一種三相不平衡負載功率因數(shù)校正及系統(tǒng)電流平衡設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三相不平衡負載功率因數(shù)校正及系統(tǒng)電流平衡設(shè)備，其包括補償裝置，補償裝置包括IGBT橋式電路及電容補償單元。電容補償單元包括連接在系統(tǒng)的A相與B相間的第一補償支路、連接在B相與C相間的第二補償支路、連接在C相與A相間的第三補償支路。每條補償支路均包括依次串聯(lián)的投切晶閘管、第一電容、電抗器。IGBT橋式電路包括依次串聯(lián)在系統(tǒng)的A相與B相間的第一連接電抗器與第一補償模塊、依次串聯(lián)在B相與C相間的第二連接電抗器與第二補償模塊、依次串聯(lián)在C相與A相間的第三連接電抗器與第三補償模塊。本發(fā)明從根本上改變了傳統(tǒng)無功補償控制器單靠無功功率計算的分級投切策略，使投切容量的計算速度徹底改善。
【專利說明】一種三相不平衡負載功率因數(shù)校正及系統(tǒng)電流平衡設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及汽車制造行業(yè)專用的電網(wǎng)功率因數(shù)校正與三相電流平衡設(shè)備，具體的說是一種用于汽車制造行業(yè)三相不平衡負載功率因數(shù)校正及系統(tǒng)電流平衡設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年，中國經(jīng)濟發(fā)展迅速，汽車消費勢頭強勁，所以汽車制造行業(yè)獲得了很大發(fā)展，興起了眾多汽車制造廠。汽車制造過程分為沖壓、焊裝、噴涂、總裝等工藝流程。在沖壓流程中大型沖壓機在提升降落過程中電流波動巨大且存在功率回饋過程，導(dǎo)致無功功率存在很大波動，若無快速跟蹤的無功支撐，會引起電壓的大幅度閃變，從而影響生產(chǎn)質(zhì)量。焊裝車間中的點焊機安裝于相間，因為各個相間安裝的點焊機功率等級不同且工作在不同時段，所以工作過程中三相電流大小與相位均有很大不同，造成三相不平衡問題；同時點焊機工作為斷續(xù)沖擊型負載，工作過程連續(xù)時間多在0.1-1秒，在此過程中電流很大，無功需求很大，若此時段中容性無功支持不足，會引起系統(tǒng)電壓嚴重跌落，從而影響點焊機的焊機溫度，導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降，出現(xiàn)殘次品。噴涂車間的打磨、電泳、淋洗設(shè)備均有較大無功需求且三相不平衡嚴重。包括總裝車間在內(nèi)的所有生產(chǎn)過程中均存在大量變頻器驅(qū)動操作機構(gòu)，這些變頻大多為6脈波或12脈波整流橋，功率因數(shù)低。
[0003]綜合以上事實，汽車制造行業(yè)中所需要的功率因數(shù)校正設(shè)備與其它普通工業(yè)現(xiàn)場或民用配電場合相比存在諸多特殊要求，尤其是無功功率需求的快速度跟蹤以及相間負載引起的三相電流不平衡，與普通配電場合存在本質(zhì)機理上的區(qū)別。經(jīng)過多年的發(fā)展以及技術(shù)沿化，市場上存在多種無功補償及三相不平衡治理的設(shè)備，從技術(shù)先進程度與解決現(xiàn)場問題的實用性方面講，晶閘管投切的電容電抗以及有源的動態(tài)無功補償設(shè)備凸現(xiàn)出了其優(yōu)越性，但也存在其固有的缺點；其中晶閘管投切電容電抗器成本較低但傳統(tǒng)的操作方式下其投切速度特別是投入時的速度很慢，均大于0.02秒，尤其是在波動型無功需求時根本無法跟蹤；而有源的動態(tài)無功補償裝置由于采用了快速的IGBT電力電子開關(guān)，所以跟蹤速度很快，對波動型負載的跟蹤很快，但是電力電子開關(guān)的故障率與成本均較高，且運行過程中噪音很大，電力電子開關(guān)的通斷過程會給電網(wǎng)帶來高次諧波，同時單機容量不能做得太大(通常最大500kVA)，因此雖然技術(shù)上存在優(yōu)勢但應(yīng)用仍受諸多限制。
[0004]如圖1所示，傳統(tǒng)三相三線晶閘管投切電容器補償設(shè)備雖然電容器也呈三角形接法接于電網(wǎng)相間，這種接法僅僅是出于安全考慮，不能實現(xiàn)分相電容投切。圖2中的傳統(tǒng)三相三線有源無功補償裝置為三相橋式電路，其可以快速跟蹤負載變化，但因為電路結(jié)構(gòu)的固有特點，使之對相間不平衡效果治理效果較差。而針對三相不平衡負載，業(yè)界開發(fā)了圖3中所示的三相四線晶閘管投切電容器補償設(shè)備與圖4所示的三相四線有源無功補償裝置，這兩種設(shè)備均是通過電網(wǎng)的相與中線之間接入電容或發(fā)生與補償相中所需的反向無功電流來完成無功補償及三相平衡工作，這兩種設(shè)備在包括很多單相負載的民用配電場合比較適用，在汽車制造行業(yè)，動力網(wǎng)中沒有中性線，即使可以接成些種接線方式，現(xiàn)場需要接中性線，會給中性線間帶來很大三次諧波電流，雖然從三相間測量有補償效果，但從三相四線系統(tǒng)整體來看并未完成三相平衡與功率因數(shù)校正功能。
[0005]通過以上分析，可以看出傳統(tǒng)裝置無法徹底解決汽車制造行業(yè)中的電能質(zhì)量問題，有必要發(fā)明一種成本低廉，性能可靠，適用于汽車制造行業(yè)的的功率因數(shù)校正及三相電流平衡裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種針對于汽車制造行業(yè)專用的電網(wǎng)功率因數(shù)校正與三相電流平衡設(shè)備，用于汽車制造行業(yè)中的相間負載，尤其是點焊機的所造成電能質(zhì)量問題。本發(fā)明為應(yīng)用于汽車制造行業(yè)用于平衡三相電流及快速度跟蹤負載無功變化并進行補償?shù)难b置，專門針對汽車制造業(yè)中的引起三相電流不平衡的相間負載以及工作電流頻繁變化的裝置。
[0007]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種三相不平衡負載功率因數(shù)校正及系統(tǒng)電流平衡設(shè)備，其包括補償裝置，該補償裝置包括至少一個IGBT橋式電路以及至少一個電容補償單元；該至少一個電容補償單元包括連接在系統(tǒng)的A相與B相之間的第一補償支路(9)、連接在系統(tǒng)的B相與C相之間的第二補償支路(10)、連接在系統(tǒng)的C相與A相之間的第三補償支路
(11);每條補償支路中均包括依次串聯(lián)的投切晶閘管、第一電容、電抗器；該至少一個IGBT橋式電路也是接于系統(tǒng)的相間，包括依次串聯(lián)在系統(tǒng)的A相與B相之間的第一連接電抗器
(15)與第一補償模塊(12)、依次串聯(lián)在系統(tǒng)的B相與C相之間的第二連接電抗器(16)與第二補償模塊(13)、依次串聯(lián)在系統(tǒng)的C相與A相之間的第三連接電抗器(17)與第三補償模塊(14);每個補償模塊中均包括橋式功率管模塊以及第二電容，該第二電容的兩端分別連接在該橋式功率管模塊的兩個輸入端，該橋式功率管模塊的兩個輸出端分別連接相應(yīng)的連接電抗器與相應(yīng)的相。
[0008]本發(fā)明的三相不平衡負載功率因數(shù)校正及系統(tǒng)電流平衡設(shè)備，可以完成無功功率的補償，以提高功率因數(shù)，同時可以完成系統(tǒng)三相電流的平衡。本發(fā)明的區(qū)別于傳統(tǒng)無功補償裝置的特點在于:采用了相間三角形接線方式，并可以根據(jù)負載的等效相間阻抗分別投切，以改變電網(wǎng)的相間阻抗，在校正功率因數(shù)的同時起到三相電流的平衡作用；電容的配置為4n:2:l的形式，階梯式的投切保證較小的負載電流補償級差；同時相間三角形接法的IGBT橋式電路，可以快速跟蹤負載電流的微小變化；電容輪換熱備用的投切方式不但保證了電容投切的快速，而且保證投入瞬間的零沖擊電流。本發(fā)明的諸多創(chuàng)新使傳統(tǒng)的電容補償方式的速度與精度等多方面性能大大提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為傳統(tǒng)三相三線晶閘管投切電容器補償設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2為傳統(tǒng)三相三線有源無功補償裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖3為傳統(tǒng)三相四線晶閘管投切電容器補償設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖4為傳統(tǒng)三相四線有源無功補償裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖5為本發(fā)明三相不平衡負載功率因數(shù)校正及系統(tǒng)電流平衡設(shè)備的無功補償及平衡二相電流的本質(zhì)架構(gòu)不意圖；
[0014]圖6為應(yīng)用本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；
[0015]圖7為圖6中的其中一個IGBT三相橋式電路與其中一個電容單元的結(jié)構(gòu)示意圖；[0016]圖8為圖7中第一電容循環(huán)投切的示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0018]如圖5所示的三相三線制配電網(wǎng)，負載接于線間，圖中Yab=Gab_jBab，Ybc=Gbc-JBbc,
為負載導(dǎo)納，G為電導(dǎo)，B為導(dǎo)納；通過分析，無功功率產(chǎn)生的本質(zhì)就是負載中除了電阻(電導(dǎo))外還存在電抗(電納)，而三相不平衡是因為YabYbcTea三個相間導(dǎo)納不相等造成的。從這個角度出發(fā)，無功功率補償與平衡三相電流的本質(zhì)就是將系統(tǒng)相間接入或容性或感性的電納，使相間的導(dǎo)納相等=Yab=Ybc=Yc^所以如圖中所示，接入電容性電納為 Y，ab=jB’ ab，Y，bc=jB’ bc，V ca=jB，ca，而接入的感性電納為 Y”ab=_jB”ab，Y”bc=_jB”bc，Υ”Μ=-.?Β”Μ，由于負載大多為感性，所以補償時大多用容性，而如果用到感性補償電納，則可以由IGBT橋式電路提供。
[0019]如圖6所示，整個系統(tǒng)分為控制器1、三相橋式電路5、多個電容單元(圖中給出了3組，即電容單元6、7、8)組成，其中控制器I又分為采樣單元2、IGBT橋式電路控制單元3、電容器投切單元4等幾部分構(gòu)成，由于控制部分另有專利申請描述，在此不贅述。
[0020]具體到補償裝置，如圖7所示。圖7是為了說明系統(tǒng)中發(fā)揮補償作用的主電路模塊的，一個裝置中包含有多個IG BT三相橋式電路與多個電容單元，圖6中中列出了 2個IGBT三相橋式電路與3個電容單元，圖7就是為了說明這兩部分電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。
[0021]圖7中包括所述設(shè)備中的IGBT橋式電路(即IGBT橋式電路控制單元3)以及其中的一個電容補償單元(即電容單元)。電容補償單元包括連接在系統(tǒng)的A相與B相之間的第一補償支路9、連接在系統(tǒng)的B相與C相之間的第二補償支路10、連接在系統(tǒng)的C相與A相之間的第三補償支路11。每條補償支路中均包括投切晶閘管、第一電容、電抗器，其中投切晶閘管作為支路的開關(guān)，第一電容為主補償器件產(chǎn)生容性電流，電抗器是為了在投入瞬間抑制涌流用，同時可以防止與系統(tǒng)其它設(shè)備間的諧振。
[0022]IGBT橋式電路也是接于系統(tǒng)的相間，包括依次串聯(lián)在系統(tǒng)的A相與B相之間的第一連接電抗器15與第一補償模塊12、依次串聯(lián)在系統(tǒng)的B相與C相之間的第二連接電抗器16與第二補償模塊13、依次串聯(lián)在系統(tǒng)的C相與A相之間的第三連接電抗器17與第三補償模塊14。每個補償模塊中均包括橋式功率管模塊以及第二電容，該第二電容的兩端分別連接在該橋式功率管模塊的兩個輸入端，該橋式功率管模塊的兩個輸出端分別連接相應(yīng)的連接電抗器與相應(yīng)的相。
[0023]設(shè)備工作時，通過控制器的采樣電路獲得負載的三相電流以及系統(tǒng)電壓，經(jīng)過計算后獲得負載各個相間的導(dǎo)納(阻抗)Yab=Gab-JBab, Ybc=Gbc-JBbc, Ym=Gm-JBm，根據(jù)各相間的電納情況來確定補償所需要的電納，如果所需的補償電納為正，則下發(fā)指令投入適當(dāng)容量的電容器(即第一電容)，如果所需要的補償容量出現(xiàn)不是整數(shù)倍單元電容容量時，由IGBT橋式電路補償剩余部分。如果出現(xiàn)負的補償電納，也由IGBT橋式電路完成。由于采用了通過負載相間導(dǎo)納的方式來確定補償容量的策略，所以可以在0.005秒內(nèi)完成投切容量的計算，也就是說從根本上改變了傳統(tǒng)無功補償控制器單靠無功功率計算的分級投切策略，使投切容量的計算速度徹底改善。另外為了方便實現(xiàn)整機容量的設(shè)計，本發(fā)明中的IGBT橋式電路及電容補償模塊均可以實現(xiàn)數(shù)量的靈活組合，IGBT橋式電路最少數(shù)量為2，最多數(shù)量為6 ;電容補償模塊最少數(shù)量為4，最多數(shù)量為20 ;從而可以很方便地實現(xiàn)300kVA-2MVA整機裝置。
[0024]為了在負載波動時更快的投入全部補償容量的電容，本發(fā)明中使所有的電容模組均處于熱備用狀態(tài)下，如圖8所示情況為例說明，如果整個設(shè)備中配備有5組電容，而補償容量需要3組，則在每隔一定時段后就將將其中的一組切除而將另外一組投入，如在O時刻投入的為123組，Tl時刻則投入234組，以123 — 234 — 345 — 451 — 512 — 123如此往復(fù)。這種熱備用投切方式，電容器上的殘壓可以使之相比傳統(tǒng)的靜態(tài)冷投入方式投入速度更快、沖擊電流更小，從而最大程度上保障對無功需求以及三相平衡電流的跟蹤速度。
[0025]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三相不平衡負載功率因數(shù)校正及系統(tǒng)電流平衡設(shè)備，其特征在于:其包括補償裝置，該補償裝置包括至少一個IGBT橋式電路以及至少一個電容補償單元；該至少一個電容補償單元包括連接在系統(tǒng)的A相與B相之間的第一補償支路(9)、連接在系統(tǒng)的B相與C相之間的第二補償支路(10)、連接在系統(tǒng)的C相與A相之間的第三補償支路(11);每條補償支路中均包括依次串聯(lián)的投切晶閘管、第一電容、電抗器；該至少一個IGBT橋式電路也是接于系統(tǒng)的相間，包括依次串聯(lián)在系統(tǒng)的A相與B相之間的第一連接電抗器(15)與第一補償模塊(12)、依次串聯(lián)在系統(tǒng)的B相與C相之間的第二連接電抗器(16)與第二補償模塊(13)、依次串聯(lián)在系統(tǒng)的C相與A相之間的第三連接電抗器(17)與第三補償模塊(14);每個補償模塊中均包括橋式功率管模塊以及第二電容，該第二電容的兩端分別連接在該橋式功率管模塊的兩個輸入端，該橋式功率管模塊的兩個輸出端分別連接相應(yīng)的連接電抗器與相應(yīng)的相。
【文檔編號】H02J3/26GK103501013SQ201310496411
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】李瑜, 尹陸軍, 齊東流, 郁伉, 王敏 申請人:安徽天沃電氣技術(shù)有限公司