CN1014852B - 调节电容器容量的基本电路 - Google Patents

Abstract

本发明为电力系统或电机工程提供了用非机械方法无级调节电力电容器容量的技术，其核心是由一对电容器、半导体二极管和有关断能力的半导体器件构成并上下对称工作的基本电路。容量调节范围是：最大容量与最小容量之比为2ⁿ，n＝1，2，3，4，……。既可使用普通定容值电力电容器，也可使用电解电容器。电流的波形失真较小。可用手动或全电子式自动调节电容器的容量，总损耗不大于容性无功功率的5%。

Description

本发明属用非机械方法改变电力电容器容量的技术。

众所周知，提高电网的功率因数对国民经济的发展有着极为重要的意义。功率因数不高，根本原因是由于电感性负载的存在，它需要一定的无功功率。提高功率因素最常用的方法就是与电感性负载并联静电电容器（设置在用户或变电所中）。对于不同的电感性负载，必须适当选择电容器的电容值，电容量过小或过大，都不利于功率因素的合理提高。从而开发无级调节电力电容器容量的技术，是一项具有很高经济效益和实用价值的工作。

虽然机械式可变电容器在电子技术领域里，在电磁信号的传输与处理中有广泛应用，但其容量太小而不能涉足于电力系统。可应用于电力系统的非机械式容量可变型电容器已在日本投入使用（见《电气新闻》杂志〔日〕，1987年11月18日）。该电容器是特制的，其容量与电压的立方成正比，是一种不便于控制的非线性电容器件。它应用于电压有效值固定的电力系统中时，需要变压器隔离，并且在接有特制电容器的变压器二次侧须设置无级调压装置，如电刷和伺服机构，变压器属超大型接触式调压器。非线性电容器件将产生电容电流波形畸变，且 工作时调定的容量越大，畸变程度越严重。其实，使用普通定容值电力电容器和利用变压器、伺服机构调压，也可实现一次侧等效容量的无级调节，因此在技术上并没有实质性的突破。

采用可控硅调节并联电抗器（简称TCR），可无级地调节向电网输送的容性无功，但这种方案必须要在其上并联固定电容，才能等效地无级调节向电网输送的容性无功;并因这种方案的电感电流波形畸变严重，还需加装多个滤波支路。

70年代末出现了基于同步调相机的运行原理，采用可控硅整流、逆变技术的晶闸管控制的无功电源装置（简称SVG）。它不需要大容量的电抗器，也不需要大容量的电容器，就可以无级地调节向电网输送的容性无功或感性无功，而且响应速度快。1981年日本已把20MVA的SVG装置投入到77KV的电网中运行。

中国专利文献CN88204250（公告号）提出的一种“采用GTO构成的无功电源装置”，也属于这类SVG装置。它采用门极可关断晶闸管（GTO）来构成无功电源装置的主电路无功发生电桥、由输出变压器经开关把无功发生电桥与电力系统母线相联，由测量电路测得的电力系统母线的电压、电流讯号被送入控制环节，由微处理器实现的控制环节对测量电路输入的讯号加以运算，根据运行方式的控制规律输出控制脉冲，控制无功发生电桥中的GTO导通与阻断来调节输出无功功率的性质及大小。在其实施例中，每个单组无功发生电桥包括一对电容器C、一对二极管D和一对GTO，它们每对分别通过一个电感LK串联起来，而且在同一侧的二极管D和GTO是反极性的。电容器C是普通电容器，没有极性之分。

SVG装置经过了十多年的发展，还是不能得到广泛的应用。其原因在于，这种装置需要几十直至几百只高电压大电流半导体器件，一次电路非常复杂;二次电路也是相当复杂，而且要求的控制精度相当高，必须要用微型计算机参与运算和控制;再则，逆变后的交流电压输出端不能直接在电网上，要用一个特殊的多绕组变压器作为输出变压器。当输出电压、电流的波形失真度满足电力系统的谐波管理要求时，这只输出变压器至少需要6个相互绝缘的绕组，一个接在电网上的绕组。这种七绕组大容量变压器的制造也是相当困难的。

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种能用于电力系统或电机工程中的无级调节电力电容量容量的技术，要求一次线路和二次线路均简单，控制精度要求不高，无须配置隔离变压器，也不需要专用的电抗器或特制的输出变压器，可以使用普通的定容值电力电容器甚至某些电解电容器。

本发明目的是通过提供无级调节定容值电容器容量的基本电路或该基本电路的应用来实现的。基本电路中含有一对容量为C的普通电力电容器或一对电解电容器C1和C2，一对半导体二极管D₁和D₂，以及一对具有关断能力的半导体器件G1和G2，处于该电路同一侧的一只二极管和一只有关断能力半导体器件是反极性的。本基本电路的结构如下：若使用电解电容器，则把两只容量均为C的电解电容器C₁和C₂按极性反串联后的两端分别与正弦交流电源的两端点x₁和x₃相接，把二只半导体二极管D₁和D₂按极性反串联后的两端、以及两只具有关断能力的半导体器件G₁和G₂按极性反串联后的两端，都分别与x₁和x₃相接，并使C₁和C₂、D₁和D₂、G₁和G₂的串接端均与一共同的中间点x₂相接，在x₂点处C₁与D₁的极性相反而与G₁的极性相同、C₂与D₂的极性相反而与G₂的极性相同，G₁和G₂的控制电极b₁和b₂分别与两个脉冲频率与正弦交流电源相同而相位相差180°、脉冲宽度可自0～ (T)/2 调整并对称工作的触发脉冲发生器的输出端相接，若使用普通电力电容器，则除电容器C₁和C₂不必区分其极性之外，其他结构相同。通过实际的试验测定表明，只要调节脉冲发生器使G₁和G₂的导通角自0°～90°变化，即可 让x₁与x₃两端点间的电容值自1/2C～C而连续地改变，即Cmax/Cmin＝2，这里Cmax和Cmin分别为x₁与x₃两端点间的最大电容值和最小电容值。

在上述描述中，视电解电容器正极与半导体器件的阳极为相同极性。

上述基本电路也可以换一种方式来描述：基本电路在投入系统的两端之间有一中间点，该点与两端之间各并接有两个反并联的电力半导体器件（或者一个电力半导体组合器件）及一个电容器。半导体器件中有一件是可关断的，电容器可以是电力电容器或电解电容器。电解电容器和半导体器件的极性排列相对于中间点对称，即从一端到中间点的极性为正，则另一端到中间点的极性也为正，反之亦然。无论电容器有无极性，电力半导体器件总是使得电容器单方向地充电和放电。用辅助控制电路控制可关断半导体器件的导通角自0°～90°变化。

以下结合附图说明上述基本电路的工作原理。

图1为单极性电解电容器。图2（a）和（b）为本发明基本电路未接上有关断能力的半导体器件时的线路图。图3（a）和（b）分别为图2（a）和（b）的线路在正弦交流电系统中的稳态响应图。图4为本发明基本电路一种极性接法的线路图。图5为本发明基本电路在调容过程中电流波形的失真情况图。图6～图10分别为本发明基本电路应用实施例1～8的线路图。

（1）单极性电解电容器在正弦交流电力系统中的应用

图1中容量为C的单极性电解电容器，只要两端电压V_c＝V_o+V_oSinωt≥0，便符合其工况要求。式中V_o为电压的直流成分，V_o· Sinωt为交流成分。此时电流i_c＝ωCV_ocosωt。

基本电路若未接有可关断半导体器件，则其线路是图2（a）或（b）。图2（a）和图2（b）分别为两种极性不同的接法。图中D₁和D₂为半导体二极管，C₁和C₂为电容量是C的定容值单极性电解电容器。按常规表示方法，用小写字母i、υ及e分别表示电流、电压及电动势正弦量的瞬时值，例如图中e_S为正弦交流电源电动势的瞬时值。上述电路与交流电源接通的瞬间，有一电容器充放电的暂态过程。充电电压 ，下文均称为υ_c;充电电流ic₁＝ic₂＝ic₃＝ic₄，下文均称为i_C。例如对于图2（a）所示线路，设接通电源时刻刚好t＝o，e_s＝o，则在第一个1/4周期内，C₁充电，

的流向：x₁→C₁→D₂→x₃。此时C₂所承受的反向电压仅为D₂的管压降（约0.7伏），对电解电容器无损。在第二个1/4周期，e_s自幅值下降，C₁放电电流不能通过D₁，其流向为：C₁→x₁→x₃→C₂→C₁→x₁→x₃→……，此时C₂已进入充电状态。当e_s再为零时，C₁和C₂上的充电电压相等而极性相反，至此，两电容器建立了直流电压分量V_o（约0.01秒）。此后D₁、D₂都不再导通，x₁和x₃两端子间的等效电容量为1/2C，此时i_c的波形与i的一样。图2（a）或（b）在正弦交流系统中的稳态响应见图3（a）和（b），这已由试验所证实。图中V_o为e_s的幅值，υ_c的曲线是a₁，i_c的曲线是b₁。由此可见，按图2（a）或（b）的接法，可保证由电解电容器C₁、C₂在正弦交流电中永远按自身的工作极性 充放电工作，从而可将电解电容器代替无级性的电容器用于正弦交流电网。

（2）电容量无级调节的基本原理

如果在υ_cmax≡2V_o的条件下（只要e_s的有效值恒定，则必然满足该条件），设法使得图2（a）或（b）中电容器C₁和C₂的充放电速度能逐渐加快，υ_c＝0的时间间隔由零逐渐变成 (T)/2 （T＝ (2π)/(ω) ），υ_c和i_c的曲线分别由图3（a）和（b）中的a₁和b₁逐渐变化为a₂和b₂，则x₁和x₃两端子间的等效电容量就可以由1/2C无级地变到C。实现这点的电路就是本发明的基本电路，其结构已在前面进行了文字描述。现结合附图4说明其原理。图4为本发明基本电路一种极性接法的线路图，即图2（a）按要求接上了两只有关断能力的半导体器件T₁和T₂，这里T₁和T₂为开关三极管（这种使两个半导体二极管的正极分别与正弦交流电源的两端点x₁和x₃相接的接法，可使应用实例中的控制电路有共地的优点）。只要用触发脉冲使T₁导通，则C₂的充电电流流经D₁而放电电流流经T₁，用触发脉冲使T₂导通，则C₁的充电电流流经D₂而放电电流流经T₂，前半周D₂和T₂依次导通，后半周D₁和T₁依次导通，电路这样上下对称地工作，那么i的波形就是不失真的正弦波，而且图4中电流i的最大值正好是图2中电流i的最大值的2倍，这样图4中x₁、x₃两端的等效电容量就不再是1/2C而是C。通过调整b₁、b₂两端的触发脉冲的宽度使T₁和T₂的导通时间自0～T/2而变化， 就可实现使x₁、x₃两端的等效电容量从1/2C无级地变到大。在这个调节过程中，电流i的波形失真情况见图5，图中Cmin为x₁、x₃两端的最小电容量（即1/2C）。从该图可知，各次谐波总有效值与基波有效值之比的最大值为32.5%;三次谐波幅值与基波幅值之比的最大值为30.5%。在三相系统中，可使三次谐波电流不出现在线电流中，此时各次谐波总有效值与基波有效值之比的最大值为17.6%;五次谐波的幅值与基波幅值之比的最大值为15.5%，七次谐波幅值与基波幅值之比的最大值为11.5%，可见波形失真较小。

（3）各元器件的工况

设图4中电流i的最大有效值是I_c，则每只电容器最大充放电电流的有效值是I_c/2，每只电容器正负极之间的电场强度仅作大小变化而无方向的改变;流经二极管和三极管的电流的最大有效值为 (I_C)/2 ，最大平均电流为0.225I_c;二极管的最大反向压降为e_s的最大值，三极管的反向压降小于1伏。因此普通半导体器件即可胜任工作，并可把单极性、低损耗、耐高温的电解电容器用于正弦交流电网。

和现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

1.适用范围广泛，它既可以作为功率器件，也可以作为控制器件。非线性电抗器（如自饱和电抗器）在电力系统中有广泛应用，但因其毕竟是一个感性器件，而工频、中频电力系统中的大多数负载是电感性的，所以它的应用范围仍受到限制。本发明开发出了非线性电抗器的对偶器件-无级可调电容器，因此它在正弦交流电力系统中的应用范围 将比非线性电抗器和TCR装置更广，比SVG装置更具有适用性。

2.为这样两类电容器开辟了新的应用途径：一类是普通定容值电力电容器，另一类是电解型单极性而容值误差大的电容器（因是无级调节技术，可随容量误差而及时调节）。尤其是为联邦德国生产的可在交流电力系统中使用的铝电解电容器（见《Siemons    Compononts》，Vol.22，1987，1）提供了应用途径。

3.电容器容量的无级可调范围可以较大，也可以较小，可根据实际需要而方便地整定。

4.到目前为止，尚未看到用电力半导体器件调节电容器容量的报导，因此本发明为电力半导体器件开辟了新的应用市场。

5.本发明用于正弦交流电力系统中，其电容电流的波形失真度要比依赖电容器的非线性特征来调容的小。其主要原因是前者的波形最大失真度与调定的电容量无关，而后者则是调定的容量越大，波形最大失真度也越大，如同变压器原边电压越高，磁路越饱和，则激磁电流的波形失真越严重一样。

6    可不附加如隔离变压器，大容量交流电压无级调节装置等设备而直接使用。也不需要特制的输出变压器。

7.调节线路简单，使用的电容器、半导体元器件等均为普通规格，因此成本低，运行可靠性高。不需要用微型计算机参与运算和控制。

8.可以实现全电子式自动改变电容量，不需要实现机械位移的伺服机构，并且由此而使装置的反应速度较快、整个装置可做到无触点、无 噪声、体积小。

本发明基本电路的原理是独特的，但实施应用本发明基本电路的技术途径较多，随着电容量的调节范围、工作频率、应用场合不同，基本电路的应用实施方案会略有不同。下面结合附图给出本发明的8个应用实例。

实例1。见图6，1a和1b是开关三极管，2a和2b是普通整流二极管，3a和3b是电容量均为C的定容值单极性电解电容器（也可用普通电力电容器来代替）。4是容量为1伏安以下的隔离变压器，它起隔离和提供同步信号的作用。虚线框5内为本实例以及随后实例的主要控制模块的线路图。端点B的控制信号来自对电容量变化的控制信号，其形式是与图6共地的可变电压信号。手动控制时，B点可接在一可调的直流电压源上，如利用可变电阻分压或可控硅整流电压源等。由于B点仅需要电压信号，仅需要微安级的电流，因而这个可变电压信号是容易得到的。电压信号源的最低电压为零伏，最高电压值略大于变压器4的副边对地电压的最大值。图中E_c为运算放大器的直流工作电源，e_s为正弦交流电压源，T₃和T₄为开关三极管，A₁和A₂为工作在比较器状态下的运算放大器。设e_s的正半周时，υ_X5≥0，在此期间，当υ_X5＞V_B时，A₂输出正脉冲，T₄导通，1b的基极电流出现，当x₃到x₂端的电压为正时，1b导通而为3a提供流经正弦交流电源的放电通路。υ_X5＞V_B所经历的时间越长，3a的放电流流经1b的时间也就越长，反之亦然。而当 υ_X5＜V_B时，T₄截止，1b关断。A₁、T₃和1a的工作原理与上述相同，只是在相位上相差180°。这样改变B点的电位即可改变电容器的充放电速度，使x₁、x₃两端的等效电容随V_B的无级变化而连续变化，变化范围是1/2C到C。图中虚线框6a和6b表示框内元器件可用相应的半导体组合器件来代替。

实例2。见图7，虚线框7内的控制模块线路与实例1图6中虚线框6内的略有差异，但工作原理相同。8a和8b为可关断晶闸管，虚线框9和10表示框内元器件可以用相应的电力半导体组合器件代替。A₃和A₄为工作在比较器状态下的运算放大器，其余元器件与图6中相同标号的元器件相同。

实例1的工作频率和效率略比实例2的高，其他技术特征相同。电容量的增值与V_B的值近似成反比。如果将信号由正弦波改为同频率的等腰三角波，则电容量的增值与V_B的值成反比。

实例3和4。见图8，E_S为基准电源（直流），其值与图6中的e_s的有效值成一固定的比例。11a，11b的电容量均为C。虚线框12内的E即前述的无级可变电压信号电路模型图。把图6与图8中的同标号端子B、x₁、x₂、x₃相连，便构成本发明的实例3;把图7与图8中的同标号端子B、x₁、x₂、x₃相连，则构成实例4。实例3和4电容量的无级调节范围是1/2C～2C，即：

Cmax/Cmin＝4。

图8（a）中，E的最大值Emax略大于图6或图7中变压器4的 副边对地电压最大值的两倍，E_s是Emax的 1/2 。图8（a）所示线路的作用是：当E从2E_s变到Es时，V_B从Es变到零，此区间x₁、x₃端的电容量自1/2C变到C。当E略小于Es时接触器J动作，11a与3a并联，11b与3b并联，V_B略小于Es、并从此跟随E变小。J动作后，虽然新投入了11a和11b，但由于三极管1a和1b，二极管2a和2b皆不导通，故x₁、x₃两端的电容量仍然是C（与J不动作，三极管二极管导通时间为T/4时x₁、x₃两端间的电容量相等）。当E继续变小直至零伏时，x₁、x₃间的电容量从C变到2C。

实例5和6。见图9，13a和13b的容量与图6、图7中3a、3b的容量相等，14a、14b的容量是13a或13b的2倍。Es与图8的相同，虚线框12内的E仍为无级可变电压信号电路模型。将图6与图9中的同标号端子B、x₁～x₃相连，构成第5实例;将图7与图9中的同标号端子B、x₁～x₃相连，构成第6实例。实例5和6电容量的无级调节范围是1/2C～4C，即Cmax/Cmin＝8。

图9中Es＝2V_F（V_F为F点的对地电压），E的最大值为3V_F，Vx₄的最大值略小于V_F，而输出电压V_B总是在零伏到V_F这一范围而变化。1J、2J为接触器。可控晶闸管19a、19b和21a、21b都是e_s约为零时触发，因而投入13a、13b或投入14a、14b时的冲击几乎不存在。而晶体二极管20a、20b和22a、22b又能保证切除13a、13b或14a、14b后，在四分之一周期的时间里放电到零电压，因而不需要放电线路。这种免除工作电容投入时 产生冲击并不需要放电路的技术手段，是采用一个晶闸管与不可控的二极管反并联后与工作电容串联，使电容充放电电流分别流经晶闸管和二极管的电路。实例5和6的特点在于反应速度快。

实例7和8。见图10，15a和15b，16a和16b，17a和17b，18a和18b的容量分别为C，2C，4C，8C。虚线框12内仍为无级可变电压信号电路模型。1J～4J均为直流接触器，1C～4C均为交流接触器，E_s与前述的相同。将图6与图10中的同标号端B，x₁～x₃相连，构成实例7;将图7与图10中的同标号端B，x₁～x₃相连，构成实施8。实例7和8电容量的无级调节范围是1/2C～16C，即Cmax/Cmin＝32。

图10中E的最大值为5倍Vc₁（Vc₁为c₁点的对地电压），E_s的值为4倍Vc₁。

根据图6至图10的构思，本专业的普通技术人员容易构成不同工作频率，不同电压等级，不同应用场合，不同电容量变化范围的各种实施例。例如对于调容范围，可以做到Cmax/Cmin＝2ⁿ，n＝1，2，3……。

Claims (4)

1、一种调节电容器容量的基本电路，含有一对容量为C的普通电力电容器或一对电解电容器C₁和C₂、一对半导体二极管D₁和D₂，以及一对具有关断能力的半导体器件G₁和G₂、处于该电路同一侧的一只二极管和一只有关断能力的半导体器件是反极性的，其特征在于：若使用电解电容器，则把上述两只容量为C的电解电容器C₁和C₂按极性反串联后的两端分别与正弦交流电源的两端点X₁和X₃相接，把两只半导体二极管D₁和D₂按极性反串联后的两端，以及两只具有关断能力的半导体器件G₁和G₂按极性反串联后的两端，都分别与X₁和X₃相接，并使电解电容器C₁和C₂，二极管D₁和D₂，可关断的半导体器件G₁和G₂的串联端均与一共同的中间点X₂相接，在X₂处电解电容器C₁与二极管D₁的极性相反而与可关断半导体器件G₁的极性相同，电解电容器C₂与二极管D₂的极性相反而与可关断半导体器件G₂的极性相同，可关断半导体器件G₁和G₂的控制电极b₁和b₂分别与两个脉冲频率与正弦交流电源相同而相位相差180°，脉冲宽度可自0-T/2调整并对称工作的脉冲发生器的输出端相接，若使用普通电力电容器，则除电容器C₁和C₂不必区分其极性之外，其他结构与上述相同。

2、根据权利要求1所述的调节电容器容量的基本电路，其特征在于：两个半导体二极管D₁和D₂的正极分别与正弦交流电源的两端点X₁和X₃相接。

3、根据权利要求2所述的调节电容器容量的基本电路，其特征在于采用一个晶闸管与不可控的二极管反并联后与电容串联，使电容器的充放电电流分别流经晶闸管和二极管。

4、根据权利要求2所述的调节电容器容量的基本电路，其特征在于其中二极管D₁和可关断半导体器件G₁，二极管D₂和可关断半导体器件C₂采用相应的电力半导体组合器件来代替。

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