應(yīng)變片的溫度誤差及補償

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應(yīng)變片的溫度誤差及補償應(yīng)變片的溫度誤差及補償（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）1.應(yīng)變片的溫度誤差由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差,稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有:1)電阻溫度系數(shù)的影響敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示：Rt=R0（1+α0Δt）(3-14)式中:Rt——溫度為t℃時的電阻值;R0——溫度為t0℃時的電阻值;α0——金屬絲的電阻溫度系數(shù);Δt——溫度變化值,Δt=t-t0。當溫度變化Δt時,電阻絲電阻的變化值為ΔRt=Rt-R0=R0α0Δt（3-15）2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時,不論環(huán)境溫度如何變化,電阻絲的變形仍和自由狀態(tài)一樣,不會產(chǎn)生附加變形。當試件和電阻絲線膨脹系數(shù)不同時,由于環(huán)境溫度的變化,電阻絲會產(chǎn)生附加變形,從而產(chǎn)生附加電阻。設(shè)電阻絲和試件在溫度為0℃Ls=L0（1+βsΔt）（3-16）Lg=L0（1+βgΔt）（3-17）當二者粘貼在一起時,電阻絲產(chǎn)生的附加變形ΔL,附加應(yīng)變εβ和附加電阻變化ΔRβ分別為ΔL=Lg-Ls=（βg-βs）L0Δt(3-18)εβ=ΔLL0=（βg-βs）Δt(3-19)ΔRβ=K0R0εβ=K0R0(βg-βs)Δt(3-20)由式（3-15）和式（3-20）,可得由于溫度變化而引起應(yīng)變片總電阻相對變化量為折合成附加應(yīng)變量或虛假的應(yīng)變εt,有由式（3-21）和式（3-22）可知,因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對變化量,除了與環(huán)境溫度有關(guān)外,還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)（K0，α0，βs）以及被測試件線膨脹系數(shù)βg有關(guān)。2.電阻應(yīng)變片的溫度補償方法電阻應(yīng)變片的溫度補償方法通常有線路補償法和應(yīng)變片自補償兩大類。1)線路補償法電橋補償是最常用的且效果較好的線路補償法。圖3-4所示是電橋補償法的原理圖。電橋輸出電壓Uo與橋臂參數(shù)的關(guān)系為Uo=A（R1R4-RBR3）（3-23）式中:A——由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。R1—工作應(yīng)變片；RB—補償應(yīng)變片由上式可知,當R3和R4為常數(shù)時,R1和RB對電橋輸出電壓U0的作用方向相反。利用這一基本關(guān)系可實現(xiàn)對溫度的補償。測量應(yīng)變時,工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面上,補償應(yīng)變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補償塊上,且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。如圖3-4所示。當被測試件不承受應(yīng)變時,R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t℃的溫度場中,調(diào)整電橋參數(shù)，使之達到平衡,有Uo=A（R1R4-RBR3）=0（3–2）圖3-4電橋補償法工程上,一般按R1=R2=R3=R4選取橋臂電阻。當溫度升高或降低Δt=t-t0時,兩個應(yīng)變片的因溫度而引起的電阻變化量相等,電橋仍處于平衡狀態(tài),即Uo=A［（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3］=0(3-25)若此時被測試件有應(yīng)變ε的作用,則工作應(yīng)變片電阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε,而補償片因不承受應(yīng)變,故不產(chǎn)生新的增量,此時電橋輸出電壓為Uo=AR1R4Kε（3-26）由上式可知,電橋的輸出電壓Uo僅與被測試件的應(yīng)變ε有關(guān),而與環(huán)境溫度無關(guān)。應(yīng)當指出,若實現(xiàn)完全補償,上述分析過程必須滿足四個條件:①在應(yīng)變片工作過程中,保證R3=R4。②R1和RB兩個應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)α,線膨脹系數(shù)β,應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。③粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣,兩者線膨脹系數(shù)相同。④兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。2)應(yīng)變片的自補償法這種溫度補償法是利用自身具有溫度補償作用的應(yīng)變片,稱之為溫度自補償應(yīng)變片。溫度自補償應(yīng)變片的工作原理可由式（3-21）得出,要實現(xiàn)溫度自補償,必須有α0=-K0（βg-βs）（3-27）上式表明,當被測試件的線膨脹系數(shù)βg已知時,如果合理選擇敏感柵材料,即其電阻溫度系數(shù)α0、靈敏系數(shù)K0和線膨脹系數(shù)βs,使式（3-27）成立,則不論溫度如何變化,均有ΔRt/R0=0,從而達到溫度自補償?shù)哪康?。一、電阻?yīng)變片的種類電阻應(yīng)變片品種繁多,形式多樣。但常用的應(yīng)變片可分為兩類:金屬電阻應(yīng)變片和半導體電阻應(yīng)變片。金屬應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成,如圖3-2所示。敏感柵是應(yīng)變片的核心部分,它粘貼在絕緣的基片上,其上再粘貼起保護作用的覆蓋層,兩端焊接引出導線。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。圖3-2金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵,其厚度一般在0.003～0.01mm。其優(yōu)點是散熱條件好,允許通過的電流較大,可制成各種所需的形狀,便于批量生產(chǎn)。薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1μm以下的金屬電阻薄膜的敏感柵,最后再加上保護層。它的優(yōu)點是應(yīng)變靈敏度系數(shù)大,允許電流密度大,工作范圍廣。半導體應(yīng)變片是用半導體材料制成的,其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)，是指半導體材料在某一軸向受外力作用時,其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。半導體應(yīng)變片受軸向力作用時,其電阻相對變化為（3-10）式中Δρ/ρ為半導體應(yīng)變片的電阻率相對變化量,其值與半導體敏感元件在軸向所受的應(yīng)變力關(guān)系為（3-11）式中:π——半導體材料的壓阻系數(shù)。將式（3-11）代入式（3-10）中得（3-12）實驗證明,πE比（1+2μ）大上百倍,所以（1+2μ）可以忽略,因而半導體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為Ks=（3-13）半導體應(yīng)變片突出優(yōu)點是靈敏度高,比金屬絲式高50～80倍,尺寸小,橫向效應(yīng)小,動態(tài)響應(yīng)好。但它有溫度系數(shù)大,應(yīng)變時非線性比較嚴重等缺點。項目數(shù)控車床絲杠螺距誤差的補償一、工作任務(wù)及目標1．本項目的學習任務(wù)（1）學習數(shù)控車床絲杠螺距誤差的測量和計算方法；（2）學習數(shù)控車床螺距誤差參數(shù)的設(shè)置方法。2．通過此項目的學習要達到以下目標（1）了解螺距誤差補償?shù)谋匾?；?）掌握螺距誤差補償?shù)臏y量和計算方法；（3）能夠正確設(shè)置螺距誤差參數(shù)。二、相關(guān)知識滾珠絲杠螺母機構(gòu)數(shù)控機床進給傳動裝置一般是由電機通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，由滾珠絲桿螺母機構(gòu)將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。1、滾珠絲杠螺母機構(gòu)的結(jié)構(gòu)滾珠絲杠螺母機構(gòu)的工作原理見圖1；在絲杠1和螺母4上各加工有圓弧形螺旋槽，將它們套裝起來變成螺旋形滾道，在滾道內(nèi)裝滿滾珠2。當絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)時，絲杠的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)滾珠推動螺母軸向移動，同時滾珠沿螺旋形滾道滾動，使絲杠和螺母之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L珠與絲杠、螺母之間的滾動摩擦。螺母螺旋槽的兩端用回珠管3連接起來，使?jié)L珠能夠從一端重新回到另一端，構(gòu)成一個閉合的循環(huán)回路。2、進給傳動誤差螺距誤差：絲杠導程的實際值與理論值的偏差。例如PⅢ級滾珠絲杠副的螺距公差為0.012mm/300mm。反向間隙：即絲杠和螺母無相對轉(zhuǎn)動時絲杠和螺母之間的最大竄動。由于螺母結(jié)構(gòu)本身的游隙以及其受軸向載荷后的彈性變形，滾珠絲杠螺母機構(gòu)存在軸向間隙，該軸向間隙在絲杠反向轉(zhuǎn)動時表現(xiàn)為絲杠轉(zhuǎn)動α角，而螺母未移動，則形成了反向間隙。為了保證絲杠和螺母之間的靈活運動，必須有一定的反向間隙。但反向間隙過大將嚴重影響機床精度。因此數(shù)控機床進給系統(tǒng)所使用的滾珠絲杠副必須有可靠的軸向間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)。圖2為常用的雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)，它用平鍵限制了螺母在螺母座內(nèi)的轉(zhuǎn)動，調(diào)整時只要扮動圓螺母就能將滾珠螺母沿軸向移動一定距離，在將反向間隙減小到規(guī)定的范圍后，將其鎖緊。3、電機與絲杠的聯(lián)接、傳動方式直聯(lián)：用聯(lián)軸器將電機軸和絲杠沿軸線聯(lián)接，其傳動比為1：1；該聯(lián)接方式傳動時無間隙；同步帶傳動：同步帶輪固定在電機軸和絲杠上，用同步帶傳遞扭矩；該傳動方式傳動比由同步帶輪齒數(shù)比確定，傳動平穩(wěn)，但有傳動間隙；齒輪傳動：電機通過齒輪或齒輪箱將扭矩傳到絲杠，傳動比可根據(jù)需要確定；該方式傳遞扭矩大，但有傳動間隙。同步帶傳動、齒輪傳動中的間隙是產(chǎn)生數(shù)控機床反向間隙差值的原因之一。三、數(shù)控系統(tǒng)的半閉環(huán)控制開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置到進給系統(tǒng)）。故系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但由于無位置反饋，機床的控制精度低，容易丟步。適用于經(jīng)濟型數(shù)控機床半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)是在驅(qū)動裝置(常用伺服電機)或絲杠上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行位置反饋，因此，其結(jié)構(gòu)簡單，不會丟步。但由于不是直接檢測運動部件的實際移動位置，機床進給傳動鏈的反向間隙誤差和絲杠螺距誤差仍然會影響機床的精度。適用于普及型（中檔）數(shù)控機床。全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)通過光柵尺，直接對運動部件的實際移動位置進行檢測，消除了機床進給傳動鏈的反向間隙誤差和絲杠螺距誤差對機床精度的影響。因此其控制精度高，但結(jié)構(gòu)復雜，成本高，易形成振蕩，調(diào)試周期長。適用于高檔高精度數(shù)控機床。5.1螺距補償原理數(shù)控機床軟件補償?shù)幕驹硎窃跈C床的機床坐標系中，在無補償?shù)臈l件下，在軸線測量行程內(nèi)將測量行程等分為若干段，測量出各目標位置P;的平均位置偏差x;把平均位置偏差反向疊加到數(shù)控系統(tǒng)的插補指令上，如下圖8所示，指令要求沿X軸運動到目標位置P;，目標實際位置為P}.i，該點的平均位置偏差為x，個;將該值輸入系統(tǒng)，則系統(tǒng)CNC在計算時自動將目標位置P;的平均位置偏差x，個疊加到插補指令上，實際運動位置為:P}.i=P.+x;使誤差部分抵消，實現(xiàn)誤差的補償。螺距誤差可進行單向和雙向補償。5.2反向間隙補償反向間隙補償又稱為齒隙補償。機械傳動鏈在改變轉(zhuǎn)向時，由十反向間隙的存在，會引起伺服電機的空轉(zhuǎn)，}fU無工作臺的實際運動，又稱失動。反向間隙補償原理是在無補償?shù)臈l件下，在軸線測量行程內(nèi)將測量行程等分為若干段，測量出各目標位置P;的平均反向差值B，作為機床的補償參數(shù)輸入系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)在控制坐標軸反向運動時，自動先讓該坐標反向運動B值，然后按指令進行運動。如圖9所示，工作臺正向移動到O點，然后反向移動到P;點，反向時，電機(絲桿)先反向移動B，后移動到Pi點;該過程CNC系統(tǒng)實際指令運動值L為:L=P;+B反向間隙補償在坐標軸處十任何方式時均有效。在系統(tǒng)進行了雙向螺距補償時，雙向螺距補償?shù)闹狄呀?jīng)包含了反向間隙，因此，此時不需設(shè)置反向間隙的補償值。5.3誤差補償?shù)倪m用范圍從數(shù)控機床進給傳動裝置的結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)的二種控制方法可知，誤差補償對半閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)具有顯著的效果，可明顯提高數(shù)控機床的定位精度和I重復定位精度。對全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，由十其控制精度高，采用誤差補償?shù)男Ч伙@著，但也可進行誤差補償。（一）絲杠螺距誤差補償?shù)谋匾詳?shù)控機床的直線軸精度表現(xiàn)在進給軸上主要有三項精度：反向間隙、定位精度和重復定位精度，其中反向間隙、重復定位精度可以通過機械裝置的調(diào)整來實現(xiàn)，而定位精度在很大程度上取決于直線軸傳動鏈中滾珠絲杠的螺距制造精度。在數(shù)控車床生產(chǎn)制造及加工應(yīng)用中，在調(diào)整好機床反向間隙、重復定位精度后，要減小定位誤差，用數(shù)控系統(tǒng)的螺距誤差螺距補償功能是最節(jié)約成本且直接有效的方法。由于滾珠絲杠副在加工和安裝過程中存在誤差，因此滾珠絲杠副將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動時存在以下兩種誤差。①螺距誤差，即絲杠導程的實際值與理論值的偏差②反向間隙，即絲杠和螺母無相對轉(zhuǎn)動時，絲杠和螺母之間的最大竄動。定位精度的測量儀器可以用激光干涉儀、線紋尺、光柵尺數(shù)顯表和步距規(guī)。（二）反向間隙補償1．步驟一：設(shè)定參數(shù)18002．步驟二：測量反向間隙值（1）回參考點（2）用切削進給使機床移動到測量點指令：G01X100.0F300；（3）安裝百分表，將刻度對（4）用切削進給，使機床沿相同方向移動到X200.0處（5）用切削進給返回測量點X100.0處（6）讀取百分表的刻度（7）按檢測單位換算切削進給方式的間隙補償量3．步驟三：設(shè)置參數(shù)1851參數(shù)設(shè)定范圍：-9999~+9999（三）螺距誤差補償步驟一：測量準備（1）將Z軸光柵尺與數(shù)顯表正確連接。（2）設(shè)置滑臺的機械坐標系零點，以及正負限位。如下圖所示，設(shè)置正限位為48，負限位為-257.步驟二：設(shè)置如下參數(shù)：圖2螺距誤差補償畫面步驟三：測量補償值并記錄（1）在MDI方式下，輸入“G98G01Z-257.0F300”，按下自動循環(huán)按鈕，滑臺運動至Z軸-257mm位置。（2）輸入“G98G01Z-255.0F300”，按下自動循環(huán)按鈕，滑臺運動至Z軸-255mm位置。注意：這一步是為了消除反向間隙誤差。（3）按下【單步】按鍵，把光柵尺數(shù)顯表清零，輸入“G98G01W20.0F300”，按下自動循環(huán)按鈕，滑臺向Z軸正方向運動20mm，記錄數(shù)顯表讀數(shù)后清零，再次運行以上程序，記錄各次讀數(shù)填入下表。步驟四：輸入補償值，再次測量，觀察補償效果。三、實訓要點及實施1．實訓要點（1）本實訓項目實施計劃根據(jù)FANUC0imateTD數(shù)控系統(tǒng)制定，在實際教學中，采用不同的系統(tǒng)，參數(shù)設(shè)置可能有所不同（2）通過本項目要掌握滾珠絲杠反向間隙和螺距誤差補償方法，并能夠正確輸入補償參數(shù)。2．工具清單工具：百分表1個，磁力表座1個，光柵尺數(shù)顯表1個。3．項目實施計劃（1）按照反向間隙補償步驟對機床進行反向間隙的補償。（2）按照螺距誤差補償方法對機床進行螺距誤差補償。四、實訓項目報告實訓項目報告一五、思考題六、閱讀資料教案第9次課章節(jié)、名稱第2章計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）§2.5數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補償原理教學目的和要求本次課主要講授數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補償原理的基本知識。使學生熟悉刀具半徑補償?shù)母拍罴耙饬x；掌握刀具半徑補償功能的原理和實現(xiàn)方法；掌握直線過渡型刀具半徑補償?shù)牡膸追N類型和各自的特點。掌握刀具半徑補償?shù)母拍罴昂x掌握直線切削刀具半徑補償?shù)挠嬎惴椒ㄕ莆請A弧切削刀具半徑補償?shù)挠嬎惴椒ㄊ煜ぶ本€過渡型刀具半徑補償?shù)娜N類型重點難點重點：刀具半徑補償?shù)脑砑皩崿F(xiàn)方法難點：直線、圓弧切削刀具半徑補償?shù)挠嬎惴椒ń虒W進程（含課堂教學內(nèi)容、教學方法、輔助手段、師生互動、時間分配）教學內(nèi)容：1、刀具半徑補償?shù)母拍詈鸵饬x。2、刀具半徑補償功能的實現(xiàn)直線切削刀具半徑補償?shù)挠嬎悖粓A弧切削刀具半徑補償?shù)挠嬎?、輪廓過渡時半徑補償?shù)奶幚矸椒ㄟ^渡圓弧法；尖角外輪廓過渡；尖角內(nèi)輪廓過渡4、直線過渡型刀具半徑補償（C刀補）的三種類型及實現(xiàn)方法伸長型；縮短型；插入型教學方法：課堂講授、多媒體PPT輔助手段：圖片演示、板書推演師生互動：提問，討論時間分配：總2學時作業(yè)布置P712-12主要參考資料《數(shù)控技術(shù)》，曹甜東主編，華中科技大學出版社，2021《數(shù)控車床（華中數(shù)控）考工實訓教程》，吳明友主編，化學工業(yè)出版社，2007課后自我總結(jié)分析刀具半徑補償是數(shù)控加工中的一個非常重要的概念，對于刀具半徑補償功能的實現(xiàn)方法的熟練掌握對學生了解數(shù)控系統(tǒng)的工作原理及加工方式有著重要的意義，也是掌握數(shù)控機床編程和零件加工等實踐環(huán)節(jié)的理論基礎(chǔ)。在講授過程中應(yīng)注意收集和使用一些圖像資源，讓學生能夠直觀的了解刀補的具體內(nèi)容及重要意義，對于具體的實現(xiàn)過程在黑板上進行推演以幫助學生掌握。講稿第2章計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）§2.5數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補償原理一、刀具半徑補償?shù)母拍顬榱苏f明數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補償，先來看一個銑削加工零件外輪廓的例子。如圖2-37所示。在輪廓加工過程中，由于數(shù)控系統(tǒng)控制的是刀心軌跡，因此編程時要根據(jù)零件輪廓尺寸計算出刀心軌跡。零件輪廓可能需要粗銑、半精銑和精銑三個工步，由于每個工步加工余量不同，因此它們都有相應(yīng)的刀心軌跡。另外刀具磨損后，也需要重新計算刀心軌跡。這樣勢必增加編程的復雜性。為了解決這個問題，在數(shù)控系統(tǒng)中專門設(shè)計了若干存儲單元，存放各個工步的加工余量、刀具磨損量、刀具半徑值，而刀心軌跡由系統(tǒng)自動進行計算，進而生成數(shù)控程序。這樣簡化了編程的計算，又增加了程序的可讀性。這種以按照零件輪廓編制的程序和預先設(shè)定的偏置量為依據(jù)，自動生成刀具中心軌跡的功能稱為刀具半徑補償功能。圖2-37外輪廓銑削二、刀具半徑補償功能的實現(xiàn)YXYXOA(X,Y)O’A’(X’,Y’)αΔXΔY直線切削刀具半徑補償計算如圖2-38所示，加工的直線終點坐標為A（X，Y）。假定程序加工完成后，刀具中心經(jīng)刀具半徑（R）補償后到達直線O’A’的終點（X’,Y’）。設(shè)終點刀具半徑偏置矢量AA’的坐標投影為（ΔX,ΔY）,則有圖2-38直線切削刀具半徑補償X’=X+ΔXY’=Y+ΔY因為ΔX＝Rsinα=ΔY=-Rcosα=-故A’點的坐標值為X’＝X+Y’＝Y(jié)-第二、三、四象限的刀徑補償計算可以類似推導，所差僅為ΔX與ΔY的符號。2、圓弧切削刀具半徑補償?shù)挠嬎闳鐖D2-39所示，r為所加工圓弧的半徑，圓弧起點A（X0,Y0），終點B（Xe,Ye）。假定上段程序加工完成后刀具中心點為A’(X0’,Y0’),那么BB’和AA’的長度為刀具的半徑R。設(shè)BB’在坐標軸上的投影為（ΔX,ΔY），則YXOB’(X’eYXOB’(X’e,Y’e)A’(X0’,Y0’)ΔXΔYRB(Xe,Ye)A(X0,Y0)rYe’=Ye+ΔY從而得到ΔX＝Rcosα=ΔY=Rsinα=故B’點的坐標為Xe’＝Xe+Ye’＝Y(jié)e-同樣容易得到A’點的坐標，即X0’＝X0+Y0’＝Y(jié)0-通過上述公式已經(jīng)能計算出直線和圓弧輪廓經(jīng)過刀具半徑補償后的起點與終點坐標。但在兩段輪廓交接處如何過渡就有問題了，除非兩段輪廓交接處正好光滑過渡，即前一程序段終點的刀偏矢量與下一程序段起點的刀偏矢量完成重合，否則必然在交接處出現(xiàn)間斷點或交叉點。一種簡單的處理是在尖角過渡處使刀具中心軌跡以小于180o的圓弧由上段終點運動至下段始點。該過渡圓弧是由數(shù)控系統(tǒng)自動加入的，過渡圓弧的半徑就是刀具半徑R，如圖2-37所示。由圖可見，當尖角過渡為外輪廓過渡或光滑過渡時，這種方法是沒有問題的。但當尖角輪廓為內(nèi)輪廓時，很明顯會出現(xiàn)工件的過切現(xiàn)象，這是不允許的。3、直線過渡型刀具半徑補償（C刀補）C刀補是數(shù)控系統(tǒng)為解決上述尖角過渡問題而設(shè)計的，它專門處理兩個程序段間轉(zhuǎn)角的各種情況。它由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)與實際輪廓完全一樣的編程軌跡，直接算出刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)接交點，然后再對原來的程序軌跡（刀具中心）軌跡作伸長或縮短的修正。C刀補中，為了避免下一段加工軌跡對本段加工軌跡的影響，在計算本段的刀具中心軌跡時，提前將下一段程序讀入。根據(jù)它們之間轉(zhuǎn)換的具體情況，做出適當?shù)奶幚?。在CNC系統(tǒng)中，C刀補根據(jù)相鄰兩段程序段所走的線型不一樣以及兩個程序段軌跡的矢量夾角和刀具補償方向的不同，將轉(zhuǎn)接過渡方式分為三種類型：伸長型、縮短型、和插入型。對于直線與直線的轉(zhuǎn)接，系統(tǒng)采用了以下算法。圖2-42所示為直線至直線各種轉(zhuǎn)接的情況，編程軌跡為OA->AF。圖2-42直線至直線左刀補情況在圖2-42（a）和(b)中，AB、AD為刀具半徑值，刀具中心軌跡與DK的交點為C，由數(shù)控系統(tǒng)求出交點C的坐標值，實際刀具中心軌跡為IC->CK。采取求交點的方法，從根本上解決了肉輪廓加工的過切現(xiàn)象。由于IC->CK相對于OA->AF縮短了CB與DC的長度,因此,這種求交點的內(nèi)輪廓過渡稱為縮短型轉(zhuǎn)換.在圖2-42(c)中,C點為IB和DK延長線的交點,由數(shù)控系統(tǒng)求出交點C的坐標,實際刀具中心運動軌跡為IC->CK。同上道理，這種外輪廓過渡稱為延長型轉(zhuǎn)換。在圖2-42（d）中，若仍然采用求IB與DK交點的方法，勢必要過多地增加刀具的非切削空行程時間，這顯然是不合理的。因此C刀補算法在這里采用插入型轉(zhuǎn)換，即令BC＝C’D＝R，數(shù)控系統(tǒng)求出C與C’點的坐標，刀具中心運動軌跡為I->C->C’->K，即在原軌跡中間再插入CC’直線段，因此稱其為插入型轉(zhuǎn)換。湖南大學碩士學位論文配電網(wǎng)無功補償系統(tǒng)的研究與應(yīng)用姓名：黃志剛申請學位級別：碩士專業(yè)：電氣工程指導教師：羅安;胡昭發(fā)20070830摘要本論文介紹了無功補償?shù)脑砗湍康模槍Ξ敚桑椋号潆娋W(wǎng)無功補償?shù)那闆r，給出了無功補償?shù)膬?yōu)化方法。在實時補償方面，針對不同的負荷狀況，從實時的角度研究電容器組的投切及控制算法。針對當前低壓無功補償中遇到的一些問題，通過理論上的分析，結(jié)合先進的軟硬件技術(shù)，詳細介紹了解決思路和系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)以及補償方案的選取。其中針對無觸點開關(guān)投切電容器時產(chǎn)生的電流沖擊問題設(shè)計了專門的主電路和觸發(fā)電路，并結(jié)合通斷率控制來消除沖擊電流；對無功補償中可能遇到的電流諧振問題，通過理論計算選取了在主電路中串入電感的方法來避免電流諧振的產(chǎn)生；對由投切電容可能引入的電壓高次諧波，加入了電壓濾波環(huán)節(jié)，減少對電網(wǎng)的污染；在三相不平衡情況比較嚴重的情況下，根據(jù)功率平衡器的原理進行無功補償，把功率因數(shù)補償?shù)饺我庵付ㄖ档耐瑫r還將三相不對稱負荷補償成對于供電系統(tǒng)來說是三相對稱的；對于單個的補償裝置，采用最優(yōu)控制理論，使功率因數(shù)達到最優(yōu)的控制效果；在進行多點協(xié)同的無功補償時，先根據(jù)線路的特點計算尋求線路中的最優(yōu)補償點，在此基礎(chǔ)上通過多個單機的協(xié)同控制，采用了動態(tài)規(guī)劃方法，使線路的損耗達到最小值。該裝置目前在韶關(guān)冶煉廠已投入運行，運行結(jié)果表明，該裝置不僅響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳輸可靠，控制精度高，而且操作簡單，易維護，很好的滿足了控制要求。關(guān)鍵字：無功補償；無觸點開關(guān)；諧波；最優(yōu)補償點ＩｌＡＢＳＴＲＡＣＴＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｐｕｒｐｏｓｅｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｌｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｇｉｖｅｎ．Ｉｎｒｅａｌ－ｔｉｍｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｃａｐａｃｉｔｏｒ’Ｓｓｗｉｔｃｈｉｎｇｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｉｎｔｈｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｒｅａｌ—ｔｉｍｅ．Ｂｙｔｈｅｏｒｙａｎａｌｙｚｉｎｇａｎｄｕｓｉｎｇａｄｖａｎｃｅｄｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｔａｉｌｅｄｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｓｏｌｕｔｉｏｎｗａｙｓ，ｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｙｓｔｅｍ＇ｓｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅＶａｔｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆＶａｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｉｎｌｏｗｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｉｍｐｕｌｓｅｐｒｏｂｌｅｍｗｈｅｎｔｈｅｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔｏｒｓｗｉｔｃｈｏｎｏｒｃｕｔｏｆｆｔｈｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ，ｗｅｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｄｅｓｉｇｎｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｔｈｅｔｒｉｇｇｅｒｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｕｓｅｔｈｅｏｐｅｎ－ｏｆｆｒａｔｉｏｃｏｎｔｒｏｌｗａｙｓｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｉｍｐｕｌｓｅｃｕｒｒｅｎｔ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｈｕｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ｗｅｕｓｅｓｅｒｉｅｓｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｉｎｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｔｏａｖｏｉｄｔｈｅｈａｒｍｏｎｉｃｃｕｒｒｅｎｔｂｙｔｈｅｏｒｙｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ．Ｗｅａｄｄｖｏｌｔａｇｅｈａｒｍｏｎｉｃｆｉｌｔｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｈａｒｍｗｈｉｃｈｖｏｌｔａｇｅｈａｒｍｏｎｉｃｄｏｔｏｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｔｈｅｓｅｖｅｒｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｕｎｂａｌａｎｃｅｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｗｅｕｓｅｔｈｅｐｏｗｅｒｂａｌａｎｃｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅｔｏｄｏＶａｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．ＷｅＣａｎｍａｋｅｔｈｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｒｅａｃｈｇｉｖｅｎｖａｌｕｅａｎｄｍａｋｅｔｈｅｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｌｏａｄｂｅｃｏｍｅｂａｌａｎｃｅｉｎｔｈｅｓａｌｎｅｔｉｍｅ．Ｗｅｍａｋｅｔｈｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｇｅｔｏｐｔｉｍｕｍｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔｂｙｕｓｉｎｇｏｐｔｉｍｕｍｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙｔｏａｓｉｎｇｌｅｃｕｎｔｒｏ｜ａｐｐｌｉａｎｃｅ．Ｔｏｍｕｌｔｉ—ａｐｐｌｉａｎｃｅ，ｆｉｒｓｔｗｅｇｅｔｔｈｅｍｏｓｔｏｐｔｉｍｕｍＶａｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｎｏｄｅｓｉｎｌｉｎｅｓ，ｔｈｅｗｅｕｓｅＤｙｎａｍｉｃＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｔｏｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｗａｙｓｏｆｌｅａｓｔｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｅｂｙｃｏｏｐｅｒａｔｉｎｇｔｈｅａｐｐｌｉａｎｃｅ．Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｆａｃｔｏｒｙ．Ｔｈｅｒｕｎｎｉｎｇｓｔａｔｅｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｎｏｔｏｎｌｙｈａｓｈｉｇｈｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｈｉｇｈｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｅｄａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｎｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ，ｂｕｔａｌｓｏｉｓｅａｓｙｔｏｏｐｅｒａｔｅ，ｅｘｔｅｎｄａｎｄｍａｉｎｔａｉｎ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓａｔｉｓｆｉｅｓｗｉｔｈｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｇｓｏｆｃｏｎｔｒ０１．Ｋｅｙｗｏｒｄ：Ｖａｔｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｔｈｅｎｏｎ＿ｃｏｎｔｒａｃｔｏｒｓｗｉｔｃｈ；ｈａｒｍｏｎｉｃ；ｔｈｅｍｏｓｔｏｐｔｉｍｕｍＶａｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ１１１湖南大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名：苕壓硎ｊ’日期：姊每？≈其｜ｓ日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留弗向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于ｌ、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。弋／不保密團。（請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“、／”）作者簽名：刪導師簽名：ｌ羅座日期：矽矽年紗月／，日日期：》固每｜船其ｌｓ日Ｉ第一章緒論１．１課題背景由于電網(wǎng)容量的增加，對電網(wǎng)無功要求也與日增加。在城農(nóng)網(wǎng)改造過程中，對無功就地平衡提出了新的要求，本論文針對低壓配電網(wǎng)絡(luò)如｛可實現(xiàn)無功平衡，并實現(xiàn)自動補償功能進行分析。１．２國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電力系統(tǒng)是一個典型的非線性大系統(tǒng)，隨著社會的進步，經(jīng)濟的發(fā)展，社會對電力的需求不斷增加，使現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，系統(tǒng)日趨復雜。大機組、重負荷、超高壓遠距離輸電，大型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，以及對電力系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟性及電能質(zhì)量的高要求，使柔性輸電系統(tǒng)（ＦＡＣＴＳ）技術(shù)成為目前電力系統(tǒng)的一個重要的研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)的無功補償設(shè)備可滿足一定范圍內(nèi)的無功補償要求，但存在響應(yīng)的速度慢，故障維護困難等缺點。靜止無功補償器（ＳＶＣ）近年來獲得了很大發(fā)展，已被廣泛用于輸電系統(tǒng)波阻抗補償及長距離輸電的分段補償，也大量用于負載無功補償。其典型代表是固定電容器＋晶閘管控制電抗器（ＴＣＲ）。晶閘管投切電容器也獲得了廣泛的應(yīng)用…。除了在控制器件方面的改進，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，在控制方法上也有很大的進步。采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制等智能型控制方法，研制能同時對電壓、無功功率、三相不平衡、諧波等進行綜合調(diào)節(jié)和補償控制的裝置已經(jīng)成為大家的共識。目靜，在城市配電網(wǎng)公用變壓器低壓側(cè)，由于用戶家用電器感性負載的不斷增加，使得其功率因數(shù)較低，導致公用變壓器低壓側(cè)線路損耗大，供電電壓指標不能滿足用戶要求。因此，在公用變壓器低壓側(cè)進行無功功率補償已成為目ｌｉ｛『研究的另一個熱門。國外，城市、農(nóng)村電網(wǎng)是否安裝戶外無功補償已成為衡量配電網(wǎng)性能的主要指標之一。在日本，配電網(wǎng)系統(tǒng)戶外補償電容器的自動投切率已達８６．４％；在莢國，許多城市道路旁的電線桿上裝有并聯(lián)電容器組，并采用自動裝置控制”“”１。國內(nèi)，無功補償主要采用變電站集中補償和企業(yè)就地補償兩種形式。據(jù)統(tǒng)計，當前，國內(nèi)典型城鄉(xiāng)配電網(wǎng)無功損耗情況如下：按電壓等級劃分，０．４ｋ級損耗占５０％，ｌＯｋＶ級占３０％，３５ｋ＇Ｆ以上占２０％。在農(nóng)村，長距離供電較為普遍，ｌＯｋＶ線路損耗較大；在城網(wǎng)中，配網(wǎng)損耗主要在０．４ｋＶ側(cè)，因此，做好ｌＯｋＶ等級電壓以下的無功補償具有重要意義。近年來，由于計算機技術(shù)的發(fā)展，無功補償技術(shù)已得到很大的改進，無功補償裝置的發(fā)展已進入一個新的階段。然而，許多電網(wǎng)仍存在補償不足，調(diào)節(jié)手段落后，電壓偏低，損耗增大等問題。負荷無功補償主要有以下幾個問題：１）無功補償容量不足。在供電方面，公用變壓器在全國大中小城市中大量存在，而且伴隨著一戶一表等城網(wǎng)改造的開展，還會大量增加。由于資金匱乏及重視程度不夠，公用變壓器區(qū)內(nèi)無功補償容量嚴重不足，有功損耗大，公用變壓器的利用率不商。在用戶方面，由于公用變壓器區(qū)內(nèi)低壓用戶很多，供電企業(yè)管理不便，低壓用戶感性負荷很大。由于各用戶沒有統(tǒng)一的無功功率補償，造成補償不合理，效果不明顯。２）無功補償裝置落后。在無功補償裝置上，大量的裝置采用采集任選一相的無功信號或一相電流另兩相電壓得出的無功信號并以此作為投切容量的依據(jù)，但這種方式只適用于以三相動力為主的配電區(qū)，它可能會對非采樣相造成過補或欠補。在投切容量的確定方面，往往功率因數(shù)為參考，電容器分組投切，當功率因數(shù)滯后時，則投入一組電容器；當有超前的無功分量時，則切除一組電容器；按步投切電容量，無功補償?shù)木炔桓?。這些裝置常因為電容器容量級差大而投切精度低或頻繁投切。３）集中補償占大多數(shù)。集中補償只能減少裝設(shè)點以上線路和變壓器因輸送無功功率所產(chǎn)生的損耗，而不能減少用戶內(nèi)部通過配電線路向用電設(shè)備輸送無功功率所造成的有功損耗。由于用戶內(nèi)部的無功損耗沒有減少，所以降損節(jié)電效果必然受到限制。負荷所需的無功功率，仍然需要通過線路供給，依然產(chǎn)生有功損耗。戶外型無功自動補償系統(tǒng)的研究正在起步，已有一些科研單位和公司推出了相應(yīng)產(chǎn)品。早期生產(chǎn)的低壓網(wǎng)無功補償控制器多選用分立的電子元件；８０年代起發(fā)展為采用ＣＭＯＳ集成電路；近年來發(fā)展的新產(chǎn)品是以微處理器為核心的電腦型智能化產(chǎn)品，并根據(jù)用戶需要開發(fā)出了一批多功能的新產(chǎn)品，可以獲得優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能和某些獨特的環(huán)節(jié)，使控制器更趨于完善。控制器電路．發(fā)計和生產(chǎn)過程的完善化，對電子元件的老化試驗和篩選，提高了控制器整體的工作可靠性和使用壽命，產(chǎn)品質(zhì)量的檔次得到提高。目前主要存在問題是控制規(guī)律簡單、抗干擾能力差，不能很好的解決無觸點開關(guān)投切電容的問題，在三相不平衡條件下不能有效的進行無功補償。同時由于戶外工作環(huán)境相對惡劣，裝置的可靠性和控制精度難以滿足現(xiàn)場運行的要求。此外還不具備通訊功能，不能實現(xiàn)全電網(wǎng)的無功優(yōu)化，不能對電能質(zhì)量進行在線監(jiān)視以滿足現(xiàn)代化電力系統(tǒng)建設(shè)的需要。在公用變低壓側(cè)進行無功功率補償，現(xiàn)在對并聯(lián)電容器的分組方式得到了共識。過去生產(chǎn)按等容量分組的控制器，后生產(chǎn)按ｌ：２：４或１：２：４：８不等容量分組的控制器，調(diào)控補償設(shè)備的容量分組分別為７級和１５級。主要發(fā)展帶邏輯電路“先投先切，后投后切”的等容量分組方式的控制器，以使各組并聯(lián)電容器投入運行的時間大致均等，并可減少增減補償容量過程中電容器的投切次數(shù)，但仍舊沒有解決無級投切的問題。隨著高電壓、大功率半導體器件的不斷更新和發(fā)展，功率變換控制技術(shù)的閂臻完善，極大地推動了電力電子技術(shù)在電力工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，對增強電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，提高輸電能力和用電效率，以及在節(jié)能和改善電能質(zhì)量等各方面都起著越來越重要的作用。專家們認為在２１世紀，會有更多更新的高電壓大功率半導體器件和裝置投入電力工業(yè)的實際運行中，使目前基本不可控的系統(tǒng)變?yōu)殪`活可控（稱為柔性交流輸電系統(tǒng)——ＦＡＣＴＳ）。１．３目前國內(nèi)主要補償方案的簡介及存在的問題國內(nèi)無功補償主要采用變電站集中補償和企業(yè)就地補償兩種形式。從補償方法上看，主要有固定、手動、自動三種“３。２１．３．１固定補償方案固定補償主要綜合整個電網(wǎng)的各項年平均參數(shù)，根據(jù)無功的分布情況選取若干個補償點，每個點投入若干單位的電容量，使得全年節(jié)能效益與經(jīng)濟投入之比達到最佳。這種方法的優(yōu)點是能綜合考慮整個電網(wǎng)的運行特點，既取得了最佳經(jīng)濟效益又兼顧了全網(wǎng)無功潮流的平衡；缺點是補償容量不能跟隨電網(wǎng)的實時運行狀況，其最佳值是年平均意義上的，電壓波動問題依然存在，當電網(wǎng)負荷發(fā)生變化時，這種方法就無能為力了。１．３．２手動補償方案手動補償通過若干電容器組的組合，達到改變補償容量的作用，適用于時間上呈一定規(guī)律變化的負荷，缺點是分組過于粗糙，設(shè)備體積龐大，需專人守護，并且只針對采樣點參數(shù)進行計算，不能達到最佳補償效果。１．３．３自動補償方案自動補償是微電子技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用?？刂破鞲鶕?jù)傳感器的數(shù)據(jù)，計算出當前電網(wǎng)所需的無功補償量并控制電容器組的投切，達到實時補償?shù)哪康摹＃?。進幾年，由于電腦技術(shù)的應(yīng)用，功率因數(shù)自動補償系統(tǒng)的發(fā)展進入了一個新階段。雖然各種微電腦功率因數(shù)自動控制器硬件、軟件設(shè)計不同，但其原理基本如圖卜１所示：囝ｌ－Ｉ徽電腦功率因數(shù)自動控制器方榧圖檢測單元通過電壓、電流互感器采得電壓和電流信號，并利用運放電路、門電路得到反映相位差的方波信號，傳給控制單元。微處理器接收到檢測信號，經(jīng)過邏輯運算得到實時ＣＯＳ毋，分別送到顯示和比較單元。在比較單元中與設(shè)定值進行比較，確定是否發(fā)出投切命令。同時控制單元還具有過壓、過流、欠補及振蕩報警和保護功能。執(zhí)行單元接到命令后，通過投切裝置完成電容器組的投切。３微計算機技術(shù)的應(yīng)用進一步加強了控制單元的功能，集成化程度大大提高了，自診能力、擴充能力都得到了加強。１．３．４現(xiàn)有無功自動補償器存在的問題從外部特性和各項指標及用戶反映的情況來看，現(xiàn)有無功自動補償器主要存在以下問題：１．沒有解決無觸點安全投切電容和無級調(diào)節(jié)投入電容容量的問題舊現(xiàn)有的采用無觸點控制的無功補償裝置在電容的無級投切這一點上做的不很理想，大多采用控制觸發(fā)角來控制投切電容量的多少。這樣做會造成較大的沖擊電流和引入高次諧波，使晶閘管的壽命變短，因而無觸點控制的優(yōu)勢無法充分的體現(xiàn)出來。２．不能提供動態(tài)無功補償?shù)娜嗑煽刂茻o功補償裝置通常按三相平衡設(shè)計，但是電網(wǎng)中的許多沖擊負荷往往具有三相不平衡性質(zhì)，如冶會電弧爐、大型熔焊機、電氣化鐵路的電力機車等均為具有隨機特征的三相不平衡負荷，民用照明負荷也肓顯著的不平衡特征。顯然，不論是瞬問的電壓閃變還是持續(xù)的中點電位偏移，都不僅會干擾相關(guān)系統(tǒng)的證常工作而且可能危及人身與設(shè)備安全，這就要求帽應(yīng)的動態(tài)無功補償裝置在快速補償無功的同時，還具有均荷能力，可以實時地將三相不平衡負荷自動均衡為三相平衡負荷。３．易導致諧波放大“１在低壓配電系統(tǒng)中，采用微機控制品閘管投切電容器組，實現(xiàn)基波無功的分相，分級和跟蹤補償。當配電系統(tǒng)非線性用電負荷比重較大時，并聯(lián)電容器組的投入，一方面由于電容器組的諧波阻抗小，注入電容器組的諧波電流大，使電容器過負荷，嚴重影響其使用壽命：另一方面，當電容器組的諧波容抗與系統(tǒng)等效諧波感抗相等而發(fā)生諧振時，引起電容器諧波電流嚴重放大，其結(jié)果是電容器因過熱而損壞，系統(tǒng)電壓嚴重畸變，影響其他用電設(shè)備的安全運行。４．現(xiàn)有的裝置容易產(chǎn)生高次的諧波嘲傳統(tǒng)上曾以交流接觸器作為電力電容器投切控制執(zhí)行元件，現(xiàn)已被晶閘管所取代，通４過對晶閘管觸發(fā)控制角的控制，可以實現(xiàn)對補償電容投切容量的動態(tài)連續(xù)調(diào)整，這就是所謂的靜止無功功率補償裝置（ｓｖｃ）。ＦＣ＋ＴＣＲ（固定電容器＋晶閘管控制電抗器）和ＴＳＣ（晶閘管開關(guān)電容器）是ＳＶＣ的兩種典型結(jié)構(gòu)。但是用觸發(fā)控制角的控制容易產(chǎn)生高次諧波。５．抗干擾能力差，故障率高因為控制器的工作環(huán)境存在大電流、較強磁場等，對弱電設(shè)計部分的抗干擾能力要求很高。戶外工作的環(huán)境更加惡劣，因此目前大多數(shù)控制器均只能在戶內(nèi)工作，并且故障率高，大大限制了補償器的使用范圍咖。６．不能達到全局最優(yōu)目前的自動補償方式均針對采樣點數(shù)據(jù)進行計算，因為控制器之問缺乏信息交流，采用的算法落后，控制器不能綜合全網(wǎng)運行情況使無功潮流的分布趨于最合理，經(jīng)濟效益達到最佳，同時也不能實現(xiàn)對電網(wǎng)的遙測，不適于現(xiàn)代化電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。５第二章無功補償?shù)脑砑耙饬x２．１無功補償?shù)脑碓陔娏ο到y(tǒng)中，由于電感、電容元件的存在，不僅系統(tǒng)中存在著有功功率，而且存在無功功率。雖然無功功率本身不消耗能量，它的能量只是在電源及負載問進行傳輸交換，但是在這種能量交換的過程會引起電能的損耗，并使電網(wǎng)的視在功率增大，這將對系統(tǒng)產(chǎn)生以下一系列負面影響：（１）電網(wǎng)總電流增加，從而會使電力系統(tǒng)中的元件，如變壓器、電器設(shè)備、導線等容量增大，使用戶內(nèi)部的起動控制設(shè)備、量測儀表等規(guī)格、尺寸增大，因而使初投資費用增大。在傳送同樣的用功功率情況下，總電流的增大，使設(shè)備及線路的損耗增加，使線路及變壓器的電壓損失增大。（２）電網(wǎng)的無功容量不足，會造成負荷端的供電電壓低，影響正常生產(chǎn)和生活用電；反之，無功容量過剩，會造成電網(wǎng)的運行電壓過高，電壓波動率過大。（３）電網(wǎng)的功率因數(shù)低會造成大量電能損耗，當功率因數(shù)由０．８下降到０．６時，電能損耗將近提高了一倍。（４）對電力系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備柬說，無功電流的增大，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子的去磁效應(yīng)增加，電壓降低，如過度增加勵磁電流，則使轉(zhuǎn)子繞組超過允許溫升。為了保證轉(zhuǎn)子繞組幣常工作，發(fā)電機就不允許達到預定的出力。此外，原動機的效率是按照有功功率衡量的，當發(fā)電機發(fā)出的視在功率一定時，無功功率的增加，會導致原動機效率的相對降低“…。目前，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，工廠大量使用大功率丌關(guān)器件組成的設(shè)備對大型、沖擊型負載供電，這使電能質(zhì)量問題Ｆ１益嚴重。如果，不進行無功補償，在正常運行時，會反復地使負載的無功功率在很大的范圍內(nèi)波動，這不僅使電氣設(shè)備得不到充分的利用，網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下降，損耗增加，甚至還會導致設(shè)備損壞、系統(tǒng)癱瘓。２．１．１電力網(wǎng)的功率因數(shù)電力網(wǎng)除了要負擔用電負荷的有功功率Ｐ，還要負擔負荷的無功功率Ｑ。有功功率Ｐ、無功功率Ｑ和視在功率Ｓ之間存在下述關(guān)系：Ｓ＝√Ｐ２＋９２（２－１）而專＝ＣＯｓ≯（２－２）被定義為電力網(wǎng)的功率因數(shù)，其物理意義是線路的視在功率Ｓ供給有功功率的消耗所占百分數(shù)。在電力網(wǎng)的運行中，我們所希望的是功率因數(shù)越大越好，如能做到這一點，則電路中的視在功率將大部分用束供給有功功率，以減少無功功率的消耗。６２．１．２補償無功功率的電路和向量圖ａ１電路ｂ）向量圖（欠補償）ｃ１向量圖（過補償）國２—１補償無功功率的電路和向量圖在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例：異步電動機、變壓器、螢光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比重。電力系統(tǒng)的電抗器和架空線等也要消耗一些無功功率；同時，各種諧波源也要消耗一定的無功功率。阻感負載可看作電阻Ｒ與電感Ｌ串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為ｃ０。Ｄ：．?。　蹋遥玻兀海ǎ玻保┦街校亍辏接^給Ｒ、Ｌ電路并聯(lián)接入Ｃ之后，電路如圖２．１ａ所示。該電路的電流方程為ｉ＝ｉｃ＋ｉｕ（２－４）由圖２．１ｂ的相量圖可知，并聯(lián)電容后電壓Ｄ與ｊ的相位變４，Ｔ，即供電回路的功率因數(shù)提高了。此時供電電流ｊ的相位滯后于電壓Ｄ，這種情況稱為欠補償““。７ｋ若電容ｃ的容量過大，使供電電流，的相位超前于電壓口．這種情況稱為過補償，其相量圖如圖２．１ｃ所示。通常不希望出現(xiàn)過補償?shù)那闆r，因為這會引起變壓器二次電壓的升高，而且容性無功功率同樣會增加電能損耗。如果供電線路電壓因此而升高，還會增大電容器本身的功率損耗，使溫升增大，影響電容器的壽命。２．３提高功率因數(shù)的意義１）提高功率因數(shù)可以減少電壓損失電力網(wǎng)的電壓損失可以表示為：ＡＵ：—ＰＲ＋—Ｑｘ（２．６）Ｕ可看出，影響△【，的因數(shù)四個：線路的有功功率Ｐ、無功功率Ｑ、電阻Ｒ和電抗ｘ。如果采用容抗為％的電容來補償，則電壓損失為：ＡＵ：—ＰＲ＋Ｑ（—ｘ－ｘｃ）（２．７）Ｕ故采用補償電容提高功率因數(shù)后，電壓損失△Ｕ減小，改善了電壓質(zhì)量。２）減少線路損失當線路通過電流，時，其有功損耗為：ＡＰ＝３１２Ｒ×１０—３（枷１（２－８）或ＡＰ＝３麥≥枷弋Ｍ∽”可見，線路有功損耗△Ｐ與ｃｏｓ２妒成反比，ｃｏｓ礦越商，ＡＰ越小。對全網(wǎng)線路有功損耗的降低值，應(yīng)按線路節(jié)點問電阻以及所通過的無功負荷分段求出，再將各段的值相加。３）提高電力網(wǎng)的傳輸能力視在功率與有功功率成下述關(guān)系Ｐ＝Ｓｃｏｓ≯（２－１０）可見，在傳送一定有功功率Ｐ的條件下，ｃｏｓ廬越高，所需視在功率越小。４）降低變壓器的損耗投入電容補償后，流過變壓器繞組中的電流減少，單臺變壓器減少的有功功率為：叱：Ｑ三簪％×１０一，Ｌ，。Ｇ：補償電容量：Ｑ：變壓器無功負荷；如：變壓器等效電阻。故繞組的有功損耗也相應(yīng)減少。（２．１１）銅損減少的有功功率為：／－．、２婢＝∥２峨【１＿粵Ｉ（２．１２）ｋＣＯＳ吼／鼻：變壓器的負載率；ＣＯＳ妒ｔ、ＣＯＳ≯２：補償Ｉｊ｛ｆ、后的功率因數(shù)；△尸ｋ：變壓器的額定銅損。５）增加變壓器的輸出功率’由于補償后無功負荷的減少，負載降低，相應(yīng)地增加了變壓器的富裕容量，提高了輸出能力。設(shè)補償后的功率因數(shù)為ＣＯＳ痧。，補償后新增負荷的功率因數(shù)為ＣＯＳ矽。，則有四種情況：１．當ＣＯＳ驢。＜ＣＯＳ毋。時，可增加的視在功率為：ＡＳ＝√ｓ；ＣＯＳ２（九一≯２）＋研一ｓ；一Ｓ２ｃｏｓ（＃ｏ一妒２）（２．１３）２．當ＣＯＳ驢ｏ＝ＣＯＳ≯２時ＡＳ＝Ｓｌ—Ｓ２３．當ＣＯＳ妒ｏ＞ＣＯＳ毋２時△ｓ＝４ｓ；ＣＯＳ２（歡一九）＋ｓ？一ｓ；一ｓ２ｃｏｓ（＃２一丸）４．當ＣＯＳ≯。＝ｌ時，令式（１－１３）中妒。＝０，得。簽＝４ｓｉＣＯＳｚ咖２＋Ｓ：一Ｓ；一Ｓ１ＣＯＳ爭２研、Ｓｖ補償前、后的視在功率；△ｓ：補償后增加的視在功率。（２．１４）（２．１５）（２．１６）第三章無功補償系統(tǒng)的設(shè)計要求、關(guān)鍵技術(shù)的解決思路３．１設(shè)計要求針對目Ｉｉ｛『配電網(wǎng)無功補償系統(tǒng)所存在的缺點，同時為配合全國電網(wǎng)改造，適應(yīng)現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的發(fā)展需要，系統(tǒng)要求達到：１．高智能化，采用無觸點開關(guān)，能動態(tài)跟蹤無功負荷的變化無級投切電容；２．能防止電流諧波的放大并有相應(yīng)的抑制措施３．能消除裝置本身造成的電壓諧波對電網(wǎng)的污染４．能實現(xiàn)單節(jié)點的最優(yōu)無功補償５．在電網(wǎng)三相不平衡時，能對三相負荷進行均何控制６．能實現(xiàn)采樣點就地補償和控制器聯(lián)網(wǎng)補償，即位于不同采樣點的控制器之間通過數(shù)據(jù)交換，能綜合全電網(wǎng)的運行情況判斷最佳投切電容量。７．實現(xiàn)電容器組循環(huán)投切，使電容器、電力電子電路使用概率相等，延長使用壽命；８．自動判別并消除振蕩投切現(xiàn)象；９．具有過壓、過流、過熱、缺相等保護功能；ｌＯ．高可靠性，滿足戶外惡劣環(huán)境的工作需要；３．２關(guān)鍵技術(shù)的解決思路現(xiàn)有的裝置存在的問題是沒有很好解決無觸點丌關(guān)投切電容和在三相不平衡情況下如何進行無功補償?shù)膯栴}。在實際中，以往的控制策略沒有考慮ＳＶＣ掛網(wǎng)運行時對電網(wǎng)造成的其他影響，尤其是造成某些諧波的放大以及加劇電網(wǎng)不平衡度的問題。諧波污染是可能導致系統(tǒng)故障的關(guān)鍵問題，這些問題也應(yīng)該加以解決。３．２．１無觸點投切電容和無級調(diào)節(jié)投入容量的實現(xiàn)現(xiàn)有的采用無觸點控制的無功補償裝置在電容的無級投切這一點大多采用控制觸發(fā)角來控制投切電容量的多少。這樣做會造成較大的沖擊電流和引入高次諧波，同時使晶閘管的壽命變短，因而無觸點開關(guān)控制的優(yōu)勢無法充分的體現(xiàn)出來。針對以上問題，采用品閘管和二極管反并聯(lián)的形式，結(jié)合在電流過零時投切電容的方法，減少了沖擊電流；運用通斷率控制，可無級調(diào)節(jié)投入電網(wǎng)的電容容量，避免產(chǎn)生因采用觸發(fā)角控制產(chǎn)生的電壓高次諧波。３．２．２電流諧波放大的原因及其抑制措施采用微機控制晶閘管投切電抗，實現(xiàn)基波無功的分相和跟蹤補償。當配電系統(tǒng)非線性用電負荷比重較大時，容性電抗組的投入，一方面由于容性電抗的諧波阻抗小，注入容性電抗組的諧波電流大，使容性電抗過負荷，嚴重影響其使用壽命；另一方面，當電抗組的諧波容抗與系統(tǒng)等效諧波感抗相等而發(fā)生諧振時，引起容性電抗組中諧波電流嚴重放大，其結(jié)果是電容器因過熱而損壞，系統(tǒng)電壓嚴重畸變，影響其他用電設(shè)備的安全運行。因此，在非線性低壓用電負荷比重較大的配電系統(tǒng)中，應(yīng)采取抗電流諧波措施，以確保并補電容器組的安全運行。解決方法是在并聯(lián)的容性電抗組串入感性電抗，抑制電流諧波的產(chǎn)生。３．２．３電壓諧波產(chǎn)生的原因和解決思路采用電力電子器件對電抗進行投切，一般采用觸發(fā)角控制，使完整的正弦波形被斬斷，電壓波形發(fā)生了畸變，產(chǎn)生了高次諧波。軟件上可采用通斷率進行控制，保持完整的波形，減少電壓波形的畸變，同時應(yīng)該加入無源濾波環(huán)節(jié)，將有害的高次諧波濾除，減少對電網(wǎng)的污染。３．２．４單機智能算法的實現(xiàn)及單節(jié)點最優(yōu)補償?shù)膶崿F(xiàn)現(xiàn)有的無功補償補償裝置，多是微處理器根據(jù)接收到檢測信號，經(jīng)過邏輯運算得到實時ｃｏｓ巾，分別送到顯示和比較單元。在比較單元中與設(shè)定值進行比較，確定是否發(fā)出投切命令?？刂剖侄魏团袆e依據(jù)比較單一，不能根據(jù)現(xiàn)場的實時情況有效的達到過壓、過流、欠補及振蕩報警和保護功能，更不能做到單節(jié)點的動態(tài)最優(yōu)無功補償。針對現(xiàn)場負荷較小，變化規(guī)則，三相平衡比較好的節(jié)點，采用單片機為核心的控制器，運用線形規(guī)劃的最優(yōu)控制算法控制投切電容器的容量；對負荷大，變化劇烈，三相不平衡度大的節(jié)點，采用工控機作為控制器，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等智能算法，確定投切電容器的容量，達到理想的效果。３．２．５三相不平衡現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和解決思路三相供電系統(tǒng)要求所接入的負荷應(yīng)三相對稱。但在一些供電線路中負荷具有明顯的不對稱性。負荷的三相不對稱將使供電系統(tǒng)中出現(xiàn)對交流電動機的運行十分不利的負序分量，它增大了交流電動機的功率損耗并加劇了其運行時的振動和噪音?？梢愿鶕?jù)功率平衡器的原理進行無功補償，把功率因數(shù)補償?shù)饺我庵付ㄖ档耐瑫r還將三相不對稱負荷補償成對于供電系統(tǒng)來說是三相對稱的。３．２．６實現(xiàn)全局最優(yōu)的解決思路全局最優(yōu)要求每個控制器都充分了解整個電網(wǎng)實時運行的信息，即每個控制器不是孤立的，而能進行信息交流。實際中，在電網(wǎng)每一處節(jié)點都設(shè)置自動補償控制器是不現(xiàn)實的，在經(jīng)濟上也是不可行的。因此需要進行以下三個方面的研究：１．采用非線性規(guī)劃方法，選出經(jīng)濟上和補償效果上均達到最優(yōu)的若干個控制節(jié)點，這些節(jié)點的信息應(yīng)能充分反映電網(wǎng)的運行情況；２．尋求最優(yōu)算法，使得當控制器工作在就地補償方式時能達到補償點局部最優(yōu)，工作在聯(lián)網(wǎng)方式時，補償效果能達到全局最優(yōu)?？紤]到實時性，算法必須簡單，聯(lián)網(wǎng)方式下還必須獨立、一致，計算量不隨節(jié)點的數(shù)量增加而有明顯變化：３．采用無線通訊方式進行數(shù)據(jù)傳輸。３．２．７高精度和高可靠性的保障從硬件、軟件兩方面著手。在底層系統(tǒng)硬件的設(shè)計上，以工業(yè)級１６位微處理器為核心，利用計算機輔助技術(shù)對硬件電路進行進一步的優(yōu)化；考慮到元件的老化和“溫漂”等問題，系統(tǒng)盡量不使用放大器等對環(huán)境變化敏感的元器件。在軟件設(shè)計上，提出了交流電流過零投切電容器的控制算法、非線性校Ｊ下算法、電容器循環(huán)投切控制算法、無功補償最優(yōu)控制算法等，以提高系統(tǒng)的控制精度和可靠性。為確保在強干擾條件和惡劣環(huán)境下能長期穩(wěn)定工作，所有調(diào)試參數(shù)和設(shè)定值均由軟件設(shè)定，同時，軟件應(yīng)充分考慮元件參數(shù)的漂移問題。采用雙“看門狗”結(jié)構(gòu)，確保不死機。上位機采用可靠性性高，運行速度快的工控機，穩(wěn)定性好的ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ作為操作系統(tǒng)，對多個下位機進行有效的協(xié)調(diào)。第四章無功補償關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)的實現(xiàn)、總體方案設(shè)計４．１無觸點投切電容時間的選取和無級調(diào)節(jié)投入電容容量的實現(xiàn)４．１．１概述過去的無功補償裝置，多采用單片機控制，通過機械斷路器來實現(xiàn)電容器的分組投切。缺點是機械觸點的使用壽命有限，易損壞，而且電容的投切級數(shù)是有限的。現(xiàn)在的無功補償裝最主回路采用晶閘管來控制，與機械斷路器相比，晶閘管的操作壽命幾乎是無限的，而且晶閘管的投切時刻可以精確控制，以減少投切的沖擊電流和操作困難。但現(xiàn)有的采用無觸點控制的無功補償裝置在電容的無級投切這一點上做的不很理想，大多采用控制觸發(fā)角來控制投切電容量的多少。這樣做會造成較大的沖擊電流和引入高次諧波，使晶閘管的壽命變短，因而無觸點控制的優(yōu)勢無法充分的體現(xiàn)出來。為克服上述弱點，專門設(shè)計了主回路，并采用專用的過零觸發(fā)芯片設(shè)計了對應(yīng)的觸發(fā)回路，消除了無觸點開關(guān)投切電容時產(chǎn)生的沖擊電流。同時，受電阻爐溫度控制系統(tǒng)的啟發(fā)，采用通斷率控制來控制電容器的投切，這樣既達到了無級調(diào)節(jié)的目的又減少了諧波對電網(wǎng)的污染。４．１．２基本原理ＴＳＣ（晶閘管投切電容器）的基本原理如圖４－１ａ所示。兩個反并聯(lián)晶閘管只是起將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用，而串聯(lián)的小電感只是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時可能造成的沖擊電流的，在很多情況下，這個電感往往不畫出來。因此，當電容器投入時，ＴＳＣ的電壓——電流特性就是該電容的伏安特性，即如圖中ＯＡ所示?？筛鶕?jù)電網(wǎng)的無功需求投切這些電容器，ＴＳＣ實際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無功功率的動態(tài)無功補償器，其電壓——電流特性按照電容器組數(shù)的不同可以是圖中０Ａ、０Ｂ或ＯＣ。當ＴＳＣ用于三相電路時，可以是△聯(lián)結(jié)，也可以是Ｙ連接““。ＡＢＣＵａ）單相結(jié)構(gòu)圖。ｂ）電壓一０電流特性ｌ，圖４—１１＂ｓｃ的基奉原理ＩＬ４．１．３投入時刻的選取選取投入時刻總的原則是，ＴＳＣ擐入電容的時刻，也就是晶閘管開通的時刻，必須～ｌ廣。Ｌ｝千一一，：是電源電壓與電容器預先充電電壓相等的時刻。因為根據(jù)電容器的特性，當加在電容上的電壓有階躍變化時（若電容器投入的時刻電源電壓與電容器充電電壓不相等就會發(fā)生這樣的情況），將產(chǎn)生一沖擊電流，很可能破壞晶閘管或給電源帶來高頻振蕩等不利影響。ｕｖ—————■墜△△．?。獭髅炊龋駡D４－２ＴＳＣ理想投切時刻臆理說明圈一般來講，希望電容器預先充電電壓為電源電壓的峰值，而且將晶閘管的觸發(fā)相位也固定在電源電壓的峰值點。因為根據(jù)電容器的特性方程。ｉｃ：Ｃｄｕｃ．（４．１）如果在導通前電容器充電電壓也等于電源電壓峰值，則在電源峰值點投入電容時，由于在這一點電源電壓的變化率（時『日Ｊ導數(shù)）為零，因此，電流ｉｃ即為零，隨后電源電壓（也即電容電壓）的變化率／４‘會按照正弦規(guī)律上升，電流ｉｃ即按詎弦規(guī)律上升。這樣，整個投入過程不但不會產(chǎn)生沖擊電流，而且電流也沒有階躍變化。這就是所謂的理想投入時刻。圖４．２以簡單的電路原理圖和投切時的波形對此作了說明。如圖４－２所示，設(shè)電源電壓為島，在本次導通開始之前，電容器的端電壓ｕｃ已通過上次導通時段最后導通的晶閘管ｖｌ充電至電源電壓ｃｓ的峰值，且極性為正。本次導４通開始時刻?。澹鬄楹停眨阆嗟鹊臅r刻ｔＩ，給Ｖ２以觸發(fā)脈沖而使之丌通，電容電流ｉｃ開始流通。以后每半個周波發(fā)出脈沖輪流給ｖ，和ｖ２。直到需要切除這條電容支路，如在ｔ２時刻，停止發(fā)脈沖，ｉｃ為零，則ｖ２關(guān)斷，ｖ。因未獲觸發(fā)而不導通，電容器電壓保持為ｖ２導通結(jié)束時的電源電壓負峰值，為下次投入電容器做了準備””““１。４．１．４方案的改進采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式代替兩個反并聯(lián)的晶閘管，可以使導通Ｉｊ｛『電容充電電壓維持在電源電壓的峰值。如圖４－３所示，一旦電容電壓比電源電壓峰值有所降低，二極管都會將其充電至峰值電壓，因此不會發(fā)生兩晶閘管反并聯(lián)的方式中電容器充電電壓下降的現(xiàn)象。但是，由于二極管是不可控的，當要切除此電容支路時，最大的時間滯后為一個周波，因此其響應(yīng)速度比兩晶閘管反并聯(lián)的方式稍慢，但成本上要低，而且考慮到實際需要，此種方式足以滿足補償?shù)目焖傩缘囊?。主電路如下圖４．３所示：ｕｖ—————■圖４１品『甲Ｊ管和二極管反并聯(lián)方式土電路圖ｖ為晶閘管，ＶＤ為反并聯(lián)的二極管，Ｃ為補償電容，Ｒ為與Ｃ并聯(lián)的大阻值的瀉荷電阻?？梢员ＷC當晶閘管沒有工作時，電容兩端的電壓能動態(tài)的跟隨電網(wǎng)的最高電壓變化而變化，減少晶閘管導通電容投入時所產(chǎn)生的沖擊電流。ＣＳ入廠＼／＼／＼／＼／＼／＾＼一ＶＶＶＶＶ＼／＼／‘一ｕｃ＼／＼／＼／ＶＶＶｔ一叭／＼／、＼廠＼卜一”入／、／、／ＶＶＶＶｔＩｔ，ｈｔ１圖４－－４晶閘管和二極管反并聯(lián)方式波形圈配『ｂ嘲無功補償系統(tǒng)的研究０膨用圖禾４是晶閘管導通前后電源電壓、電容兩端電壓、晶閘管兩端電壓和電路電流的波形圖。（ｔｌ到ｔ４為導通時間段）４．１．５觸發(fā)電路選用ＭＯＣ３０６１光電雙向可控硅驅(qū)動器，它是美國摩托羅拉公司最近推出的光電新器件。該系列器件的特點是大大加強了靜態(tài)ｄｖ／ｄｔ能力。保證了電感負載穩(wěn)定的開關(guān)性能。由于輸入與輸出采用光電隔離，絕緣電壓可達７５００Ｖ。由于采用了光電隔離，并且能用ＴＴＬ電平驅(qū)動，它很容易與微處理器接口，進行各種自動控制設(shè)備的實時控制。ＭＯＣ３０６１采用雙列直插６引腳封裝形式．如圖４－５所示“”。正壤負臻幽４—５９０ｃ３０６１小惑圖器件由輸入、輸出兩部分組成。ｌ、２腳為輸入端，輸入級是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管（ＬＥＤ），該二極管在５～１５ｍＡ正向電流作用下，發(fā)出足夠的紅外光觸發(fā)輸出部分。３、５腳為空腳，４、６腳為輸出端，輸出級為具有過零檢測的光控雙向可控硅。當紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光時，光控雙向可控硅觸發(fā)導通。一般采用６腳接相線，４腳接零線的方式，這樣可以保證電壓過零時發(fā)出觸發(fā)脈沖。在實際應(yīng)用中，采用圖４＿６接法：Ⅵ０Ｃ３０６ｌ４。¨ｌ’———Ｃ＝＝）Ｊｃｏｎｔｒｏｌｆ～一－ＬｊＬ廠Ｔ一幽４－６觸發(fā)ｌｂ路圖圖４．７是相電壓ｖＡ和ＭＯＣ３０６１的６腳和四腳之間的電壓ｕＶ以及觸發(fā)脈沖ＶＦ波形圖（ｔｌ到ｔ４為導通時間段）：１６Ｖ八八／＼／＼／＼／、／、一＼／ＶＶＶＶＶＶ。一≮門門八卜一—ｌＶＦ—ｔ翻４－７觸發(fā)波形圈由圖牛７可知，由ＭＯＣ３０６１根據(jù)電壓ｕｖ的過零點來投切電容，此時電源電壓為峰值，電容的電壓與電源電壓的差值為零，而且此時電路中的電流為零，故晶閘管導通電容投入時所產(chǎn)生的沖擊電流很小。４．１．６采用通斷率控制實現(xiàn)無功無級補償借鑒大功率電弧爐溫度控制系統(tǒng)的經(jīng)驗，采用通斷率控制來實現(xiàn)無級補償，即改變固定周期內(nèi)可控硅交流開關(guān)的通斷時捌比例，調(diào)節(jié)輸出到電網(wǎng)的無功電功率。在實際中，通斷周期設(shè)為０．６秒，因為一個工頻周期為２０ｍｓ，故最小的調(diào)節(jié)容量為最小電容器的１／３０，基本可以看作是無級調(diào)節(jié)。在實際實驗中效果良好。４．２無功補償裝置電流諧波放大及其抑制措施４．２．１概述在低壓配電系統(tǒng)中，采用微機控制晶閘管投切電容器組，實現(xiàn)基波無功的跟蹤補償。當配電系統(tǒng)非線性用屯負荷比重較大時，并聯(lián)電容器組的投入，一方面由于電容器組的諧波阻抗小，注入電容器組的諧波電流大，使電容器過負荷，嚴重影響其使用壽命：另一方面，當電容器組的諧波容抗與系統(tǒng)等效諧波感抗相等而發(fā)生諧振時，引起電容器諧波電流嚴重放大，其結(jié)果是電容器因過熱而損壞，系統(tǒng)電壓嚴重畸變，影響其他用電設(shè)備的安全運行。因此，應(yīng)采取抗諧波措施，以確保并補電容器組的安全運行。４．２．２諧波電流的放大４，２．２，１電容器和主系統(tǒng)的諧波電流ｎ７，由于電力系統(tǒng)中的諧波源主要是電流源，電流源的內(nèi)阻抗很大，當外阻抗發(fā)生變化時其電流基本不變。諧波電流源的負荷是整個供電系統(tǒng)，它包括主系統(tǒng)和所有用戶的電力設(shè)備。電容器引起的諧波電流放大的基本原理可用圖４－８和乒９說明。設(shè)諧波源ｈ次諧波電流為ｊ。，進入主系統(tǒng)的電流為Ｌ，進入電容器的電流為Ｌ。在Ｌ＞ｊ。時，稱作系統(tǒng)諧波電流放大；在Ｌ＞ｊ。時，稱作電容器諧波電流放大；在Ｌ＞ｊ。和Ｌ＞ｊ。同時發(fā)生時，稱為諧波電流嚴重放大㈣?！胱睿兀悖撸?；ｃｋｈＴ÷／ｈＸＬ二幽４－８潴波ＩＵ流放人系統(tǒng)接線｜璺Ｉ，如，量ｆ南Ｉ％；ｈＸｓｊ６厶（、鄉(xiāng)％ｊｂ”Ｉ’ｒｊ啦≯‘圖４－９諧波電流放人等斂ＩＵ路圖設(shè)電容器、電抗器和主系統(tǒng)的基波電抗分別為，Ｘ。、Ｘ。和Ｘｓ，再設(shè)ｓ＝ｘｓ／Ｘｃ，ｋ＝Ｘ。／Ｘ。．ｓ和ｋ分別是以Ｘ。為基值的系統(tǒng)電抗率和電抗器電抗率。電容器和主系統(tǒng)的諧波電流為：ｉＣｈ面‰仁面赫Ｌ㈤ｚ，ＪＳｈ＂２ｄ端弘Ｇｚ七一１訪。／矗面了而ｉ瓦萬（４．３）％互

％毒＼～＋刊Ⅶ４．２．２．２諧波電流放大倍數(shù)曲線電容器組的額定電壓ｕ。。與母線額定電壓Ｕ。的關(guān)系為：吣裁弘急母線的短路容量為；ｓｋ＝嵋／Ｘｓ電容器輸出的實際無功功率為：反＝蔬（４－４）（４．５）（４．６）電容器組的諧波電流放大倍數(shù)ａ。。和系統(tǒng)諧波電流放大倍數(shù)ａ。。為兩者并聯(lián)時的諧波電流Ｉ。。和Ｉ。。分別與諧波源電流Ｉ。（所有諧波電流源的等效電流值）之比，即：Ⅸｃｈ５ｉｃｈ｜Ｉｈａ％＝Ｉｓｈ｛ｌｋ諧波放大倍數(shù)由式（４－７）和式（４－８）求得，并用比值Ｑｃ／Ｓ－表示為：口“＝口鼎＝ｌ＾２（Ｑｃ／Ｓ。）ｌＩ礬西兩巧石巧Ｆ萬Ｉｌ魚２七一１）／（１一Ｊｉ｝）２ｌｌ｜｜１２（Ｑｃ／ｓ；）＋ｂ２晟一１）／（１－ｋ）２ｌ式中：魚：Ｓ￡墨．七：０Ｘｃ’’南１ｋ）２（斟㈣（一ｌ＆廠～（４．７）（４－８）（４－９）（４一１０）（４．１１）圖４－１０，４．１１為對于注入３、５、７次諧波，ｋ＝Ｏ和ｋ＝１３％時的電流放大倍數(shù)的數(shù)值仿真曲線。令ａ。。一ｃｏ或ｎ。。一一，即令式（４－９）或式（４一ｌＯ）中的分母為零，有：＾２（糾＋Ｇ２¨）…０）２－。㈨㈦得出產(chǎn)生并聯(lián)諧振的Ｑ。／ｓ。為：９配電州無功補償系統(tǒng)的研究‘Ｊ心用阻一２湍１０５０Ｏ０．０５Ｏ?１０Ｑｃ／ＳＫ０．１５０?２０Ｉ堇ｉ４１０許波電流放人曲線，Ｋ＝Ｏ（４．１３）Ｏ０．０５０?１０Ｑｃ／ＳＫ０?１５０?２０圖４－１１諧波電流放大曲線，Ｋ＝１３％產(chǎn)生并聯(lián)諧振的Ｑｃ／Ｓ－值見表４＿ｌ。表４－ｌ產(chǎn)生并聯(lián)諧振的Ｑｃ／ｓｔ值ｋｈ（Ｑ。／最ｋ。一Ｏ３Ｏ．１ｌｌ５０．０４７Ｏ．０２０４６％３０．０５７８５，７１３％３，５，７從圖４－１０，４，ｌｌ和表４－ｌ可以看出，并聯(lián)電容器組未串聯(lián)電抗器（電抗率ｋ：０）時，３、５、７次諧波均有可能發(fā)生并聯(lián)諧振，相應(yīng)得諧波電流趨向于無窮大。實際上，由于存在電阻，諧波電流均為一很大的有限值，諧波電流在系統(tǒng)感抗和電容器組問形成諧波環(huán)流。當并聯(lián)電容器串聯(lián)電抗率為ｋ＝６％的電抗器時，對３次諧波有可能發(fā)生并聯(lián)諧振。由于回路存在電阻，該次諧波電流為一很大的有限值，而對于５、７次諧波，ａｃ“和ａ。。均小于１，即電容器支路對５、７次諧波均無放大作用。當并聯(lián)電容器串聯(lián)電抗率為ｋ＝１３％的電抗器時，對３、５、７次諧波電流均無放大作用，ａ一和ｄｓｎ均小于１，而且不存在高次諧波的并聯(lián)諧振點。４．２．３諧波電流的抑制并聯(lián)電容器組串聯(lián)電抗器是抑制諧波電流放大的有效措施，其參數(shù)應(yīng)根據(jù)實際存在諧波進行選擇。并聯(lián)電容器之所以能夠引起諧波放大，是因為電容器回路在諧波頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)出容性，若在電容器回路中串接電抗器，通過選擇電抗值使電容器回路在最低次諧波頻率下呈現(xiàn)出感性。就可消除諧波放大。為此，串聯(lián)電抗器的電抗值應(yīng)滿足下式㈣：‰?。＃ǎ矗保矗┘矗?。＝ｘｃ／矗：，ｎ．考慮到電抗器和電容器的制造誤差，通常取Ｘ。：（１．３～１．５）Ｘｃ／＾：抽。目前，國內(nèi)并聯(lián)電容器配置的電抗器的電抗率主要有以下４種類型；小于Ｏ．５％、４．５％、６％和Ｉ２％。配置小于Ｏ．５％電抗率的電抗器的主要目的是限制電容器的合閘涌流；當采用基波感抗為容抗的４．５％或６％的串聯(lián)電抗器時，可抑制５次以上的諧波電流；當采用基波感抗為容抗的１２％的串聯(lián)電抗器時，可抑制３次以上的諧波電流。２１４．２．４實驗結(jié)果及分析實驗電路如圖４－１２所示，電容器為自愈式低壓并圖４－１２實驗電路圖聯(lián)電容器ＢＺＭＪ０。４－５．１（ｃ－－９９．５ｐＦ，ｔ９６＝Ｏ。００１２），電源電壓為２２０Ｖ，頻率為５０Ｈｚ．當電容器支路分別串聯(lián)電抗率為ｋ＝ｏ，ｋ＝６％，ｋ＝１３％的電抗器時，用數(shù)字示波器對電源電壓ｕ和電容器支路電流ｉ的波形進行雙蹤觀測。同時，將電源電壓Ｕ和電容器支路電流ｉ經(jīng)變送器變換為有效值為３．５Ｖ的交流信號后，用計算機進行同步采樣。電源電壓和電容器支路穩(wěn)態(tài)電流波形見圖４．１３（ａ）、４－１３（ｂ），電源電壓和電容器支路的電流主要諧波（相對值）和總諧波畸變率見表４．２和表４．３。２２０Ｖ０Ｖ．２２０Ｖ１０Ａ０＾．１０＾Ｉ笙｜４—１２實驗ｌｎ路型Ｄ（ａ）｜Ｕ抗牢Ｋ＝０時的ｌ乜源ＩＵ壓和ｌｂ容立路Ｉ乜流的波形（ｂ）電抗率Ｋ＝１３％時的電源電壓和電容支路電流的波形圖４一１３電源電艇和電容支路電流的波形表４．２電網(wǎng)電壓主要諧波電壓值（相對值）電抗率ＵｊＵ３Ｕ５Ｕ１ＵｓＵｌｌＵ１３Ｕ１５ＴＨＤ。Ｏ１００１．９３２．５５１．３４１．３１Ｏ．３０Ｏ．３３Ｏ．２３３．７５６％１００２．１４１．７６１．０３０．９２Ｏ．１１０．１３０．１９３．１ｌ１３％１００１，３９２．０５１．０１１．００Ｏ．２８０．２７０．“２．８８注：覡：躕圳㈨～…一表４－３電容器支路電流主要諧波（相對值）和總諧波畸變率電抗率Ｉｉ１３１５１１ＩｓＩｉｌ１１３１１５ＴＨＤｉＯ１００６．８９１３．３７９．６９１５．１８６．２６８．９５１２＿２２２８．６１６％１００１４．５１“．５４３．１５２．４１０．３４０．４８０．６０１８．９７１３％１００１７．２３２．７９０．６８０．５６０．４１Ｏ．４４０．５ｌ１７．４９注：一鱺×ｔｏ‰…觥…率由于非線性低壓用電負荷都是諧波電流源，當諧波電流注入系統(tǒng)后，諧波電流通過電網(wǎng)的阻抗產(chǎn)生諧波電壓，使電壓發(fā)生畸變，電源電壓的畸變又引起電容器支路電流的畸變。電容器支路的諧波電流頻帶寬，電流總諧波畸變率大，電流波形嚴蕈畸變。串聯(lián)電抗器后，除了電容器支路能避免并聯(lián)諧振（ｋ＝６％時，能將５次及以上的諧波脫諧；ｋ＝１３％時，能將３次及以上諧波脫諧１外，由于電抗器的感抗隨頻率的升高而增大，從而具有抑制諧波電流的作用，使電容器支路的高次諧波電流減小，電流總諧波畸變率下降，波形明顯改善。４．２．５結(jié)論非線性用電負荷的存在是影響電網(wǎng)中并補電容器安全運行的關(guān)鍵，采用電抗器與電容器串聯(lián)，可有效防止電容器組的諧振容抗和系統(tǒng)等值諧頻感抗相等而發(fā)生的并聯(lián)諧振，抑制電容器組的諧波電流。另外，串聯(lián)電抗器可限制晶閘管誤觸發(fā)和事故情況下的合閘涌流。４．３無功補償裝置電壓諧波濾波器參數(shù)的計算４．３．１概述在進行無功補償時，不可避免的給電網(wǎng)的電壓中帶入諧波，為消除無功補償裝置給電網(wǎng)電壓的不利影響，有必要給無功補償裝置添加電壓濾波環(huán)節(jié)。本節(jié)對濾波器參數(shù)的計算進行了分析和研究。電壓諧波濾波器原理圖如圖４—１４所示：ＴＣＲＨ７ＨｅＨ５Ｈ?Ｈ３Ｈ２幽４一１４ｒ乜Ｋ諧波濾波器原理圖４．３．２濾波器組參數(shù)的計算４．３．２．１單頻調(diào)諧濾波器的參數(shù)計算單頻調(diào)諧濾波器為ＬＣ串聯(lián)電路，它一方面滿足對所選定次數(shù)的諧波產(chǎn)生諧振，形成低阻通路而吸收該次諧波，如Ｈ２～Ｈ６就是為吸收２～６次諧波而設(shè)定的；另一方面對基波提供分配到的容性無功乏值。它的Ｌ和Ｃ參數(shù)應(yīng)由下式確定：嘲￡５去ｎｏ）．Ｌ≯撼（４．１５）（４．１６）∞ｌＣ’式中，”１為基波角頻率；Ｕ為電網(wǎng)線電壓；ｎ為諧波次數(shù)，ｎ＝２，３，４，５，６；Ｑｎｆ為ｎ次濾波器分配到的無功。每套單頻調(diào)諧濾波器的電阻很小，品質(zhì)因數(shù)高，選擇性強，只對選定的諧波有良好的低阻導通效果，偏離該諧波值，阻抗增加，損耗增大，因此不能兼顧其它諧波啪１。４．３．２．２高通濾波器的參數(shù)選擇圖４－１５為高通濾波器的電路原理圖：圖４一１５高通濾波器的電路原理圖傳遞函數(shù)與特性參數(shù)高通濾波器的傳遞函數(shù)為：魚：“＾～瑟¨歷１Ｒ＾告ｓ＋瑤ＣＬＣｏ—ｕ表征其特性的參數(shù)為（１）特征角頻率‰＝ｌ／Ｌ，／歷，該角頻率對應(yīng)的諧波號為‰＝‰加（２）等效品質(zhì)因數(shù)Ｑ＝Ｒ√巧