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1、无功功率补偿技术稳态u-i曲线（一）稳态电阻负载电容的充放电过程t三. 静态无功功率补偿电路的充电过程静态无功功率补偿电路中，电容器支路关断后，控制器必须经过一段延迟后才能再 次接通（最小值为2秒，最大值为若干分钟，可编程，这样可以保证在再次接通前 电容器的电荷放尽，电容器两端的电压已降为0）。如此可以保证不会出现电源电压 与电容器两端电压极性相反的情况。静态无功功率补偿电路中，接触器触点的闭合是随机的，与电源的相位没有必 然关系。假如闭合瞬间电源电压正好过零，则没有出现冲击电流；假如闭合瞬间电 源电压正好是峰值，则出现最恶劣状态-冲击电流最大，可能是额定电流的200倍。如前“二”所述，RC充
2、电电路的充电电流与C成正比，与R成反比。如果接 触器接点直接连接电容器，由于电阻R非常小，所以充电电流特别大，形成冲击电流。为了减小充电电流，应该采用电容器专用接触器。该接触器增加一套辅助接点， 在线圈得电时首先将此辅助接点接通，在辅助接点与主接点之间串联两个电阻或空 心线圈，如此加大了充电电路中的R （或L），便可大大减小冲击电流（约为额定电流 的20倍）。L1 L2 L3KM1KM1四.动态无功功率补偿电路（一）静态无功功率补偿电路的不足在汽车及其部件生产行业中，大量使用点焊机或电焊机，其负载特点是 单相负载及变化迅速（前者会造成三相不平衡，后者会造成功率因素突变及 谐波）；在港口、矿山等
3、行业，大量使用起重机、门吊、电梯等，其负载特 点是变化迅速，会造成功率因素突变及谐波如前所述，静态无功功率补偿电路在电容器切断至再次投入之间需间隔 若十秒，因此无法适应负载的快速变化。为此，引入动态无功功率补偿的概念，以晶闸管为开关元件代替接触器， 在嵌入式计算机（单片机）的控制下，接到控制器投入电容器的信号后并不 马上向SCR发出触发信号。在不超过20mS的时间内，选择适当的时机使接 入电容器时的冲击电流为零或小的可以忽略不计。（二）晶闸管的特性晶闸管原称可控硅，可分为单向晶闸管和双向晶闸管两种。单向晶闸管系一种单向可控导通元件，共有阳极（A）、阴极（K）及控 制极（G）。当单向晶闸管反接时
4、（A极接负，K极接正），无论G极有否触发信号均 截止；当单向晶闸管正接时（A极接正，K极接负），若G极无触发信号，则 晶闸管截止；若G极输入触发信号，则晶闸管导通。导通后，晶闸管不再受 G极控制，尽管G极信号撤销，晶闸管仍维持导通。只有导通电流小于晶闸 管的维持电流或施加于晶闸管的电压反向时，晶闸管才截止。UGKSCR 反接。i=0SCR正接G极无触发信号i=0t双向晶闸管相当于两个单向晶闸管反向并联，但是只有一个控制极。当G极无信号时，无论正、反接，SCR均截止；当G极有信号时，无论正、反接，SCR均导通。（三）晶闸管的应用与触发方式晶闸管的应用可分为整流应用和交流开关应用两种。整流应用中又
5、可分为半波整流、全波整流、半控桥式整流及全控桥式整 流等几种。本文仅讨论涉及无功功率补偿的应用，因此不再深入讨论整流方 面的应用。交流开关应用中，通常是将两个单向晶闸管反向并联连接或使用双向晶 闸管。在电阻性负载中，这是最典型的应用。其触发方式可以分成移相触发 与过零触发两种。SCR1 G1ERL两个单向SCR反并用作交流开关SCR GERl双向SCR用作交流开关调节触发脉冲的相角，可以改变SCR的导通角，便可调节负载电压、电 流的有效值（如石墨炉电源等）。但是此种触发方式会造成严重的谐波问题， 对负载也会有严重的冲击。e过零触发方式：为了减小对负载的电流冲击，避免出现谐波，可以对电 源电压波
6、形进行跟踪，在接到导通指令后，不立即给SCR的G极触发信号， 而是等到电源电压波形过零的时刻（相角为0或180 ）才向SCR的G极 发出触发信号，于是负载不产生冲击电流波形为完整的全波周期，谐波减至 最小）。（四）电容负载的过零触发由于电容负载的特殊性，可以使用单向SCR与二极管反向并联的电路实现电容器的零电流投切。Ucont1. 当SCR-G极无触发信号时，无论正、负半周，SCR均截止。施加电源电压的 第1个正半周，二极管D导通，使电容充电至峰值。此后，由于电源电压总 是小于或等于电容已充电的电压，二极管D 一直处于截止状态。于是，电容 器与电源断开。2. 在接到控制器的“投入电容器”指令后
7、，嵌入式计算机监测电源电压波形的 变化，当电源电压达到峰值（最大值。实际上，此时SCR上的电压降Uak 为0）时，向G极发出触发信号并维持不变。于是，SCR被触发导通，将电 容器与电源接通。由于此时电压变化率为零，所以电容器的充电电流为零， 于是便实现了零电流投入。直至电源电压波形为负峰值（最小值）时，SCR 极性反转关断；随后的半周里，二极管D正向导通。自此以后，只要SCR-G极的触发信号维持不变，则正半周SCR导通，负 半周二极管导通，从而使电容器一直与电源接通，即电容器被投入。3. 在接到控制器的“切出电容器”指令后，嵌入式计算机监测电源电压波形的 变化，在电源电压负峰值（最小值）与正峰
8、值（最大值）之间的上升阶段时，关闭G极的触发信号。此时SCR正处于截止状态，二极管导通直至电源电 压为正峰值（最大值）。此后如前所述，SCR与二极管均截止，便实现了电 容器与电源的切断。由于电源电压为正峰值（最大值）时电压变化率为零， 所以电容器的充电电流为零，于是便实现了零电流切除。（五）实测电路分析UN-L1t0UGKUN-A1图中：1. UN-L1为L1相电源电压反相波形。2. Ugk为晶闸管控制极触发信号。实际电路中该信号由嵌入式计算机（单片 机）给出，其控制原理见后述。3. UN-A1为电容器C两端电压波形（以A1点为基准点0）。4. UA1-K1为晶闸管SCR两端电压波形（以L1点
9、即K1为基准点0）。注意:UA1-K1= UN-L1- UN-A1从图中可见，（1）当晶闸管导通时，UNL1=UNA1，于是，其两端电压恒为0 （对380VRMS来 说，其约1V的压降可忽略不计）；（2）当晶闸管截止时，其两端电压为全为正值的正弦波。电路分析结论：1. 主回路开关由单向晶闸管二极管反向并联组成，其功能与双向晶闸管相 同。2. 当晶闸管未触发时，晶闸管截止，二极管D1与电容器C组成峰值存储电路， 在电源接入的半周内，电容器便被充满；此后二极管一直处于截止状态。因 而电容器C被切断与电源的连接。3. 当晶闸管被触发时，t3-t5期间，Un-l1上升，晶闸管导通，二极管D1截止， 电
10、容器C通过晶闸管充电；t5-t7期间，Un-l1下降，晶闸管反向截止，二极 管D1导通，电容器C通过二极管反向充电。如此一来，电容器C便被连接 到电源网络中。4. 晶闸管起始触发信号的时机：为了减小电容器接入时造成的冲击电流，晶闸管应当在电源电压波形180 时（即图中t3、t7、t11等）开始导通。此时，电压变化率du/dt=0,故电 容器的充放电电流i=C*du/dt=0。考虑到t5-t7期间，晶闸管反向截止，故在此期间中任何时候加入控制 极信号，晶闸管均不会导通；只有等到t7以后，电源极性反转为正向，才 有可能变为导通（注意，控制极信号加入后便维持不变）。可见晶闸管起始 触发信号的最佳时间
11、为t5-t7期间，亦即Un-li下降期间。5. 晶闸管结束触发信号的时机：（1）当晶闸管已被触发时，t3-t5期间，Un-li上升，晶闸管导通，二极管D1 截止，此时晶闸管的导通不受控制极所影响，尽管控制极无触发信号， 晶闸管仍然照常导通，只有等到七5过后，晶闸管两端极性反转，晶闸 管自动截止；而此时流过电容器的电流为0（i=C*du/dt=0）。（2）t5-t7期间，Un-l1下降，晶闸管反向截止，二极管D1导通，此时控制 极触发信号更无法影响晶闸管的导通状态。T7过后，由于控制极无触 发信号，晶闸管正向截止；而此时流过电容器的电流亦为0（i二C*du/dt=0）。（3）终上所述，晶闸管的触
12、发信号无论何时结束，都会在流电容器的电流 为0（i=C*du/dt=0）时切断电容器与电源网络的连接。6. 嵌入式计算机程序控制方案：（1）输入信号共三个：A. 外来投切信号：来自外接的无功功率补偿控制器信号，需要 投入时，输入12V（或24V）通过光电耦合器使计算机1脚（PD3） 的电位为需要切除时，输入0V通过光电耦合器使计算机 1脚（PD3 ）的电位为H。B. 晶闸管SCR两端电压波形（以L1点即K1为基准点0）：经分压电阻链R1-R6（180K）, R12（33K）及R11（47K）分压后接 至计算机23脚（ADC0）。C. 变压器次级经桥式整流后电压经分压电阻链R18（10K）及R1
13、7（3.3K）分压后接至计算机24脚（ADC1）。（2）输出信号共三个：A. 晶闸管控制极信号：计算机9脚（PD5）经R9,TR1及TR2送 至晶闸管控制极。B. 晶闸管模块接通信号灯：计算机30脚（PD0）与5V之间接黄 色 LED 及 R13。C. 晶闸管模块待命/故障信号灯：计算机31脚（PD1）与32脚（PD2）之间接绿色/红闪/红色LED及R14。当工作电压有效、 晶闸管模块待命时，绿灯亮;当电网电压L1-L3低于300V时， 红灯闪亮；当L2相缺失/电压低，或L1、L3相缺失，或电容 器没有电容量/不存在时，红灯常亮。（3）晶闸管控制极信号的产生方案：A. 只要中断信号INT1为L，则进入中断处理子程序；B. 中断处理子程序中，不断检测ADC0的输入值，只要发现该 值下降，则可令晶闸管控制极信号PD5为H；C. 若中断信号INT1为H，则令晶闸管控制极信号PD5为L。
