时间：2022-07-19 07:54:35
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电能占企业成本的5％～20％，有些企业占得更高。因此如何提高电能的利用率和使用效率，保证电能质量，是企业节能提效的重要手段。绝大多数企业是用电动机作为机械的原动机，而电动机是感性负载，功率因数并不高，因此企业的能源消耗中无功能源消耗占了很大成份。尽可能的减少无功能量的消耗，是企业节能的头等大事。
对于企业而言，供电损耗主要是电动机损耗、低压线路损耗、高压线路损耗和变压器损耗。安装无功补偿装置后功率因数提高，线路电流会下降，这样线路损耗降低，变压器的有功损失也会降低。电动机损耗（即效率）是电动机本身固有的，目前Y系列的电动机的效率一般都在85％～95％。但电动机的功率因数将影响整个电网的效率。用电系统装设无功补偿设备，提高功率因数，对于企业的降损节电、用电系统的安全可靠运行具有极为重要的意义。
无功补偿分为就地补偿和集中补偿两种。如图所示。C3、C4为单独就地补偿装置，C1、C2和C为集中补偿。C为高压集中补偿装置， C2为低压集中补偿装置，C1为低压就地集中补偿装置。
1．单独就地补偿
单独就地补偿是将无功补偿装置安装在电动机侧，其优点可以减小整个线路的无功电流，最大程度地减小无功消耗，并且不需单独设立开关，但单独就地补偿的补偿电容器安装分散，管理比较麻烦，不便于维护。
当设备的功率因数由COSΦ1（如COSΦ1＝0.7）提高到COSΦ2（如COSΦ2＝0.85以上），则线损节电量：
式中：R――线路电阻，Ω；
P――线路传输的有功功率，kW；
T――设备运行时间，h；
UL――线路线电压，kV；
COSΦ1――补偿前的功率因数；
COSΦ2――补偿后的功率因数。
线损节电量系数：
从表1可见，COSΦ从0.85变到0.9，线损节电量增加0.15，但随着COSΦ地提高，线损节电量增加变小。
变压器铜损节电量：
式中：K――负荷系数（一班制3.6；二班制1.8；三班制1.2）；
PK――变压器铜损，kW；
T1――变压器运行时间，h；
A――用户变压器二次侧有功用电量, kWh；
S――变压器额定容量,kVA。
可见变压器铜损节电量系数与线路节电量系数相同。
线损降低率：
可见变压器铜损降低率与线损降低率相同。
从表2可见，线损降低率也有与线损节电量同样地情况。
在一定的电压下向负载输送一定的有功功率时，负载的功率因数越低，通过输电线的电流越大，导线阻抗的电压降落越大，这样负载的端电压就低，使设备得不到充分的利用。
在线路中电压损失U的计算公式如下：
(kV)
式中：P――有功功率，kW；
Q――无功功率，kvar；
U――额定电压，kV；
R――线路总电阻，Ω；
XL――线路感抗，Ω。
由上式可见，当线路中的无功功率Q减少以后，电压损失也就减少了。
2．集中补偿
集中补偿分为就地集中补偿、低压集中补偿和高压集中补偿。
1）就地集中补偿
就地集中补偿即将补偿装置安放在车间的低压开关柜侧。如图中C1即为低压就地集中补偿装置。
就地集中补偿可以减小高低压供电干线和变压器的无功损耗，但无法补偿供电支线的无功损耗。由于无功补偿装置仍分散在各车间的配电屏处，管理和维护仍比较麻烦。
2）低压集中补偿
低压集中补偿是将补偿装置安放在工厂的低压配电所。如图中C2即为低压集中补偿装置。
低压集中补偿可以减小高压供电线路和变压器的无功损耗，但无法补偿低压供电线路的无功损耗。由于无功补偿装置安放在低压配电所，所以管理和维护比较方便。现在绝大多数高压侧没有设备的工厂均采用低压集中补偿方式。
3）高压集中补偿
高压集中补偿是将补偿装置安放在高压进线的末端，一般放置在工厂的高压配电所内。如图中C即为高压集中补偿装置。
中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）07-0110-02
一、无功功率和功率因数的定义
（一）有功功率和无功功率
在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为机械能、光能、热能等的电功率。无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外做功，但是只要有电磁线圈的电气设备，就要消耗无功功率。
（二）功率因数
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，这个相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S。功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。只有把电路中的无功功率降到最小，才能将视在功率大部分用来供给有功功率，改善供电效率。
二、无功功率的产生和作用
（一）无功功率的产生
在具有电感或电容的电路中，在每半个周期内，电感（或电容）把电源能量变成磁场（或电场）能量贮存起来，然后再把贮存的磁场（或电场）能量释放返回给电源。这种情况下只是进行能量的交换，并没有真正消耗能量，我们把这个交换的功率值称为无功功率。正因为如此，无功功率比较抽象，它在电路中来回流动。尽管无功功率说明一个元件的平均功率为零，但它代表了在电感或电容中储存及释放磁场能量或电场能量所需要的真实功率。电力网中，在电源、电感元件和电容元件之间发生能量的交换。与无功功率相关的能量是储存的电感性及电容性能量之和。
（二）无功功率的作用
无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。
三、无功功率的危害
尽管无功功率说明一个元件的平均功率为零，但它代表了在电感或电容中储存及释放磁场能量或电场能量所需要的真实功率。电力系统中某些点之间由于无功功率不断来回地交换引起发电、输电及供配电设备上的电压损耗及功率损失。由于电力系统的效率及电压调整十分重要，因此无功功率在电力系统的传输是头等重要的。
无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加，也降低了发电机的有功功率的输出，降低了输变电设备的供电能力。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。无功功率的增加，使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。
无功功率还造成了低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。所以我们要尽量减小无功功率的影响：（1）大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率；（2）变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%～15%，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态；（3）供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，所以应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
当然，上述这些措施只是从一定程度上减小了无功功率的危害，如果要从根本上减小无功功率的影响，改善功率因数的话，我们需要引入无功功率补偿技术。
四、无功功率补偿
（一）无功功率的补偿原理
设补偿后无功功率为Qc,使电源输送的无功功率减少为Q’=Q-Qc,功率因数由cosΦ提高到cosΦ’,视在功率S减少到S’,视在功率的减小可相应减小供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。
可知，采用无功补偿措施后，因为通过电力网无功功率的减少，降低了电力网中的电压损耗，提高了用户的电压质量。由于越靠近线路末端，线路的电抗X越大，因此越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。
（二）无功补偿的作用
1．提高电网及负载的功率因数，降低设备所需容量，减少不必要的损耗；
2．稳定电网电压，提高电网质量，而在长距离输电线路中安装合适的无功补偿装置可提高系统的稳定性及输电能力；
3．在三相负载不平衡的场合，可对三相视在功率起到平衡作用。
（三）低压网无功补偿的一般方法
低压无功补偿我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点：
1．随机补偿。随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补偿磁无功为主，此种方式可较好地限制农网无功峰荷。
随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等特点。
2．随器补偿。随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。
随器补偿的优点是：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。
3．跟踪补偿。跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
跟踪补偿的优点是：运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。
五、结论
本文简单讨论了无功功率的定义、产生，分析了无功功率的作用及危害，并从原理上分析了无功补偿技术，探讨了几种低压无功补偿技术的优缺点。本文对于了解无功功率以及进行无功补偿具有一定的指导意义。
参考文献
[1]陈允平，等．基于任意周期电压电流的无功功率定义及其数学模型[J]．中国电机工程学报，2006，26（4）．
1、变压器功率因数：指变压器二次侧有功功率一次侧的视在功率，不是电压效率而是变压器的传输效率，即变压器的有功损耗，无功损耗视在功率之间的关系。
2、在配电系统中，系统的功率因素，在理想的情况下，主要决定于负载特性。在没有任何补偿的情况下，如果负载是纯电阻，那么系统的功率因素就是如果是纯电感，那么功率因素就为0。与变压器本身的特性无关。
3、在实际情况中，负载往往具有电阻，电感，电容的混合特性。所以存在大于0，小于1的功率因素值。
（来源：文章屋网 ）
功率因数是指电力网中线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中，我们所希望的是功率因数越大越好，如能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。用户功率因数的高低，对于电力系统发、供、用电设备的充分利用，有着显著的影响。适当提高用户的功率因数，不但可以充分地发挥发、供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以提高用户用电设备的工作效率和为用户本身节约电能。因此，对于全国广大供电企业，特别是对于拥有自发电网的广大企业来说，若能有效地搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，改善提高用户功率因数，而且能够有效地降低电能损失，减少用户电费。其社会效益及经济效益都会是非常显著的。目前，辽宁省本溪市本钢集团有限公司北营公司就有这样的三台50MW的发电机组。
一、影响功率因数的主要因素
首先我们来了解功率因数产生的主要原因。功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。当有功功率P有一定时，如减少无功功率P无，则功率因数便能够提高。在极端情况下，当P无=0时，则其功率因素=1。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。影响功率因数主要是下面几个方面：
（一）异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备
异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成的。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。
（二）供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响
当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
（三）电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响
我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此我们要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。
二、低压网无功补偿的一般方法
低压无功补偿我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。
1. 随机补偿
随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补偿磁无功为主，此种方式可较好地限制农网无功峰荷。
随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等特点。
2. 随器补偿
随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。
随器补偿的优点是：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。
3.跟踪补偿
跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
跟踪补偿的优点是：运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。
三、采取适当措施，设法提高系统自然功率因数
提高自然功率因数是在不添置任何补偿设备，采用降低各用电设备所需的无功功率减少负载取用无功来提高工矿企业功率因数的方法，它不需要增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。下面将对提高自然功率因数的措施作一些简要的介绍。
1.合理使用电动机
合理选用电动机的型号、规格和容量，使其接近满载运行。在选择电动机时，既要注意它们的机械性能，又要考虑它们的电器指标。若电动机长期处于低负载下运行，既增大功率损耗，又使功率因数和效率都显著恶化。故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确地合理地选择电动机的容量。
2.提高异步电动机的检修质量
实验表明，异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。
3.？采用同步电动机或异步电动机同步运行提高功率因数
由电机原理知道，同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功取决于转子中的励磁电流大小，在欠激状态时，定子绕组向电网“吸取”无功，在过激状态时，定子绕组向电网“送出”无功。因此，只要调节电机的励磁电流，使其处于过激状态，就可以使同步电机向电网“送出”无功功率，减少电网输送给工矿企业的无功功率，从而提高了工矿企业的功率因数。异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行，这就是“异步电动机同步化”。因而只要调节电机的直流励磁电流，使其呈过激状态，即能向电网输出无功，从而达到提高低压网功率因数的目的。
4.合理选择配变容量，改善配变的运行方式
对负载率比较低的配变，一般采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。■
1 引言
电气化铁路供电系偏低降低了主变容量的利用、接触网的功率损耗增大等，提高牵引系统的功率因素对供电技术、节约能源等都有现实意义。目前采用的地补偿办法已淘汰或存在补偿效果不好等问题，所以急需采取有效措施来实现提高牵引系统的功率因素。
2 功率因素对牵引供电系统的影响
2.1 功率因数偏低会降低变电所的影响
就牵引系统的功率因素是由负载决定的，变电所反映的cosφ的值基本上就是电力机车的cosφ的值，详见表1。
2.2 功率因素偏低会造成供电臂末端的影响
供电臂末端电压低与功率因数有密切关系，等效电路如图1。
图1中U为变电所输出电压，u为供电臂电压降落：u=iR，R为供电臂等效电阻，u'为供电臂末端电压，它们的关系为u'=U-iR，
当机车Z功率P不变，若cosφ，则i，u=iR，u'=U-u。当cosφ从0.9下降到0.6时，
，供电臂输送的电流i增长50%，在供电臂上的电压降也增长50%。
2.3 功率因数偏低造成线路功率损失的影响
当功率因素下降0.28时，线路上的功率损失则增长137%。现行电费办法规定：当cosφ=0.89-0.7时，则每降低0.01增收总电费的0.5%；当cosφ=0.69-0.65时，则每降低0.01增收总电费的1%；当cosφ≤0.64时，则每降低0.01增收总电费的2%。
3 新型的供电无功补偿方法
SVC无功补偿采用大功率晶闸管调相技术，达到动态调节SVC装置输出无功的目的，满足动态补偿牵引变电所变化负荷的需要。
3.1 SVC无功补偿工作原理
SVC无功补偿装置工作原理图如图2（a）、（b）、（c）所示，U1为电源电压，r1及X1为牵引变压器每相的电阻和电抗，U2为牵引变电所母线电压，Xc为SVC电容器组的容抗，XL为电抗器的感抗，I1为牵引负荷，Ic为电容器回路容性电流。安装无功补偿装置后，牵引变电所的功率因数则由cosφ1仍提高到cosφ2。
3.2 SVC无功补偿装置对压损的改进
由上式可得：无功功率Q变小，限制了无功功率在电网中的传输，减少了线路的电压损耗，提高了接触网的电压质量。
3.3 SVC无功补偿装置对线损的改善
其中，P为线路传输的有功功率（kW）：cosφ为功率因数；Re为每相导线的等效电阻（Ω）；UN为运行电压（kV）。当线路有功功率P和导线电阻Re不变时，线路的功率损耗与功率因数的平方成反比。
4 结论
本文从功率因素对牵引供电系统的影响的分析，提出SVC静态无功补偿方法，为改善电系统功率因数提供了理论依据。
参考文献
[1]郑社掌.气化铁道供变电[M].北京：中国铁道出版社，1996（01）.
[2]焦剑扬，刘明光.牵引变电所无功补偿方式综述[J].电气开关，2006（06）：1-4.
作者简介
一、变电所无功补偿概况
崇明厂区变电所最早建造从2003年就开始了，电容柜都是从变电所投产就开始同步运行，而且是每天24小时不间断的，受制于电容器的使用寿命比断路器等产品短很多，经过十几年的时间，没彻底更换过的电容器柜问题频出，这就增加了运行维护的难度。
电力公司对我单位电能收费是根据进线线路分别进行的：崇明元件厂生活区一路，崇明生产区域两路，其中主体生产用电集中在崇明生产区域，所以我们本文就以崇明生产区域的两路35KV线路电费情况为调查对象来具体分析。
二、不同等级电压上的补偿
补偿在高、低压两个电压等级上，我们具体分析也围绕这两个大的方向来进行，
（一）10KV高压侧补偿。在这个电压等级上，堡船207和堡船217都分别有一组高压电容器组，型号TBB2-10-1800/100BL，额定电流94.5A，补偿容量为1800KVA。高压电容器组采用人工操作的方式，早上，用电进入高峰期时人工合闸，晚上负荷降下来后人工分断，只能整组的投入或者退出。在高压侧，投入及退出时间点上能把控，容量投入的多少是无法改变的。
（二）低压侧电容补偿。根据生产的需要，我们对负荷相对集中处都设立了变电所，根据负荷的多少，在变电所内部都进行了功率因数的补偿。生产现场的变电所有24个，其中带低压电容补偿的变电所有21个，每个变电所电容补偿的容量及完好程度有所区别。一部分电容柜因为线路元器件老化、电容本身破损等原因，考虑到安全因素，没有投入运行，这就有了提升的空间，特别是针对负荷比较大的5.3万车间、造船码头1#及2#变电所、船台、涂装一期及二期等变电所等。
提升功率因数对于总电流的下降有一定影响，就相当于增加了变压器的有功输出，对用电负荷较大变电所容量能进一步改善。
三、功率因数低原因分析
通过平时工作中观察以及现场查看，细致周到分析了功率因数低的原因，见图1。
针对功率因数偏低的情况，根据平时维修及行业经验进行系统的分析，因为高压系统和低压系统电容器在投用、自动化运行、切除等方面完全不同，后续的分析也是分两部分分别进行。
四、效益分析
（一）减少线路损耗。特别是对于负荷较大的区域，一直以来低压侧电流特别大，功率因数提高了，无功电流就减少，更利于有功电能的输送，也相当于提升变压器有功使用容量，更好的为生产现场提供电能。
（二）电力公司给予我公司奖励。功率因数提高后，可以得到
电力公司用电奖励。我厂电费是按照：0.90标准电费调整（%）来计算的，由之前统计的两路数据可以看出功率因数攻关前后的变化 。当功率因数提高后，并做好保持工作，我厂堡船207和堡船217在电力公司拿到的奖励还是比较可观的。
五、固措施
中图分类号:TP274文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2009)12-192-03
High Power Factor Power Design
LEI Dan,LI Huizhong
(Wuchang Branch,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430068,China)
Abstract:Power factor design is the key indicator of power supply,power supply has always attached importance to developing technical problems.Power supply uses PFC control circuits that using UCC28019 of TI which can Significantly increase the power factor.The power supply consists of six parts which are AC/DC conversion circuits,DC/DC conversion circuits,power factor detection circuits,PFC control circuits,digital set,measuring circuits and protection circuits.AC/DC conversion circuits using not controlled rectifier,DC/DC conversion circuits using boost topology,which can output voltage that the value is 30~36 V.Power supply uses MSP430F247 SCM can accomplish digital set and measurement.This system has some advantage:intuitive features,good stability,improved power factor.
Keywords:boost topology;power factor test;UCC28019;MSP430F247
1 方案论证
1.1 DC/DC主回路拓扑方案
方案1:Buck型拓扑结构变换器
该方案可在隔离变压器输出端进行三倍压整流,再将直流电压通过Buck型拓扑结构进行降压变换实现。但采用Buck型变换器输入端电压偏高,驱动电路和控制电路的电源方案较麻烦,并且可靠性不高。
方案2:Cuk型拓扑结构变换器
它的输出电压极性与输入电压相反,但其值可以高于、等于或低于输入电压的值。其输入和输出电流都是连续的,经两个电感的补偿耦合,将输入和输出的波纹电流和电压抑制到零,但内部谐振使传递作用断续或在某些频率上削弱输入波纹抑制。在耦合电感线圈和变压器隔离的结构中,由于“开关导通”初期的冲击耦合电流会引起输出电压反向,并且也存在稳定性问题。
方案3: Boost型拓扑结构变换器
Boost电路的输出电压极性与输入电压相同,但总是高于输入电压。输入电流是连续的,只需要较小的输入滤波。输出电压与负载电流无关,并且输出电阻非常低,硬件上容易实现,且控制简单,技术成熟。
通过以上综合分析比较,Boost型拓扑结构变换器是DC/DC变换器的理想选择。
1.2 系统控制方案
方案1: 幅度控制方式,即通过改变开关电源输入电压的幅值而控制输出电压大小的控制方式。这种方式效率很低,当低压输出时,将造成大部分能量消耗在调整管或电阻上。
方案2:脉冲宽度控制,指功率管的开关工作频率(即开关周期)固定,是一种直接通过改变导通时间(即占空比)来控制输出电压大小的方式,它采用升压型(Boost)或降压型(Buck)拓扑结构来实现输出电压的改变。这种控制又称PWM控制。
由于PWM控制方式采用了固定的开关频率,因此,设计滤波电路时简单方便。综合比较,采用方案二作为控制方法。
2 硬件设计与主要参数计算
2.1 系统总体电路框架
根据题目的设计要求,系统由AC/DC变换电路、DC/DC变换电路、功率因数检测电路、PFC控制电路、数字设定及测量显示电路、保护电路等6大部分组成。其系统电路总体框架如图1所示。
图1 系统总体框架
2.2 DC/DC变换模块
DC/DC采用Boost变换电路,其电路结构如图2所示。
图2 boost变换电路
2.2.1 二极管参数
在功率MOSFET截止期间,VD正向偏置而导通,最大流通电流达2 A左右;在MOSFET导通期间,VD反向偏置而截止,此时二极管反向电压为Vin。为了确保电路的可靠性,故选取整流二极管MUR3060。
2.2.2 功率开关管参数
功率开关MOSFET所要承受的基本电压为截止时所承受的电压Vin,导通时所要承受的导通电流为2 A。为确保电路的可靠性,应考虑适当的安全裕量,故选取功率开关管IRFP150N,其耐压、耐流完全满足要求。
2.2.3 储能电感参数
变换器中的电感线圈在任何正常条件下不能饱和,并且为了有好的效率,线圈和磁心的损耗必须要小。理论上电感可具有任何值,大电感可具有低波纹电流,且轻载时可连续导通,但负载瞬态响应差。小的电感波纹电流大,增加了开关损耗和输出波纹。在轻载时出现不连续导通,且导致系统不稳定。可是,其瞬态响应性能好,效率高,尺寸小,所以电感的选择只能折中,通常选择使临界电流低于最小规定负
载电流的电感,或按可接受的波纹电流尽可能地以小的标准来选择。 电感量通过公式:
LRSF(min)≥VoutD(1-D)/(fSW(typ)IRIPPLE)
计算出:L≥0.07 mH。另外,输出电流达到2 A,功率较大,由于参数类型特殊,普通电感远达不到要求,故选用粗铜线与环型磁铁的自制电感。
2.2.4 输出滤波电容参数
输出滤波电容C两端电压为输出电压Vout。C的滤波使输出Vout的波形连续。对DC/DC转换器而言,工作频率越高,所要求的电容值越低。设计中选用4 700 μF的电容。
2.3 PFC控制模块
开关电源是借助开关器件的开/关(ON/OFF)实现能量交换的。输出控制由晶体管的导通时间决定。实际上PWM控制就是控制开关管导通的占空比。结合控制方式及功率因数的要求,设计中选用TI公司提供的具有功率因数校正功能的UCC28019芯片作为PFC控制模块。UCC28019 为8引脚连续电流模式(CCM) 控制器,其重要元件参数的计算如下:
C7=gmiM1/K12πf1AVG=910 pF
式中:gmi=0.95 ms;M1=0.4;K1=7;f1AVG=9.5 kHz。
C11 =(gmv fv/fPWM_PS)/(10GVLdB(f)/20×2πfv)
=3.88 μF
式中:gmv=42 μs;fv=10 Hz;fPWM_PS=1.589 Hz,10GVLdB(f)/20=100.709 0 dB/20,fv=10 Hz。
R11=1/ (2πfZEROCvCOMP)= 30.36 kΩ
式中:fZERO=1.589 Hz,CvCOMP= 3.3 MF。
C12=CvCOMP /(2πfPOLERvCOMPCvCOMP -1)=0.258 μF
式中:fPOLE=20 Hz,RvCOMP=33 kΩ,CvCOMP =3.3 MF。
PFC控制模块与各电路连接见图3。
图3 PFC控制模块与各电路连接图
2.4 显示与测量模块
数字设定及显示,功率因数检测两部分由MSP430F247单片机、键盘和128×64液晶显示器构成。与普通LED相比,液晶显示界面与操作界更友好。
2.5 过流保护模块
过电流保护是一种电源负载保护功能,以避免发生包括输出端子上短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。出现过流时,控制信号使PWM输出脉宽变窄,输出电压迅速下降,从而抑制电流。
3 软件设计流程
系统软件设计分为两大部分,包括输出检测及显示;功率因数检测。
设计流程如图4所示。
图4 设计流程
4 系统测试
4.1 测试方法
(1)设定不同输出电压值,测量实际电压输出;
(2)设定某一固定输出电压值,调节U2从15~19 V变化,测量实际电压输出。
(3)设定某一固定输出电压值和U2,调节负载,测量实际电压输出。
4.2 测试仪器
测试仪器有:单相自耦调压器;普通数字万用表;四位半数字万用表;60 MHz数字示波器(双通道)。
4.3 测试主要数据
4.3.1 输出电压
当电压U2=18 V,负载电流为0.5～2 A时,设定和实际输出的电压见表1。
4.3.2 功率因数
功率因数计算如下:
λ=U2I21cos φ1/U2I2= I21cos φ1/I2=
νcos φ1cos φ=cos 15°=0.96
式中:U2,I2分别为变压器副边的电压和电流有效值;I21为I2中的基波分量;φ1为U2和I21之间的相位差。为计算简单,这里用U2,I2之间相位差的余弦cos φ作为功率因数。
表1 输出电压的设定值和实际输出值
设定值 /V实际输出值 /V设定值 /V实际输出值 /V
3030.43434.1
3131.23535.2
3232.53636.7
3333.6
4.3.3 电压调整率
输出电压设定值为36 V,当U2=15 V,Io=2 A时,Uo=35.7 V;当U2=17 V,Io=2 A时,Uo=35.8 V;当U2=19 V,Io=2 A时,Uo=36.0 V;电压调整率σv≤0.2%。
4.3.4 负载调整率
设定U2=17 V,输出为36 V,则Io=0.2 A时,Uo=35.9 V;Io=2 A时,Uo=35.8 V;负载调整率σL≤0.3%。
5 结 语
通过测试的数据显示,该设计较好地完成了预期设计目标,功率因数高达95%以上,稳定性好。但也有一定的不足,如输出存在杂波,输出电压设定值与实际输出值的误差较大等,这些问题有待以后的研究中进一步改善。
参考文献
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Abstract: in the mine in the power supply system, and most of the load are inductance characteristic, they all need from the power supply system absorbs reactive power, when active power needs to maintain a constant, reactive power requirements increase of the power supply system will create the effect: to lower the power generation equipment and power supply equipment utilization; Increase the transmission lines and generator power loss; Make circuitry voltage drop increases, reduce the power quality.
Keywords: mine power supply; Active power; Reactive power; Power factor
中图分类号：U223.6文献标识码：A 文章编号：
由于矿山企业采用大量的感应电动机和变压器等用电设备(如带镇流器的日光灯、交流接触器等),供电系统除供给有功功率外还需供给大量无功功率,使发电和输配电设备的能力不能充分利用,为此,必须提高用户的功率因数,减少对电源系统的无功需求量。
功率因数就是在交流电量中有功功率与视在功率之比值,用λ表示,即:λ=p/s=cosφ。它是一项重要的力能经济指数,如上面所述的用电设备,它们的功率因数都比较低,满负荷时约为0.7~0.85;轻载时在0.5以下,功率因数不高原因是由于电感性负载的存在,而电感性负载的功率因数之所以小于1,是由于负载本身需要一定的无功功率。按照供用电规则,高压供电的工业企业的平均功率因数不小于0.95,其它单位不低于0.9。
一、无功功率需要量增大将对供电系统产生以下影响:
（一）降低发电设备和供电设备的利用率
发电机、变压器额定容量,是根据额定电压UN和额定电流IN设计的。额定电压和额定电流的乘积,即为额定视在功率Sr=UNIN,它代表设备的额定容量,在数值上等于允许发出的最大功率。因为发电机在额定工作状态下发出的有功功率为:PN=UNINcosφ
当负载的功率因数cosφ=1时,PN=NS,其容量得到充分利用;当负载的功率因数cosφ
（二）增加输电线路和发电机的功率损失
当发电机的电压U和输出的有功功率P一定时,电源I与功率因数成反比,而线路和发电机绕组上的功率损耗P与cosφ的平方成反比,即I=P/Ucosφ
P=I2r=(P/Ucosφ)2r=P2/U2×1/cos2φ×r
式中,r是发电机绕组和线路的电阻。
在P、U一定的情况下,cosφ越低,电流I就越大,电流流过输电导线,在输电线路上引起的功率损耗越大,就意味输电线路传输电能的效率越低。
（三）使线路电压降增大,降低电能质量
由I=P/Ucosφ可知,在P、U一定时,功率因数越低,输电线上输送的电流就越大,在线路上产生的电压降V=I│z│也就越大,电能质量降低,特别在电网末端将会长期处于低压运行状态,影响负荷的正常工作,满足不了用户需求。为提高电压,必须在系统中装设调压设备,如带负荷调压器等。
二、通过以上分析提高功率因数的方法,归纳有以下两个途径:
（一）提高用电设备本身的功率因数(自然功率因数)
合理选择和使用电气设备,避免“大马拉小车”现象,合理选择电动机的容量,使电动机的容量与被拖动的机械负载配套。当电动机实际负荷比其额定容量低很多时,功率因数就会急剧下降。另外,也要有合理的调度,安排生产工艺流程,限制电气设备空载运行。
（二）用其它设备进行补偿
矿山企业为了使功率因数达到规定值以上,一般都用并联电容器的方法进行人工补偿,电力电容器具有投资省、有功功率损失小、运行维护方便、故障范围小等优点。通常是将电容器(设备在用户载变电所中)并联到电感性负载的电路中,利用感性负载的无功功率与电容的无功功率相互抵消补偿的原理来提高功率因数;在电感性负载上并联了电容器后,减少了电源与负载之间的能量互换,这时电感性负载所需的无功功率大部分或全部都是就地供给(由电容器供给),就是说能量的交换现在主要或完全发生在电感性负载与电容器之间,因而使发电机容量能得到充分地利用。
综上所述,提高用户的功率因数具有重大的经济意义,所以国家奖励企业用户提高功率因数。在按两部电价收费的基础上,还规定了根据企业用户的功率因数高低另加奖或惩的附加电费。提高负载的功率因数,既能减少线路的电能损失和电压降,又能使原设备得到充分利用,从而提高供电质量,增加企业转供电回收,对矿山企业的可持续发展有着重要的意义。
【参考文献】
[1]张学成.工矿企业供电中国矿大学出版社.
中图分类号：TN8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）23-0364-01
一、提高功率因数的意义
改善企业用电的功率因数（即无功功率补偿）是企业节约电能的重要课题，因此应给予足够重视，并采取相应的技术措施以提高功率因数。由于企业采用大量的感应电动机和变压器等用电设备，通过磁场，变压器才能改变电压并且将能量送出去，电动机才能转动并带动机械负荷。全国供用电规则还规定了在电网高峰负荷时，用户的功率因数应达到的标准：高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.90以上；其他100KVA（KW）及以上电力用户和大、中型电力排灌站，功率因数为0.85以上；农业用电，功率因数为0.80以上。凡功率因数不能达到上述规定的新用户，供电部门可拒绝供电。因此对无功功率进行补偿，提高企业用电的功率因数具有重要的意义。
提高功率因数对企业和电力系统的好处如下：
（1）提能够降低生产成本、减少投资、改善设备的利用率
1.1 功率因数可以表示成下述形式
越高，所需视在功率越小。而当有功负荷一定时，若功率因数值越大，可知无功负荷就越小，充分发挥了发、供电设备的生产能力，提高了经济效益。在发电和输、配电设备的安装容量一定时，提高用户的功率因数相应减少无功功率的供给，则在同样设备的条件下，电力系统输出的有功功率可以增加。
（2）减少网络中的电压损失，提高供电质量
由于用户功率因数的提高，使网络中的电流减小，因此网络的电压损失减少，网络未端用电设备的电压质量提高。
二、提高功率因数的方法
功率因数等有功功率除以根号下有功功率的平方与无功功率的平方之和。当有功功率一定时，若减少无功功率便可以提高功率因数。交流用电设备、电动机、变压器等建立磁场需要激磁无功功率，同时还消耗漏磁无功功率。
（一）提高功率因数方法如下：
（1）选气隙小、磁阻小的电气设备，如选电动机时，若没有调速和启动条件限制，应尽量选择鼠笼型电动机。
（2）同容量下选择磁路体积小的电气设备。如高速开启式电动机，在同容量下，体积小于低速封闭式和隔爆型电动机。
（3）根据负荷选用相匹配的变压器。电力变压器一次侧功率因数不但与负荷的功率因数有关，而且与负荷率有关1若变压器满载运行，一次侧功率因数仅比二次侧降低约3～5%；若变压器轻载运行，当负荷小于0.6时，一次侧功率因数就显著下降，下降达11～18%，所以电力变压器的负荷率在0.6以上运行时才较经济，一般应在60%～70%比较合适，为了充分利用设备和提高功率因数，电力变压器一般不宜作轻载运行。当电力变压器负荷率小于30%时，应当更换成容量较小的变压器。
（二）电气设备运行合理
（1）正确选用异步电动机的型号与容量。据有关资料介绍，我国中小型异步电动机的用电负荷约占电网总负荷的80%以上，几个主要电网中，电动机所耗能占整个工业用电量的60%～68%左右，因此做好电动机的降损节能具有十分重要的经济意义，正确选用异步电动机，使其额定容量与所带负载相配合，对于改善功率因数是十分重要的。在选型方面，要注意选用节能型，淘汰高能耗的电动机，并依据电机机械工作对启动力矩、启动次数、调速等方面的具体要求，选用不同的型号。电动机的效率η与功率因数cosφ是反映电动机经济运行水平的主要指标，都与负载率β有密切关系。GB/T12497-90 对三相异步电机三个运行区域规定如下：
当β
（2）合理调度安排生产工艺流程，限制电气设备空载运行。生产时间要躲开高峰时间，降低高峰用电量。
（3）提高维护检修质量，保证电气的电磁特性符合标准。
（4）进行技术改造，降低总的无功消耗。
三、人工补偿无功功率
企业为了使功率因数达到国家要求的规定值（0.90）以上，一般都采用并联电容器的方法进行人工补偿，电力电容器具有投资省、有功功率损失小、运行维护方便、故障范围小等优点。
四、综上所述，提高功率因数必然对国家的能源利用、企业的经济效益起到促进作用，是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的条件。应根据不同情况采取相应措施来提高功率因数，降低无功损耗，从而提高经济效益。
参考文献
1.提高功率因数的意义
由于有些企业有生产中采用大量感应电动机和变压器等用电设备，特别是大功率可控硅的应用，供电系统除供给有功功率外，还供给大量无功功率，使发电和输配电设备的能力不能充分利用。为此必须提高用户的功率因数，减少对电源系统的无功需求量。
2.提高功率因数的方
功率因数为
cos？准=P/S=P/■=■
当有功功率P一定，若减少无功功率便能提高功率因数。交流用电设备、电动机、变压器等，建立磁场需要激磁无功功率Qjc同时还消耗漏磁无功功率Qk，其所需要的无功功率为：
■
其中 Qjc=k？准■■fR？滋=k'■fv=k"■fv
式中 ？准m——交流磁通最大值；
Bm——感应强度最大值；
f——交流电的频率；
R——磁路的磁阻；
？滋——磁路的导磁系数；
v——磁路的体积；
U——磁路的电压；
I——负荷电流；
X——漏磁感抗；
k，k'，k"——常数。
由上述数学公式可知，提高功率因数的方法如下：
2.1正确选择电气设备
（1）选气隙小，磁阻小的电气设备。如选择电动机时，若没有调遣和启动条件的限制，应尽量选择鼠笼电动机。
（2）同容量下选择磁路体积小的电气设备。如高速开启式电动机等。
（3）电动机、变压器的容量选择要合适，尽量避免欠负载运行。因欠载时P和I减少，会造成COS中减少。
（4）不需要调速，持续运行的大容量电动机，有条件时可选择同步电动机，使其过激磁运行，提供超前（一Q）无功功率进行补偿使电网总的无功功率减少。
2.2电气没备运行合理
（1）消除严重欠载运行的电动机和变压器。对于负荷小于40%额定功率的感应电动机，在能满足起动、工件稳定性等要求条件下，应以小容量电动机更换或将原为三角形接法的绕组改为星形接法，降低激磁电压。对于变压器，当其平均负荷小于额定容量的30%时，应更换变压器或调整负荷。
（2）合理调动安排生产工艺流程，限制电气设备空载运行。
（3）提高维护检修质量，保证电动机的电磁特性符合标准。
（4）进行技术改造。降低总的无功功耗。如改造电磁开关使之无压运行，即电磁开关吸合后，电磁铁合闸电源切除仍能维持开关合闸状态，减少运行中的无功功耗：绕线式感应电动机同步化，使之提供超前无功功率等。
2.3人工补偿无功功率
企业为了使功率因数达到规定值以上，一般都用并联电容器的方法进行人工补偿。电力电容具有投资少有功功率损失小，运行维护方便，故障范围小等优点。电容器的缺点是当通风不良或因电网高次谐波造成电容器过负荷使运行温度过高，易出现外皮鼓肚，漏油甚至爆炸引起火灾。因此规定电容器室应独立设置。目前常用的电容器类型有YY油浸纸介电容器，现在生产的YGM聚丙烯薄纸膜纸复合介质的浸苯甲基形电容器及YW软性十二烷基苯浸渍纸介电容器可供选。它们体积小、容量大。
目前，为了便于管理维护，多采用集中固定补偿，即在变电所6kV母线上装设容量不变的电力电容器组。若补偿前功率因数为COS？准1，补偿后提高到COS？准2，如图1，则补偿所用的电力电容器容量应为：
Qc=Pp（tan1-tan2）
=K■Pmax（tan1-tan2）kvar
式中 Pp——全用户有功平均负荷；
Pmax——全用户有功计算负荷；
K■——平均负荷系数；
P■/pmax一般取0.7～0.8。
上式全用户平均负荷计算的所需补偿电容量，也可以按全用户最大负荷进行计算。如按最大负荷Pmax计算所需补偿的无功功率0c，则当P
图1 矢量图 图2 系统图
为了使企业内部收到改善功率因数的更大效益，可以考虑改变集中补偿为分组或分散补偿，最好是自动补偿，也可采用低压补偿，对于1000V以下的电容器组可用电阻或白炽灯作为放电设备。
电容器柜的数量N可按下式确定：
N=Qc/Qcl（U/Ue）2
式中0c，——每个电容器的容量，
U——电容器装设处的电网电压，
Ue——电容器的额定电位。
例如6kV母线的全用户总有功负荷5375.7的自然功率因数从COSφ1=0.81提高到COSφ2=0.96%，选择电力电容器。
需要电力电容器补偿的无功功率Qc计算为：
Qc=KpfPmax（tanl-tan2）
=0.8×5375.7（0.724-0.329）
=1698.7kvar
选择电容器单台大者，以节省变电所的建筑面积。可以，考虑将电容器分为二组，分接于二段母线上，且应每相容量相同。所以选择YGM6.3-100-1型电容器18台。每段母线上接9台，每组每相3台接成三角形。
3.提高功率因数对电力系统的好处
3.1提高电力系统的供电能力
在发电和输、配电设备的安装一定时，提高用户的功率因数相应减少无功功率的供给，则在同样设备条件下，电力系统输出的有功功率可以增加。
3.2降低电网的功率损耗
3.3减少电网的电压损失，提高供电质量
