交流电机就地无功补偿的研究毕业论文.doc

交流电机就地无功补偿的研究目 录第1章 引 言1.1 什么是无功补偿1.2 无功补偿技术的历程1.3 无功补偿的意义1.4 就地无功补偿的优点和注意事项第2章 无功补偿原理2.1 名词解释2.2 无功补偿的原理2.2.1、无功补偿的原理 2.2.2 无功补偿的原则及组合元件2.3 无功补偿投切方式2.3.1 延时投切方式2.3.2 瞬时投切方式2.3.3 混合投切方式 2.4 无功功率补偿装置的选择2.4.1功率因数型控制器2.4.2 无功功率（无功电流）型控制器2.4.3 用于动态补偿的控制器第3章 无功补偿计算3.1 交流电动机就地无功补偿容量的计算及应用3.1.1 三相异步电动机的机械特性3.1.2 电动机的功率因数3.1.3 电动机无功补偿的分类3.1.4 三相异步电动机就地无功补偿容量计算3.1.5 无功就地补偿的计算公式3.2 KL-4T 智能无功功率自动补偿控制器简述3.2.1 补偿原理3.2.2 计算方法及投切依据3.2.3 常见故障及处理办法3.3 PDK2000配电综合测控仪3.3.1 补偿原理3.3.2 计算方法及投切依据第4章 小结参考文献致 谢交流电机就地无功补偿的研究摘 要随着工业化程度的加速发展，电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展。三相异步电动机在工农业生产及人们的日常生活中却有极其广泛的应用。从三相异步电动机的作用和性能为出发点，探究三相异步电动机的机械特性及功率因数与无功补偿容量的计算及应用具有重要意义。近年来节能工作越来越成为人们关注的问题，有效合理地使用能源是促进企发展、提高企业经济增长质量和效益的有效途径。在工厂企业中，各种生产机械设备所需的动力大多由异步电动机来提供，而异步电动机实际运行时经常处于轻载或空载状态，其功率因数较低，导致线路上的电能损耗较大，因而急需对异步电动机进行合理补偿，提高节能效果，改善电能质量。关键字：功率因数，并联电容器，无功补偿，自动投切 第1章 引 言1.1 什么是无功补偿无功功率补偿，简称无功补偿，在电子供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。交流电在通过纯电阻的时候,电能都转成了热能,而在通过纯容性或者纯感性负载的时候,并不做功.也就是说没有消耗电能,即为无功功率.当然实际负载,不可能为纯容性负载或者纯感性负载,一般都是混合性负载,这样电流在通过它们的时候,就有部分电能不做功,就是无功功率,此时的功率因数小于1,为了提高电能的利用率,就要进行无功补偿。 在大系统中，无功补偿还用于调整电网的电压，提高电网的稳定性。 在小系统中，通过恰当的无功补偿方法还可以调整三相不平衡电流。按照wangs定理：在相与相之间跨接的电感或者电容可以在相间转移有功电流。因此，对于三相电流不平衡的系统，只要恰当地在各相与相之间以及各相与零线之间接入不同容量的电容器，不但可以将各相的功率因数均补偿至1，而且可以使各相的有功电流达到平衡状态。无功补偿的基本原理：电网输出的功率包括两部分;一是有功功率;二是无功功率.直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能,化学能或声能,利用这些能作功,这部分功率称为有功功率;不消耗电能;只是把电能转换为另一种形式的能,这种能作为电气设备能够作功的必备条件,并且,这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能.电流在电感元件中作功时,电流滞后于电压90.而电流在电容元件中作功时,电流超前电压90.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小, 无功补偿的具体实现方式：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。异步电动机和变压器等设备要消耗大量的无功功率。这些无功功率如果不能及时地得到补偿的话，会对电网的安全、稳定运行产生不利影响。首先，无功功率的增加会导致电流的增大，这不仅使设备及线路的损耗增加，而且还会威胁到设备的安全运行；另外，电流和视在功率的增大也会导致发电机、变压器及其他电气设备容量的增加，同时电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大，这使电网的经济运行大打折扣,无功储备的不足会导致电网电压水平的降低。随着电力电子产业的发展，各个工业部门都采用大功率的硅整流设备，这些大型非线性整流负荷在运行中引起的功率因数下降、电压波动、闪变、三相不平衡以及波形畸变等一系列问题，已构成派生性的电网“公害，严重的影响着整个电力系统的安全和经济运行。与此同时，各种复杂的精密设备对电能质量非常敏感，生产过程的自动化和智能化对电能质量也提出了更高的要求，因此电力部门与用户对电能质量的改善提出了迫切需求。在电力系统中，提高系统运行稳定性的问题目益突出，大功率冲击性负荷和不平衡负荷也日益严重，冲击性的无功功率的负载，会使电压产生剧烈的波动，例如电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，使电网的供电质量更加恶化。对于大中型用电用户引起的电压波动会危害连接在其公共供电点的其他用户的电工设备，必须进行治理。有效和经济的方法是采用相应的动态无功功率补偿。功率因数的提高，不仅能提高供电设备的供电能力，而且可以降低电力系统的电压损失，减少电压波动，改善电能质量，降低电能损耗，从而节省电力提高企业的经济效益。1.2 无功补偿技术的历程早期的无功补偿技术主要用于运动无功补偿装置中，该类型装置的典型代表是同步调相机，同步调相机是一种旋转的机械，其损耗、噪声都很大，属于运动无功补偿装置，能进行动态的无功补偿。它是单独装设的、不与任何传动装置相连的、并且预定只以补偿方式运行的同步电动机。对同步电动机来说，补偿运行方式实质上就是在过励或欠励的情况下空载运行的方式。这时，电动机中的损失是由电网供给其定子的有功电能来补偿。同步调相机属于一个均匀调整的容性或感性负荷。当此负荷相当大时，对供电网的运行状态，亦即对电网中的损失和电压数值，均有显著程度的影响。同步调相机能像同步发电机一样地快速增加励磁，这对供电网在事故时恢复正常运行状态来说具有很大意义。在这些情况下，装设在负荷中心附近地区的同步调相机可使用户的电压维持在较高的水平。随着控制技术的进步，它正被静止无功补偿装置（SVC）所取代。电力系统中的大部分负荷是电感性的，其主要需要电容性无功功率的补偿，来补偿感性负荷消耗的部分无功功率，因此在受电端合理配置无功，可以提高供用电系统及负载的功率因数、降低设备容量、提高供电能力、减少功率损耗。早期的SVC是饱和电抗器（SR）型的，尽管它具有静止型的优点，但它需要工作在饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性的问题，因而未能占据SVC 的主流。电容器是静止设备，具有运行维护简单、无噪音、损耗低、效率高的特点，使并联电容器补偿方式具有结构简单、控制方便的优点，因此它在补偿方面得到了广泛应用。并联电容器补偿可采用固定电容器（FC）补偿和开关投切电容器自动补偿两种形式。前者由于不能调节，不能进行动态补偿；后者采用开关投切电容器，能进行动态无功补偿，在无功补偿中占据重要地位。早期的动态无功补偿装置多采用接触器来投切电容器，但此类产品在投入时电容器的初始电压为零，而在合闸瞬间，电网电压又往往不为零，使加在电容器两端的电压突然升高，进而产生一个很大的冲击涌流。在合闸瞬间冲击涌流可能达到额定电流的几十倍，不仅对电网造成冲击，而且影响电容器的使用寿命。这种机械开关投切速度较慢，不能快速跟踪负荷无功功率的变化；而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，可能使电容器承受过电压而击穿；接触器触头易受电弧作用而烧毁或粘结，严重影响开关本身的使用寿命。后来出现了专用于投切电容器的接触器，通过加入限流电阻来抑制涌流。以此类接触器投切电容器，涌流一般能控制在额定电流的20倍以内（通常为100倍左右）。这类加预投电阻的专用接触器整体体积较大，由于涌流仍会使交流接触器触头烧毁或粘结，在工作时也没有真正解决浪涌电流问题，始终是影响开关本身使用寿命的根本原因。因此它逐渐被无触点的电力电子器件所代替。1977年，美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了一种使用可控硅控制的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院（EPRI）的支持下，西屋电气公司（Westinghouse Electric Corp）制造的使用可控硅控制的静止无功补偿装置投入实际运行。在90年代后期，随着电力电子技术的迅速发展及半导体电力器件的成熟化，可控硅广泛地应用于SVC装置中，占据了静止无功补偿装置的主导地位。此类产品采用单片机控制大功率可控硅，在检测到电网电压过零时，开关触发导通，电容器上电压缓慢上升而无合闸涌流冲击，从根本上解决了电力电容器投切时交流接触器经常烧结而损坏的不良情况。但在实际运行中，无触点开关也暴露出其不足之处：由于可控硅导通后，存在0.7V的结压降，因而会产生谐波电流，影响电容器的正常运行；可控硅本身不能快速关断，因此开关在断开时，两端容易承受过高的反向电压而被烧毁；可控硅的大功耗特性使其在长期运行中，会产生较大的热量，从而引起过高的温升，影响它正常工作。通过分析这两种不同开关的特点可知：机械式接触器不能准确地做到开关两端电压过零时闭合，在电流过零时切断，而无触点可控硅能做到这一点。相反，在开关闭合工作时可控硅会产生损耗和电压电流谐波，而机械式接触器却能避免这些问题。后来，市场上就有了复合开关的出现，它采用无触点开关和机械开关并联的工作结构，投切瞬间无触点可控硅导通，正常工作时机械触点接入回路并且可控硅退出工作，这样很好地解决了冲击涌流和谐波问题，使复合开关具有使用寿命长，动作可靠的特点。这种类型的投切开关在低压无功补偿中得到广泛的应用，在市场上占据了重要地位，是目前应用最广泛的投切开关。1.3 无功补偿的意义无功补偿的意义： 补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。 减少发、供电设备的设计容量，减少投资，例如当功率因数cos=0.8增加到cos=0.95时，装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW；反之，增加0.52KW对原有设备而言，相当于增大了发、供电设备容量。因此，对新建、改建工程，应充分考虑无功补偿，便可以减少设计容量，从而减少投资。 降低线损，由公式%=（1-cos/cos）100%得出其中cos为补偿后的功率因数，cos为补偿前的功率因数则： coscos，所以提高功率因数后，线损率也下降了，减少设计容量、减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。所以，功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。 1.4 就地无功补偿的优点和注意事项电网中常用的无功补偿方式包括： 集中补偿：在高低压配电线路中安装并联电容器组； 分组补偿：在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器； 单台电动机就地补偿：在单台电动机处安装并联电容器等。 加装无功补偿设备，不仅可使功率消耗小，功率因数提高，还可以充分挖掘设备输送功率的潜力。 确定无功补偿容量时，应注意以下两点： 在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功造成功率损耗增加，也是不经济的。 功率因数越高，每千伏补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，将功率因数提高到0.95就是合理补偿 就三种补偿方式而言，无功就地补偿克服了集中补偿和分组补偿的缺点，是一种较为完善的补偿方式： 因电容器与电动机直接并联，同时投入或停用，可使无功不倒流，保证用户功率因数始终处于滞后状态，既有利于用户，也有利于电网。 有利于降低电动机起动电流，减少接触器的火花，提高控制电器工作的可靠性，延长电动机与控制设备的使用寿命。 无功就地补偿容量可以根据以下经验公式确定：QU0式中：Q-无功补偿容量（kvar）；U-电动机的额定电压（V）；0-电动机空载电流（A）；但是无功就地补偿也有其缺点：不能全面取代高压集中补偿和低压分组补偿；众所周之，无功补偿按其安装位置和接线方法可分为：高压集中补偿、低压分组补偿和低压就地补偿。其中就地补偿区域最大，效果也好。但它总的电容器安装容量比其它两种方式要大，电容器利用率也低。高压集中补偿和低压分组补偿的电容器容量相对较小，利用率也高，且能补偿变压器自身的无功损耗。为此，这三种补偿方式各有应用范围，应结合实际确定使用场合，各司其职。无功补偿常出现的问题1、电容器损坏频繁。 2、电容器外熔断器在投切电容器组及运行中常发生熔断。 3、电容器组经常投入使用率低。 针对以上问题，我们认为有必要进行专题研究，对无功补偿设备进行综合整治，以达到无功补偿设备使用化运行，提高电网电压无功质量和电能合格率。针对上述情况我们分析可能存在的原因如下： 1、电容器损坏主要原因由于在选择电压等级时没有考虑谐波背景的影响，造成所选择的电压等级偏低，长期运行电容器将容易损坏。 2、电容器外熔断器经常发生熔断，主要是合闸涌流对熔断器的冲击或者熔断器额定电流的选择偏小造成的，或是不同电抗率组别的电容器组投切顺序不当所致。 第2章 无功补偿原理2.1 名词解释当电网电压的波形为正弦波，且电压与电流同相位时，电阻性电气设备如白炽灯、电热器等从电网上获得的功率P等于电压U和电流I的乘积，即：P=UI。电感性电气设备如电动机和变压器等由于在运行时需要建立磁场，此时所消耗的能量不能转化为有功功率，故被称为无功功率Q。此时电流滞后电压一个角度f。在选择变配电设备时所根据的是视在功率S，即有功功率和无功功率的几何和：S =（P2 + Q2）1/2无功功率为:Q=（S2 - P2）1/2有功功率与视在功率的比值为功率因数:cosf=P/S无功功率的传输加重了电网负荷，使电网损耗增加，故需对其进行就近和就地补偿。并联电容器可补偿或平衡电气设备的感性无功功率。当容性无功功率QC等于感性无功功率QL时，电网只传输有功功率P。根据国家有关规定，高压用户的功率因数应达到0.9以上，低压用户的功率因数应达到0.85以上。如果选择电容器功率为Qc，则功率因数为：cosf= P/ (P2 + (QL- QC)2)1/2在实际工程中首先应根据负荷情况和供电部门的要求确定补偿后所需达到的功率因数值，然后再计算电容器的安装容量：Qc = P(tanf1 - tanf2)式中:Qc一电容器的安装容量，kvarP一系统的有功功率，kWtanf1一补偿前的功率因数角tanf2一补偿后的功率因数角 无功功率补偿： 无功功率补偿的基本原理是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理。力率电费：是指电力用户感性负载无功消耗量过大，造成功率因数低于国家标准，从而按电费额的百分比追收的电费（详细了解力率电费调整办法）。过零模块：采样及触发可控硅（晶闸管）。是通过过零模块对可控硅两端进行采样，当可控硅两端电压为零时，触发可控硅，使电容器投入或切除。投入时无涌流，切除时无过电压。涌流及过电压：涌流是将电容器投入时瞬间产生的电流如接触器投入电容器时采用不了过零点，所以当电容器投入时瞬间相当于短路，产生的电流会比电容器额定电流大几十倍或上百倍同时会将电容器的极板的许多耐压薄弱点击穿，造成电容器无法储存能量，影响电容器的使用寿命所以接触器式电容柜不可以频繁投切。电压是将电容器切除时瞬间产生的电压切除时由于电网电压与电容器的端电压产生迭加，从而产生过电压。投切振荡：当投入电容器时出现过补偿，切除后又欠补偿，造成电容器来回频繁投切，产生振荡。过补和欠补：欠补是指用电系统中感性无功大于容性无功。过补是指用电系统中容性无功大于感性无功。编码式投切：是指控制器投入电容器时采取的一种方式例：现做一台100KVAR的电容柜。1、无编码：可做10路，每路10KVAR，以10KVAR等级投切。2、有编码：可做6路，前两路每路为10KVAR，后4路每路20KVAR，投切等级也为10KVAR。两种方法比较起来都以10KVAR等级进行投切，无编码用了10路，而有编码的只用了6路就可达到同样的效果，减少了4回路。降低了产品的成本。响应速度：接触器动作时间为几百毫秒。（机械）可控硅(采样和触发)20毫秒就能将电容器投入。（电子）谐 波：是由于非线性负载所引起电压及电流的畸变，污染电网，是电气设备的一种公害。反送无功的害处：反送无功与无功欠补偿同样会使电压电流产生电位差，造成功率因数过低。如果长期向电网反送大量的无功，将会引起电网电压升高造成对电网的污染，严重时会造成电网崩溃耗（电业局不允许长期向电网反送无功）。投切信号的比较：功率因数，无功电流，无功功率三种方式。1. 功率因数：用功率因数作为电容器投切信号的一种方式。如果系统功率因较低，无功功率又比较小，投入电容器又过补，过补后在切，就容易产生投切振荡2. 无功电流及无功功率：用无功电流或无功功率作为电容器投切信号的一种方式，采系统中无功电流或无功功率，当系统中无功功率小于控制器所设置的参数，控制器不发出投入电容器的信号，避免了投切振荡。减少了动作次数。就地补偿：全国供用电规则规定：无功电力应就地平衡。就地补偿是指针对于某一台设备进行补偿，安装在设备附近，具有投资少、体积小、安装方便，补偿效果好等特点就地补偿适用于单台设备容量较大，电力用户输电线路较长。就地平衡无功电流。使电压质量得到保证，减少线路损耗。2.2 无功补偿的原理2.2.1、无功补偿的原理 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其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。 无功功率比较抽象，它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。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。 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。 打个比方，农村修水利需要开挖土方运土，运土时用竹筐装满土，挑走的土好比是有功功率，挑空竹筐就好比是无功功率，竹筐并不是没用，没有竹筐泥土怎么能运到堤上? 在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。 但是从发电机和高压输电线供给的无功功率远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。 无功补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。 无功补偿可以改善电能质量、降低电能损耗、挖掘发供电设备潜力、无功补偿减少用户电费支出，是一项投资少，收效快的节能措施。 不过在确定无功补偿容量时应注意在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功功率势必造成功率损耗增加；另外功率因数越高，补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，将功率因数提高到0.95就是合理补偿电网输出的功率包括两部分;一是有功功率;二是无功功率.直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能,化学能或声能,利用这些能作功,这部分功率称为有功功率;不消耗电能;只是把电能转换为另一种形式的能,这种能作为电气设备能够作功的必备条件,并且,这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能.电流在电感元件中作功时,电流超前于电压90.而电流在电容元件中作功时,电流滞后电压90.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小,从而提高电能作功的能力,这就是无功补偿的道理. 补偿以后好处显而易见：(1)补偿无功功率,可以增加电网中有功功率的比例常数(2)减少发,供电设备的设计容量,减少投资,例如当功率因数cos=0.8增加到cos4=0.95时,装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW;反之,增加0.52KW.对原有设备而言,相当于增大了发,供电设备容量.因此,对新建,改建工程.应充分考虑无功补偿,便可以减少设计容量,从而减少投资.(3)降低线损,由公式P%=(1-cos/cos)X100%得出其中cos为补偿后的功率因数,cos为补偿前的功率因数则coscos,所以提高功率因数后,线损率也下降了.减少设计容量,减少投资,增加电网中有功功率的输送比例,以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益.所以,功率因数是考核经济效益的重要指标,规划、实施无功补偿势在必行.2.2.2 无功补偿的原则及组合元件提高用电单位的自然功率因数,无功补偿分为集中补偿,分散补偿和随机随器补偿,应该遵循：全面规划,合理布局,分级补偿,就地平衡；集中补偿与分散补偿相结合,以分散补偿主;高压补偿与低压补偿相结合,以低压补偿为主；调压与降损相结合，以降损为主的原则.低压无功补偿设备的组合元件：无功功率自动补偿控制器根据电网无功功率是否达到无功设定值来控制电力电容器的投入和切除,并且有过,欠电压保护功能 无触点可控硅模块或智能复合开关电容器(内带放电电阻)熔断器电流互感器 避雷器开关电抗器(对无触点开关起到过电流保护作用;对防止电容器过电流也起到抑制作用)另外,还装配监视用的电压表,电流表,功率因数表和信号指示灯等.2.3 无功补偿投切方式无功就地补偿容量可以根据以下经验公式确定：QU0式中：Q-无功补偿容量（kvar）；U-电动机的额定电压（V）；0-电动机空载电流（A）；但是无功就地补偿也有其缺点：不能全面取代高压集中补偿和低压分组补偿；众所周之，无功补偿按其安装位置和接线方法可分为：高压集中补偿、低压分组补偿和低压就地补偿。其中就地补偿区域最大，效果也好。但它总的电容器安装容量比其它两种方式要大，电容器利用率也低。高压集中补偿和低压分组补偿的电容器容量相对较小，利用率也高，且能补偿变压器自身的无功损耗。为此，这三种补偿方式各有应用范围，应结合实际确定使用场合，各司其职。2.3.1 延时投切方式延时投切方式即俗称的静态补偿方式。延时投切的目的在于防止过于频繁的动作使电容器造成损坏，更重要的是防备电容不停的投切导致供电系统振荡，这是很危险的。 延时投切方式用于控制电容器投切的器件可以是投切电容器专用接触器、复合开关或者同步开关。 投切电容器专用接触器有一组辅助接点串联电阻后与主接点并联。在投入过程中辅助接点先闭合，与辅助接点串联的电阻使电容器预充电，然后主接点再闭合，于是就限制了电容器投入时的涌流。 复合开关就是将晶闸管与继电器接点并联使用，由晶闸管实现电压过零投入与电流过零切除，由继电器接点来通过连续电流，这样就避免了晶闸管的导通损耗问题，也避免了电容器投入时的涌流。但是复合开关既使用晶闸管又使用继电器，于是结构就变得比较复杂，成本也比较高，并且由于晶闸管对过流、过压及对dv/dt的敏感性也比较容易损坏。在实际应用中，复合开关故障多半是由晶闸管损坏所引起的 同步开关是近年来最新发展的技术，顾名思义，就是使机械开关的接点准确地在需要的时刻闭合或断开。对于控制电容器的同步开关，就是要在接点两端电压为零的时刻闭合，从而实现电容器的无涌流投入，在电流为零的时刻断开，从而实现开关接点的无电弧分断。由于同步开关省略了晶闸管，因此不仅成本降低，而且可靠性提高。同步开关是传统机械开关与现代电子技术完美结合的产物，使机械开关在具有独特技术性能的同时，其高可靠性以及低损耗的特点得以充分显示出来。 当电网的负荷呈感性时，如电动机、电焊机等负载，这时电网的电流滞带后电压一个角度，当负荷呈容性时，如过补偿状态，这时电网的电流超前于电压的一个角度，功率因数超前或滞后是指电流与电压的相位关系。通过补偿装置的控制器检测供电系统的物理量，来决定电容器的投切，这个物理量可以是功率因数或无功电流或无功功率。 下面就功率因数型举例说明。当这个物理量满足要求时，如cos超前且0.98，滞后且0.95，在这个范围内，此时控制器没有控制信号发出，这时已投入的电容器组不退出，没投入的电容器组也不投入。当检测到cos不满足要求时，如cos滞后且0.95，那么将一组电容器投入，并继续监测cos如还不满足要求，控制器则延时一段时间（延时时间可整定），再投入一组电容器，直到全部投入为止。当检测到超前信号如cos0.98,即呈容性载荷时，那么控制器就逐一切除电容器组。要遵循的原则就是：先投入的那组电容器组在切除时就要先切除。如果把延时时间整定为300s，而这套补偿装置有十路电容器组，那么全部投入的时间就为50分钟，切除也这样。在这段时间内无功损失补只能是逐步到位。如果将延时时间整定的很短，或没有设定延时时间，就可能会出现这样的情况。当控制器监测到cos0.95，迅速将电容器组逐一投入，而在投入期间，此时电网可能已是容性负载即过补偿了，控制器则控制电容器组逐一切除，周而复始，形成震荡，导致系统崩溃。是否能形成振荡与负载的性质有密切关系，所以说这个参数需要根据现场情况整定，要在保证系统安全的情况下，再考虑补偿效果。 延时投切器件如下：1，交流接触器控制投入型补偿装置。由于电容器是电压不能瞬变的器件，因此电容器投入时会形成很大的涌流，涌流最大时可能超过100倍电容器额定电流。涌流会对电网产生不利的干扰，也会降低电容器的使用寿命。为了降低涌流，现在大部分补偿装置使用电容器投切专用接触器，这种接触器有1组串联限流电阻与主触头并联的辅助触头，在接触器吸合的过程中，辅助触头首先接通，使电容器通过限流电阻接入电路进行预充电，然后主触头接通将电容器正常接入电路，通过这种方式可以将涌流限制在电容器额定电流的20倍以下。 此类补偿装置价格低廉，可靠性较高，应用最为普遍。由于交流接触器的触头寿命有限，不适合频繁投切，因此这类补偿装置不适用频繁变化的负荷情况。 2.晶闸管控制投入型补偿装置。这类补偿装置就是SVC分类中的TSC子类。由于晶闸管很容易受涌流的冲击而损坏，因此晶闸管必须过零触发，就是当晶闸管两端电压为零的瞬间发出触发信号。过零触发技术可以实现无涌流投入电容器，另外由于晶闸管的触发次数没有限制，可以实现准动态补偿（响应时间在毫秒级），因此适用于电容器的频繁投切，非常适用于频繁变化的负荷情况。晶闸管导通电压降约为1V左右，损耗很大（以额定容量100Kvar的补偿装置为例，每相额定电流约为145A，则晶闸管额定导通损耗为14513=435W），必须使用大面积的散热片并使用通风扇。晶闸管对电压变化率（dv/dt）非常敏感，遇到操作过电压及雷击等电压突变的情况很容易误导通而被涌流损坏，即使安装避雷器也无济于事，因为避雷器只能限制电压的峰值，并不能降低电压变化率。 此类补偿装置结构复杂，价格高，可靠性差，损耗大，除了负荷频繁变化的场合，在其余场合几乎没有使用价值。 3复合开关控制投入型补偿装置。复合开关技术就是将晶闸管与继电器接点并联使用，由晶闸管实现电压过零投入与电流过零切除，由继电器接点来通过连续电流，这样就避免了晶闸管的导通损耗问题，也避免了电容器投入时的涌流。但是复合开关技术既使用晶闸管又使用继电器，于是结构就变得相当复杂，并且由于晶闸管对dv/dt的敏感性也比较容易损坏。 4同步开关投入型补偿装置。同步开关技术是近年来最新发展的技术，顾名思义，就是使机械开关的接点准确地在需要的时刻闭合或断开。对于控制电容器的同步开关，就是要在开关接点两端电压为零的时刻闭合，从而实现电容器的无涌流投入，在电流为零的时刻断开，从而实现开关接点的无电弧分断。 同步开关技术中拒绝使用可控硅，因此仍然不适用于频繁投切。可以预见：使用磁保持继电器的同步开关必将替代复合开关和交流接触器。 2.3.2 瞬时投切方式瞬时投切方式即人们熟称的动态补偿方式，应该说它是半导体电力器件与数字技术综合的技术结晶，实际就是一套快速随动系统，控制器一般能在半个周波至1个周波内完成采样、计算，在2个周期到来时，控制器已经发出控制信号了。通过脉冲信号使晶闸管导通，投切电容器组大约20-30毫秒内就完成一个全部动作，这种控制方式是机械动作的接触器类无法实现的。动态补偿方式作为新一代的补偿装置有着广泛的应用前景。现在很多开关行业厂都试图生产、制造这类装置且有的生产厂已经生产出很不错的装置。当然与国外同类产品相比从性能上、元器件的质量、产品结构上还有一定的差距。 动态补偿的线路方式 1 LC串接法 这种方式采用电感与电容的串联接法，调节电抗以达到补偿无功损耗的目的。从原理上分析，这种方式响应速度快，闭环使用时，可做到无差调节，使无功损耗降为零。从元件的选择上来说，根据补偿量选择1组电容器即可，不需要再分成多路。既然有这么多的优点，应该是非常理想的补偿装置了。但由于要求选用的电感量值大，要在很大的动态范围内调节，所以体积也相对较大，价格也要高一些，再加一些技术的原因，这项技术到目前来说还没有被广泛采用或使用者很少。 2 采用电力半导体器件 作为补偿装置所采用的半导体器件一般都采用晶闸管，其优点是选材方便，电路成熟又很经济。其不足之处是元件本身不能快速关断，在意外情况下容易烧毁，所以保护措施要完善。当解决了保护问题，作为电容器组投切开关应该是较理想的器件。动态补偿的补偿效果还要看控制器是否有较高的性能及参数。很重要的一项就是要求控制器要有良好的动态响应时间，准确的投切功率，还要有较高的自识别能力，这样才能达到最佳的补偿效果。 当控制器采集到需要补偿的信号发出一个指令（投入一组或多组电容器的指令），此时由触发脉冲去触发晶闸管导通，相应的电容器组也就并入线路运行。需要强调的是晶闸管导通的条件必须满足其所在相的电容器的端电压为零，以避免涌流造成元件的损坏，半导体器件应该是无涌流投切。当控制指令撤消时，触发脉冲随即消失，晶闸管零电流自然关断。关断后的电容器电压为线路电压交流峰值，必须由放电电阻尽快放电，以备电容器再次投入。 元器件可以选单相晶闸管反并联或是双向晶闸管，也可选适合容性负载的固态接触器，这样可以省去过零触发的脉冲电路，从而简化线路，元件的耐压及电流要合理选择，散热器及冷却方式也要考虑周全。 2.3.3 混合投切方式 实际上就是静态与动态补偿的混合，一部分电容器组使用接触器投切，而另一部分电容器组使用电力半导体器件。这种方式在一定程度上可做到优势互补，但就其控制技术，目前还见到完善的控制软件，该方式用于通常的网络如工矿、小区、域网改造，比起单一的投切方式拓宽了应用范围，节能效果更好。补偿装置选择非等容电容器组，这种方式补偿效果更加细致，更为理想。还可采用分相补偿方式，可以解决由于线路三相不平行造成的损失。2.4 无功功率补偿装置的选择无功功率补偿控制器有三种采样方式，功率因数型、无功功率型、无功电流型。选择那一种物理控制方式实际上就是对无功功率补偿控制器的选择。控制器是无功补偿装置的指挥系统，采样、运算、发出投切信号，参数设定、测量、元件保护等功能均由补偿控制器完成。十几年来经历了由分立元件-集成线路-单片机-DSP芯片一个快速发展的过程，其功能也愈加完善。就国内的总体状况，由于市场的需求量很大，生产厂家也愈来愈多，其性能及内在质量差异很大，很多产品名不符实，在选用时需认真对待。在选用时需要注意的另一个问题就是国内生产的控制器其名称均为XXX无功功率补偿控制器，名称里出现的无功功率的含义不是这台控制器的采样物理量。采样物理量取决于产品的型号，而不是产品的名称。 2.4.1功率因数型控制器功率因数用cos表示，它表示有功功率在线路中所占的比例。当cos=1时，线路中没有无功损耗。提高功率因数以减少无功损耗是这类控制器的最终目标。这种控制方式也是很传统的方式，采样、控制也都较容易实现。 * 延时整定，投切的延时时间，应在10s-120s范围内调节 灵敏度整定，电流灵敏度，不大于0-2A 。 * 投入及切除门限整定，其功率因数应能在0.85（滞后）-0.95（超前）范围内整定。 * 过压保护设量 * 显示设置、循环投切等功能 这种采样方式在运行中既要保证线路系统稳定、无振荡现象出现，又要兼顾补偿效果，这是一对矛盾，只能在现场视具体情况将参数整定在较好的状态下工作。即使调整的较好，也无法祢补这种方式本身的缺陷，尤其是在线路重负荷时。举例说明：设定投入门限；cos=0.95（滞后）此时线路重载荷，即使此时的无功损耗已很大，再投电容器组也不会出现过补偿，但cos只要不小于0.95，控制器就不会再有补偿指令，也就不会有电容器组投入，所以这种控制方式建议不做为推荐的方式。 2.4.2 无功功率（无功电流）型控制器无功功率（无功电流）型的控制器较完善的解决了功率因数型的缺陷。一个设计良好的无功型控制器是智能化的，有很强的适应能力，能兼顾线路的稳定性及检测及补偿效果，并能对补偿装置进行完善的保护及检测，这类控制器一般都具有以下功能： * 四象限操作、自动、手动切换、自识别各路电容器组的功率、根据负载自动调节切换时间、谐波过压报警及保护、线路谐振报警、过电压保护、线路低电流报警、电压、电流畸变率测量、显示电容器功率、显示cos、U、I、S、P、Q及频率。 由以上功能就可以看出其控制功能的完备，由于是无功型的控制器，也就将补偿装置的效果发挥得淋漓尽致。如线路在重负荷时，那怕cos已达到0.99（滞后），只要再投一组电容器不发生过补，也还会再投入一组电容器，使补偿效果达到最佳的状态。采用DSP芯片的控制器，运算速度大幅度提高，使得富里叶变换得到实现。当然，不是所有的无功型控制器都有这么完备的功能。国内的产品相对于国外的产品还存在一定的差距。 2.4.3 用于动态补偿的控制器对于这种控制器要求就更高了，一般是与触发脉冲形成电路一并考虑的，要求控制器抗干扰能力强，运算速度快，更重要的是有很好的完成动态补偿功能。由于这类控制器也都基于无功型，所以它具备静态无功型的特点。 目前，国内用于动态补偿的控制器，与国外同类产品相比有较大的差距，一是在动态响应时间上较慢，动态响应时间重复性不好；二是补偿功率不能一步到位，冲击电流过大，系统特性容易漂移，维护成本高、造成设备整体投资费用高。另外，相应的国家标准也尚未见到，这方面落后于发展。 第3章 无功补偿计算3.1 交流电动机就地无功补偿容量的计算及应用三相异步交流电动机具有结构简单，运行可靠，价格低，维护方便等一系列优点。因此三相异步电动机被广泛应用在电力拖动系统中，尤其是随着电子技术的日新月异，使得三相异步电动机的性能得到了大大的提高。目前三相异步电动机被广泛用在各个工业自动化电气控制领域中，就不得不对它的某些性能进行探索。3.1.1 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系。由于转速与转差率有一定的对应关系，所以机械特性也常用转矩，转差率之间按一定的对应关系成立。三相异步电动机的电磁转矩是由转子电流和主滋通相互作用所产生的。转子电流与气隙磁密度作用产生电磁力，遵守电磁力定律，但是由于转子电流滞后转子电动势，在气隙磁场同一极性下面的各转子有效导体中，电流方向不会相同，所以电磁转矩与转子电路的功率因数有关。1主磁通决定于定子电动势，而定子电动势则决定于定子的电压平衡关系，当定子漏阻抗电压降可以忽略不计时，定子电动势与电网电压相平衡，因为电网电压实际上是恒定的，所以主磁通可以近似认为是恒定的。但是当转差率较大时，定子电流较大，定子漏阻抗电压降不能忽略。转差率增大使转子电动势增大，尽管转子漏抗也增大，但转子漏阻抗的增大比转子漏抗的增大要小，所以转子电流随转差率的增大而增大。转子电阻不随转差率的增大而减小。用电磁转矩与转差率之间的关系，绘制出三相异步电动机的特性是一条曲线。而三相异步电动机的机械特性曲线具有比较复杂的形状。当转速等于同步转速时，转子频率等于零，转子漏抗等于零，转子功率因数等于1。但因转子感应电动势等于零，转子电流等于零，所以电磁转矩等于零。三相异步电动机只有在理想空载下，才能不依靠外力以同步转速旋转。实际条件下，以同步转速旋转就是指靠外力克服所有静阻转矩的情况。随着转速从同步转速开始降低，转子绕组中有感应电动势和感应电流。转差率增大使转子电动势和转子电流均增大，使转子功率因数降低，主磁通也有所减小。当转速较高即转差率较小时，转子漏抗比转子电阻要小很多，转子电流随转差率增加而增加较快，转子功率因数则减小较慢。随着转速进一步降低，转子漏抗相对于转子电阻越来越大，使转子电流增加较慢而转子功率因数减小较快，又因定子电流较大，主磁通随转速降低而减小越来越明显，使得电磁转矩随转速降低而减小。虽然三相异步电动机能够产生的最大转矩是临界转矩，但是如果劳动恰好等于临界转矩的静负载是不能稳定运行的。根据三相异步电动机的机械特性。因为只要出现扰动使转速稍有降低，就会导致拖动系统减速直到停止。因此，设计电动机时都把额定转矩确定为临界转矩一半左右。2用最大转矩与额定转矩之比来衡量电动机短时间允许超过额定负载的能力。因为，额定转矩是按照发热条件允许的最大转矩，如果使异步电动带动接近于临界转矩的负载长时间运行，就会使电动机因过热而损坏。3.1.2 电动机的功率因数功率因数是 指有功功率与视在功率的比值。通俗地讲就是用电设备的实际出力与用电设备的容量的比值。提高功率因数能提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作，能提高企业用电设备的利用率，削减感性负载于电源之间原有能量交换等。异步电动机运行的前提是在气隙内建立主磁场，并随之在某些部位有了漏磁场，这就需要滞后的无功电流和无功功率，所以它的功率因数必然是滞后的。空载时，定子电流仅有微小的铁损耗电流是有功分量，功率因数很低，约为0.10.2。负载增加，转子电流有功分量增加，定子电流有功分量也随之增加，功率因数提高。额定负载附近，功率因数达最大。如果负载进一步增加，转速下降较多，转差率增加较大，转子功率因数角增加，因此两个转子功率因数角的余弦值都随之下降。一般电动机额定负载时的功率因数约在0.750.90范围内。3.1.3 电动机无功补偿的分类电动机的无功补偿属于末端补偿，通常又称为就地补偿。从安装位置和被补偿电动机参数的角度来讲，其又可分为单机就地补偿和分散就地补偿。单台电动机就地补偿，就是将补偿电容器安装在电机附近，且是单独给该台电动机进行无功补偿。分散就地补偿，是将补偿电容器安装在多台电动机组附近，对多台电机进行无功补偿，如接在车间动力箱出线侧母线上。这里讲的分散组是相对于总配电房的集中补偿而言。对不需要频繁操作的电容器。可用空气断路器操作，而对于需要经常操作的并联电容器，可用专用交流接触器操作。单机就地补偿主要适合用于年运行时间较长的电动机。在实际工作中，综合考虑技术和经济等各种因素，不可一概而论，而应和分散补偿及中补偿的其他方式相配合，以取得最佳的经济效益。采用电容补偿电动机无功功率，以中小型电动机为主要对象。考虑到节能，节约的实际效益，对年利用小时数很少的，经常停用的中小型电动机一般不采用就地补偿方式。3另外，为了降低补偿技术的复杂性，对高速电机，经济反复开停的，点动，堵转