功率因數(shù)補(bǔ)償器原理

電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器、日光燈及電弧爐等，大多屬于電感性負(fù)荷，這些電感性的設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中不僅需要向電力系統(tǒng)吸收有功功率，還同時(shí)吸收無(wú)功功率。因此在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后，將可以提供補(bǔ)償感性負(fù)荷所消耗的無(wú)功功率，減少了電網(wǎng)電源側(cè)向感性負(fù)荷提供及由線路輸送的無(wú)功功率。減少了無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，可以降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無(wú)功功率造成的電能損耗，這種措施稱(chēng)作功率因數(shù)補(bǔ)償。

由于功率因數(shù)提高的根本原因在于無(wú)功功率的減少，因此功率因數(shù)補(bǔ)償通常稱(chēng)之為無(wú)功補(bǔ)償。

功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償器是提高電網(wǎng)系統(tǒng)中功率因數(shù)的全自動(dòng)化電子裝置，通過(guò)它的調(diào)節(jié)作用，使電網(wǎng)中的無(wú)功消耗降到最小，達(dá)到充分利用電能、節(jié)約用電的目的。我站使用的GBK4-1C型控制器，是通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)中的負(fù)荷的功率因數(shù)自動(dòng)投、切補(bǔ)償電容器使系統(tǒng)功率因數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)運(yùn)行。

檢測(cè)功率因數(shù)投、切法的思想是，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)功率因數(shù)下降至低于下限整定值時(shí)投入補(bǔ)償電容器，當(dāng)功率因數(shù)超過(guò)上限整定值時(shí)切除補(bǔ)償電容器。圖一說(shuō)明此控制方式的原理。

圖中OA為功率因數(shù)下限整定值COSj A線，OB為功率因數(shù)上限整定值COSj B線，假設(shè)負(fù)荷線沿OD直線增加，其功率因數(shù)為COSj ，當(dāng)負(fù)荷增至臨界調(diào)節(jié)功率點(diǎn)M1時(shí)，電容器C1投入，這時(shí)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率為M1K1，視在功率為OK1，使功率因數(shù)在OA、OB兩直線限定的范圍內(nèi)。若負(fù)荷繼續(xù)增至M2點(diǎn)時(shí)，電容器C2又投入運(yùn)行，又將功率因數(shù)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，負(fù)荷若再增至M3點(diǎn)時(shí)，電容器C3投入，使功率因數(shù)維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。當(dāng)負(fù)荷減少時(shí)，如由K3點(diǎn)減少至N1點(diǎn)時(shí)，電容器C1被切除，負(fù)荷若減少到N2點(diǎn)時(shí)，電容器C2又被切除，當(dāng)負(fù)荷減少至臨界調(diào)節(jié)功率線左面時(shí)，電容器被全部切除。這里臨界調(diào)節(jié)線的位置取決于最小補(bǔ)償電容器組的容量，負(fù)荷的性質(zhì)以及所規(guī)定的功率因數(shù)的調(diào)節(jié)范圍。圖二為自動(dòng)補(bǔ)償控制器原理圖。

圖中按虛線將控制器分成：、測(cè)量部分；、直流放大部分；、執(zhí)行部分；、電源部分。工作如下：先將交流電壓與電流間的相位差，轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)，再將直流信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分動(dòng)作，投入或切除補(bǔ)償電容器。

測(cè)量部分的交流信號(hào)取自電網(wǎng)系統(tǒng)中母線A、C相線電壓uAC和B相電流iB，由圖三知三相交流系統(tǒng)中，當(dāng)B相電流iB與B相電壓uB同相，即COSj =1時(shí)，相電流iB與線電壓uAC相差為p /2，當(dāng)iB超前或滯后uB時(shí)，iB、uAC相位差就會(huì)小于或大于p /2，為了測(cè)出這種相位關(guān)系的變化，測(cè)量部分采用半波相敏差分放大線路，u1、u2分別反映交流側(cè)uAC及iB相位的兩個(gè)交流電壓值。由圖知，只有當(dāng)u2處于負(fù)半周時(shí)T1、T2的發(fā)射結(jié)正向偏置，才有可能導(dǎo)通。根據(jù)u1的極性決定是否產(chǎn)生集電極電流i1、i2。圖四、圖五、圖六是反映u1與u2的相位關(guān)系與檢測(cè)回路中T1、T2集電極電流流通的情況。圖四為u1、u2同相在一周內(nèi)只有T1導(dǎo)通，由于發(fā)射極與集電極所加的電壓u1、u2的平均值最大，集電極電流i1最大而T2不會(huì)導(dǎo)通，故一周內(nèi)a、b間的直流輸出電壓Uab=i1R1》0并為最大。圖五為u1超前、u2相位p /2，由圖可見(jiàn)，在0~p /2時(shí)，u1處于正半周，u2處于負(fù)半周，T2發(fā)射結(jié)正向偏置而導(dǎo)通，集電極電流i2經(jīng)過(guò)二極管D2流達(dá)電阻R2，在3p /2~2p 期間，u1、u2均處于負(fù)半周，T1發(fā)射結(jié)正向偏置導(dǎo)通，集電極電流i1經(jīng)二極管D1流過(guò)電阻R1，這樣在一個(gè)周期內(nèi)，T1、T2均導(dǎo)通p /2，而且導(dǎo)通期間兩只三極管基極電壓和集電極電壓平均值相同，故i1=i2，選擇R1=R2，則此時(shí)在一周內(nèi)直流輸出電壓Uab=i1R1-i2R2=0。圖六為u1與u2相差小于p /2，顯而易見(jiàn)，T2導(dǎo)通時(shí)間比T1導(dǎo)通時(shí)間短，此時(shí)一周內(nèi)i1平均值大于i2平均值，故Uab=i1R1-i2R2》0，此時(shí)Uab小于u1與u2同相位時(shí)的直流輸出值，如果u1與u2相位差大于p /2時(shí)，同樣可得Uab=i1R1-i2R2《0，因此可根據(jù)交流側(cè)電壓uAC與電流iB的相位差使相敏放大線路輸出不同的直流電壓去控制直流放大部分，在Uab《0時(shí)，Uab經(jīng)D4、R4加到T3、T5的發(fā)射結(jié)，再由T3、T5放大后驅(qū)動(dòng)繼電器J1動(dòng)作，反之Uab》0時(shí)，Uab經(jīng)D3、R3加到T4、T6發(fā)射結(jié)，由T4、T6放大后驅(qū)動(dòng)J2動(dòng)作。當(dāng)J1動(dòng)作后，J1常閉觸點(diǎn)打開(kāi)，C5經(jīng)R7由負(fù)電源充電，使T7基極電位不斷下降，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間（延時(shí)）后T7、T9導(dǎo)通，繼電器J3動(dòng)作，使第一組電容器投入系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)控制第二組電容器投入的J3的常閉觸點(diǎn)打開(kāi)，第二組開(kāi)始延時(shí)，如果第一組電容器投入系統(tǒng)運(yùn)行后系統(tǒng)功率因數(shù)仍達(dá)不到要求，測(cè)量回路的直流輸出Uab仍小于零，那么第二組的延時(shí)結(jié)束后，繼電器J5動(dòng)作，將第二組電容器投入運(yùn)行；反之若Uab大于零，則T4、T6導(dǎo)通J2動(dòng)作，經(jīng)過(guò)延時(shí)后J4動(dòng)作，將第一組電容器從系統(tǒng)中切除，如Uab仍大于零，則又經(jīng)過(guò)延時(shí)后，切除第二組電容器，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)功率因數(shù)的效果。

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