毛書凡

（天津理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，天津 300384）

利用電容器對(duì)交流電進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償，是目前普遍采用的節(jié)電和提高電能利用率有效的現(xiàn)場(chǎng)（隨機(jī)）補(bǔ)償技術(shù)手段，也是目前最行之有效的補(bǔ)償方法[1-2]。而現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)補(bǔ)償往往要求設(shè)備體積小、效率高，并且可自動(dòng)控制補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)[3]?，F(xiàn)有報(bào)道功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償設(shè)備所采用的方案，總體上可分為兩類：靜止無功補(bǔ)償裝置（static var compensator，SVC）和靜止無功發(fā)生器（static var generator，SVG）。其中，SVC由于采用控制晶閘管的導(dǎo)通角控制飽和電抗的電流方法，調(diào)整補(bǔ)償無功功率，因此存在飽和電抗器體積大、晶閘管開關(guān)損耗大，滿足不了現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)補(bǔ)償要求[4-5]；雖然SVG與SVC相比，無需飽和電抗，效率有所提高，但是制成的補(bǔ)償設(shè)備電抗體積大、自關(guān)斷器件開關(guān)損耗大，也不易制成現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)補(bǔ)償設(shè)備[6-7]。

本文提出基于自適應(yīng)電容調(diào)節(jié)技術(shù)，利用含有自關(guān)斷器件的功率因數(shù)補(bǔ)償控制電路，通過邏輯驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、零點(diǎn)檢測(cè)電路和功率因數(shù)檢測(cè)電路，分別控制電容充放電回路中的兩只自關(guān)斷器件在交流電壓波形零點(diǎn)時(shí)的關(guān)斷和導(dǎo)通，以控制電容器充放電電壓的高低，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電容器補(bǔ)償電流的大??；而對(duì)用于補(bǔ)償設(shè)備功率因數(shù)的電容器容量，也可以進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，提高用電效率。可以認(rèn)為該電路是利用可調(diào)節(jié)的等效電容器暨自適應(yīng)電容調(diào)節(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)可變負(fù)載功率因數(shù)的自適應(yīng)補(bǔ)償電路。該電路不但可以克服現(xiàn)有SVC和SVG損耗大的缺點(diǎn)，而且因?yàn)橹皇遣捎昧擞凶銐蛟Ａ康膯沃谎a(bǔ)償電容器，線性調(diào)節(jié)出低于標(biāo)定值的所需電容量，免去不同容量的電容器組，既實(shí)現(xiàn)了無觸點(diǎn)、無投切、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，又易于對(duì)功率因數(shù)補(bǔ)償進(jìn)行自動(dòng)控制，進(jìn)而滿足可變負(fù)載設(shè)備高效節(jié)電、現(xiàn)場(chǎng)自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)钠惹行枨蟆?/p>

1 技術(shù)原理

該補(bǔ)償電路的基本原理如圖1所示，50 Hz市電由輸入端A和B接入用電負(fù)載FZ的電源，由于用電設(shè)備FZ是感性負(fù)載，圖1中電抗器L1的阻抗與電容器C的容抗相比為1%，可忽略不計(jì)。D1和D2為二極管，自關(guān)斷器件T1和T2等效為開關(guān)。圖2是圖1的等效電路圖，圖2將FZ等效為電阻RL和電感串聯(lián)后與補(bǔ)償電容器C相并聯(lián)。

圖1 補(bǔ)償電路的基本原理Fig.1 Basic principle of compensation circuit

圖2 補(bǔ)償電路的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of compensation circuit

1.1 電容器與交流電路

電容器存儲(chǔ)的能量如下[8]：

從式（1）可以看出，電容器存儲(chǔ)的能量與加在兩端的電壓的平方成正比，改變電容器的端電壓即可改變電容器存儲(chǔ)的能量。

由于在交流電路中，電容器工作時(shí)充電電流等于放電電流，則平均功率等于零，具體如下式：

式中：p為有功功率瞬時(shí)值。

1.2 非正弦波無功功率與有功功率

定義含有非正弦波的交流電路中，有功功率P、視在功率S和無功功率Q的關(guān)系為

由于電容器在充放電過程中的電壓波形，只有在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，充電電壓波形為局部邊界和放電的邊界正弦波，而中部是非正弦波，由此可知電容器補(bǔ)償?shù)臒o功功率為

式中：U，I分別為視在功率的電壓、電流。

從式（4）可以看出，當(dāng)φ為90°時(shí)，sin90°值為1，則Q達(dá)到最大值，Q=UI，這與該電路開關(guān)控制充電電壓在π/2時(shí)補(bǔ)償最大的情況相吻合。在實(shí)際電路中，一方面考慮線損，另一方面還要考慮補(bǔ)償余量，所以Q取1.2UI即可。視在功率S是不遵守能量守恒定律的，且S只是占有；P在實(shí)際上遵循了能量守恒定律的應(yīng)用。

1.3 時(shí)域控制充放電電壓控制無功補(bǔ)償

圖2中，電流關(guān)系如下：

由式（5）可以看出，在交流電周期式的工作中，實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷器件T1和T2對(duì)電容器C的充放電電壓高低控制，即可控制交流電負(fù)載功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)碾娏鞔笮?，即圖2中ic。

電容器充放電的功率如下式：

式中：T為交流電源正弦波的周期。

在交流電周期式的工作中，如實(shí)現(xiàn)了自關(guān)斷器件對(duì)電容器的充放電，既控制電壓U，又控制了電容器充放電電流大小。改變了式（6）中ω=2πfφ的φ角度，改變了充放電電壓U，所以改變了瞬時(shí)有功功率，進(jìn)而達(dá)到對(duì)交流電負(fù)載的功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康?，此時(shí)有功功率P如下：

2 技術(shù)及方法實(shí)現(xiàn)

通過驅(qū)動(dòng)電路控制的自關(guān)斷器件，組成如圖3所示的開關(guān)電路對(duì)電容器C的充電和放電過程進(jìn)行控制。

圖3 控制充放電的開關(guān)電路Fig.3 Switch circuit of controlling charge and discharge

圖4為電容器兩端充放電電壓波形，圖中黑色面積的部分為充電電壓波形。交流電AC經(jīng)限流電感L加至補(bǔ)償用電容器C，T1，T2和兩只二極管D1，D2。在交流電壓的正半周期內(nèi)，由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)T1的q端以零點(diǎn)為起點(diǎn)，在（0，π/2）區(qū)間內(nèi)經(jīng)二極管D2對(duì)電容器進(jìn)行時(shí)間可調(diào)式充電控制；在（π/2，π）區(qū)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)T2的r端經(jīng)二極管D1對(duì)電容器進(jìn)行放電控制；在交流電壓的負(fù)半周期內(nèi)，以π點(diǎn)為起點(diǎn)在（π，3π/2）驅(qū)動(dòng)T2的r端經(jīng)二極管D1對(duì)電容器進(jìn)行時(shí)間可調(diào)式充電控制；在（3π/2，2π）區(qū)間內(nèi)T1經(jīng)二極管D2對(duì)電容器進(jìn)行放電控制，從而在交流電周期性工作中實(shí)現(xiàn)了電容器充電。

圖4 電容器兩端充放電電壓波形Fig.4 Voltage waveform of charge and discharge at both ends of capacitor

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 實(shí)例

圖5是使用上述原理設(shè)計(jì)的一種自關(guān)斷器件電容器功率因數(shù)補(bǔ)償控制裝置的電路原理框圖。

圖5 電路原理框圖Fig.5 Circuit principle block diagram

在自適應(yīng)電容模塊中，電流經(jīng)濾波電路內(nèi)的電容器C1、電感L和電容器C2濾波后，由電容器C經(jīng)開關(guān)電路構(gòu)成主電路[9]，見圖3。工作時(shí)，功率因數(shù)檢測(cè)模塊內(nèi)的電流互感器將檢測(cè)出的電流波形傳給相位比較器與變壓器檢測(cè)到的電壓波形進(jìn)行相位比較后，以電壓形式傳給脈寬調(diào)制模塊，其波形如圖6中所示。

圖6 交流整流電壓波形、零點(diǎn)采樣波形和輸出脈寬控制波形Fig.6 AC rectifier voltage waveform，zero sampling waveform and output pulse width control waveform

同時(shí)，零點(diǎn)檢測(cè)模塊依據(jù)功率因數(shù)檢測(cè)模塊檢測(cè)到的電壓波形向脈寬調(diào)制模塊傳送零點(diǎn)同步脈沖電壓；脈寬調(diào)制模塊再根據(jù)接收到的零點(diǎn)同步脈沖電壓，調(diào)制輸出相應(yīng)脈寬控制電壓波形，該波形為交流負(fù)半波的邏輯驅(qū)動(dòng)輸出波形。輸出脈寬寬度以適應(yīng)在交流電正、負(fù)半周分別以零點(diǎn)和π點(diǎn)為起點(diǎn)在0～π/2和π～3π/2內(nèi)周期性變化。

交流電壓周期性變化。在交流電的正半周由開關(guān)電路自關(guān)斷器件T1的控制端，控制T1導(dǎo)通，經(jīng)二極管D2對(duì)電容器C進(jìn)行充電控制；在交流電的負(fù)半周由開關(guān)電路自關(guān)斷器件T2的控制端，控制T2導(dǎo)通，經(jīng)二極管D1對(duì)電容器C進(jìn)行充電控制。零點(diǎn)檢測(cè)模塊將功率因數(shù)檢測(cè)模塊內(nèi)的正半周方波驅(qū)動(dòng)自關(guān)斷器件T2的控制端，控制T2導(dǎo)通，經(jīng)二極管D1對(duì)電容器C進(jìn)行放電控制；負(fù)半周期方波輸出自關(guān)斷器件T1的控制端，控制T1導(dǎo)通，經(jīng)二極管D2對(duì)電容器C進(jìn)行放電控制。

該電路在交流電周期性的工作中實(shí)現(xiàn)了在自關(guān)斷器件以端電壓零點(diǎn)開始對(duì)電容器充電和至零點(diǎn)電流放電。

3.2 主要器件參數(shù)的選擇

由于采用交流電壓在零點(diǎn)電位時(shí)開通，其限流電抗器在電路中可大幅減小限流電感值。由于選擇了自關(guān)斷器件的開通管壓降與二極管壓降電壓之和，作為并聯(lián)在220 V交流電壓的補(bǔ)償電容短路壓降的電抗率計(jì)算值，其結(jié)果為：n=2/220≈0.009，可等效為0.01計(jì)算，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)0.04～0.16，達(dá)到了減小限流電感體積要求。

由于自關(guān)斷器件T1和T2在整個(gè)充放電過程中設(shè)計(jì)為零點(diǎn)開通和關(guān)斷，自關(guān)斷器件只有在1/4時(shí)間處于開關(guān)損耗狀態(tài)，所以散熱量較大的問題也得以解決。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)4臺(tái)220 V，2 A樣機(jī)和1臺(tái)三相380 V，10 A樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用該方法制作成的自關(guān)斷器件功率因數(shù)補(bǔ)償控制裝置不但損耗少、體積小，可自動(dòng)控制功率因數(shù)在0.97～0.98，并且還具有噪音小的特點(diǎn)，完全能夠勝任現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)補(bǔ)償?shù)囊?，且電壓波形無明顯畸變，無電壓升高現(xiàn)象。

尤其是采用三個(gè)單相交流功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制電路所組合成的三相交流功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制裝置，可分別對(duì)三相電壓中的任一項(xiàng)負(fù)載單獨(dú)進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償，達(dá)到了三相電壓電能質(zhì)量的相對(duì)平衡。經(jīng)過上述樣機(jī)的運(yùn)行，證明了利用自適應(yīng)電容技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)就地自動(dòng)補(bǔ)償方法的可行性。

對(duì)自關(guān)斷器件導(dǎo)通在自適應(yīng)電容充放電回路的線性調(diào)節(jié)曲線的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果曲線圖Fig.7 Graph of experimental test results

曲線對(duì)功率因數(shù)檢測(cè)反饋電壓與自關(guān)斷器件柵極導(dǎo)通時(shí)間所對(duì)應(yīng)的占空比及線性調(diào)節(jié)關(guān)系如表1所示。

表1 線性調(diào)節(jié)關(guān)系Tab.1 Linear regulatory relationship

自關(guān)斷器件導(dǎo)通的控制電壓，同樣在閉環(huán)系統(tǒng)中也是作為功率因數(shù)檢測(cè)的反饋控制電壓，對(duì)應(yīng)功率因數(shù)的線性關(guān)系如圖8所示。

圖8 線性關(guān)系Fig.8 Graph of linear relation

隨著功率因數(shù)的線性增長(zhǎng)，當(dāng)以24 W電機(jī)作為負(fù)載時(shí)，且交流電壓保持在220 V的條件下，選擇的補(bǔ)償電容為12 μF/400 V，對(duì)應(yīng)的電流線性下降的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線形圖Fig.9 Linear graph of experimental data

測(cè)試感性負(fù)載的電流下降平均值為22%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)無功功率的抑制作用和節(jié)電效果明顯，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

另制作的一臺(tái)三相380 V，10 A自關(guān)斷器件功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償裝置，對(duì)5 kW某品牌三相空調(diào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)補(bǔ)償，每相補(bǔ)償電容均為22 μF/400 V，得到的實(shí)際數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實(shí)際數(shù)據(jù)表Tab.3 Actual data sheet

補(bǔ)償前輸入電流在8.7～9 A間動(dòng)態(tài)變化，補(bǔ)償后電流在6.2～6.5 A間變化。補(bǔ)償電流在2.2～2.5 A間動(dòng)態(tài)變化而補(bǔ)償前后電壓無變化；并且未發(fā)現(xiàn)高次諧波；補(bǔ)償裝置無噪聲；電網(wǎng)的提高利用率在27%～29%；節(jié)電率為5%～7%。

5 結(jié)論

本文介紹了一種通過控制電容器自身充放電電壓對(duì)交流用電設(shè)備進(jìn)行功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ诶碚撋险撟C了該方法的可行性，并通過利用自關(guān)斷器件的自關(guān)斷特性，組成開關(guān)電路，進(jìn)行了自適應(yīng)電容技術(shù)對(duì)功率因數(shù)補(bǔ)償控制電路的測(cè)試數(shù)據(jù)分析。用該電路制成自關(guān)斷器件電容器功率因數(shù)補(bǔ)償控制裝置的實(shí)例，驗(yàn)證了該方法原理制成的電路和裝置，通過采用零電流充放電電路降低了開關(guān)損耗，縮小了限流電抗的體積進(jìn)而提高了工作效率。該方法具有損耗小、效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，為電容器功率因數(shù)補(bǔ)償方法提供了新的方案。