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1、毕业论文毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 交流电机就地无功补偿的研究 1设计（论文）的主要任务及目标通过对无功补偿技术、单片机等基本知识的学习能确定一种交流电机动态无功补偿的方法。通过研究本课题，了解无功补偿技术的发展状况；掌握单片机的基本结构、功率因数测量的方法和无功补偿的原理。通过这次设计锻炼分析和设计能力，提高综合解决问题的能力。2设计（论文）的基本要求和内容（1）确定功率因数测量的方法；（2）并联电容器无功补偿的原理；（3）并联电容器的连接方式和分组方式；（4）无功补偿控制器的研究。3主要参考文献：1陆安定.功率因素与无功补偿J.上海科学普及出版社，2004：1131192吴捷
2、,何盎.交流异步电动机无功功率补偿的探讨J.云南电力技术论坛论文集.20073苏志瞻，吕美霞.浅谈无功补偿装置J.内蒙古石油化工.20094李新春，谭继文，刘建辉.功率因素监控装置研制J.煤矿机电，1994.65徐进，王晓雪.功率因素测量方法探讨J.西北纺织工学院学报.第9卷第2期，1995年6月6曾艳华，沈博，谭超. 功率因素补偿装置设计J.工业控制计算机，2008年21卷第9期7祈文哲,交流异步电动机功率因素的测量J.兰州铁道学院学报,第21卷第4期,2001年8月8杨亮,卜新良,大型风力发电机组无功补偿控制器的研究J.电气自动化,第30卷第6期,20089夏驰苟，黄儒林.三相交流异步电动
3、机终端无功就地补偿的必要性J. 江西能源，2001年4月10站佩艳.功率因素的意义及其方法J.第26卷第2期，2005年3月4进度安排：设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1收集相关资料，开题准备1月 15日3月31日2开题报告答辩4月 1日4月13日3单片机、无功补偿等知识的学习4月14日5月1日4确定功率因数的测量方法5月2日5月13日5无功补偿控制器的硬件和软件研究5月14日6月8日6撰写论文、外文翻译、排版、定稿6月 9日6月16日7做PPT、准备答辩6月17日6月21日注：一式4份，系部、指导教师各1份、学生2份：毕业设计（论文）及答辩评分表各一份摘 要近年来节能工作越来越成为人们关
4、注的问题，有效合理地使用能源是促进企发展、提高企业经济增长质量和效益的有效途径。在工厂企业中，各种生产机械设备所需的动力大多由异步电动机来提供，而异步电动机实际运行时经常处于轻载或空载状态，其功率因数较低，导致线路上的电能损耗较大，因而急需研制开发一种新型的智能无功功率补偿装置，对异步电动机进行合理补偿，提高节能效果，改善电能质量。因此本文结合我国无功补偿技术的研究现状和市场状况，以异步电机为研究对象，以三相瞬时无功功率理论为基础，通过判断功率因数和无功功率的大小综合确定补偿容量，提出了一种基于ATmega128单片机的交流电机就地无功功率智能补偿装置。此无功补偿控制器可根据异步电动机的功率因
5、数和无功功率，以自动方式投切补偿电容器，实现自动跟踪补偿，使异步电动机的功率因数保持在较高水平。主要介绍了无功补偿技术的发展状况、并联电容器无功补偿的原理、及无功补偿控制器的硬件和软件设计，并对今后无功补偿技术的研究方向进行了展望。关键字：功率因数，并联电容器，无功补偿，单片机，自动投切 AbstractEnergy conservation in recent years has increasingly become an issue of concern, effective and rational use of energy is to promote enterprise deve
6、lopment, and improving the quality and efficiency of economic growth in an effective way. In factories and enterprises in various production machinery and equipment required to power most of the induction motor to provide, and Induction motor is often the actual running state of light load or no loa
7、d, The low power factor, Lead to greater loss of power line, It is urgent to research and development of one kind of new intelligent reactive power compensation equipment, Reasonable compensation of induction motor to improve energy conservation, improve power quality.Therefore this paper reactive c
8、ompensation technology research and market condition, taking asynchronous motors for research object and three-phase instantaneous reactive power theory as a foundation, through the judgment power factor and the size of the reactive power compensation capacity, determined synthetically is proposed b
9、ased on the ATmega128 single-chip processor is proposed on the ac motor reactive power compensation device intelligent. The reactive power compensation according to the controller of asynchronous motor power factor and reactive power cut compensation capacitor automatic tracking the compensation of
10、asynchronous motor with automatic mode to keep the power factor in high level.Mainly introduces the development of reactive power compensation technology condition, the shunt capacitor reactive compensation principle and reactive power compensation controller design of hardware and software, and the
11、 future of reactive power compensation technology research is prospected.KEY WORDS: power factor, parallel capacitor, reactive power compensation, microcontroller, auto-switching目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 无功补偿的研究现状及发展趋势11.2.1 传统无功补偿方式11.2.2 无功补偿技术的现状21.2.3 无功补偿技术的发展趋势41.3 课题研究的目的和意义51.4 本文研究的内容51.5 本章小结6第
12、2章 无功补偿的基本原理72.1 无功补偿的一般概念72.1.1 电容补偿的基本概念72.1.2 交流电路的无功功率72.1.3 无功补偿的主要作用92.2 并联电容器无功补偿112.2.1 并联电容器无功补偿的方式112.2.2 并联电容器的投切方式122.2.3 电容器的分组和接线方式142.2.4 并联电容器无功补偿的原理162.3 无功补偿容量的确定172.3.1 从提高功率因要确定补偿容量172.3.2 从降低线损确定补偿容量172.3.3 从提高运行电压确定补偿容量182.4 本章小结19第3章 系统的硬件设计203.1 无功补偿控制器的总体结构203.1.1 无功补偿控制器的基本
13、构成203.1.2 系统硬件结构213.1.3 系统基本功能213.2 主控芯片的介绍223.2.1 CPU的选型223.2.2 ATmega128的最小系统设计233.3 测量模块的设计253.3.1 计量芯片ATT7022B简介253.3.2 ATT7022B硬件电路设计253.4 电容器状态输入模块设计283.5 投切控制模块设计293.5.1 过零触发原理293.5.2 投切控制电路设计303.6 电源模块设计323.7 存储器模块设计333.7.1 存储芯片FM3164简介343.7.2存储芯片FM3164与主控芯片接口设计343.8 人机接口模块设计353.8.1 LED显示电路设
14、计363.8.2 键盘电路设计373.9 通讯模块设计383.9.1 GPRS无线通讯电路设计383.9.2 RS-232通讯电路设计393.9.3 RS-485通讯电路设计403.10 其他外围电路设计413.10.1 实时时钟电路设计413.10.2 报警电路设计413.10.3 外部复位电路设计423.11 本章小结42第4章 系统软件的设计434.1 无功补偿控制策略434.2 主程序设计454.3 子程序设计464.3.1 测量模块设计464.3.2 投切控制模块设计474.3.3 人机接口模块设计494.3.4 数据存储模块设计504.3.5 通讯模块设计514.11 本章小结54
15、第5章 总结与展望555.1 总结555.2 研究展望56参考文献57致 谢59V毕业论文第1章 绪论1.1 引言异步电动机和变压器等设备要消耗大量的无功功率。这些无功功率如果不能及时地得到补偿的话，会对电网的安全、稳定运行产生不利影响。首先，无功功率的增加会导致电流的增大，这不仅使设备及线路的损耗增加，而且还会威胁到设备的安全运行；另外，电流和视在功率的增大也会导致发电机、变压器及其他电气设备容量的增加，同时电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大，这使电网的经济运行大打折扣,无功储备的不足会导致电网电压水平的降低。随着电力电子产业的发展，各个工业部门都采用大功率的硅整流设备，
16、这些大型非线性整流负荷在运行中引起的功率因数下降、电压波动、闪变、三相不平衡以及波形畸变等一系列问题，已构成派生性的电网“公害，严重的影响着整个电力系统的安全和经济运行。与此同时，各种复杂的精密设备对电能质量非常敏感，生产过程的自动化和智能化对电能质量也提出了更高的要求，因此电力部门与用户对电能质量的改善提出了迫切需求。在电力系统中，提高系统运行稳定性的问题目益突出，大功率冲击性负荷和不平衡负荷也日益严重，冲击性的无功功率的负载，会使电压产生剧烈的波动，例如电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功功率冲击，使电网的供电质量更加恶化。对于大中型用电用户引起的电压波动会危害连接在其公共供电点的其他
17、用户的电工设备，必须进行治理。有效和经济的方法是采用相应的动态无功功率补偿。功率因数的提高，不仅能提高供电设备的供电能力，而且可以降低电力系统的电压损失，减少电压波动，改善电能质量，降低电能损耗，从而节省电力提高企业的经济效益。1.2 无功补偿的研究现状及发展趋势1.2.1 传统无功补偿方式(1) 同步调相机 同步调相机是一台同步电动机，其无功输出可以通过调节励磁电流而连续的控制。当同步调相机接入交流系统后，在欠励磁情况下其类似于电感器，从交流系统吸收无功功率；在过励磁情况下，其作用类似于电容器，向交流系统注入无功功率。正常运行时，同步调相机的机端电压等于系统电压，励磁电流为基准电流，此时同步
18、调相机处于浮空状态，与系统没有无功交换。由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，而其响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。(2) 饱和电抗器 饱和电抗器是非线性元件，它利用铁磁质的磁导率可变进行工作，通过改变铁芯磁通从而改变磁导率，以调节电抗器的电感量，起到直流控制交流的作用。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因此损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止补偿装置的主流。(3) 静电电容器 静电电容器可以改善线路参数，减少线路感性无功功率，补偿
19、系统无功。但由于它供给的无功功率与节点电压的平方成正比，当节点电压下降时，它供给的无功功率反而会减少，所以电容器的无功功率调节性能比较差。但由于维护比较方便，装设容量可大可小，既可集中使用、又可分散装设，所以目前仍是我国主要的补偿方式。1.2.2 无功补偿技术的现状早期的无功补偿技术主要用于运动无功补偿装置中，该类型装置的典型代表是同步调相机，同步调相机是一种旋转的机械，其损耗、噪声都很大，属于运动无功补偿装置，能进行动态的无功补偿。它是单独装设的、不与任何传动装置相连的、并且预定只以补偿方式运行的同步电动机。对同步电动机来说，补偿运行方式实质上就是在过励或欠励的情况下空载运行的方式。这时，电
20、动机中的损失是由电网供给其定子的有功电能来补偿。同步调相机属于一个均匀调整的容性或感性负荷。当此负荷相当大时，对供电网的运行状态，亦即对电网中的损失和电压数值，均有显著程度的影响。同步调相机能像同步发电机一样地快速增加励磁，这对供电网在事故时恢复正常运行状态来说具有很大意义。在这些情况下，装设在负荷中心附近地区的同步调相机可使用户的电压维持在较高的水平。随着控制技术的进步，它正被静止无功补偿装置（SVC）所取代。电力系统中的大部分负荷是电感性的，其主要需要电容性无功功率的补偿，来补偿感性负荷消耗的部分无功功率，因此在受电端合理配置无功，可以提高供用电系统及负载的功率因数、降低设备容量、提高供电
21、能力、减少功率损耗。早期的SVC是饱和电抗器（SR）型的，尽管它具有静止型的优点，但它需要工作在饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性的问题，因而未能占据SVC 的主流。电容器是静止设备，具有运行维护简单、无噪音、损耗低、效率高的特点，使并联电容器补偿方式具有结构简单、控制方便的优点，因此它在补偿方面得到了广泛应用。并联电容器补偿可采用固定电容器（FC）补偿和开关投切电容器自动补偿两种形式。前者由于不能调节，不能进行动态补偿；后者采用开关投切电容器，能进行动态无功补偿，在无功补偿中占据重要地位。早期的动态无功补偿装置多采用接触器来投切电容器，但此类产品在投入时电容器的初始电压为零，而在合闸
22、瞬间，电网电压又往往不为零，使加在电容器两端的电压突然升高，进而产生一个很大的冲击涌流。在合闸瞬间冲击涌流可能达到额定电流的几十倍，不仅对电网造成冲击，而且影响电容器的使用寿命。这种机械开关投切速度较慢，不能快速跟踪负荷无功功率的变化；而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，可能使电容器承受过电压而击穿；接触器触头易受电弧作用而烧毁或粘结，严重影响开关本身的使用寿命。后来出现了专用于投切电容器的接触器，通过加入限流电阻来抑制涌流。以此类接触器投切电容器，涌流一般能控制在额定电流的20倍以内（通常为10倍左右）。这类加预投电阻的专用接触器整体体积较大，由于涌流仍会使交流接触器触头
23、烧毁或粘结，在工作时也没有真正解决浪涌电流问题，始终是影响开关本身使用寿命的根本原因。因此它逐渐被无触点的电力电子器件所代替。1977年，美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了一种使用可控硅控制的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院（EPRI）的支持下，西屋电气公司（Westinghouse Electric Corp）制造的使用可控硅控制的静止无功补偿装置投入实际运行。在90年代后期，随着电力电子技术的迅速发展及半导体电力器件的成熟化，可控硅广泛地应用于SVC装置中，占据了静止无功补偿装置的主导地位。此类产品采用单片机控制大功率可控硅，在检测到电网电压过零时，开关触发导通，电容
24、器上电压缓慢上升而无合闸涌流冲击，从根本上解决了电力电容器投切时交流接触器经常烧结而损坏的不良情况。但在实际运行中，无触点开关也暴露出其不足之处：由于可控硅导通后，存在0.7V的结压降，因而会产生谐波电流，影响电容器的正常运行；可控硅本身不能快速关断，因此开关在断开时，两端容易承受过高的反向电压而被烧毁；可控硅的大功耗特性使其在长期运行中，会产生较大的热量，从而引起过高的温升，影响它正常工作。通过分析这两种不同开关的特点可知：机械式接触器不能准确地做到开关两端电压过零时闭合，在电流过零时切断，而无触点可控硅能做到这一点。相反，在开关闭合工作时可控硅会产生损耗和电压电流谐波，而机械式接触器却能避
25、免这些问题。后来，市场上就有了复合开关的出现，它采用无触点开关和机械开关并联的工作结构，投切瞬间无触点可控硅导通，正常工作时机械触点接入回路并且可控硅退出工作，这样很好地解决了冲击涌流和谐波问题，使复合开关具有使用寿命长，动作可靠的特点。这种类型的投切开关在低压无功补偿中得到广泛的应用，在市场上占据了重要地位，是目前应用最广泛的投切开关。1.2.3 无功补偿技术的发展趋势随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，无功补偿的发展趋势主要有以下几点：在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化的问
26、题。快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况（如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合）。随着计算机数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法，如模糊控制等。目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管耐压水平的限制，无功补偿装置不能得到广泛的应用。因此，研制高压动态无功补偿的装置则具有重要意义，关键是解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压问题。由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用，供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点
27、的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。1.3 课题研究的目的和意义交流电机是在国民经济各部门广泛使用的电气设备。据不完全统计, 全国仅中小型异步电动机的总装机容量就超过3亿KW, 其用电量约占全国总用量的60%。但其运行效率较低, 长期处于非经济运行, 因此节能潜力很大。近年来, 在一些地区和企业, 采用交流电机就地补偿技术, 对交流电机所需无功功率实行就地平衡, 从而有效地抑制了电网动态无功功率, 减少电能的损失, 提高电网和设备的利用率, 而且改善了电动机的经济运行指标, 因此得到了广泛的推广应用。特别对大中型电动机或远离供电中心的电动
28、机, 采用就地补偿技术会大幅度节约电能, 具有多方面的企业效益和社会效益。并且交流电机就地无功补偿的研究对供电系统和负载的运行都是十分重要的，本课题就是研究如何快速准确的测得无功量，并进行稳定的投切使交流电机功率因数保持在较高水平。1.4 本文研究的内容本文首先分析无功补偿的重要意义，以无功补偿技术的原理为基础，研究了动态就地无功补偿技术。分析并和探讨如何设计多功能、智能化的能够更加合理的进行电容器组投切的无功补偿装置。研究的主要内容包括以下几个方面:1介绍了无功补偿在国内外的研究现状和发展趋势，并简单说明无功补偿的意义和重要性。 2. 介绍了无功补偿的基本原理和并联电容器补偿的基本知识。 3
29、. 控制器硬件设计：介绍了控制芯片ATmega128及其最小系统，在此基础上设计了测量模块、人机接口、投切控制及存储器和通讯模块电路。 4. 控制器软件设计：首先介绍了整个软件的组成部分，着重介绍了测量模块、数据存储模块、人机接口模块、投切控制模块、通讯模块、的软件设计。5. 在对无功补偿原理及其控制方法进行深入分析的基础上，提出了对后续研究的展望和自己的看法。1.5 本章小结 本章通过引言介绍了研究这个课题的重要性，并系统的介绍了无功补偿装置的分类和无功补偿的发展状况和前景。总结了研究无功补偿控制器对电力行业的重要意义。第2章 无功补偿的基本原理无论是工业负荷还是民用负荷，大多数均为感性，所
30、有电感负载均需要补偿大量的无功功率。因此就要提高用电设备的自然功率因数，减少无功功率消耗。电容器就是一种常用的无功补偿装置，而目前主要是用电容器并联补偿来提高功率因数。2.1 无功补偿的一般概念2.1.1 电容补偿的基本概念 (1) 功率因数对电网中的负载来说，其电压和电流间存在相位差，人们把这个相角的余弦cos称为功率因数，在数值上等于有功功率与视在功率之比，即cos=PS。(2) 自然功率因数自然功率因数是指供用电设备在没有采取任何补偿手段的情况下，设备本身固有的功率因数，称自然功率因数，也就是在投入无功补偿装置前没备本身有功功率与视在功率的比值。设备自然功率因数的高低取决于负荷性质和负荷
31、状态。对于电阻性负荷，其功率因数较高，而对于电感性负荷，其功率因数就较低。另外在设备负荷很低的时候，其自然功率因数也就低。(3) 经济功率因数经济功率因数是指客户的节能效益和电能质量最佳，支付电费最少的功率因数。用户安装一定容量的无功补偿装置可提高用户的功率因数，就减少了无功功率和有功功率损失，用户功率因数提高到何值最为经济，应综合考虑两个方面:一是为了保证系统正常的运行电压水平，无功电源和无功负荷必须保持平稳并留有一定的余量;二是按运行费用最小的原则决定用户的经济功率因数。2.1.2 交流电路的无功功率在正弦交流电路中，如果负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。 图2.1 无源一端口网
32、络对于如图2.1所示的内部不含有独立电源，仅含电阻、电感和电容等无源元件的一端口，设电路中正弦交流电压为： u=2Usint （2.1）一端口等效负载为Z，则流过负载中的电流为： i=（2Usin(t)）/Z （2.2）当负载Z不是纯阻性时，流过负载的电流就会和电压有一个相角差值，此时电流表示为： i=2UZsint+=2Isint+ （2.3）其中|Z|为负载的模。如果把电流i分解为和电压同相位的分量ip和与电压垂直的分量iq，则ip和iq分别为:（2.4） ip=2Icossint iq=2Isincost此时电路的有功功率就是其平均功率，即: P=1202uidt=1202uip+iqd
33、（t） =1202UIcosUIcoscos2tdt+1202UIsinsintd（t） =UIcos (2.5)可知，有功功率P不再是电压U和电流I的有效值乘积，还要乘以二者夹角的余弦值。电路的无功功率定义为: Q=UIsin (2.6)可以看出，Q就是式2.5中被积函数的第2项无功功率分量uiq的变化幅度。uiq的平均值为零，表示了其有能量的流动但是却并不消耗功率。Q则表示了这种能量交换的幅度。从式2.5中可以看出，真正消耗功率的是被积函数的第1项有功分量uiq产生的。因此，可以把式2.4描述的ip和iq分别称为正弦电路的有功电流分量和无功电流分量。无功电流分量的产生是由于系统中含有电感性
34、或电容性的负载而产生的，该电流用于建立磁场或静电场，存储于电感或电容中，并往返于电源与电感或电容之间，并不会象有功功率那样被消耗掉。电路中将电压u和电流i的有效值乘积定义为视在功率，即: S=UI (2.7)视在功率只是电压有效值和电流有效值的乘积，它并不能准确反映能量交换和消耗的强度，并且在一般电路中，视在功率并不遵守能量守恒定律。从式2.5、2.6和式2.7可以看出，有功功率、无功功率、视在功率在数值上满足如下关系: S2=P2+Q2 （2.8）在正弦波网络中，当负载为感性时，线路电压相位会超前线路的电流相位，即此时的0，无功功率Q0，我们说网络“吸收”感性无功功率，也可以说是“发出”容性
35、无功功率;当负载为容性时，线路电压相位会滞后线路的电流相位，即此时的0，无功功率Qcos2功率因数提高了，同时无功功率由Q1减小到Q2，有功功率从P1增加到P2，可见设备的有功出力提高了。(2) 减少电压损耗由局部电网的等值电路如图2.3所示： 2.3 局部电力网的等效电路图电网中由于无功负荷而带来的电压损耗U的计算公式为： U=U1U2=I2cosR+I2sinX=P2R+Q2XU2P2R+Q2XUe （2.10）式中：U1电网的额定电压，U2元件的末端电压，电网中电压和电流的相位角，R、X电力网中元件的等效电阻和等效电抗，P2、Q2元件末端的有功负荷和无功负荷。(3) 减少线路损耗当线路流
36、过电流I时，线路的有功损耗： P=3I2R103(KW)或 P=3PUccos2R103=P2+Q2Uc2R103 =3P2RUc2（1cos2）103(KW) （2.11）其中无功功率在电网中流动而引起的有功线损PQ的计算公式为: PQ2UC2 （2.12）由(2.11)式可知，线路的有功损失p与cos成反比，cos 越高p越小。2.2 并联电容器无功补偿2.2.1 并联电容器无功补偿的方式(1) 无功补偿方式根据电容器投切的速度分为静态补偿和动态补偿。 静态补偿电容柜的控制器测出电路的功率因数并决定要补偿的电容器，并投入电容器补偿，需要一定的时间。特别是某个或几个电容器从电路中切除后需要有
37、一定的时间间隔进行放电，才可以再次投入。有的负载变化快，这时电容器的切除、投入的速度跟不上负载的变化，称为静态补偿。静态补偿的优点：价格低，初期的投资成本少，无漏电流。缺点：涌流大，影响接触器的使用寿命，应用时要采取限流措施。 动态补偿采用晶闸管控制电容器的接入和切除，选择电路上电压和电容器上电压相等时投入、切除，此时流过晶闸管和电容器的电流为零。解决了电容投入时的涌流问题。动态补偿的优点：涌流小、无触点、使用寿命长、投切速度快(小于20ms)。缺点：价格高、发热严重、耗能、有漏电流。(2) 并联电容器无功补偿方式按照电容器安装地点的不同又可分为集中补偿、分散补偿和就地补偿。 集中补偿集中补偿
38、是将电容器组装设在用户专用的变压器的低压母线上。集中补偿能方便地同电容器组的自动投切装置配套，自动跟踪无功功率的变化而改变用户总的补偿容量，避免在总的补偿水平上产生过补偿或欠补偿，从而使用户的功率因数始终保持在规定的范围内，进而实现最优补偿。集中补偿有利于控制用户本身的无功潮流，避免受电压变化或负荷变化产生过大的电压波动，当电压波动超过容许范围时，可通过自动投切装置调整电压水平，以改善电压质量。电容器组的基本容量是根据用户正常负荷确定的，运行时间长，利用效率高。而且集中补偿方式在运行维护上比较方便，事故率相对减少，相应的提高了补偿效益。 分散补偿将电容器组按需求的无功容量，分别装设在相应的母线
39、上，或者直接与低压干线相连，形成内部的分散补偿方式。由于电容器分散在各用户旁，可以就近补偿主要用电设备的无功功率。由于这部分无功功率不再通过线路向上传送，从而使用户上的变压器和配电线路的无功功率损耗相应地减少，当变压器下用户较多，用户配电线路分路多而且距离较远时，补偿效益最高。 就地补偿就地补偿用电设备所消耗的无功功率，将电容器组直接装设在用电设备旁。电容器组随电动机同时投入运行和退出运行，使电动机消耗的无功功率部分地得到就地补偿，从而减少装设点以上输配电线路的无功功率，降低线路损耗和线路电压。异步电动机就地补偿就是在异步电动机附近设置电容器，对异步电动机进行无功功率补偿。它的主要优点如下：1
40、. 减少供电网、配电变压器、低压配电线中的负荷电流，降低配电线损；2. 提高低压配电线中的功率因数，减少末端电压波动，改善用户电压，提高电压质量；3. 补偿点的无功功率经济当量大。降损效果好；4. 降低电动机的起动电流。根据以上分析，本无功补偿控制器采用的是将电容器组直接装设在用电设备旁的就地补偿方式。2.2.2 并联电容器的投切方式电容器的分组投切在较早的时候大都是用机械断路器来实现的，这就是机械投切电容器。和机械断路器相比，晶闸管的操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，以减少投切时的冲击电流和操作困难。因此现在常用的都是晶闸管投切电容器，即TSC。晶闸管常见的接线方式有两
41、种：晶闸管与二极管反并联接线和晶闸管反并联接线。图2.4 晶闸管与二极管反并联接线(1) 晶闸管与二极管反并联接线晶闸管与二极管反并联接线是由高压二极管和晶闸管反并联成的。由于小能通过控制触发脉冲，使二极管的导通和关断，又称为“半控式”开关阀，图2.4是晶闸管与二极管反并联接线示意图。 晶闸管与二极管反并联接线方式在电源的峰值投入电容器是一种近似无过渡投入的工程解决办法。其原理是：电源通过二极管向电容器充电，电容器充电后的电压值将为电源的峰值电压。在检测到电源电压达到峰值，且与电容器上电压同极性时，使开关阀导通，投入电容器。晶闸管与二极管反并联接线方式由于用高压二极管替代了一半的可控硅器件，在
42、一定程度上降低了阀的成本，同时可控硅元件减少了一半，触发系统也得到简化，在工程中有一定的应用价值。但是这种接线方式也存在很大的缺陷：1. 装置以冷状态(装置不带电)接入系统时仍不能避免冲击性电容充电电流；2. 在电源电压波动较大或电压波形畸变较为严重时，电容器上充电电压可能与投入时的电源峰值电压相差较大，仍然不能保证投入时无冲击性涌流出现；3. 电容器在不投入时也处于峰值充电状态，同时系统出现的过电压可以通过二极管旋加到电容器上，这对电容器长期安全运行是极其不利的；4. 另一个较大的缺陷是晶闸管与二极管反并联接线方式的动态响应特性稍筹：与晶闸管反并联接线比较，晶闸管与二极管反并联接线方式关断时
43、间要半个周波：撤消触发脉冲后，可控硅元件电流过零自然关断，其后半个周波时间内二极管仍然导通对电容充电，所以晶闸管与二极管反并联接线方式的最大关断时间为一个周波。因为在一个周波内电源电压出现与电容器上电压同极性峰值的机会只有一次，所以理论投入最大时间为一个周波。因此晶闸管与二极管反并联接线方式不宜使用在对补偿响应速度要求很高的场合。(2) 晶闸管反并联接线晶闸管反并联接线是由两个晶闸管反并联成的。其优点是过零触发，无拉弧，动作时间短，可大幅度地限制电容器合闸涌流，特别适合于频繁投切的场合。由于通过控制触发脉冲，使两个晶闸管轮流导通和关断，又称为“全控式”开关阀，图2.5是晶闸管反并联接线示意图。
44、图2.5 晶闸管反并联接线在导通开始之前，电容器C已充电至电源电压的峰值。导通时刻取电源电压和电容电压相等时刻，这时给晶闸管以触发脉冲而使之开通。以后每半个周期发出触发脉冲轮流给两个晶闸管，直到需要切除这条电容支路时。应该注意的是，上面说的投入时刻，两个晶闸管的触发脉冲顺序不能搞反，或者浼应该避免触发脉冲相位错开180，否则将会产生很大的冲击电流和过电压。晶闸管反并联接线方式可靠性高，即使某相的一个晶闸管损坏。也不会导致电容器误投入。在晶闸管关断时，如果采取措施将电容器的残压放掉，晶闸管承受的最大反向电压为电源电压峰值。晶闸管反并联接线方式的响应速度也比晶闸管和二极管反并联方式快，不过相对投资较大，控制较复杂。考虑到可靠性和响应速度，根据实际需要，本课题采用晶闸管反并联接线方式。2.2.3 电容器的分组和接线方式(1) 电容器的分组方式我们知道电容器分组对补偿效果构成明显影响。为了延长电容器寿命，各组电容器投切频率应尽可能降低，且各组投切次数应基本相当。同时，为了达到较高补偿度，避免过补偿，分组容量应尽可能的小。二者之间存在
