無功功率補(bǔ)償在岸邊集裝箱起重機(jī)上的應(yīng)用

曹逸榮 劉乾梟 劉 彬

1上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 上海 200314 2南通特爾浦檢測服務(wù)有限公司 南通 226001 3上海振華重工集團(tuán)有限公司 上海 200125

0 引言

岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）通常包含主驅(qū)動(dòng)回路及輔助回路。主驅(qū)動(dòng)回路包括整流、逆變、變頻等環(huán)節(jié)用于驅(qū)動(dòng)主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。輔助回路包括控制回路、輔助電動(dòng)機(jī)、投光燈、步道燈等設(shè)備，用以控制主驅(qū)動(dòng)回路及相關(guān)輔助設(shè)備，可見岸橋的感性負(fù)載占比較高，使得大量的電能作用于感性負(fù)載產(chǎn)生無功功率，導(dǎo)致整機(jī)運(yùn)行的功率因數(shù)較低。較低的功率因數(shù)使得線路中的電壓存在壓降、供電質(zhì)量降低、違背節(jié)能減排的問題。另一方面，部分岸橋標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格書內(nèi)明確注明其設(shè)備的功率因數(shù)應(yīng)大于0.9或0.95，有必要采用無功功率補(bǔ)償技術(shù)提高岸邊集裝箱起重機(jī)的功率因數(shù)。

目前，針對岸橋的工況有2種用以提高起重機(jī)功率因數(shù)的無功功率補(bǔ)償方案。

1）利用驅(qū)動(dòng)回路中的IGBT動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)感性負(fù)載，提高功率因數(shù)。文獻(xiàn)[1]闡述了基于TMGE系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償技術(shù)方案，利用高壓側(cè)電源檢視表(PQM)檢測無功電流，并以模擬量的形式傳輸至IGBT整流器。IGBT調(diào)節(jié)無功電流，實(shí)現(xiàn)感性負(fù)載與容性負(fù)載的相互抵消，達(dá)到降低無功功率的目的，使得系統(tǒng)功率因數(shù)提高。需要注意的是，該方案中的IGBT較為特殊，其特點(diǎn)在于：無論IGBT是否處于工作狀態(tài)，都能自動(dòng)調(diào)節(jié)無功電流，達(dá)到無功功率的調(diào)節(jié)。這種動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償效果較好，但對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件配置有一定要求，成本上不可控。同時(shí)，有一定的技術(shù)壁壘存在，無法大范圍的推廣使用。

2）在輔助回路中并聯(lián)電容，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提高。采用該方案的主要原因在于，主驅(qū)動(dòng)回路僅可實(shí)現(xiàn)岸橋工作時(shí)的整機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)提高。當(dāng)起重機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，主驅(qū)動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償，但是輔助回路仍舊存在大量感性負(fù)載，產(chǎn)生無功功率，導(dǎo)致整機(jī)的功率因數(shù)較低。為解決上述功率因數(shù)較低的問題，通常較為普遍的技術(shù)方案為：在輔助回路處并聯(lián)電容，解決設(shè)備待機(jī)時(shí)功率因數(shù)較低的問題。

2 功率因數(shù)補(bǔ)償柜的相關(guān)參數(shù)匹配

2.1 補(bǔ)償電容計(jì)算的理論基礎(chǔ)

圖1為基于岸橋系統(tǒng)架構(gòu)所搭設(shè)的最簡電路模型。在該模型中U為輔助變壓器二次側(cè)輸出，R2與L2分別為變壓器二次側(cè)輸出側(cè)的阻抗與感抗。當(dāng)模型回路中未并入電容之前，輸入電流與負(fù)載電流RL相等。RL與電源U之間的相位差為φ1。并入電容C2后，負(fù)載電流IRL減少的同時(shí)C增加，RL和C之間的和為輸入電流，輸入電流I與電源之間的相位差為φ。

圖1 基于岸橋系統(tǒng)架構(gòu)所搭設(shè)的最簡電路模型

由圖2可知，φ＜φ1，則有 cosφ＞cosφ1，故并聯(lián)電路后有功功率由P1提高至P。

圖2 相位差圖解

由圖1可知，當(dāng)并聯(lián)電容后，RL的有功分量與輸入電流的有功分量相等，可得

RL的無功分量減去C的無功分量等于的無功分量，可得

整理得

聯(lián)立式（1）與式（3）可得式（4）

又因電容電流電壓之間的關(guān)系為

聯(lián)立式（4）、式（5）可得補(bǔ)償電容容量

式中：φ1為初始情況下的相位差，φ為并聯(lián)電容后的相位差，ω為頻率，P為功率，U為電壓。

又因電容的計(jì)算公式為

聯(lián)立式（6）、式（7）可得無功功率補(bǔ)償為

2.2 補(bǔ)償電容容量及補(bǔ)償無功功率計(jì)算

由于補(bǔ)償電容的作用是補(bǔ)償輔助變壓器二次側(cè)的感性負(fù)載的無功功率，應(yīng)先計(jì)算岸邊集裝箱起重機(jī)輔變二次側(cè)滿載情況下的有功功率。按照目前的工況，依據(jù)表1可得輔變二次側(cè)最大有功功率為224 kW。

表1 設(shè)備功率參數(shù)

負(fù)載端自然功率因數(shù)cosφ1=0.75，補(bǔ)償后的功率因數(shù)為 0.9＜cosφ＜0.95。

當(dāng) cosφ1=0.75 時(shí)

當(dāng) cosφ=0.9 時(shí)

當(dāng) cosφ=0.95 時(shí)

當(dāng)輔助變壓器二次側(cè)電壓U為AC380V時(shí)，工頻為50 Hz的條件下，角頻率為

ω= 2πf= 2×50π

為確保功率因素提升至0.9，則補(bǔ)償電容容量為

為確保功率因素提升至0.95，則補(bǔ)償電容容量為

通過上述計(jì)算及推導(dǎo)可得，為確保功率因數(shù)從0.75提升至最少0.9，功率補(bǔ)償設(shè)備的補(bǔ)償電容的容量的理論值區(qū)間范圍為0.196 F＜C＜0.273 F。

通常為更快的幫助設(shè)計(jì)人員確定無功功率補(bǔ)償設(shè)備的型號，則需要確定需補(bǔ)償無功功率這一重要參數(shù)。該參數(shù)可通過以下過程完成計(jì)算：

當(dāng)功率因數(shù)提升至0.9時(shí)，需補(bǔ)償?shù)臒o功功率為

當(dāng)功率因數(shù)提升至0.95時(shí)，需補(bǔ)償?shù)臒o功功率為

通過上述計(jì)算及推導(dǎo)可得，為確保功率因數(shù)從0.75提升至最少0.9，功率補(bǔ)償設(shè)備無功功率補(bǔ)償容量的理論值區(qū)間范圍是為 89.12 kVAR ＜Qc ＜123.9 kVAR。

基于取大不取小的原則，岸橋輔助變壓器二次側(cè)輸出端添加的無功功率補(bǔ)償設(shè)備的補(bǔ)償電容容量應(yīng)當(dāng)大于0.273 F，無功功率補(bǔ)償容量應(yīng)當(dāng)大于123.9 kVAR，即可滿足設(shè)計(jì)要求。通常無功功率補(bǔ)償容量選取150 kVAR。

2.3 功率補(bǔ)償設(shè)備的分段設(shè)計(jì)工況

前文所述中輔助變壓器二次側(cè)最大有功功率為224 kW，但當(dāng)設(shè)備實(shí)際進(jìn)行抓箱作業(yè)時(shí)，不同工況的情況下，其有功功率是不同的。例如當(dāng)集裝箱起重機(jī)在日間作業(yè)時(shí)，所有的投光燈步道燈都需要關(guān)閉，而晚間所有的燈具又需要亮起。再如后大梁掛艙液壓缸、高速制動(dòng)器等設(shè)備是間歇性工作，故整機(jī)有功功率一直處于動(dòng)態(tài)變化。無功功率補(bǔ)償柜的無功功率補(bǔ)償也必須動(dòng)態(tài)地隨著設(shè)備的工況進(jìn)行變動(dòng)，避免電容的過補(bǔ)償導(dǎo)致元器件燒毀等問題。動(dòng)態(tài)的無功功率補(bǔ)償又分為線性動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和非線性的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償兩種。針對岸橋的工況可采用非線性的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償即可。將無功功率補(bǔ)償分為幾個(gè)區(qū)間，當(dāng)設(shè)備在不同的有功功率情況下，動(dòng)態(tài)的調(diào)整無功功率補(bǔ)償。

表2為基于上文中的計(jì)算和推導(dǎo)設(shè)定，結(jié)合圖3岸橋常見的功率因數(shù)補(bǔ)償柜方案所作的對應(yīng)表。表中無功功率補(bǔ)償依照無功功率補(bǔ)償?shù)淖畲笾?50 kVAR均分了6個(gè)區(qū)域，隨著無功功率補(bǔ)償值的變化設(shè)定有功功率的閾值。例如，當(dāng)整機(jī)有功功率小于46 kW時(shí)，無功功率僅需要補(bǔ)償25 kVAR，而當(dāng)整機(jī)有功率大于45.18 kW但小于90 kW時(shí)，無功功率補(bǔ)償需切換至50 kVAR。后續(xù)依次類推。

表2 有功功率和無功功率補(bǔ)償對應(yīng)表

圖3 岸橋常見的功率因數(shù)補(bǔ)償柜方案

為使得無功功率補(bǔ)償按照表3的區(qū)域劃分實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，還必須在岸橋輔變二次側(cè)增加電流取樣點(diǎn)，該取樣點(diǎn)的作用是將所檢測到的電流反饋至無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)中的控制器?？刂破鹘邮盏诫娏鞑蓸有盘柡?，基于算法輸出信號控制接觸器的開閉，進(jìn)而控制了投切電容容量的目的。當(dāng)然，也可以將電流采樣信號反饋至PLC，由PLC控制電容的投入量。具體方式按項(xiàng)目工況實(shí)施。

3 結(jié)語

綜上所述，無功功率補(bǔ)償?shù)碾娙萑萘垦a(bǔ)償及無功功率補(bǔ)償容量都可通過相關(guān)公式計(jì)算獲得。計(jì)算過程及所獲得的數(shù)值可供相關(guān)設(shè)計(jì)工程師參考。但就無功功率補(bǔ)償?shù)漠a(chǎn)品本身而言，其技術(shù)難點(diǎn)在于信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等環(huán)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。