(dǎo)設(shè)定，結(jié)合圖3岸橋常見的功率因數(shù)補償柜方案所作的對應(yīng)表。表中無功功率補償依照無功功率補償?shù)淖畲笾?50 kVAR均分了6個區(qū)域，隨著無功功率補償值的變化設(shè)定有功功率的閾值。例如，當(dāng)整機有功功率小于46 kW時，無功功率僅需要補償25 kVAR，而當(dāng)整機有功率大于45.18 kW但小于90 kW時，無功功率補償需切換至50 kVAR。后續(xù)依次類推。

表2 有功功率和無功功率補償對應(yīng)表

圖3 岸橋常見的功率因數(shù)補償柜方案

為使得無功功率補償按照表3的區(qū)域劃分實現(xiàn)動態(tài)補償，還必須在岸橋輔變二次側(cè)增加電流取樣點，該取樣點的作用是將所檢測到的電流反饋至無功功率補償系統(tǒng)中的控制器?？刂破鹘邮盏诫娏鞑蓸有盘柡?，基于算法輸出信號控制接觸器的開閉，進(jìn)而控制了投切電容容量的目的。當(dāng)然，也可以將電流采樣信號反饋至PLC，由PLC控制電容的投入量。具體方式按項目工況實施。

3 結(jié)語

綜上所述，無功功率補償?shù)碾娙萑萘垦a償及無功功率補償容量都可通過相關(guān)公式計算獲得。計算過程及所獲得的數(shù)值可供相關(guān)設(shè)計工程師參考。但就無功功率補償?shù)漠a(chǎn)品本身而言，其技術(shù)難點在于信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等環(huán)節(jié)，最終實現(xiàn)高精度的動態(tài)補償。