2014 四月

用于PFC系统的功率因数控制器

一切尽在掌控之中

爱普科斯 (EPCOS) 功率因数控制器不仅可以自动执行复杂的无功功率补偿操作模式,而且还可以优化回路的投切操作,降低接触器触头的磨损,并可同时测量电网多种电气参数。

当交流线路中存在电机或变压器等感性负载时,电压和电流之间就会存在相位差,从而引起无功电流和功率的产生。无功电流必然会导致电费成本的增加。由于无功电流是无法利用的,应尽量避免其产生。一种做法是与感性负载并联一个适当规格的电容器(图1)。除帮助用户节约用电成本外,这还能减轻电网负荷并提高电能质量。

图1:校正前后的感性负载

左:校正前。电压(蓝色)与电流(红色)之间有明显的相移。右:校正后。电流和电压同相位。

电抗器和电容器并联形成一个谐振电路,能够校正电压和电流之间的相角。在理想情况下,该相角应为0°,使得负载仅吸收有功功率。

单个负载可以采用非常简单的方法来直接校正,但也有例外。例如在工业电子器件或建筑服务行业的实际应用中,许多负载的开关循环差别极大,都必须予以功率因数校正。这可以通过使用功率因数控制器(无功补偿控制器)来很好地进行自动控制。针对这一用途,TDK提供多种爱普科斯 (EPCOS) 无功补偿控制器。凭借丰富的功能特性,它们能够高效地完成各种常规及许多特殊的校正任务。

正确的系统选型

第一步必须确定系统的总无功功率,即同时运行的无功功率之和。第二步必须定义步级的数量和容量,这基本上由负载的数量和容量决定。负载越小,就需要越多的级数以充分提高校正的准确性。另外,还要考虑投切时间,因为频繁的投切会对影响到电容器和接触器的使用寿命。

对于小容量的补偿,使用爱普科斯 4 路输出的 BR604 控制器就足够了。BR6000 系列提供 6或 12路输出,而 BR7000 系列则可提供 15路输出(图2)。

图2:爱普科斯 (EPCOS) BR7000系列无功补偿控制器

爱普科斯 (EPCOS) BR7000 无功补偿控制器具有多达15路输出用于投切电容器组。

所有爱普科斯 (EPCOS) 无功补偿控制器都由微处理器控制的。它们能够持续测量系统功率因数,并计算出与设定的目标值之间的差值.,然后根据测量结果选择所需的电容器组容量,并自动切入电路。该控制器具有下列功能特性:

  • 智能控制
  • 针对特定情况下的自动初始化
  • 自优化控制
  • 最大值显示选项
  • 四象限运行
  • 宽电压测量范围
  • 报警输出

还可以显示很多关键的电网参数,包括电压、电流和频率以及有功、视在及无功功率、谐波、cos Φ等等。最大值显示以及试运行选项可用于简单的故障分析以及系统监测。所有带接口的控制器型号都随机附带对应的Windows平台BR7000-SOFT软件,可用于在PC上显示及保存所有参数,进行图形分析和数据评估并保存和编辑控制器参数以及在线操作一个或多个PF控制器。

除BR604以外,所有PF控制器提供10种菜单语言版本(捷克语/英语/西班牙语/法语/德语/荷兰语/波兰语/葡萄牙语/俄语/土耳其语)。目前可选继电器输出或晶体管输出两种控制器型号。

传统补偿或动态补偿

一般情况下,电容器通过无功补偿控制器的继电器输出驱动接触器来切入补偿回路。这种投切模式会对接触器触点产生一定的磨损,也会对电容器的使用寿命产生影响。这在电容器未充分放电时尤为明显,最坏的情况是在异相时重新接入线路。所以采用接触器的PFC系统仅适用于系统投切较少的情况下才能发挥作用。

工业电子应用往往需要极其频繁地切换负载,如焊接设备、压机、电梯以及各种驱动器。爱普科斯(EPCOS)TSM系列晶闸管模块非常适合在这些应用中投切电容器。建议在预期开关周期每年超过5000次时使用。这些模块的特性包括:极短的投切时间(仅5 ms)、零磨损以及静音开关。由于晶闸管模块在电流零点处切换,可避免相连的电容器受电流浪涌影响,延长其运行寿命。晶闸管模块采用微处理器控制,能够在最大电抗率高达14%的条件下自动适应电容器去谐或调谐回路。这些模块可自动监测电压、相位以及温度。状态通过LED显示。爱普科斯 (EPCOS) 系列晶闸管模块目前包含8种类型,涵盖电压范围230 V AC至690 V AC,额定功率10 kvar至200 kvar。

图3:爱普科斯 (EPCOS) 晶闸管模块

爱普科斯 (EPCOS) TSM-LC200晶闸管模块设计用于3相电容器。它能够在额定400 V AC下投切最大致200 kvar的校正功率。

这些晶闸管模块可由所有带晶体管输出的爱普科斯 (EPCOS) PF控制器来驱动,包括BR6000-T和BR7000-T 无功补偿控制器。但BR6000-T6R6有所不同,它带有6路用于动态校正的晶体管输出和6路用于常规校正的继电器输出。

断电时电容器断开

工业电网常常发生短暂的断电。由于它们仅持续数毫秒,往往不易察觉到。一种特别的临界情况是在断电后异相重新接入完全充电的电容器时。其所承受的电压可达2 × VR × 1.41。这会引起相当大的浪涌电流,从而对电容器产生不小的应力,如图4所示。

图4:异相重连时的电容器电流

电容器在异相重连时能够产生3500 A的浪涌电流。这会对电容器造成巨大的应力并缩短其寿命。

这些浪涌电流甚至会引起电容接触器的触点熔化。为避免这类危险情况,所有爱普科斯 (EPCOS) PF控制器都带有零电压切断功能。当出现断电时,它就会将电容器从电路中断开并仅在放电后重连(40 s至60 s)。

爱普科斯 (EPCOS) 电容器可以满足各种功率因数校正要求。下表为主要PFC电容器一览。


表:工业级爱普科斯 (EPCOS) PFC电容器

系列

额定电压[V AC]

最大电容[µF]
PhaseCap® Premium230 - 8003 x 251

PhaseCap® HD

400 - 5253 x 332

PhiCap  

220 - 6003 x 300

PoleCap

400 - 5253 x 166

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