功率因数校正技术在松耦合电能传输系统中的应用＊

周 静 李永振

(西安石油大学井下测控研究所 陕西西安)

功率因数校正技术在松耦合电能传输系统中的应用＊

周 静 李永振

(西安石油大学井下测控研究所 陕西西安)

松耦合电能传输系统是一种新型的电能传输技术,其关键部件是松耦合变压器,它的耦合系数较低,制约着系统的传输功率。文章主要通过研究无源功率因素校正(PPFC),搭建填谷式无源功率因数校正电路,提高系统有功功率,使功率因素校正技术应用于松耦合电能传输系统。

松耦合;可分离变压器;电能传输系统;功率因数校正

0 引 言

旋转导向钻井系统工程化技术研究是中海石油研究中心牵头的国家高科技研究发展计划(“863”计划)的重大课题,西安石油大学井下测控研究所承担了“旋转导向可控偏心器工程化技术研究”的子课题(子课题编号:2007AA090801-01);其中国家科技重大专项课题“多枝导流适度出砂技术”的子课题:电机泵动力旋转导向钻井工具及配套技术研究(子课题编号:2008ZX05024-003-05),是旋转导向可控偏心器中的重要组成部分。

作为旋转导向智能钻井系统核心部件的可控偏心器,其原理是利用电机泵产生推动翼肋伸缩的动力,当采用电机泵动力时,电机泵的能量来源于井下涡轮发电机。由于可控偏心器的机械结构决定了电机泵要安装在不旋转套上,而发电机要安装在旋转的主轴上,这样就涉及到旋转和不旋转之间的能量传输问题。以前一直采用的是接触式滑环能量传输方式,由于接触式滑环存在安装非常不方便、旋转时易磨损、易受到井下钻井液、水的腐蚀以及泥浆的影响等缺陷,迫切的需要一种新的非接触式能量传输方式松耦合电能传输技术。而作为松耦合电能传输技术的核心部分松耦合变压器,对它的研究则显得尤为重要。

1 松耦合电能传输系统的组成

松耦合电能传输系统式根据麦克斯维尔电磁场原理,通过可分离变压器进行能量的传递。系统的组成框图如图1所示。

图1 松耦合电能传输系统

以可分离变压器为分界点,能量传输框图由两大部分组成,变压器原边由交流电网输入,整流滤波成直流电,并经过功率因数校正,通过高频逆变给变压器原边绕组提供高频交流电流。通过原边绕组与副边绕组的感应电磁耦合将电能经过整流滤波和功率调节后提供给用电设备。

从该系统可以看出,整个系统的总的传输功率由4部分组成:1)从工频交流道直流的变换效率;2)从直流到高频逆变的逆变效率;3)从次级输出端到负载的变换效率;4)感应耦合环节的功率传输效率。前3项与通态压降和高频开关损耗有关,采用软开关技术和功率因数校正技术可以解决这些问题。关于第4项,可分离变压器属于松耦合结构,要增大感应耦合能力,必须提高系统的工作频率,选择合适的电磁结构和参数,以及补偿电路等方法,力求可分离变压器传输功率的最大化[1]。

2 功率因数校正电路设计

电能通过发电机、变压器、输电线送到用户端,电源、变压器和输电线路电阻所产生的损耗I2R和发热、升温有关,受功耗、发热和温升的限制,发电机、变压器、输电线路及各种电器都有额定电流、额定电压、额定功率的限制。在输电线路中传送的功率包括有功功率和无功功率两部分,其中无功部分在发电机、输电线路和负载间来回传送,并不产生有用的功,但是却占用了电力系统的容量。这部分无功容量取决于负载的功率因数λ,功率因数λ越小,无功电流越大,电力系统发送的电能利用率越低,造成资源的浪费。功率因数λ=1时,电力系统发送功率的利用率最高,这时发电机和电力系统输送的功率全部被负载利用。在工程上,功率因数定义为有用功率与视在功率之比,在正弦电路中功率因数是由电压和电流的相位差φ决定的,λ=cosφ[2]。

功率因数校正技术的核心是通过开关变换器的电流或电压的控制,使电源侧的输入电流跟踪其电压,使得开关变换器从电源吸收无畸变的正弦电流,使得输入端等效为一个纯电阻,功率因数λ=1。

按照PFC电路使用的元器件分类可分为:无源PFC(PPFC)和有源PFC(APFC)两种类型。其中,PPFC仅使用二极管、电感和电容器件等无源器件,电路结构简单,成本较低,但对电流波形失真的抑制效果较差。APFC技术除了使用无源元件之外,还使用晶体三极管以及控制IC等有源器件,APFC可以实现较高的功率因数,产生正弦电流波形,但缺点是电路拓扑结构复杂,成本高。

鉴于要保证电源部分应该符合可控偏心器的实际安装尺寸以及井下电路不宜于复杂的实际情况,本样机采用了无源功率因数校正(PPFC)。

早期的功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)技术采用的都是无源功率因数校正(Passive Power Factor Correction,PPFC)技术。最简单的无源功率因数校正电路时在整流桥前面加一个滤波电感,增加整流二极管的导通时间,降低输入电流的幅值,实现功率因数校正。传统的无源功率因数校正由电感和电容构成滤波电路放置于桥式整流的输入端,可将线路功率因数提高到0.7,但是这种校正电路必须使用大而笨重的铁心电感器,不符合小型化的要求。新型的无源功率因数校正电路由3个二极管和2个电容组成,放置于桥式整流电路的输出端,称之为填谷式无源功率因数校正。线路功率因数可提高到0.9以上,且电路结构简单易于实现,其基本思想是采用两个串联电容作为滤波电容,适当地配上几只二极管,使用电容的串联充电、并联放电,以增大整流二极管的导通角,改善输入侧的功率因数。

3 填谷式无源功率因数校正电路工作原理

填谷式无源功率因数校正电路如图2所示,这种PPFC电路被置于桥式整流电路的输出端,电路由容值相同的直流滤波电容C1,C2和3个二极管D5,D6,D7组成一个二极管直流滤波电容网络。

图2 填谷式无源功率因数校正电路

其工作原理是:当涡轮发电机发电机发出50 Hz的正弦交流电压由零向峰值Um变化的1/4周期内,整流二极管D1和D4导通,电流对电容C1并经对D6充C2电。当输入电压达到峰值Um时,由于C1=C2,所以Uc1=Uc2=Um/2。当输入电压从峰值开始下降时,电容C1通过负载和D5放电,直到交流电压到达Um/2之前,二极管D1、D4一直导通。当瞬时交流电压幅度小于Um/2时,C2通过D7和负载放电。当瞬时交流电压低于直流电压时,D1和D4因反向偏置而截至,但是D2和D3不会马上导通,于是交流输入电流阻断,出现死区。当交流电压为负半周开始时的一段时间内,因为交流瞬时电压依然小于直流电压,所以D2和D3仍然是截止的。当交流电压高于直流电压时,D2和D3导通,电流对C1,C2充电,如此交替。由于电容和二极管网络的串并联特性,因此这种结构增大了二极管的导通角,可由60°～70°增加到120°～135°,从而使输入电流的波形得到改善,线路的功率因数提高到0.9以上[3]。

4 填谷式无源功率因数校正电路的参数选择

为了确定填谷式无源功率因数校正电路中两个直流滤波电容的参数以及对输入电流波形的校正情况,在电路仿真软件Multisim和PSpice中对该电路进行了仿真。仿真电路图如图3所示。

图3 填谷式无源功率因数校正仿真电路

按照仿真图,电源参数设置成我们的涡轮发电机发电机的实际工作参数,改变图中C7、C8的容值,通过两个Wattmeter仪器测试系统的输入输出功率如图4所示。

图4 输入输出功率随容值的变化曲线

通过仿真,从图4可以看出,当直流滤波电容选为10 μF时,负载得到的功率是最大的,而此时测得系统的功率因数为0.945。所以,选择两个直流滤波电容的融值为10μF较为合适[4]。

5 填谷式无源功率因数校正电路的实践

搭建了填谷式功率因数校正电路,并且将电路串进所设计的松耦合电能传输系统中,即串接在整流部分的输出端,测试了系统的涡轮发电机的输入电流波形,电流波形主要是通过互感器转换成电压波形,在示波器中得到,如图5(a)、(b)所示(横纵是时间值,纵轴是电压值),加入填谷式功率因数校正电路的交流输入电流波形较未加入功率因数校正电路的交流输入电流波形畸变得到了较为明显的改善[5]。

从上述的论述中可以看出,填谷式功率因数校正电路是串接在整流电路后,取代了单个直流滤波电容,因为直流滤波电容容值较大,所以使得交流电源的输入电流发生较大的畸变。电流畸变率的大小与的乘积有关。的值越大,交流电源输入的畸变率越大高。当采用涡轮发电机作为电源时,是固定的,如果负载也是固定的,那么输入电流的畸变率只与滤波电容有关。当采用填谷式功率因数校正电路时,改用了两个滤波电容和,与三个二极管组成的网络,使得两个电容可以串联充电、并联放电。即相当于把充电时的直流滤波电容的容值从放电时的减小到1/2,所以使电源输入电流波形的畸变率减小,功率因数增大[6]。

6 结束语

松耦合电能传输系统中,系统所得到的有功功率是非常重要的因素。本文对感应电能传输系统进行了研究,分析研究了功率因数校正技术,并使得功率因数校正技术应用于松耦合电能传输系统;同时,通过仿真与实验也验证了功率因数校正技术可以大大地提高了系统的有功功率,降低了系统的无功损耗。

[1] 刘 建.基于松耦合变压器的全桥谐振变换器的研究[D].南京:南京航空航天大学,2008

[2] 武 瑛.新型无接触供电系统的研究[D].【博士】中国科学院院研究生院,2007

[3] 张永祥,田 野,李 琳.松耦合感应电能传输系统的设计[J].海军工程大学学报,200,18(1)

[4] 毛赛君.非接触感应电能传输系统关键技术研究[D].【硕士】南京航空航天大学,2006

[5] 杨民生.基于DSP的非接触式电源系统的研究[D].【硕士】湖南大学,2005

[6] 刘胜利,李龙文.高频开关电源新技术应用[M].北京:中国电力出版社,2008

PI,2010,24(6):1～3

The loosely coupled power transmission system is a new power transmission system,its key component is the loosely coupled transformer.Its coupling coefficient is relatively low,so the power transmission of the system is restricted.By researching the passive power factor correction(PPFC)and setting up valley-type passive power factor correction circuit,this article focuses on improving the system active power,and making power factor correction technology into the loosely coupled power transmission system.

Key words:loosely coupled;separable transformer;power transmission system;power factor correction

Application of power factor correction technology to the loosely coupled power transmission system.

Zhou Jing and Li Yongzhen.

TM714.3

B

1004-9134(2010)06-0001-03

国家高科技研究发展计划(“863”计划)项目“旋转导向可控偏心器工程化技术研究”(编号:2007AA090801-01)和国家科技重大专项课题“多枝导流适度出砂技术”项目子课题“电机泵动力旋转导向钻井工具及配套技术研究”(编号:2008ZX05024-003-05)资助

周 静,女,1964年生,1988年毕业于西安电子科技大学,获硕士学位,现为西安石油大学教授,主要从事国家863项目:旋转导向智能钻井系统的研究。邮政编码:710065

2010-06-01编辑:高红霞)