CN2563808Y - 低压无功功率自动发生器 - Google Patents

Abstract

一种低压无功功率自动发生器，由相位检测器、控制器、驱动器、三相逆变桥、储能电抗器和滤波回路组成，相位检测器输出接控制器，控制器将相位检测器检测到的功率因数角转换成控制脉冲信号输入驱动器，储能电抗器与滤波回路串联后并接在三相逆变桥的桥臂两端，三相逆变桥的每个桥臂两端分别由带有反并联二极管的全控型绝缘栅双极晶体管串联单向导通的二极管组成，驱动器的控制信号输出分别接六个全控型绝缘栅双极晶体管的门极端。本实用新型提供了一种能提高配电设备的利用率、改善功率因数和电压质量、降低损耗、节省电费、增加经济效益的低压无功功率自动发生器。

Description

低压无功功率自动发生器

技术领域

本实用新型涉及输配电力系统的接入设备，用于提高功率因数。具体地说，是一种低压无功功率自动发生器。

背景技术

随着国民经济的发展，工农业用电不断增加，供电系统的容量也在不断增加，对供电系统的无功要求也与日增加。无功电源如同有功电源一样，是保证供电系统电能质量、电压质量、降低损耗以及安全运行所不可缺少的部分。在供电系统中，无功要保持平衡，否则将会使供电系统电压下降，严重时会导致供用电设备损坏。此外，供电系统的功率因数和电压降低，使电器设备得不到充分利用，造成供电系统传输能力下降，损耗增加。因此，对无功功率进行补偿非常重要。进行无功功率补偿的作用如下：①提高了功率因数，使发电机输出的无功功率减少，增加了发电机的出力；②使补偿点以前的输配电线路中通过的无功电流减少，使输电线路的供电能力增加；③通过变压器的无功电流减少，使变压器的功率损耗减少，使变压器供电能力提高；④由于输电线路、变压器的供电能力提高，从而减少了输变电设备的投资；⑤由于功率因数提高了，从而减少了电费，增加了经济效益。对于工业企业、城市和农村的用户，都处于供电电网的末端，多为低压电器，补偿低压供电系统的无功功率是非常关键的。目前低压无功功率补偿都是采用低压电力电容器装置，实践中证明存在如下缺点：

①不能自动跟踪无级连续输出。电力电容器提供的无功功率是固定的，不能跟踪负荷的大小连续改变无功输出量，在用电负荷高峰期时，功率因数可以达到考核标准(COSΦ＝0.9及以上)；当用电负荷进入低谷时，会造成过补偿和无功倒送。过补偿将导致供电线路、变压器和电动机损耗增加，供电电压升高，缩短电容器和电气设备寿命。为了弥补这个缺点，将电力电容器分成若干组，利用控制器(如电压控制器、功率因数控制器、时间控制器等)对电容器按负荷的大小分级投切电容器组。但是，这仍然没有彻底解决自动跟踪无级连续输出的问题，只是在原来固定的无功功率输出的基础上进了一步，变为自动跟踪分级输出，不是无级连续输出。同时，自动投切电容器组的方式又带来一些新的问题，主要是投切装置，开始使用接触器，由于电容器组在投切的过程中涌流很大，电弧很大，接触器常常烧坏，这样人们又想出了用晶体管构成的无触点开关，代替接触器。最近几年，不少专利技术都是围绕控制器的形式，投切装置的形式研究出来的成果，但是，这些方式和研究成果并没有彻底解决跟踪负荷大小而无级连续输出无功功率的问题。

②容易产生谐振。电力电容器的容抗 $X_C=\frac{1}{2\mathrm{\πfc}}$ ，当并入电网运行以后，往往与电网的电感元件(变压器、线路)构成串联谐振或并联谐振回路，由于供电系统中存在着谐波源，在某一个谐波频率下，将产生很高的谐波电流和谐波电压，既要损坏电力电容器，也会损坏其它电气设备(如变压器、电动机等)(电能质量技术丛书《电力系统高次谐波》吕润余编者)；由于谐振的原因，往往电容器组不能投入运行。

③产生很大的合闸涌流。电容器组投入时的主要问题是涌流，涌流的频率很高，可达几百到几千赫，幅值比电容器正常工作电流大几倍到几十倍。涌流过大可能造成断路器、接触器触头熔焊、烧损；涌流产生的电动力可能会使电流互感器等电气设备造成绝缘损伤，缩短电容器、互感器和电气设备的使用寿命。(《高压开关开合电容电流和小电感电流》，中国电力出版社，钱家骊等编者)。

发明内容

本实用新型的目的意在克服上述现有技术的不足，提出一种能提高配电设备的利用率、改善功率因数和电压质量、降低损耗、节省电费、增加经济效益的低压无功功率自动发生器。

实现上述目的的技术方案：一种低压无功功率自动发生器，包括相位检测器、控制器、驱动器、三相逆变桥和儲能电抗器，相位检测器输出接控制器，控制器将相位检测器检测到的功率因数角转换成控制脉冲信号输入驱动器，三相逆变桥的每个桥臂两端分别由带有反并联二极管的全控型绝缘栅双极晶体管串联单向导通的二极管组成，六个驱动器的控制信号输出分别接六个全控型绝缘栅双极晶体管的门极端，儲能电抗器并接在三相逆变桥的桥臂两端。

设置滤波回路，滤波回路由电抗器和电容器并联而成，儲能电抗器与滤波回路串联后并接在三相逆变桥的桥臂两端。

采用上述技术方案，本实用新型有益的技术效果在于：

①无功功率自动发生器所用的儲能元件不是电力电容器，而是电抗器，通过强迫换流原理将电抗器的感性电流变成容性电流输出到电网，提高功率因数。由于不存在容抗X_C，故不会出现与电网感性元件构成谐振回路。

②通过跟踪用电负荷的大小，自动调节全控型晶体管的开放角度，改变无功发生器发出无功功率的大小，达到自动无级连续输出无功功率的目的，不存在过补偿和倒送无功功率的矛盾。

③由于不需要自动投切，所以也不会出现合闸涌流，开关被烧毁的现象也不存在了。

特别地，本实用新型与公开号为CN86205336、申请日为1986年7月16日、发明名称为“强迫换流自动无功补偿装置”的专利技术相比较，不同之处在于：

①元器件不一样。原来专利技术中使用的是半控型普通晶体管SCR，本实用新型技术中采用的是全控型绝缘栅双极晶体管IGBT，这是当今电力电子技术领域研制出的电功率MOSFET和晶体管技术结合的新型复合器件，具耐高压、电流大、导通电阻小、控制功率小等良好性能。

②强迫换流方式不一样。原来专利技术采用半控型普通晶体管SCR，强迫换流方式使用的是电感一电容装置，即L-C环节，这种换流电路的特点是必须借助于换流电感L_S1～L_S6和换流电容C_S1～C_S6来实现的。本实用新型技术的强迫换流不采用L-C环节，而是通过全控型绝缘栅双极晶体管IGBT本身的控制门极的导通和关断来实现的。仅保留儲能用的电抗器L₁及功率很微小的L-C滤波回路(详见附图1)，这里所用的电容器不是电力电容器，而是体积很小的普通电容器。

③关断手段不一样。半控型普通晶体管(SCR)导通条件是阳极电位比阴极电位高，同时在门极加上触发脉冲信号，两个条件缺一不可。要使晶体管关断，一是给晶体管加反向电压，使阴极电位高于阳极电位；二是减小流过晶体管的电流，使其小于维持电流时方可关断。本实用新型使用的是全控型绝缘栅双极晶体管(IGBT)，只要在门极施加正电压就可保证导通，将外加电压降低至零电位即可关断。

④安全可靠性高。本实用新型技术由于采用了IGBT晶体管，它具有开关时间短，开关频率高，控制极用电压控制，驱动功率小等优点，遇到故障时可以迅速关断，而不至于引起元器件烧毁。而原来专利技术采用普通晶体管SCR，由于不是靠控制脉冲关断，往往在故障时电流超过强迫换流能力时，因不能迅速有效关断，常常导致元器件烧毁。

⑤性能改善，成本降低。原来采用的普通晶体管，需要外部条件控制关断，效果往往不很理想，而且强迫换流需附加换流环节，即L-C环节，需要数量多、体积大的电抗器和电容器，既不方便、又不经济。而采用IGBT其关断性能良好，不需要L-C环节进行强迫换流，既提高了灵敏度和可靠性，又降低了成本。

综上所述，本实用新型采用全控型绝缘栅双极晶体管IGBT构成三相逆变桥，以电抗器作为儲能元件，根据变频调速的强迫换流原理，通过IGBT的开通和关断，在电网电压的第三象限，使电抗器发出的无功电流超前电压90°，成为容性电流输送到电网，补偿无功功率，提高功率因数，稳定电网电压，降低输电线路及供电变压器的损耗，提高经济效益。所以，“低压无功功率自动发生器”，是根据现代高新技术和采用高科技元器件而研制成的最先进的高科技节能产品。

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步详细的说明：

附图说明

图1是一种低压无功功率自动发生器的电路结构图。

具体实施方式

参照图1，一种低压无功功率自动发生器，由相位检测器、控制器、驱动器、三相逆变桥、儲能电抗器L1和L₀-C₀滤波回路组成。相位检测器输出接控制器，控制器是脉冲控制触发器，晶体管控制器将相位检测器检测到的功率因数角转换成控制脉冲信号输入驱动器，三相逆变桥是全控型绝缘栅双极晶体管逆变桥IGBT(T1～T6)，三相逆变桥的每个桥臂两端分别由带有反并联二极管的全控型绝缘栅双极晶体管IGBT串联单向导通的二极管Z1～Z6组成。电抗器L₁是无功功率儲能元件；电抗器L₀及并联的电容器C₀是滤波回路，也能起到辅助儲能作用，儲能电抗器与滤波回路串联后并接在三相逆变桥的桥臂两端，在电流较小时维持电流连续；T₁至T₆为6只带有反并联二极管的全控型绝缘栅双极晶体管IGBT；Z₁～Z₆为普通二极管，隔离电源电压在IGBT导通时，通过其它IGBT的反并联二极管形成的短路电流回路；在T₁至T₆的六个门极端分别接6只驱动器的导通控制信号输出口，驱动器的输入端与控制器连接，控制器与相位检测器连接，控制器将相位检测器从电流侧检测到的功率因数角转换成控制脉冲信号，通过驱动器输送给晶体管IGBT，使其在电源电压第三象限导通。

工作原理：三相逆变桥每个桥臂上、下两只IBGT管子，例如T₁和T₄它们每隔180°交替工作；两个桥臂之间的晶体管(如：T₂和T₁)按顺序相差60°导通，以此类推。关断晶体管也是按顺序相差60°关断。由此形成电流相位超前电压90°的容性电流，输送给电网补偿无功功率。控制输出无功功率的大小是通过改变控制角α值来实现的。当α＝240°(-120°)时，T₃、T₄、T₅导通，此时i_A点电位最低，B点与C点电位均高于A点，故无电流通过儲能元件，此后直至300°时间角范围内均无电流通过。当ωt经过30°时间角后，C点电位仍最高，但A点电位与B点电位发生变化，A点电位高于B点电位。A点电位可以通过Z₄及已处于准导通状态的T₄、T₃和Z₃，与B点更低电位构成电流回路。此时，T₄及T₃的阳极电位均高于自身的阴极电位(可以把T₄及T₃通过Z₄及Z₃串联起来看)。因此，A相与B相之间有电流i_A及i_B通过。一直到ωt为60°时，根据预先编好的程序，T₃的控制信号停发，而T₆的控制信号出现。此时情况发生变化，A点与B点之间因T₃断开通电状态而停止电流导通。而C点电位仍最高，按电网电源的电压状况，应无电流通过主电路。但是，这时储能元件L1中的电流i_d不能瞬时断开，在T₃断开过程中，i_d因减小而在电抗L1两端感应强大电势。根据电路电磁感应定律，其方向为上“+”、下“-”，正好克服C点与A点之间的电位差而使T₅及T₄导通(即感应电势大于U_CA电压而使电流i_d继续保持导通)。此时，A相仍保持电流i_A，B相电流i_B消失，C相有电流i_C通过。直到ωt为90°时，情况与ωt为30°时相似。当ωt为120°时，T₄关断，T₁导通。以后，按编制程序使T₆、T₁、T₂，T₁、T₂、T₃，T₂、T₃、T₄……依次循环工作。

本实用新型技术由于运用了当代变频调速技术的强迫换流原理，采用了当代最先进的电力电子技术的最新成果，即全控型绝缘栅双极晶体管IGBT，其电流大、功率小，速度快，灵感度高等优点，所以成套装置频率高、开关时间短、安全工作范围大、可靠性高、损耗小、体积小。与传统的以电力电容器为儲能元件的无功功率补偿装置比较，具有无可比拟的生命力。

Claims (2)

1、一种低压无功功率自动发生器，包括相位检测器、控制器、驱动器、三相逆变桥和儲能电抗器，相位检测器输出接控制器，控制器将相位检测器检测到的功率因数角转换成控制脉冲信号输入驱动器，儲能电抗器并接在三相逆变桥的桥臂两端，其特征在于：三相逆变桥的每个桥臂两端分别由带有反并联二极管的全控型绝缘栅双极晶体管串联单向导通的二极管组成，六个驱动器的控制信号输出分别接六个全控型绝缘栅双极晶体管的门极端。

2、根据权利要求1所述低压无功功率自动发生器，其特征在于：设置滤波回路，滤波回路由电抗器和电容器并联而成，儲能电抗器与滤波回路串联后并接在三相逆变桥的桥臂两端。

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