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关于功率因数
 
概述
    随着电能质量越来越被重视,功率因数校正(PFC)技术也会被广泛地应用。通过改良功率因数来增进功率质量,不仅节约成本而且也是一种利润明显的投资。
    在中低压配电系统中,VSK致力于改良功率因数(cosΦ)并通过产生无功功率来提高电压的稳定性进而改善配电系统的电压质量与可靠性。
功率因数(低功率因数cosΦ)
低功率因数可导致:
1、  较高成本及能源消耗
2、  降低输电效率
3、  电网功率耗损
4、  较高的变压器耗损
5、  电网压降增加
 
无功功率是如何产生的
    电网中的感性负载(如电机,扼流圈,变压器,感应式加热器及电焊机等)都会产生不同程度的电滞,即所谓的电感,感性负载具有这样一种特性——即使所加电压改变方向,感性负载的这种滞后仍能将电流的方向(如正向)保持一段时间。一旦存在了这种电流与电压之间的相位差,就会产生负功率,并被反馈到电网中。电流电压再次相位相同时,又需要相同大小的电能在感性负载中建立磁场,这种磁场反向电能就被称作无功功率。在交流电网中(50/60Hz),上述过程每秒重复50或60次,因而一种显而易见的解决方法就是直接将这些磁场电能通过电容器来暂时存储和释放,从而减少了电网的无功功率交换。
    为此,在一些较大的负载中,如工厂,都有安装自动功率因数补偿系统(支谐式/常规式)。这些系统包含一组电容器单元,它们根据功率因数控制器所测的功率因数来确定电容的投切数量。
 
功率因数改进
功率因数可通过以下途径得改良
1、  电容器无功功率补偿
2、  半导体有功功率补偿
3、  适用过激的同步电机(马达/发动机)
 
PFC的类型(支谐或常规)
1、  个别补偿(每一无功功率发生器都独立的进行补偿);
2、  集中补偿(无功功率发生器联成一组,并作为一个整体进行补偿);
3、  自动补偿(由功率因数补偿在负荷中心点上自动补偿);
4、  混合补偿。
 
功率因数校正基本原理
 
什么是功率因数
    电能的合理应用要求经济发电、无损传输及分配。这就意味着要尽量限制电网中所有引起电能耗损的因素。其中之一的因素就是无功功率,工业以及公共电网上的主要负荷是电阻-点感性的。
    电网功率因数校正的目的是通过在某些特定的环节上用超前无功功率来补偿滞后无功功率。此方法还能避免过高压降及额外的电阻耗损。将电容器尽可能地靠近电感负载并联于电网就可产生所需的超前无功功率。静态电容补偿装置可以减少网上传输的滞后无功功率。当网络条件改变时,通过增加或取出(投入或切出)单个功率电容器(常规PFC),就可逐步调整所需的超前无功功率来补偿滞后无功功率。
 
功率因数校正的好处
1、输配电成本降低,3到24个月即可收回投资成本
功率因数校正降低了系统中的无功功率、功率耗损进而输配电成本也成比例下降;
2、有效的利用设备
功率因数的改善意味着电力设备更经济实用的工作(同样的视在功率具有更高的有功功率);
3、改善电压的质量;
4、减少压降;
5、最优的电缆尺寸
随着功率因数的提高(载流量减小),电缆横截面也因此减小。或者说,同样的电缆可以传输更多的功率;
6、较小的传输耗损
输电线和开关装置的载流量减小,加入只有有功部分,这就意味着输电线的铜损得以降低。
 
主要元器件
 
VSK-VPFE3型功率因数补偿控制器
    现代功率因数补偿控制器已经微处理器化。微处理器分析来自电流变送器或无功功率的信号并产生开关命令来控制接触器(或无触点投切开关)以增加或减少补偿电容器的并列数目。VSK由这种微处理器化的功率因数补偿控制器产生的智能控制可确保电容器级的平稳利用及最少的开关操作次数,进而也优化了使用周期。本控制器在谐波环境可高可靠运行,不会出现现场常见的死机和乱投切或不投等现象。
 
VSK-VCJR型电容器专用切换接触器与VSK-VTSC型容性动补无触点投切调节器
    VCJR切换接触器是一种机电开关器件,用于常规或去谐功率因数补偿系统中电容器与电容器或电抗器与电容器间的切换。开关操作可由机械触头来完成。若对于敏感负载,需要快速开关控制的情形,采用电子开关VTSC型容性动补无触点快速调节器来控制是较好的选择。
 
保险丝(熔断器)与电磁式脱扣器
    VRL5Y-160/3低压电容保护熔断器或VB1、VB2型电容专用脱扣器是用于功率因数补偿系统作短路保护的安全装置。
 
VSK-VLBD型扼流圈(补偿及滤波)
     配电网越来越受到现代电力电子设备,即所谓的非线性负载,如驱动马达、不间断电源、电子镇流器等所产生的谐波污染。谐波对连接在功率因数补偿电路中的电容器,特别是工作在工振频率上的电容器是非常危险的,将VLBD扼流圈与电容器串联可解调串联共振频率(电容器的共振频率),从而有助于防止电容器损坏。关键频率是第五次和第七次谐振频率(250Hz和350Hz),去谐电容器组也可减少谐波畸变程度并达到清洁网络的目的。
 
VSK-VZMJ型电容器
    功率因数校正电容器能产生必要超前无功功率以补偿滞后无功功率。功率因数补偿电容器应该能够经受因为开关操作引起的高浪涌电流(>100*1n),如查电容器是并联的电容器组,那么由于来自电网和并联电容器开关的充电电流,会使浪涌电流增加(≥150*1n)。
 
电压波动(包括瞬变过电压,上/下电压波动以及闪变)
    以上波动大多数是由于大功率负载(如电焊机和电弧炉)或大功率波动引起的。这些随机的电压波动也常被称作闪变,因为它们很容易从照明设备的可视变化中被注意到。它们不仅干扰人们的视线,而且会损坏一些敏感的生产过程。在较弱的电网中,闪变会对很大的地域造成影响,而动态电压补偿则是一种可能的补救方法。谐波畸变是由非线性负载引起的,它可能导致相联设备和误动作。谐波引起的共振甚至破坏电网中的某些设备,而有源及无源滤波器可防止这种现象的发生。整流频率特性曲线下凹通常由电力电子设备所引起,它可以通过布线来降低。
 
功率电容器的相关介绍
 
VSK电容器的设计
1、MKK/MKP
    广泛应用的电容器,考虑其物理特性与经济成本,往往需要采用不同的电介质工艺。就地压功率因数校正而言,MKK/MKP(金属化塑料/聚丙烯膜)工艺已被证明是目前最为经济实用的技术。它的电介质厚度随额定电压的变化而变化。其金属化层(以锌和铝为主要成分)和特别加强的厚边保证大电流击高温工作环境中电容的稳定性。厚边及特殊薄膜切割技术(波纹式与平滑切割的优化组合)可产生最大的有效表面用于金属喷涂或接合处理(绕组设计)这导致了突出的浪涌电流抑制能力,此外由于绕组薄膜边缘收缩效应引起的边缘接触问题也得到充分解决。
2、自愈合
    当电容器在邻近使用寿命期限或由于电气过载及过热时就可能发生击穿现象。这就会产生一个小电弧,它在几微秒内就可以把击穿区的金属化层蒸发,而在此处由高温产生的气压同时又将气化的金属化层吹出击穿区,这样就在击穿区形成一个没有金属化层的绝缘区,在击穿发生过程及发生之后,电容器仍能正常工作,由自愈合引起的电容量的损失少于100PF,也就是说损失程度只有通过精密的测量仪器才能检测出来。
3、真空灌注
    绕组单元被加热,然后干燥一段时间而灌注(侵渍材料)则在高度真空环境中完成。用于这种方法,空气和湿气可以从电容器的内部排出,从而避免了电极的氧化和局部放电。随后电容器就被密封在电容器壳内(例如铝壳)。VSK这些复杂的生产过程确保了电容器具有极好的电容稳定性,以及较长的使用寿命。
 
应用指南
1、熔断器及脱扣器的保护
    功率电容器应采用熔断器(保险丝)或电磁式脱扣器作保护短路。应该优先选用慢烧断,低电压及高开断容量的保险丝,保险丝的额定值应为电容器标称电流的1.6到1.8倍。电磁式脱扣器应整定在9到12倍的额定电流值之间,可以防止它们在高浪涌电流时的误动作。建议采用VRL5Y型低压电容保护熔断器或VB1、VB2型电容器专用脱扣器具有此功能。
2、开关
    当电容器接入交流系统时,谐振电路或多或少会有一定程度的衰减,除了额定电流外,电容器也接受了一数倍于额定电流的瞬变电流(可高达200倍)。这时选用的接触器除了满足厂商声明的容性电流切换能力外,应选用切换速度快、冲击小的接触器。推荐使用带有超前触点的电容器接触器VCJR型,它的特点是利用预先充电电阻来抑制浪涌电流。
3、放电
    电容器被再次接入前必须要放电至最大电压为额定电压的10%。这样可以防止放电脉冲对PFC系统中的电容器使用寿命的影响,并防止电路震荡。电容器在3分钟内放电必须小于75V。在功率电容器与放电装置之间的电路中,不得有任何开关,保险丝或任何其它断开装置。VSK为所有系列的电容器都提供了电容器放电电阻或放电扼流圈。
4、用于带有谐波的网络
    谐波是由非线性电压/电流特性的电子负载的操作而引起的。(如用于驱动装置、电焊机及不间断电源的整流器和变频器),谐波是频率几倍于50Hz或60Hz线频率的正弦电压和电流。在低压三相系统中,5次和7次谐波是最为严重的,去谐电容器被用于受谐波影响的系统的功率因数校正,此时由VZMJ功率电容器和VLBD扼流圈组成串联谐振电路,调整这个电路的串联谐振频率使之低于系统中谐波频率。对于高于串联谐振频率的频率它呈感性,这就是避免了与系统电感发生共振,根据所选择的串联谐频率,部分谐波电流可由去谐功率电容器吸收。剩余谐波电流则流入上级系统。去谐功率电容器有助于减少由谐波引起的电压畸形并减轻对其它电子负载正常工作的干扰。
5、安装
    技术规范如VDE0101,VDE0506第四部分及第46部分、EN60831和IEC831均适用于功率电容器的安装与操作。他们应置于凉爽及通风的地方并远离其它散热元件。如果有充分的空气流通而且电容器的间距至少有50毫米,那么自然冷却就足够了。否则,在通风不太好的情况下需要强制冷却(风扇),将温度调整至最大容许环境温度之内。
 
 
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