低電壓無(wú)功補(bǔ)償投切電容器裝置研究

0引言

在工業(yè)低電壓系統(tǒng)中,感性負(fù)載電動(dòng)機(jī)作為生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿κ褂脭?shù)量巨大,使得低壓電網(wǎng)的功率因數(shù)大大降低,低壓電網(wǎng)中存在較大的無(wú)功功率,無(wú)功功率的存在會(huì)引起電路損耗增加、線路溫升過(guò)高或投資增加、用電設(shè)備電壓下降等問(wèn)題,系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性都受到影響,所以必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,提升系統(tǒng)的功率因數(shù)。

在工業(yè)低電壓系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ性谧兣潆娛壹醒a(bǔ)償,或在大功率負(fù)載旁邊加裝電力電容器等方式。

電力電容器在投入或切除時(shí)由于其電壓不能突變,會(huì)在系統(tǒng)中出現(xiàn)涌流i=C·du/dt，接通單組電容器時(shí)涌流可達(dá)50倍額定電流,接通一組電容器時(shí)涌流可超過(guò)160倍^[1],這樣大的電流會(huì)對(duì)電容器本身、線路中的其他電器或線路造成沖擊,甚至損壞設(shè)備。因此,抑制電力電容器投入時(shí)的涌流顯得非常重要。

1無(wú)功補(bǔ)償投切電容器裝置的分類

在工業(yè)低電壓系統(tǒng)中,常用的有效抑制涌流的電力電容器投切裝置一般有三類。

1.1 切換電容器接觸器

切換電容器接觸器是傳統(tǒng)的低壓電力電容器的投切裝置,是在三相交流接觸器的基礎(chǔ)上每極加裝了一組限流電阻和先通型的切換觸點(diǎn),其原理圖如圖1所示^[2]。

具體工作原理是當(dāng)切換電容器接觸器線圈得電時(shí),銜鐵帶動(dòng)所有動(dòng)觸頭支架動(dòng)作,首先先通型觸點(diǎn)閉合,將限流電阻串入回路,電力電容器在限制涌流的情況下投入系統(tǒng)。隨著觸頭支架運(yùn)動(dòng),接觸器的主觸點(diǎn)閉合,完全將電力電容器投入系統(tǒng)。此時(shí)觸頭支架繼續(xù)前行,先通型觸點(diǎn)的鎖扣裝置被打開(kāi),從觸頭支架上脫離被反力簧彈出電力電容器運(yùn)行回路。接觸器吸合結(jié)束后由主觸頭為電力電容器正常供電運(yùn)行。切除電力電容器時(shí)接觸器線圈斷電,主觸頭斷開(kāi)電路。

盡管切換電容器接觸器在投切時(shí)能夠限制涌流,保持在投切電容器裝置要求的20倍額定電流以內(nèi)^[3],但依然存在由于投切時(shí)機(jī)的不確定而可能產(chǎn)生較大涌流的現(xiàn)象。這樣的涌流也有將限流電阻絲燒斷的風(fēng)險(xiǎn),限流電阻燒斷后切換電容器接觸器則成為普通交流接觸器,進(jìn)而出現(xiàn)涌流會(huì)燒毀電容、熔焊觸點(diǎn)等更大的運(yùn)行故障。

1.2晶閘管投切電容器裝置(TSC)

晶閘管投切電容器裝置能夠很好地限制涌流的產(chǎn)生,其主要結(jié)構(gòu)包括晶閘管\檢測(cè)電路\驅(qū)動(dòng)電路和控制器等,基本工作原理圖如圖2所示^[4]。

其工作原理是利用晶閘管導(dǎo)通時(shí)間可控的優(yōu)勢(shì),當(dāng)晶閘管兩端電壓基本相同時(shí)觸發(fā)其導(dǎo)通。在控制器接到需要投入該組電容器組的指令時(shí),控制器依據(jù)檢測(cè)電路獲取的晶閘管兩端的電壓判斷投切時(shí)機(jī),當(dāng)檢測(cè)到晶閘管兩端電壓為零時(shí)控制器給驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通信息,驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通回路。

當(dāng)電源電壓和電容器兩端電壓基本相同時(shí)投入電容器,電壓過(guò)零投入時(shí)能很好地抑制涌流。但晶閘管的管壓降在1~3.5 V,存在功率損耗大、散熱器體積大等缺陷,在高壓場(chǎng)合較為適用。

1.3 復(fù)合開(kāi)關(guān)投切電容器裝置

結(jié)合交流接觸器的觸頭接觸電阻小和晶閘管能精確無(wú)涌流投入電容器的優(yōu)點(diǎn),復(fù)合開(kāi)關(guān)投切電容器裝置應(yīng)運(yùn)而生,克服了前述主要缺點(diǎn),該裝置先后產(chǎn)生過(guò)兩種形式的產(chǎn)品^[5]。

一種是用三個(gè)磁保持繼電器和三組正反并聯(lián)的晶閘管(也可以是一只晶閘管和一只二極管)組合成三相共補(bǔ)式復(fù)合開(kāi)關(guān)投切裝置。該復(fù)合開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)序?yàn)?晶閘管在其兩端電壓接近零時(shí)被觸發(fā)導(dǎo)通,電力電容器接入電網(wǎng)電路,磁保持繼電器線圈得電觸頭閉合,晶閘管停止觸發(fā)和磁保持繼電器斷電,電力電容器投入完成進(jìn)入正常運(yùn)行;晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通,磁保持繼電器線圈反向得電,觸頭分?jǐn)?晶閘管在電流過(guò)零時(shí)被關(guān)斷,電容器被切換停止運(yùn)行,磁保持繼電器線圈斷電。該結(jié)構(gòu)的復(fù)合開(kāi)關(guān)投切裝置具有電容器正常運(yùn)行時(shí)線圈不通電而節(jié)能的優(yōu)點(diǎn),但有磁保持繼電器機(jī)械壽命短和可能被卡住而不動(dòng)作等缺點(diǎn)。

另一種是把上述復(fù)合開(kāi)關(guān)投切裝置中的三個(gè)磁保持繼電器更換為一個(gè)交流接觸器,動(dòng)作時(shí)序的不同是投入電容器后交流接觸器線圈不斷電;在切除電容器時(shí),晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后交流接觸器線圈斷電,觸頭分?jǐn)?其余均與前述復(fù)合開(kāi)關(guān)投切裝置相同。其優(yōu)點(diǎn)除了磁保持繼電器是復(fù)合開(kāi)關(guān)投切裝置,還有交流接觸器的機(jī)械壽命次數(shù)多,運(yùn)行可靠。

對(duì)比以上三種類型投切電容器裝置,投切性能和穩(wěn)定運(yùn)行性能都在逐步提高,在電氣控制柜智能化和小型化發(fā)展的趨勢(shì)下,更加小型化、智能化、高可靠性、低價(jià)格的投切電容器裝置更受關(guān)注。本文展開(kāi)新型材料SiC電力電子器件用于投切電容器裝置的相關(guān)探討。

2碳化硅器件的無(wú)功補(bǔ)償電容投切裝置研究及仿真

2.1 主電路設(shè)計(jì)及工作原理

主電路方案設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是抑制電容器投切時(shí)的涌流,其次是最大程度滿足體積小、價(jià)格低廉等要素?？傮w設(shè)計(jì)采用交流斬波開(kāi)關(guān)和交流接觸器相結(jié)合的思路,原理圖如圖3所示。

一組交流斬波開(kāi)關(guān)采用MOSFET和二極管串聯(lián)后再反向并聯(lián)的模式;一組交流斬波開(kāi)關(guān)和交流接觸器一相觸頭并聯(lián),共三相。下面以星型連接的電容器組為例,說(shuō)明投切工作流程。電容器投切裝置的檢測(cè)電路、控制電路和觸發(fā)電路等同交流接觸器線圈共用一路電源,該回路得電,就是電容器投切裝置接到投入電容器組的信號(hào),此時(shí)零電壓檢測(cè)電路檢測(cè)兩相(如A、B相)交流斬波開(kāi)關(guān)的線電壓,該值為0 V時(shí)MOSFET同時(shí)被觸發(fā)導(dǎo)通,電容器投入,再過(guò)π/2時(shí),最后一相的MOSFET被觸發(fā)導(dǎo)通,此時(shí)電容器組全部投入。MOSFET的觸發(fā)電路處于持續(xù)觸發(fā)狀態(tài)。在電容器組全部投入后的一個(gè)工頻周期內(nèi),控制電路發(fā)出交流接觸器線圈接通的信號(hào),交流接觸器線圈得電閉合,主觸頭旁路了交流斬波開(kāi)關(guān),系統(tǒng)正常運(yùn)行?？梢栽诮涣鹘佑|器閉合后關(guān)斷交流斬波開(kāi)關(guān),但由于MOSFET的觸發(fā)電路功耗很小,為了運(yùn)行的可靠性,本方案選擇不關(guān)斷的運(yùn)行模式。當(dāng)交流接觸器線圈回路失電,電容器投切裝置停止運(yùn)行, MOSFET關(guān)斷。

2.2 器件的選擇

本文中交流斬波開(kāi)關(guān)是采用MOSFET和二極管為半導(dǎo)體功率器件。第三代半導(dǎo)體材料Sic禁帶寬度大(3.2 eV)、熱導(dǎo)率高(硅材料3倍)、電子飽和遷移速率大(硅材料3倍)、電子密度高、臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高^[6]、導(dǎo)通阻抗低(1 mΩ/cm2)^[7],特別是在較高的擊穿電壓條件下,單極SiC器件的通態(tài)電阻小于硅器件的1/300。目前,用Sic制作的二極管和MOSFET具有導(dǎo)通電阻小、擊穿電壓高、體積小等高性能指標(biāo)。

低電壓無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中,當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管未打開(kāi)時(shí)可能承受2倍峰值電壓的電壓值,接近1 200 V。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí),開(kāi)關(guān)管處于打開(kāi)狀態(tài),一旦需要持續(xù)通流就要求導(dǎo)通電阻小。同時(shí),要盡可能減小產(chǎn)品的體積,因此功率器件選用SiC二極管和MOSFET。

一般情況下,交流接觸器型號(hào)中標(biāo)稱的額定電流為AC—3負(fù)載類別,但交流接觸器可以承受的最大電流為約定發(fā)熱電流。在低電壓無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng),電容器組投入時(shí)由交流斬波開(kāi)關(guān)先導(dǎo)通,切除時(shí)交流接觸器觸頭基本無(wú)電弧產(chǎn)生,因此觸頭的電氣磨損很少。所以,交流接觸器選擇時(shí),一是保證電容器組運(yùn)行電流不超過(guò)交流接觸器的約定發(fā)熱電流為宜,二是選用非頻繁動(dòng)作場(chǎng)合使用的節(jié)銀型交流接觸器。

2.3 電容器投入時(shí)刻的選取

要避免電容器投入時(shí)產(chǎn)生涌流,投入時(shí)刻的選取非常重要。設(shè)電網(wǎng)電壓為標(biāo)準(zhǔn)電壓u=U_msinwt,其中U_m為電壓幅值,w為工頻電壓角頻率,電容器投入瞬間的電流為^[8]:

式中:I_m為穩(wěn)態(tài)時(shí)電流幅值;α為電容器投入時(shí)刻的相位角;Bc=wC為電容器的基波電納,其中C為電容;

u_c0為電 容 器 投入 時(shí)刻 的 剩 余電壓 ;wn=1/√LC=√X_c/X_L·w=nw為電路固有角頻率,其中n表示固有頻率標(biāo)準(zhǔn)值,L為回路電感,Xc、X_L為回路容抗和感抗。

i(t)中的第一項(xiàng)為正常運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流,第二項(xiàng)為投入瞬間電源電壓和電容器電壓差引起的電流振動(dòng)分量,第三項(xiàng)為電源電壓變化率引起的電流振蕩分量,最大為2I_m。

當(dāng)cos α=0時(shí),第三項(xiàng)就為0 A。滿足該條件的投入時(shí)刻是電容器電流過(guò)零的時(shí)刻,也就是電源電壓在峰值時(shí)刻。

當(dāng)u_c0=n²/n²-1·U_msinα?xí)r,第二項(xiàng)就為0 A,滿足該條件的投入時(shí)刻以u(píng)c0初始值計(jì)算。根據(jù)國(guó)標(biāo),“每一電容器單元或電容器組應(yīng)具備足以在3 min內(nèi)從最初的電壓un放電到75 V或更低的放電器件”。實(shí)際運(yùn)行中,電容器在切除后會(huì)采取放電措施。所以在確定投入時(shí)刻時(shí),假定電容器放電完畢,不帶剩余電壓,選擇電源電壓過(guò)零時(shí)刻。電源電壓和電容器上電壓都為0 V,滿足第二項(xiàng)值為0 A的條件。

無(wú)法做到第二、三項(xiàng)同時(shí)滿足,所以選擇滿足第二項(xiàng)為0 A的投入時(shí)刻,接受在投入時(shí)具有因電源電壓自然變化而產(chǎn)生的涌流?？傮w限制涌流的效果非常明顯。

2.4 仿真分析

對(duì)設(shè)計(jì)的低電壓無(wú)功補(bǔ)償投切電容器裝置進(jìn)行仿真驗(yàn)證。為較為清晰地對(duì)比出抑制涌流的效果,使用了單組電容器在電壓非過(guò)零情況下投入、過(guò)零情況下投入和三相電容器在電壓過(guò)零情況下投入三組仿真結(jié)果。仿真中所有器件都用了理想模型。

單組電容器投切過(guò)程的仿真,使用晶閘管投切電容器裝置其中一相的斬波開(kāi)關(guān)投入電容器。仿真模型如圖4所示。用示波器從上到下依次監(jiān)測(cè)電源電壓、電容器電流、電容器電壓。

圖5是選擇在電源電壓的相位角為5o時(shí)投入的情形,從仿真圖可以看出涌流是正常電流的約42倍(圖中最高點(diǎn)被圖框限制了),說(shuō)明隨機(jī)投入電容器時(shí)涌流非常大。

從圖6的仿真結(jié)果可以看出,選擇電源電壓過(guò)零時(shí)投入電容器時(shí),電路中沒(méi)有涌流產(chǎn)生,抑制涌流效果非常明顯。本設(shè)計(jì)選擇的開(kāi)關(guān)器件MOSFET開(kāi)關(guān)速度快,可以精準(zhǔn)控制,完全可以實(shí)現(xiàn)過(guò)零投入的控制。

三相電容器投切過(guò)程的仿真模型中,僅使用了三相斬波開(kāi)關(guān)和電容器,用于旁路的交流接觸器的投入和切除相對(duì)簡(jiǎn)單,本模型不予仿真,原理圖如圖7所示。其中電源電壓為400V/50Hz,電容器為450 V/60 kvar/50 Hz。設(shè)電源電壓表達(dá)式為:

對(duì)于三角形連接的電容器的投入時(shí)刻,選擇線壓過(guò)零時(shí)刻觸發(fā)該兩相的MOSFET, 如選擇觸發(fā)A、B 兩相 , 則 需 要 u_ab= u_a-u_b=327sin wt—327sin(wt—120°)=0時(shí)觸發(fā)M0SFET,即在wt=150°時(shí)觸發(fā)即可。當(dāng)C相的電壓過(guò)零,即wt=240O時(shí)觸發(fā)C相斬波開(kāi)關(guān),C相無(wú)涌流接通,電容器投入完成。仿真效果如圖8所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有三種投切電容器裝置進(jìn)行分析,提出了一種低電壓無(wú)功補(bǔ)償投切電容器裝置的解決思路,主要是用Sic材料的MOSFET和二極管各2個(gè)組成斬波開(kāi)關(guān),3組斬波開(kāi)關(guān)和節(jié)銀型交流接觸器并聯(lián)組成投切裝置。該方案具有使用Sic材料器件而減小裝置體積和使用節(jié)銀型交流接觸器而降低成本的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)方案用MATLAB進(jìn)行了仿真,尤其是通過(guò)隨機(jī)閉合和電壓過(guò)零閉合兩種對(duì)比仿真了對(duì)涌流抑制的作用,抑制涌流的效果明顯。本文還提供了三角形連接的電容器投入時(shí)刻的選擇方式。在仿真的基礎(chǔ)上,本方案還需要通過(guò)實(shí)物的調(diào)試和試驗(yàn)。

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