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電能占企業成本的5％～20％，有些企業占得更高。因此如何提高電能的利用率和使用效率，保證電能質量，是企業節能提效的重要手段。絕大多數企業是用電動機作為機械的原動機，而電動機是感性負載，功率因數并不高，因此企業的能源消耗中無功能源消耗占了很大成份。盡可能的減少無功能量的消耗，是企業節能的頭等大事。
對于企業而言，供電損耗主要是電動機損耗、低壓線路損耗、高壓線路損耗和變壓器損耗。安裝無功補償裝置后功率因數提高，線路電流會下降，這樣線路損耗降低，變壓器的有功損失也會降低。電動機損耗（即效率）是電動機本身固有的，目前Y系列的電動機的效率一般都在85％～95％。但電動機的功率因數將影響整個電網的效率。用電系統裝設無功補償設備，提高功率因數，對于企業的降損節電、用電系統的安全可靠運行具有極為重要的意義。
無功補償分為就地補償和集中補償兩種。如圖所示。C3、C4為單獨就地補償裝置，C1、C2和C為集中補償。C為高壓集中補償裝置， C2為低壓集中補償裝置，C1為低壓就地集中補償裝置。
1．單獨就地補償
單獨就地補償是將無功補償裝置安裝在電動機側，其優點可以減小整個線路的無功電流，最大程度地減小無功消耗，并且不需單獨設立開關，但單獨就地補償的補償電容器安裝分散，管理比較麻煩，不便于維護。
當設備的功率因數由COSΦ1（如COSΦ1＝0.7）提高到COSΦ2（如COSΦ2＝0.85以上），則線損節電量：
式中：R――線路電阻，Ω；
P――線路傳輸的有功功率，kW；
T――設備運行時間，h；
UL――線路線電壓，kV；
COSΦ1――補償前的功率因數；
COSΦ2――補償后的功率因數。
線損節電量系數：
從表1可見，COSΦ從0.85變到0.9，線損節電量增加0.15，但隨著COSΦ地提高，線損節電量增加變小。
變壓器銅損節電量：
式中：K――負荷系數（一班制3.6；二班制1.8；三班制1.2）；
PK――變壓器銅損，kW；
T1――變壓器運行時間，h；
A――用戶變壓器二次側有功用電量, kWh；
S――變壓器額定容量,kVA。
可見變壓器銅損節電量系數與線路節電量系數相同。
線損降低率：
可見變壓器銅損降低率與線損降低率相同。
從表2可見，線損降低率也有與線損節電量同樣地情況。
在一定的電壓下向負載輸送一定的有功功率時，負載的功率因數越低，通過輸電線的電流越大，導線阻抗的電壓降落越大，這樣負載的端電壓就低，使設備得不到充分的利用。
在線路中電壓損失U的計算公式如下：
(kV)
式中：P――有功功率，kW；
Q――無功功率，kvar；
U――額定電壓，kV；
R――線路總電阻，Ω；
XL――線路感抗，Ω。
由上式可見，當線路中的無功功率Q減少以后，電壓損失也就減少了。
2．集中補償
集中補償分為就地集中補償、低壓集中補償和高壓集中補償。
1）就地集中補償
就地集中補償即將補償裝置安放在車間的低壓開關柜側。如圖中C1即為低壓就地集中補償裝置。
就地集中補償可以減小高低壓供電干線和變壓器的無功損耗，但無法補償供電支線的無功損耗。由于無功補償裝置仍分散在各車間的配電屏處，管理和維護仍比較麻煩。
2）低壓集中補償
低壓集中補償是將補償裝置安放在工廠的低壓配電所。如圖中C2即為低壓集中補償裝置。
低壓集中補償可以減小高壓供電線路和變壓器的無功損耗，但無法補償低壓供電線路的無功損耗。由于無功補償裝置安放在低壓配電所，所以管理和維護比較方便。現在絕大多數高壓側沒有設備的工廠均采用低壓集中補償方式。
3）高壓集中補償
高壓集中補償是將補償裝置安放在高壓進線的末端，一般放置在工廠的高壓配電所內。如圖中C即為高壓集中補償裝置。
中圖分類號：TM46文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）07-0110-02
一、無功功率和功率因數的定義
（一）有功功率和無功功率
在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種：一種是有功功率，一種是無功功率。有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為機械能、光能、熱能等的電功率。無功功率比較抽象，它是用于電路內電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外做功，但是只要有電磁線圈的電氣設備，就要消耗無功功率。
（二）功率因數
電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，屬于既有電阻又有電感的電感性負載。電感性負載的電壓和電流的相量間存在著一個相位差，這個相位差（Φ）的余弦叫做功率因數，用符號cosΦ表示，在數值上功率因數是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S。功率因數反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數越大越好。只有把電路中的無功功率降到最小，才能將視在功率大部分用來供給有功功率，改善供電效率。
二、無功功率的產生和作用
（一）無功功率的產生
在具有電感或電容的電路中，在每半個周期內，電感（或電容）把電源能量變成磁場（或電場）能量貯存起來，然后再把貯存的磁場（或電場）能量釋放返回給電源。這種情況下只是進行能量的交換，并沒有真正消耗能量，我們把這個交換的功率值稱為無功功率。正因為如此，無功功率比較抽象，它在電路中來回流動。盡管無功功率說明一個元件的平均功率為零，但它代表了在電感或電容中儲存及釋放磁場能量或電場能量所需要的真實功率。電力網中，在電源、電感元件和電容元件之間發生能量的交換。與無功功率相關的能量是儲存的電感性及電容性能量之和。
（二）無功功率的作用
無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。
三、無功功率的危害
盡管無功功率說明一個元件的平均功率為零，但它代表了在電感或電容中儲存及釋放磁場能量或電場能量所需要的真實功率。電力系統中某些點之間由于無功功率不斷來回地交換引起發電、輸電及供配電設備上的電壓損耗及功率損失。由于電力系統的效率及電壓調整十分重要，因此無功功率在電力系統的傳輸是頭等重要的。
無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加，也降低了發電機的有功功率的輸出，降低了輸變電設備的供電能力。無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。無功功率的增加，使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產生劇烈波動，使供電質量嚴重降低。
無功功率還造成了低功率因數運行和電壓下降，使電氣設備容量得不到充分發揮。所以我們要盡量減小無功功率的影響：（1）大量的電感性設備，如異步電動機、感應電爐、交流電焊機等設備是無功功率的主要消耗者。所以要改善異步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率；（2）變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無功功率約為滿載時的1/3。因而，為了改善電力系統和企業的功率因數，變壓器不應空載運行或長期處于低負載運行狀態；（3）供電電壓超出規定范圍也會對功率因數造成很大的影響。當供電電壓高于額定值的10%時，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，所以應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。
當然，上述這些措施只是從一定程度上減小了無功功率的危害，如果要從根本上減小無功功率的影響，改善功率因數的話，我們需要引入無功功率補償技術。
四、無功功率補償
（一）無功功率的補償原理
設補償后無功功率為Qc,使電源輸送的無功功率減少為Q’=Q-Qc,功率因數由cosΦ提高到cosΦ’,視在功率S減少到S’,視在功率的減小可相應減小供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設備的投資。
可知，采用無功補償措施后，因為通過電力網無功功率的減少，降低了電力網中的電壓損耗，提高了用戶的電壓質量。由于越靠近線路末端，線路的電抗X越大，因此越靠近線路末端裝設無功補償裝置效果越好。
（二）無功補償的作用
1．提高電網及負載的功率因數，降低設備所需容量，減少不必要的損耗；
2．穩定電網電壓，提高電網質量，而在長距離輸電線路中安裝合適的無功補償裝置可提高系統的穩定性及輸電能力；
3．在三相負載不平衡的場合，可對三相視在功率起到平衡作用。
（三）低壓網無功補償的一般方法
低壓無功補償我們通常采用的方法主要有三種：隨機補償、隨器補償、跟蹤補償。下面簡單介紹這三種補償方式的適用范圍及使用該種補償方式的優缺點：
1．隨機補償。隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接，通過控制、保護裝置與電機，同時投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗，以補償磁無功為主，此種方式可較好地限制農網無功峰荷。
隨機補償的優點是：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出，而且不需頻繁調整補償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等特點。
2．隨器補償。隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配變在輕載或空載時的無功負荷主要是變壓器的空載勵磁無功，配變空載無功是農網無功負荷的主要部分，對于輕負載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導致電費單價的增加，不利于電費的同網同價。
隨器補償的優點是：接線簡單、維護管理方便、能有效地補償配變空載無功，限制農網無功基荷，使該部分無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無功網損，具有較高的經濟性，是目前補償無功最有效的手段之一。
3．跟蹤補償。跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4kv母線上的補償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式，補償效果好。
跟蹤補償的優點是：運行方式靈活，運行維護工作量小，比前兩種補償方式壽命相對延長、運行更可靠。但缺點是控制保護裝置復雜、首期投資相對較大。但當這三種補償方式的經濟性接近時，應優先選用跟蹤補償方式。
五、結論
本文簡單討論了無功功率的定義、產生，分析了無功功率的作用及危害，并從原理上分析了無功補償技術，探討了幾種低壓無功補償技術的優缺點。本文對于了解無功功率以及進行無功補償具有一定的指導意義。
參考文獻
[1]陳允平，等．基于任意周期電壓電流的無功功率定義及其數學模型[J]．中國電機工程學報，2006，26（4）．
1、變壓器功率因數：指變壓器二次側有功功率一次側的視在功率，不是電壓效率而是變壓器的傳輸效率，即變壓器的有功損耗，無功損耗視在功率之間的關系。
2、在配電系統中，系統的功率因素，在理想的情況下，主要決定于負載特性。在沒有任何補償的情況下，如果負載是純電阻，那么系統的功率因素就是如果是純電感，那么功率因素就為0。與變壓器本身的特性無關。
3、在實際情況中，負載往往具有電阻，電感，電容的混合特性。所以存在大于0，小于1的功率因素值。
（來源：文章屋網 ）
功率因數是指電力網中線路的視在功率供給有功功率的消耗所占百分數。在電力網的運行中，我們所希望的是功率因數越大越好，如能做到這一點，則電路中的視在功率將大部分用來供給有功功率，以減少無功功率的消耗。用戶功率因數的高低，對于電力系統發、供、用電設備的充分利用，有著顯著的影響。適當提高用戶的功率因數，不但可以充分地發揮發、供電設備的生產能力、減少線路損失、改善電壓質量，而且可以提高用戶用電設備的工作效率和為用戶本身節約電能。因此，對于全國廣大供電企業，特別是對于擁有自發電網的廣大企業來說，若能有效地搞好低壓補償，不但可以減輕上一級電網補償的壓力，改善提高用戶功率因數，而且能夠有效地降低電能損失，減少用戶電費。其社會效益及經濟效益都會是非常顯著的。目前，遼寧省本溪市本鋼集團有限公司北營公司就有這樣的三臺50MW的發電機組。
一、影響功率因數的主要因素
首先我們來了解功率因數產生的主要原因。功率因數的產生主要是因為交流用電設備在其工作過程中，除消耗有功功率外，還需要無功功率。當有功功率P有一定時，如減少無功功率P無，則功率因數便能夠提高。在極端情況下，當P無=0時，則其功率因素=1。因此提高功率因數問題的實質就是減少用電設備的無功功率需要量。影響功率因數主要是下面幾個方面：
（一）異步電動機和電力變壓器是耗用無功功率的主要設備
異步電動機的定子與轉子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功的主要因素。而異步電動機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率增加值兩部分所組成的。所以要改善異步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。變壓器消耗無功的主要成份是它的空載無功功率，它和負載率的大小無關。因而，為了改善電力系統和企業的功率因數，變壓器不應空載運行或長其處于低負載運行狀態。
（二）供電電壓超出規定范圍也會對功率因數造成很大的影響
當供電電壓高于額定值的10%時，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據有關資料統計，當供電電壓為額定值的110%時，一般工廠的無功將增加35%左右。當供電電壓低于額定值時，無功功率也相應減少而使它們的功率因數有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以，應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。
（三）電網頻率的波動也會對異步電機和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響
我們知道了影響電力系統功率因數的一些主要因素，因此我們要尋求一些行之有效的、能夠使低壓電力網功率因數提高的一些實用方法，使低壓網能夠實現無功的就地平衡，達到降損節能的效果。
二、低壓網無功補償的一般方法
低壓無功補償我們通常采用的方法主要有三種：隨機補償、隨器補償、跟蹤補償。下面簡單介紹這三種補償方式的適用范圍及使用該種補償方式的優缺點。
1. 隨機補償
隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并接，通過控制、保護裝置與電機，同時投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗，以補償磁無功為主，此種方式可較好地限制農網無功峰荷。
隨機補償的優點是：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出，而且不需頻繁調整補償容量。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等特點。
2. 隨器補償
隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配變在輕載或空載時的無功負荷主要是變壓器的空載勵磁無功，配變空載無功是農網無功負荷的主要部分，對于輕負載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導致電費單價的增加，不利于電費的同網同價。
隨器補償的優點是：接線簡單、維護管理方便、能有效地補償配變空載無功，限制農網無功基荷，使該部分無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低無功網損，具有較高的經濟性，是目前補償無功最有效的手段之一。
3.跟蹤補償
跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4kv母線上的補償方式。適用于100kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式，補償效果好。
跟蹤補償的優點是：運行方式靈活，運行維護工作量小，比前兩種補償方式壽命相對延長、運行更可靠。但缺點是控制保護裝置復雜、首期投資相對較大。但當這三種補償方式的經濟性接近時，應優先選用跟蹤補償方式。
三、采取適當措施，設法提高系統自然功率因數
提高自然功率因數是在不添置任何補償設備，采用降低各用電設備所需的無功功率減少負載取用無功來提高工礦企業功率因數的方法，它不需要增加投資，是最經濟的提高功率因數的方法。下面將對提高自然功率因數的措施作一些簡要的介紹。
1.合理使用電動機
合理選用電動機的型號、規格和容量，使其接近滿載運行。在選擇電動機時，既要注意它們的機械性能，又要考慮它們的電器指標。若電動機長期處于低負載下運行，既增大功率損耗，又使功率因數和效率都顯著惡化。故從節約電能和提高功率因數的觀點出發，必須正確地合理地選擇電動機的容量。
2.提高異步電動機的檢修質量
實驗表明，異步電動機定子繞組匝數變動和電動機定、轉子間的氣隙變動時對異步電動機無功功率的大小有很大的影響。
3.？采用同步電動機或異步電動機同步運行提高功率因數
由電機原理知道，同步電動機消耗的有功功率取決于電動機上所帶機械負荷的大小，而無功取決于轉子中的勵磁電流大小，在欠激狀態時，定子繞組向電網“吸取”無功，在過激狀態時，定子繞組向電網“送出”無功。因此，只要調節電機的勵磁電流，使其處于過激狀態，就可以使同步電機向電網“送出”無功功率，減少電網輸送給工礦企業的無功功率，從而提高了工礦企業的功率因數。異步電動機同步運行就是將異步電動機三相轉子繞組適當連接并通入直流勵磁電流，使其呈同步電動機運行，這就是“異步電動機同步化”。因而只要調節電機的直流勵磁電流，使其呈過激狀態，即能向電網輸出無功，從而達到提高低壓網功率因數的目的。
4.合理選擇配變容量，改善配變的運行方式
對負載率比較低的配變，一般采取“撤、換、并、停”等方法，使其負載率提高到最佳值，從而改善電網的自然功率因數。■
1 引言
電氣化鐵路供電系偏低降低了主變容量的利用、接觸網的功率損耗增大等，提高牽引系統的功率因素對供電技術、節約能源等都有現實意義。目前采用的地補償辦法已淘汰或存在補償效果不好等問題，所以急需采取有效措施來實現提高牽引系統的功率因素。
2 功率因素對牽引供電系統的影響
2.1 功率因數偏低會降低變電所的影響
就牽引系統的功率因素是由負載決定的，變電所反映的cosφ的值基本上就是電力機車的cosφ的值，詳見表1。
2.2 功率因素偏低會造成供電臂末端的影響
供電臂末端電壓低與功率因數有密切關系，等效電路如圖1。
圖1中U為變電所輸出電壓，u為供電臂電壓降落：u=iR，R為供電臂等效電阻，u'為供電臂末端電壓，它們的關系為u'=U-iR，
當機車Z功率P不變，若cosφ，則i，u=iR，u'=U-u。當cosφ從0.9下降到0.6時，
，供電臂輸送的電流i增長50%，在供電臂上的電壓降也增長50%。
2.3 功率因數偏低造成線路功率損失的影響
當功率因素下降0.28時，線路上的功率損失則增長137%。現行電費辦法規定：當cosφ=0.89-0.7時，則每降低0.01增收總電費的0.5%；當cosφ=0.69-0.65時，則每降低0.01增收總電費的1%；當cosφ≤0.64時，則每降低0.01增收總電費的2%。
3 新型的供電無功補償方法
SVC無功補償采用大功率晶閘管調相技術，達到動態調節SVC裝置輸出無功的目的，滿足動態補償牽引變電所變化負荷的需要。
3.1 SVC無功補償工作原理
SVC無功補償裝置工作原理圖如圖2（a）、（b）、（c）所示，U1為電源電壓，r1及X1為牽引變壓器每相的電阻和電抗，U2為牽引變電所母線電壓，Xc為SVC電容器組的容抗，XL為電抗器的感抗，I1為牽引負荷，Ic為電容器回路容性電流。安裝無功補償裝置后，牽引變電所的功率因數則由cosφ1仍提高到cosφ2。
3.2 SVC無功補償裝置對壓損的改進
由上式可得：無功功率Q變小，限制了無功功率在電網中的傳輸，減少了線路的電壓損耗，提高了接觸網的電壓質量。
3.3 SVC無功補償裝置對線損的改善
其中，P為線路傳輸的有功功率（kW）：cosφ為功率因數；Re為每相導線的等效電阻（Ω）；UN為運行電壓（kV）。當線路有功功率P和導線電阻Re不變時，線路的功率損耗與功率因數的平方成反比。
4 結論
本文從功率因素對牽引供電系統的影響的分析，提出SVC靜態無功補償方法，為改善電系統功率因數提供了理論依據。
參考文獻
[1]鄭社掌.氣化鐵道供變電[M].北京：中國鐵道出版社，1996（01）.
[2]焦劍揚，劉明光.牽引變電所無功補償方式綜述[J].電氣開關，2006（06）：1-4.
作者簡介
一、變電所無功補償概況
崇明廠區變電所最早建造從2003年就開始了，電容柜都是從變電所投產就開始同步運行，而且是每天24小時不間斷的，受制于電容器的使用壽命比斷路器等產品短很多，經過十幾年的時間，沒徹底更換過的電容器柜問題頻出，這就增加了運行維護的難度。
電力公司對我單位電能收費是根據進線線路分別進行的：崇明元件廠生活區一路，崇明生產區域兩路，其中主體生產用電集中在崇明生產區域，所以我們本文就以崇明生產區域的兩路35KV線路電費情況為調查對象來具體分析。
二、不同等級電壓上的補償
補償在高、低壓兩個電壓等級上，我們具體分析也圍繞這兩個大的方向來進行，
（一）10KV高壓側補償。在這個電壓等級上，堡船207和堡船217都分別有一組高壓電容器組，型號TBB2-10-1800/100BL，額定電流94.5A，補償容量為1800KVA。高壓電容器組采用人工操作的方式，早上，用電進入高峰期時人工合閘，晚上負荷降下來后人工分斷，只能整組的投入或者退出。在高壓側，投入及退出時間點上能把控，容量投入的多少是無法改變的。
（二）低壓側電容補償。根據生產的需要，我們對負荷相對集中處都設立了變電所，根據負荷的多少，在變電所內部都進行了功率因數的補償。生產現場的變電所有24個，其中帶低壓電容補償的變電所有21個，每個變電所電容補償的容量及完好程度有所區別。一部分電容柜因為線路元器件老化、電容本身破損等原因，考慮到安全因素，沒有投入運行，這就有了提升的空間，特別是針對負荷比較大的5.3萬車間、造船碼頭1#及2#變電所、船臺、涂裝一期及二期等變電所等。
提升功率因數對于總電流的下降有一定影響，就相當于增加了變壓器的有功輸出，對用電負荷較大變電所容量能進一步改善。
三、功率因數低原因分析
通過平時工作中觀察以及現場查看，細致周到分析了功率因數低的原因，見圖1。
針對功率因數偏低的情況，根據平時維修及行業經驗進行系統的分析，因為高壓系統和低壓系統電容器在投用、自動化運行、切除等方面完全不同，后續的分析也是分兩部分分別進行。
四、效益分析
（一）減少線路損耗。特別是對于負荷較大的區域，一直以來低壓側電流特別大，功率因數提高了，無功電流就減少，更利于有功電能的輸送，也相當于提升變壓器有功使用容量，更好的為生產現場提供電能。
（二）電力公司給予我公司獎勵。功率因數提高后，可以得到
電力公司用電獎勵。我廠電費是按照：0.90標準電費調整（%）來計算的，由之前統計的兩路數據可以看出功率因數攻關前后的變化 。當功率因數提高后，并做好保持工作，我廠堡船207和堡船217在電力公司拿到的獎勵還是比較可觀的。
五、固措施
中圖分類號:TP274文獻標識碼:B
文章編號:1004-373X(2009)12-192-03
High Power Factor Power Design
LEI Dan,LI Huizhong
(Wuchang Branch,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430068,China)
Abstract:Power factor design is the key indicator of power supply,power supply has always attached importance to developing technical problems.Power supply uses PFC control circuits that using UCC28019 of TI which can Significantly increase the power factor.The power supply consists of six parts which are AC/DC conversion circuits,DC/DC conversion circuits,power factor detection circuits,PFC control circuits,digital set,measuring circuits and protection circuits.AC/DC conversion circuits using not controlled rectifier,DC/DC conversion circuits using boost topology,which can output voltage that the value is 30~36 V.Power supply uses MSP430F247 SCM can accomplish digital set and measurement.This system has some advantage:intuitive features,good stability,improved power factor.
Keywords:boost topology;power factor test;UCC28019;MSP430F247
1 方案論證
1.1 DC/DC主回路拓撲方案
方案1:Buck型拓撲結構變換器
該方案可在隔離變壓器輸出端進行三倍壓整流,再將直流電壓通過Buck型拓撲結構進行降壓變換實現。但采用Buck型變換器輸入端電壓偏高,驅動電路和控制電路的電源方案較麻煩,并且可靠性不高。
方案2:Cuk型拓撲結構變換器
它的輸出電壓極性與輸入電壓相反,但其值可以高于、等于或低于輸入電壓的值。其輸入和輸出電流都是連續的,經兩個電感的補償耦合,將輸入和輸出的波紋電流和電壓抑制到零,但內部諧振使傳遞作用斷續或在某些頻率上削弱輸入波紋抑制。在耦合電感線圈和變壓器隔離的結構中,由于“開關導通”初期的沖擊耦合電流會引起輸出電壓反向,并且也存在穩定性問題。
方案3: Boost型拓撲結構變換器
Boost電路的輸出電壓極性與輸入電壓相同,但總是高于輸入電壓。輸入電流是連續的,只需要較小的輸入濾波。輸出電壓與負載電流無關,并且輸出電阻非常低,硬件上容易實現,且控制簡單,技術成熟。
通過以上綜合分析比較,Boost型拓撲結構變換器是DC/DC變換器的理想選擇。
1.2 系統控制方案
方案1: 幅度控制方式,即通過改變開關電源輸入電壓的幅值而控制輸出電壓大小的控制方式。這種方式效率很低,當低壓輸出時,將造成大部分能量消耗在調整管或電阻上。
方案2:脈沖寬度控制,指功率管的開關工作頻率(即開關周期)固定,是一種直接通過改變導通時間(即占空比)來控制輸出電壓大小的方式,它采用升壓型(Boost)或降壓型(Buck)拓撲結構來實現輸出電壓的改變。這種控制又稱PWM控制。
由于PWM控制方式采用了固定的開關頻率,因此,設計濾波電路時簡單方便。綜合比較,采用方案二作為控制方法。
2 硬件設計與主要參數計算
2.1 系統總體電路框架
根據題目的設計要求,系統由AC/DC變換電路、DC/DC變換電路、功率因數檢測電路、PFC控制電路、數字設定及測量顯示電路、保護電路等6大部分組成。其系統電路總體框架如圖1所示。
圖1 系統總體框架
2.2 DC/DC變換模塊
DC/DC采用Boost變換電路,其電路結構如圖2所示。
圖2 boost變換電路
2.2.1 二極管參數
在功率MOSFET截止期間,VD正向偏置而導通,最大流通電流達2 A左右;在MOSFET導通期間,VD反向偏置而截止,此時二極管反向電壓為Vin。為了確保電路的可靠性,故選取整流二極管MUR3060。
2.2.2 功率開關管參數
功率開關MOSFET所要承受的基本電壓為截止時所承受的電壓Vin,導通時所要承受的導通電流為2 A。為確保電路的可靠性,應考慮適當的安全裕量,故選取功率開關管IRFP150N,其耐壓、耐流完全滿足要求。
2.2.3 儲能電感參數
變換器中的電感線圈在任何正常條件下不能飽和,并且為了有好的效率,線圈和磁心的損耗必須要小。理論上電感可具有任何值,大電感可具有低波紋電流,且輕載時可連續導通,但負載瞬態響應差。小的電感波紋電流大,增加了開關損耗和輸出波紋。在輕載時出現不連續導通,且導致系統不穩定。可是,其瞬態響應性能好,效率高,尺寸小,所以電感的選擇只能折中,通常選擇使臨界電流低于最小規定負
載電流的電感,或按可接受的波紋電流盡可能地以小的標準來選擇。 電感量通過公式:
LRSF(min)≥VoutD(1-D)/(fSW(typ)IRIPPLE)
計算出:L≥0.07 mH。另外,輸出電流達到2 A,功率較大,由于參數類型特殊,普通電感遠達不到要求,故選用粗銅線與環型磁鐵的自制電感。
2.2.4 輸出濾波電容參數
輸出濾波電容C兩端電壓為輸出電壓Vout。C的濾波使輸出Vout的波形連續。對DC/DC轉換器而言,工作頻率越高,所要求的電容值越低。設計中選用4 700 μF的電容。
2.3 PFC控制模塊
開關電源是借助開關器件的開/關(ON/OFF)實現能量交換的。輸出控制由晶體管的導通時間決定。實際上PWM控制就是控制開關管導通的占空比。結合控制方式及功率因數的要求,設計中選用TI公司提供的具有功率因數校正功能的UCC28019芯片作為PFC控制模塊。UCC28019 為8引腳連續電流模式(CCM) 控制器,其重要元件參數的計算如下:
C7=gmiM1/K12πf1AVG=910 pF
式中:gmi=0.95 ms;M1=0.4;K1=7;f1AVG=9.5 kHz。
C11 =(gmv fv/fPWM_PS)/(10GVLdB(f)/20×2πfv)
=3.88 μF
式中:gmv=42 μs;fv=10 Hz;fPWM_PS=1.589 Hz,10GVLdB(f)/20=100.709 0 dB/20,fv=10 Hz。
R11=1/ (2πfZEROCvCOMP)= 30.36 kΩ
式中:fZERO=1.589 Hz,CvCOMP= 3.3 MF。
C12=CvCOMP /(2πfPOLERvCOMPCvCOMP -1)=0.258 μF
式中:fPOLE=20 Hz,RvCOMP=33 kΩ,CvCOMP =3.3 MF。
PFC控制模塊與各電路連接見圖3。
圖3 PFC控制模塊與各電路連接圖
2.4 顯示與測量模塊
數字設定及顯示,功率因數檢測兩部分由MSP430F247單片機、鍵盤和128×64液晶顯示器構成。與普通LED相比,液晶顯示界面與操作界更友好。
2.5 過流保護模塊
過電流保護是一種電源負載保護功能,以避免發生包括輸出端子上短路在內的過負載輸出電流對電源和負載的損壞。出現過流時,控制信號使PWM輸出脈寬變窄,輸出電壓迅速下降,從而抑制電流。
3 軟件設計流程
系統軟件設計分為兩大部分,包括輸出檢測及顯示;功率因數檢測。
設計流程如圖4所示。
圖4 設計流程
4 系統測試
4.1 測試方法
(1)設定不同輸出電壓值,測量實際電壓輸出;
(2)設定某一固定輸出電壓值,調節U2從15~19 V變化,測量實際電壓輸出。
(3)設定某一固定輸出電壓值和U2,調節負載,測量實際電壓輸出。
4.2 測試儀器
測試儀器有:單相自耦調壓器;普通數字萬用表;四位半數字萬用表;60 MHz數字示波器(雙通道)。
4.3 測試主要數據
4.3.1 輸出電壓
當電壓U2=18 V,負載電流為0.5～2 A時,設定和實際輸出的電壓見表1。
4.3.2 功率因數
功率因數計算如下:
λ=U2I21cos φ1/U2I2= I21cos φ1/I2=
νcos φ1cos φ=cos 15°=0.96
式中:U2,I2分別為變壓器副邊的電壓和電流有效值;I21為I2中的基波分量;φ1為U2和I21之間的相位差。為計算簡單,這里用U2,I2之間相位差的余弦cos φ作為功率因數。
表1 輸出電壓的設定值和實際輸出值
設定值 /V實際輸出值 /V設定值 /V實際輸出值 /V
3030.43434.1
3131.23535.2
3232.53636.7
3333.6
4.3.3 電壓調整率
輸出電壓設定值為36 V,當U2=15 V,Io=2 A時,Uo=35.7 V;當U2=17 V,Io=2 A時,Uo=35.8 V;當U2=19 V,Io=2 A時,Uo=36.0 V;電壓調整率σv≤0.2%。
4.3.4 負載調整率
設定U2=17 V,輸出為36 V,則Io=0.2 A時,Uo=35.9 V;Io=2 A時,Uo=35.8 V;負載調整率σL≤0.3%。
5 結 語
通過測試的數據顯示,該設計較好地完成了預期設計目標,功率因數高達95%以上,穩定性好。但也有一定的不足,如輸出存在雜波,輸出電壓設定值與實際輸出值的誤差較大等,這些問題有待以后的研究中進一步改善。
參考文獻
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Abstract: in the mine in the power supply system, and most of the load are inductance characteristic, they all need from the power supply system absorbs reactive power, when active power needs to maintain a constant, reactive power requirements increase of the power supply system will create the effect: to lower the power generation equipment and power supply equipment utilization; Increase the transmission lines and generator power loss; Make circuitry voltage drop increases, reduce the power quality.
Keywords: mine power supply; Active power; Reactive power; Power factor
中圖分類號：U223.6文獻標識碼：A 文章編號：
由于礦山企業采用大量的感應電動機和變壓器等用電設備(如帶鎮流器的日光燈、交流接觸器等),供電系統除供給有功功率外還需供給大量無功功率,使發電和輸配電設備的能力不能充分利用,為此,必須提高用戶的功率因數,減少對電源系統的無功需求量。
功率因數就是在交流電量中有功功率與視在功率之比值,用λ表示,即:λ=p/s=cosφ。它是一項重要的力能經濟指數,如上面所述的用電設備,它們的功率因數都比較低,滿負荷時約為0.7~0.85;輕載時在0.5以下,功率因數不高原因是由于電感性負載的存在,而電感性負載的功率因數之所以小于1,是由于負載本身需要一定的無功功率。按照供用電規則,高壓供電的工業企業的平均功率因數不小于0.95,其它單位不低于0.9。
一、無功功率需要量增大將對供電系統產生以下影響:
（一）降低發電設備和供電設備的利用率
發電機、變壓器額定容量,是根據額定電壓UN和額定電流IN設計的。額定電壓和額定電流的乘積,即為額定視在功率Sr=UNIN,它代表設備的額定容量,在數值上等于允許發出的最大功率。因為發電機在額定工作狀態下發出的有功功率為:PN=UNINcosφ
當負載的功率因數cosφ=1時,PN=NS,其容量得到充分利用;當負載的功率因數cosφ
（二）增加輸電線路和發電機的功率損失
當發電機的電壓U和輸出的有功功率P一定時,電源I與功率因數成反比,而線路和發電機繞組上的功率損耗P與cosφ的平方成反比,即I=P/Ucosφ
P=I2r=(P/Ucosφ)2r=P2/U2×1/cos2φ×r
式中,r是發電機繞組和線路的電阻。
在P、U一定的情況下,cosφ越低,電流I就越大,電流流過輸電導線,在輸電線路上引起的功率損耗越大,就意味輸電線路傳輸電能的效率越低。
（三）使線路電壓降增大,降低電能質量
由I=P/Ucosφ可知,在P、U一定時,功率因數越低,輸電線上輸送的電流就越大,在線路上產生的電壓降V=I│z│也就越大,電能質量降低,特別在電網末端將會長期處于低壓運行狀態,影響負荷的正常工作,滿足不了用戶需求。為提高電壓,必須在系統中裝設調壓設備,如帶負荷調壓器等。
二、通過以上分析提高功率因數的方法,歸納有以下兩個途徑:
（一）提高用電設備本身的功率因數(自然功率因數)
合理選擇和使用電氣設備,避免“大馬拉小車”現象,合理選擇電動機的容量,使電動機的容量與被拖動的機械負載配套。當電動機實際負荷比其額定容量低很多時,功率因數就會急劇下降。另外,也要有合理的調度,安排生產工藝流程,限制電氣設備空載運行。
（二）用其它設備進行補償
礦山企業為了使功率因數達到規定值以上,一般都用并聯電容器的方法進行人工補償,電力電容器具有投資省、有功功率損失小、運行維護方便、故障范圍小等優點。通常是將電容器(設備在用戶載變電所中)并聯到電感性負載的電路中,利用感性負載的無功功率與電容的無功功率相互抵消補償的原理來提高功率因數;在電感性負載上并聯了電容器后,減少了電源與負載之間的能量互換,這時電感性負載所需的無功功率大部分或全部都是就地供給(由電容器供給),就是說能量的交換現在主要或完全發生在電感性負載與電容器之間,因而使發電機容量能得到充分地利用。
綜上所述,提高用戶的功率因數具有重大的經濟意義,所以國家獎勵企業用戶提高功率因數。在按兩部電價收費的基礎上,還規定了根據企業用戶的功率因數高低另加獎或懲的附加電費。提高負載的功率因數,既能減少線路的電能損失和電壓降,又能使原設備得到充分利用,從而提高供電質量,增加企業轉供電回收,對礦山企業的可持續發展有著重要的意義。
【參考文獻】
[1]張學成.工礦企業供電中國礦大學出版社.
中圖分類號：TN8 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）23-0364-01
一、提高功率因數的意義
改善企業用電的功率因數（即無功功率補償）是企業節約電能的重要課題，因此應給予足夠重視，并采取相應的技術措施以提高功率因數。由于企業采用大量的感應電動機和變壓器等用電設備，通過磁場，變壓器才能改變電壓并且將能量送出去，電動機才能轉動并帶動機械負荷。全國供用電規則還規定了在電網高峰負荷時，用戶的功率因數應達到的標準：高壓供電的工業用戶和高壓供電裝有帶負荷調整電壓裝置的電力用戶，功率因數為0.90以上；其他100KVA（KW）及以上電力用戶和大、中型電力排灌站，功率因數為0.85以上；農業用電，功率因數為0.80以上。凡功率因數不能達到上述規定的新用戶，供電部門可拒絕供電。因此對無功功率進行補償，提高企業用電的功率因數具有重要的意義。
提高功率因數對企業和電力系統的好處如下：
（1）提能夠降低生產成本、減少投資、改善設備的利用率
1.1 功率因數可以表示成下述形式
越高，所需視在功率越小。而當有功負荷一定時，若功率因數值越大，可知無功負荷就越小，充分發揮了發、供電設備的生產能力，提高了經濟效益。在發電和輸、配電設備的安裝容量一定時，提高用戶的功率因數相應減少無功功率的供給，則在同樣設備的條件下，電力系統輸出的有功功率可以增加。
（2）減少網絡中的電壓損失，提高供電質量
由于用戶功率因數的提高，使網絡中的電流減小，因此網絡的電壓損失減少，網絡未端用電設備的電壓質量提高。
二、提高功率因數的方法
功率因數等有功功率除以根號下有功功率的平方與無功功率的平方之和。當有功功率一定時，若減少無功功率便可以提高功率因數。交流用電設備、電動機、變壓器等建立磁場需要激磁無功功率，同時還消耗漏磁無功功率。
（一）提高功率因數方法如下：
（1）選氣隙小、磁阻小的電氣設備，如選電動機時，若沒有調速和啟動條件限制，應盡量選擇鼠籠型電動機。
（2）同容量下選擇磁路體積小的電氣設備。如高速開啟式電動機，在同容量下，體積小于低速封閉式和隔爆型電動機。
（3）根據負荷選用相匹配的變壓器。電力變壓器一次側功率因數不但與負荷的功率因數有關，而且與負荷率有關1若變壓器滿載運行，一次側功率因數僅比二次側降低約3～5%；若變壓器輕載運行，當負荷小于0.6時，一次側功率因數就顯著下降，下降達11～18%，所以電力變壓器的負荷率在0.6以上運行時才較經濟，一般應在60%～70%比較合適，為了充分利用設備和提高功率因數，電力變壓器一般不宜作輕載運行。當電力變壓器負荷率小于30%時，應當更換成容量較小的變壓器。
（二）電氣設備運行合理
（1）正確選用異步電動機的型號與容量。據有關資料介紹，我國中小型異步電動機的用電負荷約占電網總負荷的80%以上，幾個主要電網中，電動機所耗能占整個工業用電量的60%～68%左右，因此做好電動機的降損節能具有十分重要的經濟意義，正確選用異步電動機，使其額定容量與所帶負載相配合，對于改善功率因數是十分重要的。在選型方面，要注意選用節能型，淘汰高能耗的電動機，并依據電機機械工作對啟動力矩、啟動次數、調速等方面的具體要求，選用不同的型號。電動機的效率η與功率因數cosφ是反映電動機經濟運行水平的主要指標，都與負載率β有密切關系。GB/T12497-90 對三相異步電機三個運行區域規定如下：
當β
（2）合理調度安排生產工藝流程，限制電氣設備空載運行。生產時間要躲開高峰時間，降低高峰用電量。
（3）提高維護檢修質量，保證電氣的電磁特性符合標準。
（4）進行技術改造，降低總的無功消耗。
三、人工補償無功功率
企業為了使功率因數達到國家要求的規定值（0.90）以上，一般都采用并聯電容器的方法進行人工補償，電力電容器具有投資省、有功功率損失小、運行維護方便、故障范圍小等優點。
四、綜上所述，提高功率因數必然對國家的能源利用、企業的經濟效益起到促進作用，是保證電力系統電能質量、電壓質量、降低網絡損耗以及安全運行所不可缺少的條件。應根據不同情況采取相應措施來提高功率因數，降低無功損耗，從而提高經濟效益。
參考文獻
1.提高功率因數的意義
由于有些企業有生產中采用大量感應電動機和變壓器等用電設備，特別是大功率可控硅的應用，供電系統除供給有功功率外，還供給大量無功功率，使發電和輸配電設備的能力不能充分利用。為此必須提高用戶的功率因數，減少對電源系統的無功需求量。
2.提高功率因數的方
功率因數為
cos？準=P/S=P/■=■
當有功功率P一定，若減少無功功率便能提高功率因數。交流用電設備、電動機、變壓器等，建立磁場需要激磁無功功率Qjc同時還消耗漏磁無功功率Qk，其所需要的無功功率為：
■
其中 Qjc=k？準■■fR？滋=k'■fv=k"■fv
式中 ？準m——交流磁通最大值；
Bm——感應強度最大值；
f——交流電的頻率；
R——磁路的磁阻；
？滋——磁路的導磁系數；
v——磁路的體積；
U——磁路的電壓；
I——負荷電流；
X——漏磁感抗；
k，k'，k"——常數。
由上述數學公式可知，提高功率因數的方法如下：
2.1正確選擇電氣設備
（1）選氣隙小，磁阻小的電氣設備。如選擇電動機時，若沒有調遣和啟動條件的限制，應盡量選擇鼠籠電動機。
（2）同容量下選擇磁路體積小的電氣設備。如高速開啟式電動機等。
（3）電動機、變壓器的容量選擇要合適，盡量避免欠負載運行。因欠載時P和I減少，會造成COS中減少。
（4）不需要調速，持續運行的大容量電動機，有條件時可選擇同步電動機，使其過激磁運行，提供超前（一Q）無功功率進行補償使電網總的無功功率減少。
2.2電氣沒備運行合理
（1）消除嚴重欠載運行的電動機和變壓器。對于負荷小于40%額定功率的感應電動機，在能滿足起動、工件穩定性等要求條件下，應以小容量電動機更換或將原為三角形接法的繞組改為星形接法，降低激磁電壓。對于變壓器，當其平均負荷小于額定容量的30%時，應更換變壓器或調整負荷。
（2）合理調動安排生產工藝流程，限制電氣設備空載運行。
（3）提高維護檢修質量，保證電動機的電磁特性符合標準。
（4）進行技術改造。降低總的無功功耗。如改造電磁開關使之無壓運行，即電磁開關吸合后，電磁鐵合閘電源切除仍能維持開關合閘狀態，減少運行中的無功功耗：繞線式感應電動機同步化，使之提供超前無功功率等。
2.3人工補償無功功率
企業為了使功率因數達到規定值以上，一般都用并聯電容器的方法進行人工補償。電力電容具有投資少有功功率損失小，運行維護方便，故障范圍小等優點。電容器的缺點是當通風不良或因電網高次諧波造成電容器過負荷使運行溫度過高，易出現外皮鼓肚，漏油甚至爆炸引起火災。因此規定電容器室應獨立設置。目前常用的電容器類型有YY油浸紙介電容器，現在生產的YGM聚丙烯薄紙膜紙復合介質的浸苯甲基形電容器及YW軟性十二烷基苯浸漬紙介電容器可供選。它們體積小、容量大。
目前，為了便于管理維護，多采用集中固定補償，即在變電所6kV母線上裝設容量不變的電力電容器組。若補償前功率因數為COS？準1，補償后提高到COS？準2，如圖1，則補償所用的電力電容器容量應為：
Qc=Pp（tan1-tan2）
=K■Pmax（tan1-tan2）kvar
式中 Pp——全用戶有功平均負荷；
Pmax——全用戶有功計算負荷；
K■——平均負荷系數；
P■/pmax一般取0.7～0.8。
上式全用戶平均負荷計算的所需補償電容量，也可以按全用戶最大負荷進行計算。如按最大負荷Pmax計算所需補償的無功功率0c，則當P
圖1 矢量圖 圖2 系統圖
為了使企業內部收到改善功率因數的更大效益，可以考慮改變集中補償為分組或分散補償，最好是自動補償，也可采用低壓補償，對于1000V以下的電容器組可用電阻或白熾燈作為放電設備。
電容器柜的數量N可按下式確定：
N=Qc/Qcl（U/Ue）2
式中0c，——每個電容器的容量，
U——電容器裝設處的電網電壓，
Ue——電容器的額定電位。
例如6kV母線的全用戶總有功負荷5375.7的自然功率因數從COSφ1=0.81提高到COSφ2=0.96%，選擇電力電容器。
需要電力電容器補償的無功功率Qc計算為：
Qc=KpfPmax（tanl-tan2）
=0.8×5375.7（0.724-0.329）
=1698.7kvar
選擇電容器單臺大者，以節省變電所的建筑面積。可以，考慮將電容器分為二組，分接于二段母線上，且應每相容量相同。所以選擇YGM6.3-100-1型電容器18臺。每段母線上接9臺，每組每相3臺接成三角形。
3.提高功率因數對電力系統的好處
3.1提高電力系統的供電能力
在發電和輸、配電設備的安裝一定時，提高用戶的功率因數相應減少無功功率的供給，則在同樣設備條件下，電力系統輸出的有功功率可以增加。
3.2降低電網的功率損耗
3.3減少電網的電壓損失，提高供電質量
