DQZHAN技術(shù)訊：關(guān)于功率因數(shù)技術(shù)問(wèn)題
概述
隨著電能質(zhì)量越來(lái)越被重視，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)也會(huì)被廣泛地應(yīng)用。通過(guò)改良功率因數(shù)來(lái)增進(jìn)功率質(zhì)量，不僅節(jié)約成本而且也是一種利潤(rùn)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(guò)產(chǎn)生無(wú)功功率來(lái)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(wú)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(huì)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(huì)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(chǎng)，這種磁場(chǎng)反向電能就被稱作無(wú)功功率。在交流電網(wǎng)中（50/60Hz），上述過(guò)程每秒重復(fù)50或60次，因而一種顯而易見(jiàn)的解決方法就是直接將這些磁場(chǎng)電能通過(guò)電容器來(lái)暫時(shí)存儲(chǔ)和釋放，從而減少了電網(wǎng)的無(wú)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(dòng)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(cè)的功率因數(shù)來(lái)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(guò)以下途徑得改良
1、 電容器無(wú)功功率補(bǔ)償
2、 半導(dǎo)體有功功率補(bǔ)償
3、 適用過(guò)激的同步電機(jī)（馬達(dá)/發(fā)動(dòng)機(jī)）
PFC的類型（支諧或常規(guī)）
1、 個(gè)別補(bǔ)償（每一無(wú)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(wú)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(dòng)補(bǔ)償（由功率因數(shù)補(bǔ)償在負(fù)荷中心點(diǎn)上自動(dòng)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(wú)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(wú)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(guò)在某些特定的環(huán)節(jié)上用超前無(wú)功功率來(lái)補(bǔ)償滯后無(wú)功功率。此方法還能避免過(guò)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(wú)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(wú)功功率。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)條件改變時(shí)，通過(guò)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(wú)功功率來(lái)補(bǔ)償滯后無(wú)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(wú)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（載流量減小），電纜橫截面也因此減小?；蛘哒f(shuō)，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(kāi)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(lái)自電流變送器或無(wú)功功率的信號(hào)并產(chǎn)生開(kāi)關(guān)命令來(lái)控制接觸器(或無(wú)觸點(diǎn)投切開(kāi)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(jí)的平穩(wěn)利用及*少的開(kāi)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(huì)出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)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(dòng)補(bǔ)無(wú)觸點(diǎn)投切調(diào)節(jié)器
VCJR切換接觸器是一種機(jī)電開(kāi)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(kāi)關(guān)操作可由機(jī)械觸頭來(lái)完成。若對(duì)于敏感負(fù)載，需要快速開(kāi)關(guān)控制的情形，采用電子開(kāi)關(guān)VTSC型容性動(dòng)補(bǔ)無(wú)觸點(diǎn)快速調(diào)節(jié)器來(lái)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(lái)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(dòng)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(duì)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(wú)功功率以補(bǔ)償滯后無(wú)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_(kāi)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(lái)自電網(wǎng)和并聯(lián)電容器開(kāi)關(guān)的充電電流，會(huì)使浪涌電流增加（≥150*1n）。
電壓波動(dòng)（包括瞬變過(guò)電壓，上/下電壓波動(dòng)以及閃變）
以上波動(dòng)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(dòng)引起的。這些隨機(jī)的電壓波動(dòng)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(huì)損壞一些敏感的生產(chǎn)過(guò)程。在較弱的電網(wǎng)中，閃變會(huì)對(duì)很大的地域造成影響，而動(dòng)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(dòng)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(wú)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(guò)布線來(lái)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(wèn)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(guò)載及過(guò)熱時(shí)就可能發(fā)生擊穿現(xiàn)象。這就會(huì)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(méi)有金屬化層的絕緣區(qū)，在擊穿發(fā)生過(guò)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(shuō)損失程度只有通過(guò)精密的測(cè)量?jī)x器才能檢測(cè)出來(lái)。
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(guò)程確保了電容器具有極好的電容穩(wěn)定性，以及較長(zhǎng)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(kāi)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?cè)诟呃擞侩娏鲿r(shí)的誤動(dòng)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(kāi)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(huì)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(lái)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(duì)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(kāi)關(guān)，保險(xiǎn)絲或任何其它斷開(kāi)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(dòng)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(duì)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(jí)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(duì)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)。
