DQZHAN技術(shù)訊：關(guān)于功率因數(shù)技術(shù)問題

概述

    隨著電能質(zhì)量越來越被重視，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)也會被廣泛地應(yīng)用。通過改良功率因數(shù)來增進(jìn)功率質(zhì)量，不僅節(jié)約成本而且也是一種利潤明顯的投資。

    在中低壓配電系統(tǒng)中，VSK致力于改良功率因數(shù)（cosΦ）并通過產(chǎn)生無功功率來提高電壓的穩(wěn)定性進(jìn)而改善配電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量與可靠性。

功率因數(shù)（低功率因數(shù)cosΦ）

低功率因數(shù)可導(dǎo)致：

1、  較高成本及能源消耗

2、  降低輸電效率

3、  電網(wǎng)功率耗損

4、  較高的變壓器耗損

5、  電網(wǎng)壓降增加

無功功率是如何產(chǎn)生的

    電網(wǎng)中的感性負(fù)載（如電機(jī)，扼流圈，變壓器，感應(yīng)式加熱器及電焊機(jī)等）都會產(chǎn)生不同程度的電滯，即所謂的電感，感性負(fù)載具有這樣一種特性——即使所加電壓改變方向，感性負(fù)載的這種滯后仍能將電流的方向（如正向）保持一段時(shí)間。一旦存在了這種電流與電壓之間的相位差，就會產(chǎn)生負(fù)功率，并被反饋到電網(wǎng)中。電流電壓再次相位相同時(shí)，又需要相同大小的電能在感性負(fù)載中建立磁場，這種磁場反向電能就被稱作無功功率。在交流電網(wǎng)中（50/60Hz），上述過程每秒重復(fù)50或60次，因而一種顯而易見的解決方法就是直接將這些磁場電能通過電容器來暫時(shí)存儲和釋放，從而減少了電網(wǎng)的無功功率交換。

    為此，在一些較大的負(fù)載中，如工廠，都有安裝自動功率因數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)（支諧式/常規(guī)式）。這些系統(tǒng)包含一組電容器單元，它們根據(jù)功率因數(shù)控制器所測的功率因數(shù)來確定電容的投切數(shù)量。

功率因數(shù)改進(jìn)

功率因數(shù)可通過以下途徑得改良

1、  電容器無功功率補(bǔ)償

2、  半導(dǎo)體有功功率補(bǔ)償

3、  適用過激的同步電機(jī)（馬達(dá)/發(fā)動機(jī)）

PFC的類型（支諧或常規(guī)）

1、  個(gè)別補(bǔ)償（每一無功功率發(fā)生器都獨(dú)立的進(jìn)行補(bǔ)償）；

2、  集中補(bǔ)償（無功功率發(fā)生器聯(lián)成一組，并作為一個(gè)整體進(jìn)行補(bǔ)償）；

3、  自動補(bǔ)償（由功率因數(shù)補(bǔ)償在負(fù)荷中心點(diǎn)上自動補(bǔ)償）；

4、  混合補(bǔ)償。

功率因數(shù)校正基本原理

什么是功率因數(shù)

    電能的合理應(yīng)用要求經(jīng)濟(jì)發(fā)電、無損傳輸及分配。這就意味著要盡量限制電網(wǎng)中所有引起電能耗損的因素。其中之一的因素就是無功功率，工業(yè)以及公共電網(wǎng)上的主要負(fù)荷是電阻-點(diǎn)感性的。

    電網(wǎng)功率因數(shù)校正的目的是通過在某些特定的環(huán)節(jié)上用超前無功功率來補(bǔ)償滯后無功功率。此方法還能避免過高壓降及額外的電阻耗損。將電容器盡可能地靠近電感負(fù)載并聯(lián)于電網(wǎng)就可產(chǎn)生所需的超前無功功率。靜態(tài)電容補(bǔ)償裝置可以減少網(wǎng)上傳輸?shù)臏鬅o功功率。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)條件改變時(shí)，通過增加或取出（投入或切出）單個(gè)功率電容器（常規(guī)PFC），就可逐步調(diào)整所需的超前無功功率來補(bǔ)償滯后無功功率。

功率因數(shù)校正的好處

1、輸配電成本降低，3到24個(gè)月即可收回投資成本

功率因數(shù)校正降低了系統(tǒng)中的無功功率、功率耗損進(jìn)而輸配電成本也成比例下降；

2、有效的利用設(shè)備

功率因數(shù)的改善意味著電力設(shè)備更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的工作(同樣的視在功率具有更高的有功功率)；

3、改善電壓的質(zhì)量；

4、減少壓降；

5、*優(yōu)的電纜尺寸

隨著功率因數(shù)的提高（載流量減?。?，電纜橫截面也因此減小。或者說，同樣的電纜可以傳輸更多的功率；

6、較小的傳輸耗損

輸電線和開關(guān)裝置的載流量減小，加入只有有功部分，這就意味著輸電線的銅損得以降低。

主要元器件

VPFE3型功率因數(shù)補(bǔ)償控制器

    現(xiàn)代功率因數(shù)補(bǔ)償控制器已經(jīng)微處理器化。微處理器分析來自電流變送器或無功功率的信號并產(chǎn)生開關(guān)命令來控制接觸器(或無觸點(diǎn)投切開關(guān))以增加或減少補(bǔ)償電容器的并列數(shù)目。VSK由這種微處理器化的功率因數(shù)補(bǔ)償控制器產(chǎn)生的智能控制可確保電容器級的平穩(wěn)利用及*少的開關(guān)操作次數(shù)，進(jìn)而也優(yōu)化了使用周期。本控制器在諧波環(huán)境可高可靠運(yùn)行，不會出現(xiàn)現(xiàn)場常見的死機(jī)和亂投切或不投等現(xiàn)象。

VCJR型電容器專用切換接觸器與VTSC型容性動補(bǔ)無觸點(diǎn)投切調(diào)節(jié)器

    VCJR切換接觸器是一種機(jī)電開關(guān)器件，用于常規(guī)或去諧功率因數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)中電容器與電容器或電抗器與電容器間的切換。開關(guān)操作可由機(jī)械觸頭來完成。若對于敏感負(fù)載，需要快速開關(guān)控制的情形，采用電子開關(guān)VTSC型容性動補(bǔ)無觸點(diǎn)快速調(diào)節(jié)器來控制是較好的選擇。

保險(xiǎn)絲（熔斷器）與電磁式脫扣器

    VRL5Y-160/3低壓電容保護(hù)熔斷器或VB1、VB2型電容專用脫扣器是用于功率因數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)作短路保護(hù)的**裝置。

VLBD型扼流圈（補(bǔ)償及濾波）

     配電網(wǎng)越來越受到現(xiàn)代電力電子設(shè)備，即所謂的非線性負(fù)載，如驅(qū)動馬達(dá)、不間斷電源、電子鎮(zhèn)流器等所產(chǎn)生的諧波污染。諧波對連接在功率因數(shù)補(bǔ)償電路中的電容器，特別是工作在工振頻率上的電容器是非常危險(xiǎn)的，將VLBD扼流圈與電容器串聯(lián)可解調(diào)串聯(lián)共振頻率（電容器的共振頻率），從而有助于防止電容器損壞。關(guān)鍵頻率是第五次和第七次諧振頻率（250Hz和350Hz），去諧電容器組也可減少諧波畸變程度并達(dá)到清潔網(wǎng)絡(luò)的目的。

VZMJ型電容器

    功率因數(shù)校正電容器能產(chǎn)生必要超前無功功率以補(bǔ)償滯后無功功率。功率因數(shù)補(bǔ)償電容器應(yīng)該能夠經(jīng)受因?yàn)殚_關(guān)操作引起的高浪涌電流（>100*1n），如查電容器是并聯(lián)的電容器組，那么由于來自電網(wǎng)和并聯(lián)電容器開關(guān)的充電電流，會使浪涌電流增加（≥150*1n）。

電壓波動（包括瞬變過電壓，上/下電壓波動以及閃變）

    以上波動大多數(shù)是由于大功率負(fù)載（如電焊機(jī)和電弧爐）或大功率波動引起的。這些隨機(jī)的電壓波動也常被稱作閃變，因?yàn)樗鼈兒苋菀讖恼彰髟O(shè)備的可視變化中被注意到。它們不僅干擾人們的視線，而且會損壞一些敏感的生產(chǎn)過程。在較弱的電網(wǎng)中，閃變會對很大的地域造成影響，而動態(tài)電壓補(bǔ)償則是一種可能的補(bǔ)救方法。諧波畸變是由非線性負(fù)載引起的，它可能導(dǎo)致相聯(lián)設(shè)備和誤動作。諧波引起的共振甚至破壞電網(wǎng)中的某些設(shè)備，而有源及無源濾波器可防止這種現(xiàn)象的發(fā)生。整流頻率特性曲線下凹通常由電力電子設(shè)備所引起，它可以通過布線來降低。

功率電容器的相關(guān)介紹

VSK電容器的設(shè)計(jì)

1、MKK/MKP

    廣泛應(yīng)用的電容器，考慮其物理特性與經(jīng)濟(jì)成本，往往需要采用不同的電介質(zhì)工藝。就地壓功率因數(shù)校正而言，MKK/MKP（金屬化塑料/聚丙烯膜）工藝已被證明是目前*為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)。它的電介質(zhì)厚度隨額定電壓的變化而變化。其金屬化層（以鋅和鋁為主要成分）和特別加強(qiáng)的厚邊保證大電流擊高溫工作環(huán)境中電容的穩(wěn)定性。厚邊及特殊薄膜切割技術(shù)（波紋式與平滑切割的優(yōu)化組合）可產(chǎn)生*大的有效表面用于金屬噴涂或接合處理（繞組設(shè)計(jì)）這導(dǎo)致了突出的浪涌電流抑制能力，此外由于繞組薄膜邊緣收縮效應(yīng)引起的邊緣接觸問題也得到充分解決。

2、自**

    當(dāng)電容器在鄰近使用壽命期限或由于電氣過載及過熱時(shí)就可能發(fā)生擊穿現(xiàn)象。這就會產(chǎn)生一個(gè)小電弧，它在幾微秒內(nèi)就可以把擊穿區(qū)的金屬化層蒸發(fā)，而在此處由高溫產(chǎn)生的氣壓同時(shí)又將氣化的金屬化層吹出擊穿區(qū)，這樣就在擊穿區(qū)形成一個(gè)沒有金屬化層的絕緣區(qū)，在擊穿發(fā)生過程及發(fā)生之后，電容器仍能正常工作，由自**引起的電容量的損失少于100PF，也就是說損失程度只有通過精密的測量儀器才能檢測出來。

3、真空灌注

    繞組單元被加熱，然后干燥一段時(shí)間而灌注（侵漬材料）則在高度真空環(huán)境中完成。用于這種方法，空氣和濕氣可以從電容器的內(nèi)部排出，從而避免了電極的氧化和局部放電。隨后電容器就被密封在電容器殼內(nèi)（例如鋁殼）。VSK這些復(fù)雜的生產(chǎn)過程確保了電容器具有極好的電容穩(wěn)定性，以及較長的使用壽命。

應(yīng)用指南

1、熔斷器及脫扣器的保護(hù)

    功率電容器應(yīng)采用熔斷器（保險(xiǎn)絲）或電磁式脫扣器作保護(hù)短路。應(yīng)該優(yōu)先選用慢燒斷，低電壓及高開斷容量的保險(xiǎn)絲，保險(xiǎn)絲的額定值應(yīng)為電容器標(biāo)稱電流的1.6到1.8倍。電磁式脫扣器應(yīng)整定在9到12倍的額定電流值之間，可以防止它們在高浪涌電流時(shí)的誤動作。建議采用VRL5Y型低壓電容保護(hù)熔斷器或VB1、VB2型電容器專用脫扣器具有此功能。

2、開關(guān)

    當(dāng)電容器接入交流系統(tǒng)時(shí)，諧振電路或多或少會有一定程度的衰減，除了額定電流外，電容器也接受了一數(shù)倍于額定電流的瞬變電流（可高達(dá)200倍）。這時(shí)選用的接觸器除了滿足廠商聲明的容性電流切換能力外，應(yīng)選用切換速度快、沖擊小的接觸器。推薦使用帶有超前觸點(diǎn)的電容器接觸器VCJR型，它的特點(diǎn)是利用預(yù)先充電電阻來抑制浪涌電流。

3、放電

    電容器被再次接入前必須要放電至*大電壓為額定電壓的10%。這樣可以防止放電脈沖對PFC系統(tǒng)中的電容器使用壽命的影響，并防止電路震蕩。電容器在3分鐘內(nèi)放電必須小于75V。在功率電容器與放電裝置之間的電路中，不得有任何開關(guān)，保險(xiǎn)絲或任何其它斷開裝置。VSK為所有系列的電容器都提供了電容器放電電阻或放電扼流圈。

4、用于帶有諧波的網(wǎng)絡(luò)

    諧波是由非線性電壓/電流特性的電子負(fù)載的操作而引起的。（如用于驅(qū)動裝置、電焊機(jī)及不間斷電源的整流器和變頻器），諧波是頻率幾倍于50Hz或60Hz線頻率的正弦電壓和電流。在低壓三相系統(tǒng)中，5次和7次諧波是*為嚴(yán)重的，去諧電容器被用于受諧波影響的系統(tǒng)的功率因數(shù)校正，此時(shí)由VZMJ功率電容器和VLBD扼流圈組成串聯(lián)諧振電路，調(diào)整這個(gè)電路的串聯(lián)諧振頻率使之低于系統(tǒng)中諧波頻率。對于高于串聯(lián)諧振頻率的頻率它呈感性，這就是避免了與系統(tǒng)電感發(fā)生共振，根據(jù)所選擇的串聯(lián)諧頻率，部分諧波電流可由去諧功率電容器吸收。剩余諧波電流則流入上級系統(tǒng)。去諧功率電容器有助于減少由諧波引起的電壓畸形并減輕對其它電子負(fù)載正常工作的干擾。

5、安裝

    技術(shù)規(guī)范如VDE0101，VDE0506第四部分及第46部分、EN60831和IEC831均適用于功率電容器的安裝與操作。他們應(yīng)置于涼爽及通風(fēng)的地方并遠(yuǎn)離其它散熱元件。如果有充分的空氣流通而且電容器的間距至少有50毫米，那么自然冷卻就足夠了。否則，在通風(fēng)不太好的情況下需要強(qiáng)制冷卻（風(fēng)扇），將溫度調(diào)整至*大容許環(huán)境溫度之內(nèi)。