（电力电子与电力传动专业论文）基于无功补偿的高压电机软起动器的研究.pdf

武汉理： 大学硕士学位论文 摘要 随着工业的发展，高压电动机成为用电耗能主要的设备，其投入电网后所 产生的过大的起动电流与起动转矩对电机以及电网造成冲击，使得电网谐波大 量增加，甚至失去稳定，因此需要对电机进行软起动。同时，对于大功率高压 电机来说，在起动、运行过程中会消耗大量无功功率，致使电机的功率因数较 低，并且总电流增大将导致设备及线路的损耗增加，影响电压质量，如果不及 时控制仍然会对电网安全运行产生不利影响。因此，本文阐述了一种基于无功 补偿的高压电机软起动器的研究，即在大功率高压电机软起动的同时对其进行 就地实时的无功补偿，并进行了以下研究工作： ( 1 ) 查阅了大量有关国内外电机软起动技术以及电机就地补偿技术的资料， 归纳比较了几种软起动器，无功补偿器的优缺点，从技术性、可靠性和经济性 方面综合考虑，选定可变电抗式软起动器作为本设计的软起动部分，且在这个 基础上增设了无功补偿装置_ t s c ( 晶闸管投切电容器) ，并分析了其可行性。 本设计将软起动和无功补偿结合起来，完善了传统软起动器的功能。 ( 2 ) 设计了以c 8 0 5 1 f 0 2 2 单片机作为微处理器芯片的硬件控制系统，包括 最小系统、模数和数模转换电路、开关量输入输出电路、c a n 总线通信电路、 i o 扩展电路、人机交互界面以及存储电路同时对控制器进行软件设计，描述 了各模块的软件流程并列出其部分重要程序：软起动初始化程序，电压斜坡式 软起动、脉冲突跳软起动、恒流式软起动，按键指示灯驱动程序等。 ( 3 ) 对基于无功补偿的软起动系统各个主要环节进行建模，包括软起动器、 三相交流电源、可变电抗器、功率变换单元、触发电路，晶闸管投切电容器， 并对电机恒流起动前后电流电压进行仿真分析，比较总结得出软起动器使电机 起动电流大大减小。无功补偿部分，将使用t s c 对电机无功补偿前后的功率因 数进行仿真比较，并针对t s c 在不同的投切时刻进行仿真，证明了电容器投切 的最佳时刻。 ( 4 ) 结合实验数据分析和解决了在调试和实验中所遇到的问题，并通过实 验验证了将软起动与无功补偿结合起来的可行性。实验表明，基于无功补偿的 高压电机软起动器能有效地控制电机的起动电流，操作方便，并且大大提高了 功率因数，完善了传统软起动器的功能。 关键词：软起动，电动机，无功补偿，微处理器 武汉理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , h i 曲一v o l t a g em o t o rb e c o m e st h em a i n e n e r g y - c o n s u m i n ge q u i p m e n t ，w h e np u ti n t o 鲥d ，t h em o t o rw i l lp r o d u c ee x c e s s i v e s t a r t i n gc u r r e n ta n ds t a r t i n gt o r q u ea n dp o w e ri m p u l s e ，m a k i n gas i g n i f i c a n ti n c r e a s e i nh a r m o n i c ，o re v e nl o s so fs t a b i l i t y ，s oi ti san e e df o rm o t o rs o f ts t a r t i n g m e a n w h i l e ，h i 曲一p o w e rh i g h - v o l t a g em o t o r s ，i ns t a r t i n ga n dr t m n i n gp r o c e s sw i l l p r o d u c es o m er e a c t i v ep o w e r , w h i c hr e d u c e sp o w e rf a c t o ro ft h em o t o r , a n dt h e i n c r e a s eo ft o t a lc u r r e n tw i l lr e s u l ti nt h el o s so fe q u i p m e n ta n dl i n e st oi n c r e a s ea n d a f f e c tt h ev o l t a g eq u a l i t y i fn o tc o n t r o l l e dt i m e l yi tw i l lp r o d u c ea d v e r s ea f f e c t i o nt o t h e s a f eo p e r a t i o no fg r i d t h e r e f o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e sah i g h - v o l t a g eo f m o t o rs o f ts t a r t e rb a s e do nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，w h i c hs o f ts t a r t i n g h i g h - p o w e rh i g h v o l t a g em o t o r ，i nt h em e a n w h i l eg i v i n gar e a l t i m er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n f i r s t l y , t h i s a c c e s st oal a r g en u m b e ro fr e l e v a n td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l m o t o rs o f ts t a r t i n gt e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o no fl o c a lc o m p e n s a t i o n i ts u m m a r i z e s a n dc o m p a r e ss e v e r a ls o f ts t a r t e r s ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e s t a k i n gt h ea s p e c t s o ft e c h n o l o g y , r e l i a b i l i t ya n d e c o n o m yi n t oa c c o u n t ，t h ee l e c t i o ns e t sv a r i a b l er e a c t a n c es o f ts t a r t e ra sp a r to ft h e d e s i g n , a n do nt h i sb a s i s ，i ta d d sar e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e s - t s c ( t h y r i s t o r s w i t c h e dc a p a c i t o r ) t h ed e s i g nw i l lc o m b i n et h es o f ts t a r t e ra n dr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t o rt oi m p r o v et h ef u n c t i o no ft h et r a d i t i o n a ls o f ts t a r t e r s e c o n d l y , t h ed i s s e r t a t i o na d o p t sc 8 0 51f 0 2 2m i c r o c o n t r o l l e rc h i p a st h e m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r e ，i n c l u d i n gt h em i n i m u ms y s t e m ，a n a l o gt o d 酒t a la n dd i 百t a lt oa n a l o gc o n v e r s i o nc i r c u i t s ，t h es w i t c hi n p u ta n do u t p u tc i r c u i t s ， c a nb u sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t s ，i 0e x p a n s i o nc i r c u i t s ，a n dt h em a n - m a c h i n e i n t e r f a c em e m o r yc i r c u i t s m e a n w h i l e ，t h ea r t i c l eg i v e st h ed e s i g no fc o n t r o l l e r s o f t w a r e ，d e s c r i b i n gt h es o f t w a r ep r o c e s so fe a c hm o d u l ea n dl i s t ss o m eo fi t sm a j o r p r o g r a m s ：s o f t s t a r ti n i t i a l i z a t i o np r o c e d u r e ，t h ev o l t a g er a m ps o f ts t a r t ，i m p u l s e j u m p i n gs o f ts t a r t ，c o n s t a n tc u r r e n ts o f ts t a r t e r , t h ek e yi n d i c a t o rd r i v e r i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h i r d l y , t h ed i s s e r t a t i o nc o n s t r u c t ss e v e r a lm a j o ra s p e c t so fs o f t - s t a r ts y s t e m b a s e d0 1 1r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n , i n c l u d i n gs o f ts t a r t e r , t h r e e 一# a s ea c p o w e r s u p p l y , v a r i a b l er e a c t o r , p o w e rc o n v e r s i o nu n i t ，t r i g g e rc i r c u i t , t h y r i s t o rs w i t c h e d c a p a c i t o r , a n dt a k e sc u r r e n ta n dv o l t a g eb e f o r ea n da f t e rc o n s t a n tc u r r e n ts t a r t i n gi n t o s i m u l a t i o na n da n a l y z e t h e ni tc o m p a r e sa n dc o n c l u d e st h a tm o m rs o f ts t a r t e r m a k e s s t a r t i n g c u r r e n t s u b s t a n t i a l l yr e d u c e d a n d f o rt h er e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n ，i tc o m p a r e sr e a c t i v ep o w e rf a c t o rb e f o r ea n da f t e rt h eu s eo ft s ct o m o t o r sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，a n dg i v et h es i m u l a t i o no ft s ci nd i f f e r e n t s w i t c h i n gp o i n tt op r o v et h eb e s tt i m et oc a p a c i t o rs w i t c h i n g f i n a l l y , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e sa n ds o l v e st h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di n d e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t ，c o n s i d e r i n ge x p e r i m e n t a ld a t a ，a n di ti sv e r i f i e db y e x p e r i m e n tt h ef e a s i b i l i t yo fc o m b i n i n gt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n d s o f t - s t a r e x p e r i m e n t ss h o wt h a th i g l lp o w e ra n dh i g h - v o l t a g em o t o rs o f ts t a r t e r b a s e do nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc a l l e f f e c t i v e l yc o n t r o lt h em o t o rs t a r t i n g c u r r e n t , a n di ti se a s yt oo p e r a t e , a n dg r e a t l yi m p r o v et h ep o w e rf a c t o ra n di m p r o v e t h ef u n c t i o no ft h et r a d i t i o n a ls o f ts t a r t e r k e y w o r d s ：s o f ts t a r t ，m o t o r ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，m i c r o p r o c e s s o r i i i 武汉理工人学硕十学位论文 目录 t 第l 章绪论1 1 1 课题研究的背景目的及意义l 1 1 1 课题的研究背景1 1 1 2 课题目的及意义3 1 2 无功补偿技术研究现状与发展趋势4 1 2 1 无功补偿技术4 1 2 2 无功补偿的发展现状5 1 2 3 高压电机的无功补偿发展现状7 1 3 电机软起动技术研究现状与发展趋势8 1 4 论文主要研究内容1 0 第2 章基于无功补偿的软起动器方案研究1 2 2 1 基于无功补偿的软起动器系统组成1 2 2 2 可变电抗器研究1 4 - 2 2 1 可变电抗器的工作原理与拓扑结构1 5 2 2 2 可变电抗器在软起动器中的应用1 8 2 3 无功补偿子系统研究l9 2 3 1 高压电机的无功补偿原理1 9 2 3 2 晶闸管投切电容器方案1 9 2 4 功率变换单元研究2 2 2 5 无功补偿控制方法研究2 6 2 。5 1t s c 投切控制方法2 6 2 5 2t s c 电容分组控制方法2 8 2 6 本章小结2 8 第3 章基于无功补偿的软起动器硬件设计3 0 3 1 控制器硬件结构3 0 3 2 微处理器3 2 3 2 1 微处理器的选取与系统组成3 2 3 2 2 微处理器最小系统3 3 i v 武汉理下大学硕士学位论文 3 3 电压电流信号输入输出电路3 4 3 3 1 检测电路3 4 3 3 2 d 转换电路3 6 3 3 3d a 转换电路3 7 3 4 开关量信号输入输出电路3 8 3 4 1 开关量输入电路3 8 3 4 2 开关量输出电路3 9 3 5 键盘与显示电路3 9 3 5 1 按键与指示电路的设计4 0 3 5 2 液晶显示电路设计4 0 3 6 触发电路4 1 3 7 电源供电电路。4 2 第4 章基于无功补偿的软起动器软件设计4 4 4 1 软起动控制流程设计4 4 4 2 初始化程序4 5 4 3 检查起动状态程序。4 6 4 4 软起动过程控制程序4 7 4 4 1 电压斜坡式软起动4 7 4 4 2 脉冲突跳式软起动4 8 4 4 3 恒流式软起动4 9 4 5 按键显示程序设计4 9 4 5 1 按键指示灯驱动程序4 9 4 5 2 显示驱动程序5l 4 6 无功补偿控制程序5 2 第5 章基于无功补偿的软起动器的仿真研究5 3 5 1 软起动的仿真平台建立5 3 5 2 软起动的仿真结果分析5 7 5 3 无功补偿子系统的仿真平台建立5 8 5 4 无功补偿的仿真结果分析5 9 5 4 1 无功补偿前后仿真结果5 9 v 武汉理工大学硕+ 学位论文 5 4 2t s c 投切仿真结果6 0 5 5 本章小结6 3 第6 章全文总结与展望6 4 6 1 总结6 4 6 2 展望。6 5 致谢6 6 参考文献6 7 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文7 0 附录基于无功补偿的软起动器硬件图元件清单7 l v l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 i 课题研究的背景目的及意义 1 1 i 课题的研究背景 随着我国工业的发展，科技的不断进步，三相异步电机在钢铁，化工，冶 金，电力方面被广泛应用，尤其是高压大功率的电机更是越来越多的投入到生 产生活中，而电动机是耗能很大的设备，需要人们不停的改进完善来提高电能 质量【1 1 。 当电机接入电网中，从起始时的停止状态到达到额定转速稳定运行状态的 过程，称之为电机的起动，而电机的起动电流和起动转矩是决定电机起动性能 最主要的因素。直接全压起动相当于将电机直接接到电网上，仅通过开关或接 触器控制，操作起来很简单，并且起动时间也短，可是电机起动电流很大，约 是额定电流的s _ o 倍 2 1 电网电压会因此而急剧下降，这样可能会出现电机欠 压保护动作，不能实现电机的起动，巨大的冲击电流甚至会影响电网中其它设 备的正常运行；而电机直接起动时的起动转矩也大概是额定转矩的1 q 倍，冲 击转矩同样会带来不利的影响，如磨损烧毁电动机的绕组，和一些传动部件等。 所以现在对于中、大功率的电动机一般是不允许直接起动的。 目前市面上比较常见的软起动方式有：晶闸管串联软起动方式，变频器软 起动装置，可变电抗式软起动装置。其中应用最为广泛的是晶闸管串联软起动 装置，它是由多个晶闸管串联把电机连入电网中的，但晶闸管耐压性不大好， 并且使用时间久了参数也会发生变化，使得各个晶闸管耐压性不一致，并且晶 闸管是半控型开关器件，在起动中产生较大谐波电流，长期运行的话会对于一 些需要经常起动的设备比如风机，水泵等的电机造成损害。以前人们常用的是 降压起动，这种起动方式可以避免电机直接起动带来的冲击电流大的问题，不 足之处是同时起动转矩也跟着减小了，故它只适用于对起动转矩要求不高的电 机，对于重载起动就不能用这种方式了【3 1 。变频器软起动装置可以使大功率或重 载起动的电机无过流，并且起动转矩大，用户可以根据需求设置起动时间，做 到真正的软起动，具有明显的节能效果。变频器还是性能很好的电机调速装置， 武汉理工大学硕十学位论文 通过改变电压频率控制电机转速，不足之处是变频器结构复杂，维修不方便， 最主要的是价格昂贵，本文讨论的内容是电机起动，而不涉及调速，故变频器 不能成为一个很理想的起动装置。可变电抗器的出现似乎解决了晶闸管串联式 软起动装置的晶闸管参数变化，导致耐压性不一致的问题，也解决了变频器价 格高，维护不方便的问题。 电抗器有固定电抗器和可控电抗器两种，前者是电抗器电抗值保持不变， 后者是随着需要可连续变化的，应用广泛，是种常见的电气元件【4 】电力技术的 不断进步使得人们对电抗器的性能要求越来越高，电机无极软起动，无功补偿 等许多场合需要电抗值可以根据工况实时调节，也就是要求电抗值可变的电抗 器被广泛运用，在这些情况下，可变电抗器应运而生。它是在传统单绕组电抗 器的基础上附加了二次绕组，双边绕组根据电磁感应作用相互影响而得以工作， 可以通过改变控制线圈的电流而控制原边绕组电抗值容量的改变，满足调控需 求，将可变电抗器并联电容器用于无功补偿，串联电机绕组用来软起动，稳定 了电压，总体来说可变电抗器的应用大大提高了系统的稳定性，并改善了电能 质量。可变电抗器在电机软起动中扮演着重要角色，它的原边绕组与电机定子 绕组串联，而副边绕组与功率变换单元相连，改变功率变换单元中开关器件的 开断可以改变控制线圈中的电流，可是往往也会产生一些谐波，可变电抗器有 效的利用电抗器将高低压隔离，避免谐波电流流入原边电机与电网中，从而影 响电机的电压的稳定性，污染了电网【5 】。同时可变电抗器还可根据起动需求，比 如起动电流大小，起动时间等参数不断改变电抗值大小，实现阻抗的无级可调， 相对来说具有良好的起动性能。而可变电抗器应用于无功补偿，可与并联电容 器并联，可根据需求不断调整原边绕组电抗值，使得系统不会出现过补偿与欠 补偿，比较精准、迅速的完成动态无功补偿，性能好，可靠性高。 电力电子技术的不断发展，工业机械设备的进步与完善，对大功率电动机 的软起动性能提出了更多更复杂的要求，比如为了使起动性能更加完善而要求 尽可能小的起动电流；电动机的起动转矩足够大，并随着转速平稳增大；起动 设备操作简单、价格适中、运行可靠，最重要的是起动过程中的功率消耗应尽 可能的少，有较好的电能质量。据资料显示，电力系统提供的无功功率中有大 部分都是被电机和变压器消耗的，故电机是主要的耗能设备，电机在正常工作 中会消耗有功功率，同时相应的会产生一部分无功功率，这样电机的总功率才 得以平衡，无功功率表示电源和负载之间交换的幅度，虽然它不消耗能量，但 却是一定存在的，像电机这种感性负载只有吸收无功功率才可以正常工作。无 2 武汉理工大学硕士学位论文 功功率的影响不容忽视，无功功率的增大不仅会引起总电流的增大，而且随之 增大的还有视在功率，这会使电气设备如电动机，变压器以及导线容量跟着增 加。不仅如此，线路与设备的耗损也增加了，变压器及线路因电流的增大而使 电压降增大了。若负载产生冲击性无功功率将会更严重，会引起电压急剧变化， 电能质量得不到保证【6 】。 同时，无功功率的波动也有一定的危害，会引起电网电压的波动。比如电 动机在起动过程中无功功率很大，属于冲击性无功功率，功率因数很低，那么 这会使电网电压剧烈波动，而电压急剧变化严重影响了电网中其他用电设备的 正常运行，冲击性无功功率越频繁，电能质量就会受影响变得越差，严重降低 了电网电能质量，所以在电机起动时对其进行无功补偿尤为必要，不仅提高了 功率因数，也降低了冲击性无功功率使电网电压剧烈波动的可能性，减少了许 多危害。无功功率的产生总要有一定的来源，如果输电系统提供有功功率的同 时也供给无功，那么无功功率将在运载它的传输线路上产生线路损耗，变压器 损耗也不小，并且使得所需的传输线路和变压器的容量较大如果要补偿无功 功率，最好的方式是采取就地补偿，也就是将补偿电容器直接并在电动机等感 性负载两旁，那么并联电容器因其容性阻抗的特性可以直接为电动机提供无功 功率，减少了无功电流在线路上的流通，也就减少了电路损耗，最主要的是大 大减轻了电源供给无功的负担，提高了供电质量阴。因此，需要把电机软起动与 无功补偿两个环节同时结合起来才能实现真正有效的软起动，提高电能质量和 经济效益。 1 1 2 课题目的及意义 电动机是一种应用范围广、涉及产业多、并且耗能极大的电气设备。有数 据显示，我国整体工业用电中，电机所耗电能占6 0 6 8 ，这是因其本身特性 决定的。电机负载呈感性，在正常工作时定子绕组中的电流是滞后于电压的， 在运行时会吸收大量无功功率，起动时功率因数也很低。若将电机直接起动， 巨大的冲击电流会影响电网稳定性，软起动器的作用是调节电机两端电压，使 其缓慢增大，电机转子转速也缓慢增加到额定转速【8 1 。同时，电机的平稳起动减 少了电机的铜耗、铁耗，提高了功率因数，达到节能的目的。在电机起动过程 中，控制器可以对电机运行的各项参数进行检测，检测其是否达标，据此可以 判断电机在工作时是否存在过载、缺相、过热等现象，如果有将做出相应的保 3 武汉理下大学硕士学位论文 护措施，以保障电机的正常稳定运行，提高了安全性和可靠性。电动机在起动 过程中产生的冲击性无功功率会引起电网电压的不稳定，影响电网质量，而感 性负载的本质使得电机在起动、运行过程中频繁产生无功功率，这会大大降低 了系统功率因数【9 1 。因此，在电机起动开始时，功率因数是很低的。而无功补偿 的作用是提高负载以及供电系统的功率因数，降低无功电流而减少设备容量， 同时减少设备发热和功率损耗，提高了设备的利用率，延长了使用寿命。从供 电系统到需要补偿的负载之间，无功功率是通过一定的传输线路传输的，因无 功功率产生的电能损耗主要发生在输配电线路。如果电机本身功率因数低，且 没有补偿装置，距离电源较远，那么无功功率在线路上的功率损耗将更大。于 是，最有效的办法是在需要消耗无功功率的地方也就是感性负载附近产生 无功功率，这就减少了因长距离传输造成的线路损耗，即在电机旁增设无功补 偿装置进行就地补偿【l o 】 本文将无功补偿与软起动结合起来，在电动机终端两旁并联适当容量的电容 器，通过控制器检测到电路中的无功电流及电压，计算得出所需补偿的动态无 功功率来投切电容器，使电机需要的无功就从电容器中直接获得，提高了电机 的功率因数。因此，本文完善了传统软起动器的功能，在电机平滑稳定起动的 过程中对其进行就地无功补偿，减少线路损耗、转子损耗，使电力系统及用电 设备更加安全运行，也大大提高了电能质量和经济效益。 1 2 无功补偿技术研究现状与发展趋势 1 2 1 无功补偿技术 无功补偿技术可以提高电能供应质量，节约能源，改善电网运行的效率以 及电力系统的稳定性，降低了总体系统能耗。“十一五 期间，我国公用电网 的电能供应需求突增，于是无功补偿技术得到大力推广与运用【1 1 1 。 电力系统中的电气元件多半是感性负载，感性阻抗的特性使它们在运行时 大量消耗无功功率，而它们所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。如 果这些无功功率都由电源处提供并经过远距离传送获取，那么输配电线路上功 率损耗将会很大，往往是不合理也是不可能的，所以在需要消耗无功功率的地 方产生无功功率，也就是对负载实施就地无功补偿，便具有了实际意义。无功 功率是交流输电系统的基本特征，无功功率需求是储能性元件和非线性负荷运 4 武汉理工大学硕士学位论文 行的基本要求。 无功功率补偿和控制的目的如下【1 2 】： ( 1 ) 提高电力系统及负载的功率因数，减少网损，降低设备容量； ( 2 ) 提高供电质量与电网电压的稳定性，对于远距离输电传输，安装就地 无功补偿装置可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力； ( 3 ) 无功补偿装置提供无功功率，抵消掉负序电流分量，同时一定的绕组 接线方式可以防止零序电流流通，三相负荷得以达到平衡 ( 4 ) 降低了电网及变压器上的功率损耗，增大了输出功率，提高了电能质 量； ( 5 ) 避免系统电压急剧波动的现象，提高电力系统运行的可靠性与安全性 1 2 2 无功补偿的发展现状 无功补偿技术随着电力电子技术的发展不断改进与完善。传统的无功补偿 方法是用人工或机械的方式将电容器或电抗器投入和切除，其中电容器用来产 生无功，电抗器用来吸收无功f l 朝。而近些年工业的发展使得无功补偿装置不断 地升级，功能更加完善并且性能稳定。随着人们对补偿装置要求也越来越高， 无功功率的实时动态补偿得以实现并被广泛运用。 无功补偿技术不断发展，从早期的同步调相机，基本的机械开关投切固定 电容器，到广泛应用的静止无功补偿器( s v c ) ，再到比较高级的静止无功发生 器( s v g ) ，无功补偿技术不停的改进与更新，功能越来越强大【1 4 1 各种补偿装置在一定的时期都有它的优缺点早期的同步调相机可实现动 态补偿，对变化的无功功率进行实时跟踪，但不足之处是它本身的旋转特性给 它的维护带来不便，并且费用高，目前在市面上基本已被其他补偿装置取代。 相比较而言并联电容器电抗器具有更明显的优势，不但应用广泛，而且价格低 廉，是电网中使用最多，覆盖范围最广的一种无功功率补偿设备，尽管如此， 并联电容器的电容量固定不变，是断续的，不能实现无功功率的无级补偿。而 电容器本身的特性使得加在其两端的电压一旦发生突变会产生很大的冲击电 流。当系统存在谐波时，电容器可能会与系统发生并联谐振，使谐波电流被放 大。这些功能上的不足使并联电容器在很多场合不能满足性能要求【l5 1 。还有一 个缺陷是，传统的电容器和电抗器的投切方式都是手动或机械开关控制，反应 较慢，不能实现快速及时的控制与调节。 5 武汉理工大学硕十学位论文 随着对该领域的研究逐步深入，市面上开始出现静止无功补偿装置。静止 无功补偿器( s v c ) 包括电力电子器件和储能元件两部分，由电力电子开关控制 储能元件的投切，电力电子开关多半用的是可控硅等电子开关，取代了传统的 接触器或断路器，没有机械运动，故称之为静止开关【1 6 1 。储能元件主要是固定 电容器和电抗器。电容器可以输出容性无功来补偿电路中感性无功，电抗器则 输出感性无功补偿电路中的容性无功。静止无功补偿器利用电容器或电抗器本 身的特性发出或吸收无功功率来进行无功补偿，结构简单，容易控制。它可以 将功率因数提高，系统电压更加稳定。静止无功补偿装置( s v c ) 因其诸多优点 被大力发展，比如远距离输电，进行分段无功补偿，输电系统以及负载的无功 补偿。s v c 的几种组合中，固定电容器结合晶闸管控制电抗器( f c + t c r ) ，还 有晶闸管投切电容器( t s c ) 在实际应用中比较常见，t s c 补偿容量不是连续的， 只能分组投切，但是可以结合t c r ，使容性阻抗和感性阻抗并存，这样可以连 续调节补偿装置的无功功率【1 7 1 。因此，s v c 具有连续调节补偿的特点，并且电 子式开关投切储能元件是由控制器判断控制的，响应迅速并无机械磨损，实现 无功功率的动态补偿。 早期的t s c 准确的来说应该是机械投切器m s c ( m e c h a n i c a l l ys w i t c h e d c a p a c i t o r ) 。真空开关投切电容器容易出现弹跳现象，并随之产生巨大的冲击电 流，约是额定电流的7 倍，容易损毁电容器。不仅如此，当电容器被切除后不能 立即再次投入运行，期间必须有几分钟的放电缓冲过程，如果系统需要频繁投 切电容器，显然机械投切器不能满足需求【l 射于是晶闸管开关应运而生，相对 于机械投切，晶闸管属于静止开关，由加在晶闸管两端的电压和相应的触发脉 冲控制其无触点开断，可以频繁操作，有很长的使用寿命。晶闸管的投切时刻 需要控制器精准控制，也就是在流过电容器的电流大小为零时刻投入，可以避 免冲击电流的产生，保护了开关器件，快速稳定地将电容器接入电网，具有很 好的动态特性，其响应迅速，时间约为0 0 1 0 0 2 s 。 t s c 可按电压等级和应用范围两种类别进行分类： 按电压等级：低压补偿，适合对l k v 及以下的用电设备无功补偿；高压补偿， 适合连入电网并且对电网直接进行补偿【1 9 1 。 按应用范围：负荷补偿，类似于就地补偿方式，直接对负荷进行动态无功补 偿，降低了功率损耗，避免了对电网的冲击；集中补偿，对整个系统进行集中 补偿，补偿整个电网的无功功率。 电力电子技术的进一步发展，出现了一种更高级的补偿装置静止无功 6 武汉理1 = 大学硕士学位论文 发生器( s v g ) ，它将自换相桥式电路直接与电网并联，通过控制开关器件的通 断改变桥式电路直流侧的电压的幅值和相位，使其变成与电网电压同频率的交 流电压，也就是说s v g 可以看成是一个幅值和相位可控的交流电压源幽】。它的 原理是利用本身的自换相变流电路产生与需要补偿的无功电流大小一致，极性 相反的电流，使s v g 电路吸收一定幅值跟相位的容性或者感性无功功率，从而 动态补偿无功功率。 与s v c 装置相比，s v g 装置只需要一个很小的储能元件，大大节约了装置的 成本，减小了装置的体积。并且s v g 装置的桥式变流电路可以采用多种技术来 进行逆变调节，如采用多重化技术可以实现更迅速、范围更广的调节，以及多 电平技术，或者p w m 技术结合多重化技术可以减少补偿电流中的谐波含量。s v g 虽然具有这些优势，但它相应的控制方案和控制系统相对s v c 来说都较为复杂， 并且s v g 装置需要许多大容量的全控型器件，与普通的s v c 使用晶闸管相比，价 格还是要高得多。 1 2 3 高压电机的无功补偿发展现状 用并联电容器进行无功补偿，按补偿方式分类有集中补偿，分组补偿，和 就地补偿三种。 集中补偿主要是补偿某个区域或者某些企业内部需要补偿的无功功率，多 半是在变电站或者某企业的供电处安装高压电力电容器，用以平衡无功功率， 集中补偿方式可以降低高压传输线路上的无功损耗，稳定电压以提高变电站供 电质量，而对于有些以低压供电为主的企业该方式则不能减少无功传输造成的 变损和线损。 分组补偿也叫分散补偿，是在一些变电所或乡镇的高低压母线上装设电力 电容器组，提高了系统功率因数，稳定电压，减少传输线路上的无功损耗，但 分组补偿方式相对来说补偿范围和容量较小。尽管如此，这种方式在实际应用 中还是被广泛采用。 就地补偿是种单独的补偿方式，它直接将补偿电容器分散装设在感性设备 的附近，实施就地无功补偿，适合于中小型用电设备，它避免了上述两种补偿 方式的不足，提高了功率因数，改善了电压质量。就地补偿把无功电流局限在 感性设备附近，在需要补偿的地方产生无功功率，减少了无功功率的流动，也 就减少了功率损耗【2 1 1 。 7 武汉理t 大学硕士学位论文 目前异步电机主要采取就地补偿的方式，即在电机附近装设一组并联的电 力电容器，那么电机运行中所要消耗的无功功率将由并联电容器直接供给，减 轻了原本电源供电的负担，对于负荷相对较大的负载，如大功率高压电机来说 就地补偿的方式带来的优越性将更加明显，这使得经济效益也随之提高。具体 优点分析如下： ( 1 ) 补偿后可将电机的功率因数提高n o 9 以上，电机所需消耗的无功功率 由补偿装置提供，因此系统总电流减小，节省了线路传输上损耗的电能以及变 压器上造成的功率损耗。 ( 2 ) 补偿后线路电流减小，流经负荷的电流降低使导线、变压器以及用电设 备不致过热，延长了使用寿命，加强了电机运行的安全性、可靠性，提高了电 气设备利用率。 ( 3 ) 补偿后总的电网损耗减少。补偿系统的线路损耗主要取决于电流的大小， 损耗的能量与流经导线的电流的平方成正比，就地无功补偿可以减小负荷电流， 从而减少线路损耗、配电变压器上的损耗，有效达到补偿无功的目的【2 2 1 ( 4 ) 稳定电压，改善了电压质量：不管是有功功率还是无功功率，都需要从 供电电源经过一定的线路传输到需要补偿的负荷处，那么这些有功和无功功率 以及线路电阻与在传输线路中电压的损失成正比对负荷进行无功补偿后，需 要从线路上传输的无功大大减少了，故电压损失也减少了，电压因此变得更加 稳定，电压质量得到改善。 尽管采取就地无功补偿方法可以给高压异步电机带来很多好处，但不是对 所有情况下的电机都适用，有些需要频繁起动与停车的电机，或者负荷电压变 化迅速以及出现正反转轮替的电机就不适合安装就地补偿装置，在选定补偿方 式时还需考虑到补偿电力电容器的参数与特性。 1 3 电机软起动技术研究现状与发展趋势 工业的发展使得电机软起动技术发展越来越迅速，目前国内外比较常见的 电机软起动方式有：晶闸管串联式软起动，磁控式软起动，液态软起动以及可 变电抗式软起动、变频软起动，各种起动方法都有各自不同的特点： ( 1 ) 晶闸管串联式软起动是用一对反并联晶闸管与电机串联，控制这对晶闸 管阀的通断将电机从电网中投入或切除，可以实现电压电流的连续可调，有比 较好的起动性能，应用也较广泛【2 3 1 。当电机定子电压很高时，需要由多个晶闸 8 武汉理t 大学硕士学位论文 管串联分压，随着软起动器使用时间的增长，每个晶闸管的参数会发生一定的 变化，不能保持一致，并且晶闸管不停的开断也会带来许多低次谐波，那么将 不能保证电机软起动的质量。 ( 2 ) 磁控软起动是将励磁绕组与电机定子绕组串联，通过改变电抗器励磁绕 组中的直流电流来改变它的磁饱和度，从而改变电抗器的电抗值，使电机两端 电压不断变化，磁控软起动装置本身有些缺点，比如它会出现漏磁而需要有辅 助电源供电，并且功率较大，同时噪声也很大。除此之外，电抗器的电抗值变 化范围较小。 ( 3 ) 液态软起动是在电机定子绕组中串联水阻和液阻，即通过调节定子回路 总阻抗的大小控制电机定子端电压，它与液态电极板间距、参与杂质含量也就 是液体电导率相关。液态软起动有很好的起动性能，它可以实现阻抗的无级可一 调 2 4 1 如果将软起动器与电机的转子串联，可以进行重载起动。相对于其它起 动器，液态软起动器所需成本较低。而它最大的不足则是液态水阻受温度影响 太大，阻抗极易发生大的波动变化，以致起动时各项参数不能达标，也不容易 实现短时间连续起动电机在起动过程中还会产生大量能量损耗，并且其维护 不便。 ( 4 ) 可变电抗式软起动器是由可变电抗器的原边绕组与电机定子绕组串联， 而控制线圈与功率变换单元相连组成，控制半导体开关器件的通断调节控制线 圈中感应电流的大小，原副边绕组由于电磁转矩作用使得原边绕组阻抗得以变 换它的结构独特，用电抗器将高低压隔离，使电机侧避免谐波的流入这种 软起动器实现了电机电压电流的无极调节，并且价格便宜，便于维修，产生的 功率损耗也较小，目前已被广泛采用。 ( 5 ) 变频软起动器是种比较高级的调频调压起动器，它有很好的起动性能， 可以真正做到电机稳定平滑，无触点的起动。在用变频器起动电机时可以做到 无冲击电流，并有足够的起动转矩。变频软起动的原理是通过改变电机定子绕 组上电压与