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电机监测毕业设计

目录

摘要…………………………………………………………………………………………1

关键词………………………………………………………………………………………1

Abstract………………………………………………………………………………………1

Keywords……………………………………………………………………………………1

引言…………………………………………………………………………………………3

1绪论………………………………………………………………………………………4

1.1无功补偿问题…………………………………………………………………………4

1.2低压电网中无功补偿的必要性………………………………………………………4

2无功功率…………………………………………………………………………………4

2.1无功功率概念…………………………………………………………………………4

2.2无功补偿的方法………………………………………………………………………5

2.2.1无功补偿装置的分类……………………………………………………………5

2.2.2并联容性补偿的方法……………………………………………………………6

3无功功率与功率因数……………………………………………………………………7

3.1功率因数………………………………………………………………………………7

3.2影响功率因数的因素…………………………………………………………………8

3.3提高功率因数的意义…………………………………………………………………8

3.3.1提高功率因数的意义……………………………………………………………8

3.3.2提高功率因数和无功补偿………………………………………………………9

3.4无功补偿的效益……………………………………………………………………9

3.4.1节省企业电费开支………………………………………………………………9

3.4.2提高设备的利用率………………………………………………………………9

3.4.3降低系统的能耗…………………………………………………………………9

3.4.4改善电压质量……………………………………………………………………9

4基于TSC的无功补偿…………………………………………………………………10

4.1晶闸管投切电容器……………………………………………………………………10

4.1.1概述………………………………………………………………………………10

4.1.2晶闸管阀…………………………………………………………………………10

4.1.3补偿电容器………………………………………………………………………10

4.1.4过零触发…………………………………………………………………………11

4.2TSC主接线……………………………………………………………………………11

4.3TSC的检测系统………………………………………………………………………12

4.4TSC的控制系统………………………………………………………………………12

4.5TSC的应用现状、问题与解决方案…………………………………………………13

5无功补偿的发展…………………………………………………………………………14

致谢…………………………………………………………………………………………16

参考文献……………………………………………………………………………………16

低压配电动态无功功率补偿装置的设计与实现

电气工程及其自动化

指导教师

摘要：

随着现代工业的飞速发展，对电能质量的要求越来越高，无功补偿是电能质量的重要保证。

在低压供电系统中，低压无功补偿装置的功能是向感性负载设备就近提供无功功率。

由于用电设备中感性负载设备用电量占整个用电量的三分之二以上，显然针对感性负载提供无功功率对于降低线损，降低供电设备容量，改善供电线路的功率因数以及稳定电力系统的电压起到至关重要的作用。

文章介绍了有关于无功补偿的概念、意义及其一些基础知识，并介绍了基于TSC的无功补偿器，最后介绍了无功补偿的发展前景。

关键词：

无功补偿，功率因数，TSC，发展前景

Aboutharmonicrestraintandidleworkareback-offreport

Electricalengineeringanditsautomation：

theinstructor：

Abstract：

Withtherapiddevelopmentofmodernindustry,peoplehavemoredemandtothequalityofpowersystem.Therezctivepowerisoneofimportantguaranteetothequalityofpowersystem.Inlow-voltagepowersystem,low-voltagereactivepowercompensationequipmentcanprovidereactivepowerforinductiveloadequipment.Becauseinductiveloadequipmentinthewholeelectricityconsumptionaccountsformorethantow-thirds,obviously,providingreactivepowerforinductiveloadequipmentisimportantforreducinglinelossorcapacityofpowersupplyequipment,andimprovingthepowersystem’spowerfactororvoltage.Inthispaper,theconcept、significanceandbasicknowledgeoflow-voltagereactivecompensationwereintroduced,AndintroducedbasedontheTSCidleworkcompensator,Finally,theprospectsforthedevelopmentofreactivepowercompensation.

Keywords：

Reactivepowercompensation，Powerfactor，ThyristorSwitchedCapacitor，prospectsfordevelopment

01引言

近年来,随着国民经济的跨跃式发展,电力负荷的快速增长对无功的需求也大幅度上升,无功补偿为改善电压质量起着重要作用。

同时,随着粗放型经济向高科技、高技术转变,对电能质量的要求也显著提高,而配电网中整流器、变频调速装置、电孤炉、各种电力电子设备以及电气化铁路大量应用。

这些负荷具有非线性、冲击性和不平衡的用电特性,对供电质量造成严重污染,对电力系统的安全运行形成了严重危害,特别严重的是谐波造成系统发生某次特征谐波的谐振,造成系统过电压,危及系统和设备安全运行。

而无功补偿的主要装置并联电容器组对谐波起着放大作用,因此,有源滤波已受到各方的关的重视，通过本文让大家能够对无功补偿有更深的了解，以及无功补偿方案和无功补偿带来的经济效益

一般情况下，电力系统中发电机所发的无功功率和输电线的充电功率不足以满足负荷的无功需求和系统中无功的损耗，并且为了减少有功损失和电压降落，不希望大量的无功功率在网络中流动。

所以在负荷中心需要加装无功功率电源，以实现无功功率的就地供应、分区平衡的原则。

也就是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是要讨论的无功补偿。

无功补偿在低压电网中的配比及作用是维持电流顺畅的重要条件因素,也是提高电网工作效能的核心因子。

供电过程中注意无功补偿的合理运用,可以获得最好的技术和经济效益。

功率因数是供电系统重要的参数,用户功率因数的高低直接关系到电力电网中的功率损耗,关系到节约电能和整个供电区域供电的质量,同时也影响到企业的经济效益,因此功率因数的提高,已成为电力系统中的重要课题。

率因数不高的主要原因是工厂生产设备是电动机和各种感性负载。

外,随着现代电力电子技术的发展,在工业中大量使用各种开关器件,在用电设备和电网之间有着大量的无功功率的往复交换,同时产生大量的谐波,使供电品质下降,谐波使电能的生产,传输和利用效率降低,使电气设备过热,产生震动和噪声,电器过压烧毁,更为危险的是谐波引起继电保护和自动控制装置误操作,造成更大的电气损坏。

国内用于动态补偿的控制器，与国外同类产品相比有较大的差距，一是在动态响应时间上较慢，动态响应时间重复性不好；二是补偿功率不能一步到位，冲击电流过大，系统特性容易漂移，维护成本高、造成设备整体投资费用高。

另外，相应的国家标准也尚未见到，这方面落后于发展。

1绪论

1.1无功补偿问题

无功补偿，就其概念而言早为人所知，它就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。

电力系统生产和消费的电能分“有功电力”和“尤功电力”两种。

有功电力是实际做功的电力无功电力是不做功的电力，在数值上等于无功功率与时间的乘积。

无功功率主要是电机、变压器等用电设备工作时建立交变磁场用的，并非“无用”或“可有可无”。

电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。

无功功率是电力系统一种不可缺少的功率。

大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。

同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。

电网中无功不平衡主要有两方面的原因：

一方面是输送部门传送的三相电的质量不高，一方面是用户的电气性能不够好。

这两方面的原因综合起来导致了无功的大量存在。

在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最重要的指标。

为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。

频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一就是对电力系统的无功功率进行控制。

现如今大部分用电设备为感性负载，自然功率因数较低，用电设备在消耗有功功率的同时，还需无功功率由电源送往负荷。

功率因数是供用电系统的一项重要技术经济指标，通过合理采用无功补偿技术，可以减少无功功率在电网中的流动。

为了提高企业无功功率补偿装置的经济效益，减少无功补偿的流动，无功补偿应遵循就地补偿，就地平衡的原则，以满足需要。

借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。

1.2低压电网中无功补偿的必要性 

无功补偿是稳定低压的必然选择，电压的稳定是电网输送过程中的重要条件,也是电力输送质量不可缺少的重要方面。

利用无功补偿的方式进行传输电流,则可达到上述的要求,降低损耗。

无功补偿是企业开支节流的有效途径，根据国家电价制度,对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值,按照一定的数值进行收取电费。

对此,很多企业特别注重对机器设备的节能保养,以便减少开支。

无功补偿的运用则可达到上述要求,能够帮助企业减少在正常开机后的损耗,节约成本。

无功补偿有利于降低系统的能耗，我们可根据P=IUCOSφ的计算公式来测算无功补偿降低电力系统能耗的作用情况。

根据I1/I2=cosφ2/cosφ1来计算,线损P减少的百分数为:

ΔP%=（1-I2/I1）×100%=（1-cosφ1/cosφ2）×100%,也就是说当功率因数从0.75提高到0.90时,由上式可求得有功损耗将降低25%～40%。

这是意想不到的效果。

无功补偿能够稳定电压，根据电压损耗的计算公式可知,变压器的电压几乎全为输送无功负荷Q产生的,功率Q在电压稳定中具有不可替代的作用。

对此,若在输电过程中,尽量地减少无功功率Q,则不仅能够保持电压的稳定,还能够保证大型电动机的顺利起动

2无功功率

2.1无功功率概念

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（机能、光能、热能）的电功率，有功功率的符号用P表示，单位有瓦（W）、千瓦（kW）、兆瓦（MW）。

无功功率比较抽象，它是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，无功功率的符号用Q表示，单位为乏（Var）或千乏（kVar）。

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，那么，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。

　　无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：

（1）降低发电机有功功率的输出。

（2）降低输、变电设备的供电能力。

　　（3）造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。

　　（4）造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。

　　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。

这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。

2.2无功补偿的方法

2.2.1无功补偿装置的分类

无功补偿有很多种类：

从补偿的范围划分可以分为负荷补偿与线路补偿，从补偿的性质划分可以分为感性补偿与容性补偿，从补偿的方式划分可以分为串联补偿与并联补偿。

在超高压输电线路中就有并联电感补偿及串联电容器补偿方法，本文只涉及并联容性补偿。

所谓并联容性补偿就是指在线路中接入并联连接的设备，用于向线路中提供容性的无功电流。

由于容性无功电流超前电压90°，而感性无功电流滞后电压90°，因此容性无功电流可以抵消感性无功电流。

又由于电网中的负荷绝大多数是感性负荷，因此在电网中使用的用于负荷补偿的装置绝大部分是并联容性补偿。

从另一个角度去看，我们可以将无功补偿装置看成是发无功电流的设备，负荷是吸收无功电流的设备，无功补偿装置所发的无功电流用于供应负荷吸收的无功电流。

因此，总是将无功补偿装置安装在负荷的上端（电源端）。

在完全补偿的情况下（上端功率因数=1），无功电流只在无功补偿装置与负荷之间的线路中存在，在无功补偿装置以上的线路中没有无功电流

2.2.2并联容性补偿的方法

同步调相机

调相机的基本原理与同步发电机没有区别，它只输出无功电流。

因为不发电，因此不需要原动机拖动，没有启动电机的调相机也没有轴伸，实质就是相当于一台在电网中空转的同步发电机。

调相机是电网中最早使用的无功补偿装置。

当增加激磁电流时，其输出的容性无功电流增大。

当减少激磁电流时，其输出的容性无功电流减少。

当激磁电流减少到一定程度时，输出无功电流为零，只有很小的有功电流用于弥补调相机的损耗。

当激磁电流进一步减少时，输出感性无功电流。

调相机容量大、对谐波不敏感，并且具有当电网电压下降时输出无功电流自动增加的特点，因此调相机对于电网的无功安全具有不可替代的作用。

由于调相机的价格高，效率低，运行成本高，因此已经逐渐被并联电容器所替代。

但是近年来出于对电网无功安全的重视，一些人主张重新启用调相机。

并联电容器

并联电容器是目前最主要的无功补偿方法。

其主要特点是价格低，效率高，运行成本低，在保护完善的情况下可靠性也很高。

在高压及中压系统中主要使用固定连接的并联电容器组，而在低压配电系统中则主要使用自动控制电容器投切的自动无功补偿装置。

自动无功补偿装置的结构则多种多样形形色色，适用于各种不同的负荷情况。

并联电容器的最主要缺点是其对谐波的敏感性。

当电网中含有谐波时，电容器的电流会急剧增大，还会与电网中的感性元件谐振使谐波放大。

另外，并联电容器属于恒阻抗元件，在电网电压下降时其输出的无功电流也下降，因此不利于电网的无功安全。

关于SVC

SVC的全称是静止式无功补偿装置，静止两个字是与同步调相机的旋转相对应的。

国际大电网会议将SVC定义为7个子类：

①机械投切电容器（MSC）

②机械投切电抗器（MSR）

③自饱和电抗器（SR）

④晶闸管控制电抗器（TCR）

⑤晶闸管投切电容器（TSC）

⑥晶闸管投切电抗器（TSR）

⑦自换向或电网换向转换器（SCC/LCC）

根据以上这些子类，我们可以看出：

除调相机之外，用电感或电容进行无功补偿的装置几乎均被定义为SVC。

因此，目前一些资料或者广告中大量出现“SVC”字样，其原因不外乎两条：

其一是作者自己并不明白SVC的定义，其二就是以普通人不懂的字母组合故弄玄虚。

目前国内市场上被宣传为SVC的产品主要是晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）。

对于TSC我们另文叙述，这里只简要介绍一下晶闸管控制电抗器（TCR）。

TCR的基本结构包括一组固定并联连接在线路中的电容器和一组并联连接在线路中用晶闸管控制的电抗器，通常将电抗器的容量设计成与电容器一样。

由于电抗器是用晶闸管控制的，其感性无功电流可以变化。

当晶闸管关断时，电抗器没有电流，而电容器固定连接，因此整套装置的补偿量最大。

当调节晶闸管的导通角时，电抗器的感性电流就会抵消一部分电容器电流，因此补偿量减少，导通角越大，电抗器的电流越大，补偿量就越小。

当晶闸管全通时，电抗器电流就会将电容器电流全部抵消，此时补偿量为0。

在TCR中，当晶闸管的导通角小于90°时，电抗器的电流非正弦含有谐波成分，因此必须将固定电容器组设计成滤波器形式或者配备另外的滤波器。

综上所述，可以看出TCR的结构复杂，损耗大。

但其具有补偿量连续可调的特点，在高压系统中还有应用。

STATCOM

STATCOM是一种使用IGBT、GTO、或者SIT等全控型高速电力电子器件作为开关控制电流的装置。

 其基本工作原理是：

通过对系统电参数的检测，预测出一个与电源电压同相位的幅度适当的正弦电流波形。

当系统瞬时电流大于预测电流的时候，STATCOM将大于预测电流的部分吸收进来，储存在内部的储能电容器中。

当系统瞬时电流小于预测电流的时候，STATCOM将储存在电容器中的能量释放出来，填补小于预测电流的部分，从而使得补偿后的电流变成与电压同相位的正弦波。

根据STATCOM的工作原理，理论上STATCOM可以实现真正的动态补偿，不仅可以应用在感性负荷场合，还可以应用在容性负荷的场合。

并且可以进行谐波滤除，起到滤波器的作用。

但是实际的STATCOM由于技术的原因不可能达到理论要求，而且由于开关操作频率不够高等原因，还会向电网输出谐波。

STATCOM的结构十分复杂，价格昂贵，可靠性差，损耗大，目前仍处于研究试用阶段，没有实际应用价值。

3无功功率与功率因数

3.1功率因数

功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标之一，通常使用cosφ表示。

一个供电设备的供电容量通常是用视在功率表示，字面意思就是我们所能看到的功率，即表见功率，但不是真实功率，它的真实功率是由视在功率和功率因数的乘积决定的。

所以说功率因数是一个非常重要的供电指标，而视在功率是由有功功率的平方与无功功率的平方和，开跟号得到的。

视在功率确定后，有功功率分量高就称为功率因数高，有功功率分量低就称为功率因数低，有功功率和无功功率都是靠发电机发出的，然而用电设备所需要的功率会因设备的感性和容性不同而不同，当用电设备是感性时，用电设备的电压会超前电流90°；当用电设备是容性时，电流超前电压90°，两个分量将在一条直线上，但方向相反，用电设备中感性的居多，所以这就需要一个容性的负荷进行无功补偿了。

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。

电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角φ的余弦cosφ来表示。

cosφ称为功率因数，又叫力率。

功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标。

三相功率因数的计算公式为：

    式中cosφ——功率因数；

　　P——有功功率，kW；

　　Q——无功功率,kVar；

　　S——视在功率,kV。

A；

　　U——用电设备的额定电压,V；

　　I——用电设备的运行电流,A。

　　功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。

（1）自然功率因数：

是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。

自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷（白炽灯、电阻炉）的功率因数较高，等于1，而电感性负荷（电动机、电焊机）的功率因数比较低，都小于1。

（2）瞬时功率因数：

是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。

瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。

　　（3）加权平均功率因数：

是指在一定时间段内功率因数的平均值，其计算公式为：

3.2影响功率因数的因素

功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。

当有功功率P一定时，如减少无功功率Q，则功率因数便能够提高。

在极端情况下，当Q=0时，则其功率因数＝1。

因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。

异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备

异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。

而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。

所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。

变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。

因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。

 供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响

当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。

当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。

但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。

所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。

电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响

以上论述了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此必须要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果

3.3提高功率因数的意义

3.3.1提高功率因数的意义 

由以上论述可以看出，要使发电厂和供电所更有效利用资源进行电能的转换和传输，就必须合理的进行有功功率和无功功率的分配，在无功功率配置合理