1、交流电机就地无功补偿的研究交流电机就地无功补偿的研究作 者： 专 业：班 级： 学 号：指导老师：2013年4月20日第1章 引 言1.1 什么是无功补偿1.2 无功补偿技术的历程1.3 无功补偿的意义1.4 就地无功补偿的优点和注意事项第2章 无功补偿原理2.1 名词解释2.2 无功补偿的原理2.2.1、无功补偿的原理 2.2.2 无功补偿的原则及组合元件2.3 无功补偿投切方式2.3.1 延时投切方式2.3.2 瞬时投切方式2.3.3 混合投切方式 2.4 无功功率补偿装置的选择2.4.1功率因数型控制器2.4.2 无功功率（无功电流）型控制器2.4.3 用于动态补偿的控制器第3章 无功补
2、偿计算3.1 交流电动机就地无功补偿容量的计算及应用3.1.1 三相异步电动机的机械特性3.1.2 电动机的功率因数3.1.3 电动机无功补偿的分类3.1.4 三相异步电动机就地无功补偿容量计算3.1.5 无功就地补偿的计算公式3.2 KL-4T 智能无功功率自动补偿控制器简述3.2.1 补偿原理3.2.2 计算方法及投切依据3.2.3 常见故障及处理办法3.3 PDK2000配电综合测控仪3.3.1 补偿原理3.3.2 计算方法及投切依据第4章 小结参考文献 致 谢 交流电机就地无功补偿的研究摘 要随着工业化程度的加速发展，电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展。三相异步电动机在工农业
3、生产及人们的日常生活中却有极其广泛的应用。从三相异步电动机的作用和性能为出发点，探究三相异步电动机的机械特性及功率因数与无功补偿容量的计算及应用具有重要意义。近年来节能工作越来越成为人们关注的问题，有效合理地使用能源是促进企发展、提高企业经济增长质量和效益的有效途径。在工厂企业中，各种生产机械设备所需的动力大多由异步电动机来提供，而异步电动机实际运行时经常处于轻载或空载状态，其功率因数较低，导致线路上的电能损耗较大，因而急需对异步电动机进行合理补偿，提高节能效果，改善电能质量。关键字：功率因数，并联电容器，无功补偿，自动投切 第1章 引 言1.1 什么是无功补偿无功功率补偿，简称无功补偿，在电
4、子供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。交流电在通过纯电阻的时候,电能都转成了热能,而在通过纯容性或者纯感性负载的时候,并不做功.也就是说没有消耗电能,即为无功功率.当然实际负载,不可能为纯容性负载或者纯感性负载,一般都是混合性负载,这样电流在通过它们的时候,就有部分电能不做功,就是无功功率,此时的功率因数小于1,为了提高电能
5、的利用率,就要进行无功补偿。 在大系统中，无功补偿还用于调整电网的电压，提高电网的稳定性。 在小系统中，通过恰当的无功补偿方法还可以调整三相不平衡电流。按照wangs定理：在相与相之间跨接的电感或者电容可以在相间转移有功电流。因此，对于三相电流不平衡的系统，只要恰当地在各相与相之间以及各相与零线之间接入不同容量的电容器，不但可以将各相的功率因数均补偿至1，而且可以使各相的有功电流达到平衡状态。无功补偿的基本原理：电网输出的功率包括两部分;一是有功功率;二是无功功率.直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能,化学能或声能,利用这些能作功,这部分功率称为有功功率;不消耗电能;只是把电能转换为另一种形
6、式的能,这种能作为电气设备能够作功的必备条件,并且,这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能.电流在电感元件中作功时,电流滞后于电压90.而电流在电容元件中作功时,电流超前电压90.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小, 无功补偿的具体实现方式：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。异步电动机和变
7、压器等设备要消耗大量的无功功率。这些无功功率如果不能及时地得到补偿的话，会对电网的安全、稳定运行产生不利影响。首先，无功功率的增加会导致电流的增大，这不仅使设备及线路的损耗增加，而且还会威胁到设备的安全运行；另外，电流和视在功率的增大也会导致发电机、变压器及其他电气设备容量的增加，同时电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大，这使电网的经济运行大打折扣,无功储备的不足会导致电网电压水平的降低。随着电力电子产业的发展，各个工业部门都采用大功率的硅整流设备，这些大型非线性整流负荷在运行中引起的功率因数下降、电压波动、闪变、三相不平衡以及波形畸变等一系列问题，已构成派生性的电网“公害，
8、严重的影响着整个电力系统的安全和经济运行。与此同时，各种复杂的精密设备对电能质量非常敏感，生产过程的自动化和智能化对电能质量也提出了更高的要求，因此电力部门与用户对电能质量的改善提出了迫切需求。在电力系统中，提高系统运行稳定性的问题目益突出，大功率冲击性负荷和不平衡负荷也日益严重，冲击性的无功功率的负载，会使电压产生剧烈的波动，例如电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，使电网的供电质量更加恶化。对于大中型用电用户引起的电压波动会危害连接在其公共供电点的其他用户的电工设备，必须进行治理。有效和经济的方法是采用相应的动态无功功率补偿。功率因数的提高，不仅能提高供电设备的供电能力，而且可
9、以降低电力系统的电压损失，减少电压波动，改善电能质量，降低电能损耗，从而节省电力提高企业的经济效益。1.2 无功补偿技术的历程早期的无功补偿技术主要用于运动无功补偿装置中，该类型装置的典型代表是同步调相机，同步调相机是一种旋转的机械，其损耗、噪声都很大，属于运动无功补偿装置，能进行动态的无功补偿。它是单独装设的、不与任何传动装置相连的、并且预定只以补偿方式运行的同步电动机。对同步电动机来说，补偿运行方式实质上就是在过励或欠励的情况下空载运行的方式。这时，电动机中的损失是由电网供给其定子的有功电能来补偿。同步调相机属于一个均匀调整的容性或感性负荷。当此负荷相当大时，对供电网的运行状态，亦即对电网
10、中的损失和电压数值，均有显著程度的影响。同步调相机能像同步发电机一样地快速增加励磁，这对供电网在事故时恢复正常运行状态来说具有很大意义。在这些情况下，装设在负荷中心附近地区的同步调相机可使用户的电压维持在较高的水平。随着控制技术的进步，它正被静止无功补偿装置（SVC）所取代。电力系统中的大部分负荷是电感性的，其主要需要电容性无功功率的补偿，来补偿感性负荷消耗的部分无功功率，因此在受电端合理配置无功，可以提高供用电系统及负载的功率因数、降低设备容量、提高供电能力、减少功率损耗。早期的SVC是饱和电抗器（SR）型的，尽管它具有静止型的优点，但它需要工作在饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性的
11、问题，因而未能占据SVC 的主流。电容器是静止设备，具有运行维护简单、无噪音、损耗低、效率高的特点，使并联电容器补偿方式具有结构简单、控制方便的优点，因此它在补偿方面得到了广泛应用。并联电容器补偿可采用固定电容器（FC）补偿和开关投切电容器自动补偿两种形式。前者由于不能调节，不能进行动态补偿；后者采用开关投切电容器，能进行动态无功补偿，在无功补偿中占据重要地位。早期的动态无功补偿装置多采用接触器来投切电容器，但此类产品在投入时电容器的初始电压为零，而在合闸瞬间，电网电压又往往不为零，使加在电容器两端的电压突然升高，进而产生一个很大的冲击涌流。在合闸瞬间冲击涌流可能达到额定电流的几十倍，不仅对电
12、网造成冲击，而且影响电容器的使用寿命。这种机械开关投切速度较慢，不能快速跟踪负荷无功功率的变化；而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，可能使电容器承受过电压而击穿；接触器触头易受电弧作用而烧毁或粘结，严重影响开关本身的使用寿命。后来出现了专用于投切电容器的接触器，通过加入限流电阻来抑制涌流。以此类接触器投切电容器，涌流一般能控制在额定电流的20倍以内（通常为100倍左右）。这类加预投电阻的专用接触器整体体积较大，由于涌流仍会使交流接触器触头烧毁或粘结，在工作时也没有真正解决浪涌电流问题，始终是影响开关本身使用寿命的根本原因。因此它逐渐被无触点的电力电子器件所代替。1977年，
13、美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了一种使用可控硅控制的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院（EPRI）的支持下，西屋电气公司（Westinghouse Electric Corp）制造的使用可控硅控制的静止无功补偿装置投入实际运行。在90年代后期，随着电力电子技术的迅速发展及半导体电力器件的成熟化，可控硅广泛地应用于SVC装置中，占据了静止无功补偿装置的主导地位。此类产品采用单片机控制大功率可控硅，在检测到电网电压过零时，开关触发导通，电容器上电压缓慢上升而无合闸涌流冲击，从根本上解决了电力电容器投切时交流接触器经常烧结而损坏的不良情况。但在实际运行中，无触点开关也暴露出其不
14、足之处：由于可控硅导通后，存在0.7V的结压降，因而会产生谐波电流，影响电容器的正常运行；可控硅本身不能快速关断，因此开关在断开时，两端容易承受过高的反向电压而被烧毁；可控硅的大功耗特性使其在长期运行中，会产生较大的热量，从而引起过高的温升，影响它正常工作。通过分析这两种不同开关的特点可知：机械式接触器不能准确地做到开关两端电压过零时闭合，在电流过零时切断，而无触点可控硅能做到这一点。相反，在开关闭合工作时可控硅会产生损耗和电压电流谐波，而机械式接触器却能避免这些问题。后来，市场上就有了复合开关的出现，它采用无触点开关和机械开关并联的工作结构，投切瞬间无触点可控硅导通，正常工作时机械触点接入回
15、路并且可控硅退出工作，这样很好地解决了冲击涌流和谐波问题，使复合开关具有使用寿命长，动作可靠的特点。这种类型的投切开关在低压无功补偿中得到广泛的应用，在市场上占据了重要地位，是目前应用最广泛的投切开关。1.3 无功补偿的意义无功补偿的意义： 补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。 减少发、供电设备的设计容量，减少投资，例如当功率因数cos=0.8增加到cos=0.95时，装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW；反之，增加0.52KW对原有设备而言，相当于增大了发、供电设备容量。因此，对新建、改建工程，应充分考虑无功补偿，便可以减少设计容量，从而减少投资。 降低线损，由公式%=（
16、1-cos/cos）100%得出其中cos为补偿后的功率因数，cos为补偿前的功率因数则： coscos，所以提高功率因数后，线损率也下降了，减少设计容量、减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。所以，功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。 1.4 就地无功补偿的优点和注意事项电网中常用的无功补偿方式包括： 集中补偿：在高低压配电线路中安装并联电容器组； 分组补偿：在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器； 单台电动机就地补偿：在单台电动机处安装并联电容器等。 加装无功补偿设备，不仅可使功率消耗小，功率因数提
17、高，还可以充分挖掘设备输送功率的潜力。 确定无功补偿容量时，应注意以下两点： 在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功造成功率损耗增加，也是不经济的。 功率因数越高，每千伏补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，将功率因数提高到0.95就是合理补偿 就三种补偿方式而言，无功就地补偿克服了集中补偿和分组补偿的缺点，是一种较为完善的补偿方式： 因电容器与电动机直接并联，同时投入或停用，可使无功不倒流，保证用户功率因数始终处于滞后状态，既有利于用户，也有利于电网。 有利于降低电动机起动电流，减少接触器的火花，提高控制电器工作的可靠性，延长电动机与控制设备的使用寿命。 无功就地补偿容量可以根据以下经验公式确
18、定：QU0式中：Q-无功补偿容量（kvar）；U-电动机的额定电压（V）；0-电动机空载电流（A）；但是无功就地补偿也有其缺点：不能全面取代高压集中补偿和低压分组补偿；众所周之，无功补偿按其安装位置和接线方法可分为：高压集中补偿、低压分组补偿和低压就地补偿。其中就地补偿区域最大，效果也好。但它总的电容器安装容量比其它两种方式要大，电容器利用率也低。高压集中补偿和低压分组补偿的电容器容量相对较小，利用率也高，且能补偿变压器自身的无功损耗。为此，这三种补偿方式各有应用范围，应结合实际确定使用场合，各司其职。无功补偿常出现的问题1、电容器损坏频繁。 2、电容器外熔断器在投切电容器组及运行中常发生熔断
19、。 3、电容器组经常投入使用率低。 针对以上问题，我们认为有必要进行专题研究，对无功补偿设备进行综合整治，以达到无功补偿设备使用化运行，提高电网电压无功质量和电能合格率。针对上述情况我们分析可能存在的原因如下： 1、电容器损坏主要原因由于在选择电压等级时没有考虑谐波背景的影响，造成所选择的电压等级偏低，长期运行电容器将容易损坏。 2、电容器外熔断器经常发生熔断，主要是合闸涌流对熔断器的冲击或者熔断器额定电流的选择偏小造成的，或是不同电抗率组别的电容器组投切顺序不当所致。 第2章 无功补偿原理2.1 名词解释当电网电压的波形为正弦波，且电压与电流同相位时，电阻性电气设备如白炽灯、电热器等从电网上
20、获得的功率P等于电压U和电流I的乘积，即：P=UI。电感性电气设备如电动机和变压器等由于在运行时需要建立磁场，此时所消耗的能量不能转化为有功功率，故被称为无功功率Q。此时电流滞后电压一个角度f。在选择变配电设备时所根据的是视在功率S，即有功功率和无功功率的几何和：S =（P2 + Q2）1/2无功功率为:Q=（S2 - P2）1/2有功功率与视在功率的比值为功率因数:cosf=P/S无功功率的传输加重了电网负荷，使电网损耗增加，故需对其进行就近和就地补偿。并联电容器可补偿或平衡电气设备的感性无功功率。当容性无功功率QC等于感性无功功率QL时，电网只传输有功功率P。根据国家有关规定，高压用户的功
21、率因数应达到0.9以上，低压用户的功率因数应达到0.85以上。如果选择电容器功率为Qc，则功率因数为：cosf= P/ (P2 + (QL- QC)2)1/2在实际工程中首先应根据负荷情况和供电部门的要求确定补偿后所需达到的功率因数值，然后再计算电容器的安装容量：Qc = P(tanf1 - tanf2)式中:Qc一电容器的安装容量，kvarP一系统的有功功率，kWtanf1一补偿前的功率因数角tanf2一补偿后的功率因数角 无功功率补偿： 无功功率补偿的基本原理是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在
22、吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理。力率电费：是指电力用户感性负载无功消耗量过大，造成功率因数低于国家标准，从而按电费额的百分比追收的电费（详细了解力率电费调整办法）。过零模块：采样及触发可控硅（晶闸管）。是通过过零模块对可控硅两端进行采样，当可控硅两端电压为零时，触发可控硅，使电容器投入或切除。投入时无涌流，切除时无过电压。涌流及过电压：涌流是将电容器投入时瞬间产生的电流如接触器投入电容器时采用不了过零点，所以当电容器投入时瞬间相当于短路，产生的电流会比电容器额定电流大几十倍或上百倍同时会将电
23、容器的极板的许多耐压薄弱点击穿，造成电容器无法储存能量，影响电容器的使用寿命所以接触器式电容柜不可以频繁投切。电压是将电容器切除时瞬间产生的电压切除时由于电网电压与电容器的端电压产生迭加，从而产生过电压。投切振荡：当投入电容器时出现过补偿，切除后又欠补偿，造成电容器来回频繁投切，产生振荡。过补和欠补：欠补是指用电系统中感性无功大于容性无功。过补是指用电系统中容性无功大于感性无功。编码式投切：是指控制器投入电容器时采取的一种方式例：现做一台100KVAR的电容柜。1、无编码：可做10路，每路10KVAR，以10KVAR等级投切。2、有编码：可做6路，前两路每路为10KVAR，后4路每路20KVA
24、R，投切等级也为10KVAR。两种方法比较起来都以10KVAR等级进行投切，无编码用了10路，而有编码的只用了6路就可达到同样的效果，减少了4回路。降低了产品的成本。响应速度：接触器动作时间为几百毫秒。（机械）可控硅(采样和触发)20毫秒就能将电容器投入。（电子）谐 波：是由于非线性负载所引起电压及电流的畸变，污染电网，是电气设备的一种公害。反送无功的害处：反送无功与无功欠补偿同样会使电压电流产生电位差，造成功率因数过低。如果长期向电网反送大量的无功，将会引起电网电压升高造成对电网的污染，严重时会造成电网崩溃耗（电业局不允许长期向电网反送无功）。投切信号的比较：功率因数，无功电流，无功功率三种
25、方式。1. 功率因数：用功率因数作为电容器投切信号的一种方式。如果系统功率因较低，无功功率又比较小，投入电容器又过补，过补后在切，就容易产生投切振荡2. 无功电流及无功功率：用无功电流或无功功率作为电容器投切信号的一种方式，采系统中无功电流或无功功率，当系统中无功功率小于控制器所设置的参数，控制器不发出投入电容器的信号，避免了投切振荡。减少了动作次数。就地补偿：全国供用电规则规定：无功电力应就地平衡。就地补偿是指针对于某一台设备进行补偿，安装在设备附近，具有投资少、体积小、安装方便，补偿效果好等特点就地补偿适用于单台设备容量较大，电力用户输电线路较长。就地平衡无功电流。使电压质量得到保证，减少
26、线路损耗。2.2 无功补偿的原理2.2.1、无功补偿的原理 在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。 有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。 无功功率比较抽象，它用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。 无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功
27、功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。 打个比方，农村修水利需要开挖土方运土，运土时用竹筐装满土，挑走的土好比是有功功率，挑空竹筐就好比是无功功率，竹筐并不是没用，没有竹筐泥土怎么能运到堤上? 在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。 但是从发电机和高压输电线供给的无功功率远远满足不了负荷的
28、需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。 无功补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。 无功补偿可以改善电能质量、降低电能损耗、挖掘发供电设备潜力、无功补偿减少用户电费支出，是一项投资少，收效快的节能措施。 不过在确定无功补偿容量时应注意在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功功率势必造成功率损耗增加；另外功率因数越高，补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，将功率因数提高到0.95就是合理补偿电网输
29、出的功率包括两部分;一是有功功率;二是无功功率.直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能,化学能或声能,利用这些能作功,这部分功率称为有功功率;不消耗电能;只是把电能转换为另一种形式的能,这种能作为电气设备能够作功的必备条件,并且,这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能.电流在电感元件中作功时,电流超前于电压90.而电流在电容元件中作功时,电流滞后电压90.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小,从而提高
30、电能作功的能力,这就是无功补偿的道理. 补偿以后好处显而易见：(1)补偿无功功率,可以增加电网中有功功率的比例常数(2)减少发,供电设备的设计容量,减少投资,例如当功率因数cos=0.8增加到cos4=0.95时,装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW;反之,增加0.52KW.对原有设备而言,相当于增大了发,供电设备容量.因此,对新建,改建工程.应充分考虑无功补偿,便可以减少设计容量,从而减少投资.(3)降低线损,由公式P%=(1-cos/cos)X100%得出其中cos为补偿后的功率因数,cos为补偿前的功率因数则coscos,所以提高功率因数后,线损率也下降了.减少设计容量,减少投资
31、,增加电网中有功功率的输送比例,以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益.所以,功率因数是考核经济效益的重要指标,规划、实施无功补偿势在必行.2.2.2 无功补偿的原则及组合元件提高用电单位的自然功率因数,无功补偿分为集中补偿,分散补偿和随机随器补偿,应该遵循：全面规划,合理布局,分级补偿,就地平衡；集中补偿与分散补偿相结合,以分散补偿主;高压补偿与低压补偿相结合,以低压补偿为主；调压与降损相结合，以降损为主的原则.低压无功补偿设备的组合元件：无功功率自动补偿控制器根据电网无功功率是否达到无功设定值来控制电力电容器的投入和切除,并且有过,欠电压保护功能 无触点可控硅模块或智能复合开关电容器(内带放电电阻)熔断器电流互感器 避雷器开关电抗器(对无触点开关起到过电流保护作用;对防止电容器过电流也起到抑制作用)另外,还装配监视用的电压表,电流表,功率因数表和信号指示灯等.2.3 无功补偿投切方式无功就地补偿容量可以根据以下经验公式确定：QU0式中：Q-无功补偿容量（kvar）；U-电动机的额定电压（V）；0-电动机空载电流（A）；但是无功就地补偿也有其缺点：不能全面取代高压集中补偿和低压分组补偿；众所周之，无功补偿按其安装位置和接线方法可分为：高压集中补偿、低压分组补偿和低压就地补偿。其中就地补偿区域最大，效果也好。但它总
