一种三相不平衡负载功率因数校正及系统电流平衡设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种三相不平衡负载功率因数校正及系统电流平衡设备，其包括补偿装置，补偿装置包括IGBT桥式电路及电容补偿单元。电容补偿单元包括连接在系统的A相与B相间的第一补偿支路、连接在B相与C相间的第二补偿支路、连接在C相与A相间的第三补偿支路。每条补偿支路均包括依次串联的投切晶闸管、第一电容、电抗器。IGBT桥式电路包括依次串联在系统的A相与B相间的第一连接电抗器与第一补偿模块、依次串联在B相与C相间的第二连接电抗器与第二补偿模块、依次串联在C相与A相间的第三连接电抗器与第三补偿模块。本发明从根本上改变了传统无功补偿控制器单靠无功功率计算的分级投切策略，使投切容量的计算速度彻底改善。
【专利说明】一种三相不平衡负载功率因数校正及系统电流平衡设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及汽车制造行业专用的电网功率因数校正与三相电流平衡设备，具体的说是一种用于汽车制造行业三相不平衡负载功率因数校正及系统电流平衡设备。
【背景技术】
[0002]近些年，中国经济发展迅速，汽车消费势头强劲，所以汽车制造行业获得了很大发展，兴起了众多汽车制造厂。汽车制造过程分为冲压、焊装、喷涂、总装等工艺流程。在冲压流程中大型冲压机在提升降落过程中电流波动巨大且存在功率回馈过程，导致无功功率存在很大波动，若无快速跟踪的无功支撑，会引起电压的大幅度闪变，从而影响生产质量。焊装车间中的点焊机安装于相间，因为各个相间安装的点焊机功率等级不同且工作在不同时段，所以工作过程中三相电流大小与相位均有很大不同，造成三相不平衡问题；同时点焊机工作为断续冲击型负载，工作过程连续时间多在0.1-1秒，在此过程中电流很大，无功需求很大，若此时段中容性无功支持不足，会引起系统电压严重跌落，从而影响点焊机的焊机温度，导致焊接质量下降，出现残次品。喷涂车间的打磨、电泳、淋洗设备均有较大无功需求且三相不平衡严重。包括总装车间在内的所有生产过程中均存在大量变频器驱动操作机构，这些变频大多为6脉波或12脉波整流桥，功率因数低。
[0003]综合以上事实，汽车制造行业中所需要的功率因数校正设备与其它普通工业现场或民用配电场合相比存在诸多特殊要求，尤其是无功功率需求的快速度跟踪以及相间负载引起的三相电流不平衡，与普通配电场合存在本质机理上的区别。经过多年的发展以及技术沿化，市场上存在多种无功补偿及三相不平衡治理的设备，从技术先进程度与解决现场问题的实用性方面讲，晶闸管投切的电容电抗以及有源的动态无功补偿设备凸现出了其优越性，但也存在其固有的缺点；其中晶闸管投切电容电抗器成本较低但传统的操作方式下其投切速度特别是投入时的速度很慢，均大于0.02秒，尤其是在波动型无功需求时根本无法跟踪；而有源的动态无功补偿装置由于采用了快速的IGBT电力电子开关，所以跟踪速度很快，对波动型负载的跟踪很快，但是电力电子开关的故障率与成本均较高，且运行过程中噪音很大，电力电子开关的通断过程会给电网带来高次谐波，同时单机容量不能做得太大(通常最大500kVA)，因此虽然技术上存在优势但应用仍受诸多限制。
[0004]如图1所示，传统三相三线晶闸管投切电容器补偿设备虽然电容器也呈三角形接法接于电网相间，这种接法仅仅是出于安全考虑，不能实现分相电容投切。图2中的传统三相三线有源无功补偿装置为三相桥式电路，其可以快速跟踪负载变化，但因为电路结构的固有特点，使之对相间不平衡效果治理效果较差。而针对三相不平衡负载，业界开发了图3中所示的三相四线晶闸管投切电容器补偿设备与图4所示的三相四线有源无功补偿装置，这两种设备均是通过电网的相与中线之间接入电容或发生与补偿相中所需的反向无功电流来完成无功补偿及三相平衡工作，这两种设备在包括很多单相负载的民用配电场合比较适用，在汽车制造行业，动力网中没有中性线，即使可以接成些种接线方式，现场需要接中性线，会给中性线间带来很大三次谐波电流，虽然从三相间测量有补偿效果，但从三相四线系统整体来看并未完成三相平衡与功率因数校正功能。
[0005]通过以上分析，可以看出传统装置无法彻底解决汽车制造行业中的电能质量问题，有必要发明一种成本低廉，性能可靠，适用于汽车制造行业的的功率因数校正及三相电流平衡装置。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种针对于汽车制造行业专用的电网功率因数校正与三相电流平衡设备，用于汽车制造行业中的相间负载，尤其是点焊机的所造成电能质量问题。本发明为应用于汽车制造行业用于平衡三相电流及快速度跟踪负载无功变化并进行补偿的装置，专门针对汽车制造业中的引起三相电流不平衡的相间负载以及工作电流频繁变化的装置。
[0007]本发明是这样实现的，一种三相不平衡负载功率因数校正及系统电流平衡设备，其包括补偿装置，该补偿装置包括至少一个IGBT桥式电路以及至少一个电容补偿单元；该至少一个电容补偿单元包括连接在系统的A相与B相之间的第一补偿支路(9)、连接在系统的B相与C相之间的第二补偿支路(10)、连接在系统的C相与A相之间的第三补偿支路
(11);每条补偿支路中均包括依次串联的投切晶闸管、第一电容、电抗器；该至少一个IGBT桥式电路也是接于系统的相间，包括依次串联在系统的A相与B相之间的第一连接电抗器
(15)与第一补偿模块(12)、依次串联在系统的B相与C相之间的第二连接电抗器(16)与第二补偿模块(13)、依次串联在系统的C相与A相之间的第三连接电抗器(17)与第三补偿模块(14);每个补偿模块中均包括桥式功率管模块以及第二电容，该第二电容的两端分别连接在该桥式功率管模块的两个输入端，该桥式功率管模块的两个输出端分别连接相应的连接电抗器与相应的相。
[0008]本发明的三相不平衡负载功率因数校正及系统电流平衡设备，可以完成无功功率的补偿，以提高功率因数，同时可以完成系统三相电流的平衡。本发明的区别于传统无功补偿装置的特点在于:采用了相间三角形接线方式，并可以根据负载的等效相间阻抗分别投切，以改变电网的相间阻抗，在校正功率因数的同时起到三相电流的平衡作用；电容的配置为4n:2:l的形式，阶梯式的投切保证较小的负载电流补偿级差；同时相间三角形接法的IGBT桥式电路，可以快速跟踪负载电流的微小变化；电容轮换热备用的投切方式不但保证了电容投切的快速，而且保证投入瞬间的零冲击电流。本发明的诸多创新使传统的电容补偿方式的速度与精度等多方面性能大大提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为传统三相三线晶闸管投切电容器补偿设备的结构示意图；
[0010]图2为传统三相三线有源无功补偿装置的结构示意图；
[0011]图3为传统三相四线晶闸管投切电容器补偿设备的结构示意图；
[0012]图4为传统三相四线有源无功补偿装置的结构示意图；
[0013]图5为本发明三相不平衡负载功率因数校正及系统电流平衡设备的无功补偿及平衡二相电流的本质架构不意图；
[0014]图6为应用本发明的系统架构示意图；
[0015]图7为图6中的其中一个IGBT三相桥式电路与其中一个电容单元的结构示意图；[0016]图8为图7中第一电容循环投切的示意图。
【具体实施方式】
[0017]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0018]如图5所示的三相三线制配电网，负载接于线间，图中Yab=Gab_jBab，Ybc=Gbc-JBbc,
为负载导纳，G为电导，B为导纳；通过分析，无功功率产生的本质就是负载中除了电阻(电导)外还存在电抗(电纳)，而三相不平衡是因为YabYbcTea三个相间导纳不相等造成的。从这个角度出发，无功功率补偿与平衡三相电流的本质就是将系统相间接入或容性或感性的电纳，使相间的导纳相等=Yab=Ybc=Yc^所以如图中所示，接入电容性电纳为 Y，ab=jB’ ab，Y，bc=jB’ bc，V ca=jB，ca，而接入的感性电纳为 Y”ab=_jB”ab，Y”bc=_jB”bc，Υ”Μ=-.?Β”Μ，由于负载大多为感性，所以补偿时大多用容性，而如果用到感性补偿电纳，则可以由IGBT桥式电路提供。
[0019]如图6所示，整个系统分为控制器1、三相桥式电路5、多个电容单元(图中给出了3组，即电容单元6、7、8)组成，其中控制器I又分为采样单元2、IGBT桥式电路控制单元3、电容器投切单元4等几部分构成，由于控制部分另有专利申请描述，在此不赘述。
[0020]具体到补偿装置，如图7所示。图7是为了说明系统中发挥补偿作用的主电路模块的，一个装置中包含有多个IG BT三相桥式电路与多个电容单元，图6中中列出了 2个IGBT三相桥式电路与3个电容单元，图7就是为了说明这两部分电路内部结构的。
[0021]图7中包括所述设备中的IGBT桥式电路(即IGBT桥式电路控制单元3)以及其中的一个电容补偿单元(即电容单元)。电容补偿单元包括连接在系统的A相与B相之间的第一补偿支路9、连接在系统的B相与C相之间的第二补偿支路10、连接在系统的C相与A相之间的第三补偿支路11。每条补偿支路中均包括投切晶闸管、第一电容、电抗器，其中投切晶闸管作为支路的开关，第一电容为主补偿器件产生容性电流，电抗器是为了在投入瞬间抑制涌流用，同时可以防止与系统其它设备间的谐振。
[0022]IGBT桥式电路也是接于系统的相间，包括依次串联在系统的A相与B相之间的第一连接电抗器15与第一补偿模块12、依次串联在系统的B相与C相之间的第二连接电抗器16与第二补偿模块13、依次串联在系统的C相与A相之间的第三连接电抗器17与第三补偿模块14。每个补偿模块中均包括桥式功率管模块以及第二电容，该第二电容的两端分别连接在该桥式功率管模块的两个输入端，该桥式功率管模块的两个输出端分别连接相应的连接电抗器与相应的相。
[0023]设备工作时，通过控制器的采样电路获得负载的三相电流以及系统电压，经过计算后获得负载各个相间的导纳(阻抗)Yab=Gab-JBab, Ybc=Gbc-JBbc, Ym=Gm-JBm，根据各相间的电纳情况来确定补偿所需要的电纳，如果所需的补偿电纳为正，则下发指令投入适当容量的电容器(即第一电容)，如果所需要的补偿容量出现不是整数倍单元电容容量时，由IGBT桥式电路补偿剩余部分。如果出现负的补偿电纳，也由IGBT桥式电路完成。由于采用了通过负载相间导纳的方式来确定补偿容量的策略，所以可以在0.005秒内完成投切容量的计算，也就是说从根本上改变了传统无功补偿控制器单靠无功功率计算的分级投切策略，使投切容量的计算速度彻底改善。另外为了方便实现整机容量的设计，本发明中的IGBT桥式电路及电容补偿模块均可以实现数量的灵活组合，IGBT桥式电路最少数量为2，最多数量为6 ;电容补偿模块最少数量为4，最多数量为20 ;从而可以很方便地实现300kVA-2MVA整机装置。
[0024]为了在负载波动时更快的投入全部补偿容量的电容，本发明中使所有的电容模组均处于热备用状态下，如图8所示情况为例说明，如果整个设备中配备有5组电容，而补偿容量需要3组，则在每隔一定时段后就将将其中的一组切除而将另外一组投入，如在O时刻投入的为123组，Tl时刻则投入234组，以123 — 234 — 345 — 451 — 512 — 123如此往复。这种热备用投切方式，电容器上的残压可以使之相比传统的静态冷投入方式投入速度更快、冲击电流更小，从而最大程度上保障对无功需求以及三相平衡电流的跟踪速度。
[0025]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种三相不平衡负载功率因数校正及系统电流平衡设备，其特征在于:其包括补偿装置，该补偿装置包括至少一个IGBT桥式电路以及至少一个电容补偿单元；该至少一个电容补偿单元包括连接在系统的A相与B相之间的第一补偿支路(9)、连接在系统的B相与C相之间的第二补偿支路(10)、连接在系统的C相与A相之间的第三补偿支路(11);每条补偿支路中均包括依次串联的投切晶闸管、第一电容、电抗器；该至少一个IGBT桥式电路也是接于系统的相间，包括依次串联在系统的A相与B相之间的第一连接电抗器(15)与第一补偿模块(12)、依次串联在系统的B相与C相之间的第二连接电抗器(16)与第二补偿模块(13)、依次串联在系统的C相与A相之间的第三连接电抗器(17)与第三补偿模块(14);每个补偿模块中均包括桥式功率管模块以及第二电容，该第二电容的两端分别连接在该桥式功率管模块的两个输入端，该桥式功率管模块的两个输出端分别连接相应的连接电抗器与相应的相。
【文档编号】H02J3/26GK103501013SQ201310496411
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】李瑜, 尹陆军, 齐东流, 郁伉, 王敏 申请人:安徽天沃电气技术有限公司