靜止無(wú)功發(fā)生器在鋼筋焊網(wǎng)機(jī)生產(chǎn)中的應(yīng)用

景 慧，趙耀武，陳樂(lè)柱

（安徽工業(yè)大學(xué)工程研究院，安徽 馬鞍山 243002）

1 工廠(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)狀

該公司目前有8條焊網(wǎng)機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)，每臺(tái)焊網(wǎng)機(jī)有14路單相焊接變壓器，每臺(tái)焊網(wǎng)機(jī)的單相焊接變壓器的供電電源分別接到A-B、B-C、C-A三相電源上。在實(shí)際焊接時(shí)參與工作的變壓器數(shù)量是隨機(jī)的，當(dāng)實(shí)際參與焊接的變壓器數(shù)量為3的整數(shù)倍時(shí)，焊接變壓器平均分配在三相之間，當(dāng)不是3的整數(shù)倍時(shí)可能出現(xiàn)某兩相工作一相空載的情形，則會(huì)導(dǎo)致三相電流不平衡、產(chǎn)生特征諧波以及功率因數(shù)低等問(wèn)題。經(jīng)測(cè)量可知，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)負(fù)序電流不平衡度最高29.65%；最低為28.79%，且該供電系統(tǒng)的平均功率因數(shù)為0.65，遠(yuǎn)低于電網(wǎng)要求的0.9。

圖1 焊網(wǎng)機(jī)電流波形

2 補(bǔ)償裝置的原理

SVG可以依據(jù)主電路直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同分為電壓型和電流型，電壓型直流側(cè)的儲(chǔ)能元件是電容器，電流型直流側(cè)儲(chǔ)能元件為電抗器。在實(shí)際使用中，電壓型橋式電路的效率比電流型橋式電路高，所以在現(xiàn)場(chǎng)使用中，更多的采用的是電壓型結(jié)構(gòu)的SVG，本文所選的也是電壓型SVG。

SVG主電路由IGBT組成，直流側(cè)儲(chǔ)能元件為電容器，通過(guò)電抗器并入電網(wǎng)。SVG的控制系統(tǒng)，在工作時(shí)首先獲取負(fù)載的三相電流、以及其他從電網(wǎng)獲得的信號(hào)，將其送到控制器，計(jì)算出所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流值，控制IGBT的通斷從而達(dá)到控制交流測(cè)輸出無(wú)功電流的大小，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。

通常SVG工作時(shí)通過(guò)控制IGBT的通斷將直流側(cè)的電壓轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率的交流測(cè)輸出電壓。SVG可以等效的看成是一個(gè)與電網(wǎng)相連的電壓源，圖a為帶損耗的單相原理圖，圖b為帶損耗的向量圖。

其中US表示電網(wǎng)電壓，UI表示SVG輸出電壓，UL=US?UI，通過(guò)改變US與UI的相位差和UI的幅值，從而改變輸出電流和相位和幅值，以達(dá)到SVG吸收或者發(fā)出無(wú)功功率的大小和性質(zhì)，滿(mǎn)足生產(chǎn)所需要的無(wú)功補(bǔ)償。

3 補(bǔ)償容量及參數(shù)計(jì)算

考慮到整個(gè)供電系統(tǒng)和負(fù)載特性，此次補(bǔ)償在焊接車(chē)間＃1變壓器二次側(cè)安裝一臺(tái)SVG來(lái)補(bǔ)償焊網(wǎng)機(jī)生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的大量的無(wú)功功率，#1變壓器容量為1250KVA，共有4臺(tái)焊網(wǎng)機(jī)、6臺(tái)矯切機(jī)和15臺(tái)行車(chē)，所以總的補(bǔ)償容量公式為：

圖2 SVG計(jì)損耗原理圖

無(wú)功容量計(jì)算公式為：

其中P表示總有功功率，cos?1、co s?2分別表示補(bǔ)償前后的功率因數(shù)，KA表示同時(shí)系數(shù)。因?yàn)橹挥?jì)算一臺(tái)焊網(wǎng)機(jī)，所以KA為1，焊網(wǎng)機(jī)補(bǔ)償前的cos?1值為0.65，補(bǔ)償后的cos?2值為0.95。已知總的有功功率為292.5KW代入公式（2）中，經(jīng)計(jì)算可得一臺(tái)焊網(wǎng)機(jī)需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功容量為245.7KVar。

行車(chē)和矯切機(jī)的功率分別為127.5kW和270kW，補(bǔ)償前cos?1為0.85、補(bǔ)償后cos?2為0.95，同時(shí)工作系數(shù)為0.75，將其帶入公式（2）中，計(jì)算出行車(chē)和矯切機(jī)總需要補(bǔ)償?shù)娜萘繛?25.5kVar。

將計(jì)算得到的焊網(wǎng)機(jī)、行車(chē)和矯切機(jī)的補(bǔ)償容量代入公式（1）中，最后算出總的補(bǔ)償容量為371.2kVar。

本次總的補(bǔ)償容量為371.2kVar，在設(shè)計(jì)時(shí)，采用4個(gè)100kVar的功率模塊并聯(lián)，4個(gè)模塊的型號(hào)參數(shù)選擇一樣，所以當(dāng)SVG的補(bǔ)償容量為100kVar，正常運(yùn)行時(shí)的相電流計(jì)算公式為公式（3）：

SVG直流側(cè)電容的主要作用是濾波和穩(wěn)壓。一般情況電容值要稍微大一點(diǎn)，但是考慮到實(shí)際的成本，在電容選取要將其控制在合理的范圍內(nèi)，工程上通用算法如公式（4）：

公式（4）中，η為能量補(bǔ)償系數(shù)，取值為0.9，ω為系統(tǒng)電壓輸出角頻率，k為直流側(cè)電壓波動(dòng)系數(shù)，取值為10%，為直流側(cè)電壓值，取值為800V。

SVG中的連接電感主要作用是為了抑制IGBT通斷過(guò)程中產(chǎn)生的諧波電流。其值的大小會(huì)影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，在實(shí)際工程中，則需要根據(jù)具體的情況來(lái)確定。電感值的計(jì)算公式如下：

SVG中最重要的元件是IGBT，IGBT的選擇最主要的兩個(gè)方面分別是所能承受的最大耐壓值和額定條件下的工作電流，在此基礎(chǔ)上給與一定的安全裕量。

額定電流計(jì)算公式為：

IGBT的額定電壓為：

4 補(bǔ)償裝置的效果分析

圖3 投入后的系統(tǒng)功率因數(shù)

圖4 投入后零序電流不平衡度

將SVG裝置投入生產(chǎn)以后，通過(guò)PQ-box-200電能質(zhì)量測(cè)試儀在＃1變壓器二次側(cè)對(duì)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，綜合對(duì)比SVG投入前后的系統(tǒng)功率因數(shù)、電流波形以及三相電流的不平衡度。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在投入生產(chǎn)以后有了顯著的效果，投入以后系統(tǒng)功率因數(shù)在焊接過(guò)程中達(dá)到了0.96以上；系統(tǒng)的零序電流不平衡度在SVG投入以后最高為0.72%、最低為0.05%左右；投入SVG以后中線(xiàn)電流近似為零，三相電流達(dá)到平衡狀態(tài)。以上三者數(shù)據(jù)表明在SVG裝置投入以后其治理效果非常顯著。