电力系统中功率因素

电力系统中功率因素（精选8篇）

电力系统中功率因素 第1篇

关键词：无线电能传输,功率,效率,因素

在19世纪80年代末期,人们开始研究无线电能传输的相关技术,直到2007年,美国麻省理工学院通过利用谐振原理初步取得了这方面的研究成果。目前,该技术在多种领域得到了应用和推广,如医疗器械等。这项技术在各个领域中的应用,不仅给人们的生活带来了更多的便利,还促进了科学技术的进一步的发展。下面笔者就针对这项技术进行理论分析。

1无线电能传输系统中传输功率和效率的理论分析

1.1无线电能传输系统中传输功率和效率的分析

现阶段用于分析和研究谐振耦合电路所使用的方法理论主要包括电路和耦合模[1]。耦合模理论能够宏观地描述出其运行的原理,但无法根据各种参数详细地说明该系统所具有的各项功能。而电路理论相较于耦合模理论,能准确描述出影响该系统传输功率以及效率的不同参数。根据相关资料显示,这2种理论在研究该系统传输功率和效率方面具有同等作用,因此,本文所采用的研究方法是电路间的互感理论。传输系统通常是由发射、接受、负载以及电源4个部分装置构成的。

1.2无线电能传输系统中阻抗的分析

以谐振耦合电路为例进行分析,其基本的工作原理是只有选择频率相同的2个物体,才能够实现物体间能量的传输[2]。根据相关的输出定理能够清楚地了解到,当2个物体间的阻抗为共轭关系时,2个物体间的传输功率能够达到最大值。而阻抗不为共轭关系时,将会大大影响物体间传输功率。所以,为了增加2个物体间的传输效率,提高传输功率,应选择阻抗具有共轭关系的2个物体。若选择了不相符的物体,极容易损坏相关的仪器。因此,在该系统中应尽量选择阻抗相匹配的物体,然而在实际的选择中,难以选到阻抗十分匹配的物体,通常选择具有相似阻抗的物体[3]。

利用谐振耦合电路进行传输的系统主要包括2种电路和4种系统,其中电路包括正弦和功放2种电路,系统包括负载、调压以及电磁发射和接收4种系统。通过该系统构成的结构能够知道,上述4种系统能够构成功放电路的负载。图1便是该系统2种等效的电路模型。

该电路模型中,Vs是该电路的电源,R为电路中各部分的电阻,L是线圈的电感,M表示每两组线圈之间的互感系数,C则代表各部分的电容。在此电路模型当中,以上叙述的为主要参数,其他影响较小的参数可忽略不计。

通过利用相关的公式能够计算出其整体的阻抗,影响整体阻抗的参数一共有5个,分别为频率、激磁和发射线圈之间的互感系数、发射和接收线圈之间的互感系数、接收和负载线圈之间的互感系数以及负载电阻。这5种参数一旦发生变化,将会大大影响系统传输功率的大小和传输速率的有效性。

2实验研究与分析

2.1频率对传输功率和效率的影响

接收线圈与发射线圈长度为30cm,其中负载阻抗为60Ω,在对其进行研究时,对发生器进行调节,使其传输频率逐渐增加,将得到的功率以及效率绘制成图2,并对其进行研究。

根据图2可以发现,在机械工作过程中,功率与效率不是随着频率的增长而无限增加的,是先进行一个阶段的增长之后,又有一定的下降趋势,在8.7MHz时,效率与功率同时达到了顶峰。根据这一现象就可以发现,在这一设备中,频率对负载阻抗具有一定的调节作用,如果要使设备的效率达到最高,就可以改变频率,使设备内的负载阻抗进行调节。2.2 M23对传输功率和效率的影响

在研究的装置中,所使用的是50Ω的负载阻抗,将输出的频率保持不变,固定在8.7MHz,将设备中各项圈的距离不断地增加,将测得的结果绘制成图3,并对队形进行分析。

根据图3的分析可以发现,在线圈距离较短时,随着距离的增加,功率与效率有一定的增长趋势,而距离达到了一定程度后,就会发现,功率与效率具有明显的下降趋势,在本文的实验中功率达到最大值时两线圈之间的距离为14cm,效率达到最大值时两线圈的距离为20cm。这就能很好地表现出线圈距离的远近对负载阻抗有重要的影响,根据使用功率的要求,对线圈之间的距离进行更改,使设备在使用过程中发挥出重要的作用。

2.3 M12和M34传输功率与效率的影响

通过研究发现,实验装置的负载数值为50Ω纯阻性负载,在发射信号时,其频率保持在8.6MHz期间,发射线圈以及接受线圈之间的距离保持为20cm左右。对信息分析可知,把激磁线圈与发射线圈间距离调整时,M12的数值也随之发生改变;如果改变接受线圈和负载线圈时,M34的数值也发生了改变,发射线圈和接受线圈电压波段产生变化。可以得出结论,M12和M34对于负载抗阻有很大影响,两者一旦发生变化,模块的输出功率也发生变化。

3结语

通过分析无线电能传输技术的基本工作原理,对其进行实验,证明了阻抗是否匹配对其传输的效果有着很大的影响。所以,在选择物体阻抗时,应尽量与原阻抗相匹配,能够有效地提高其传输的效率。而影响阻抗大小因素主要包括频率、激磁和发射线圈之间的互感系数、发射和接收线圈之间的互感系数、接收和负载线圈之间的互感系数以及负载电阻5种因素。因此,在实际的应用过程中,尽量使各项参数达到最佳状态,从而提高其传输的效率和功率。

参考文献

[1]李阳,杨庆新,陈海燕,等.无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析[J].电工电能新技术,2012(3):31.

[2]王涛,宁世超.谐振式无线电能传输技术影响因素[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2015(2):233.

电力系统中功率因素 第2篇

关键词：无功功率 无功补偿 功率因数 电容器

线损是电流在输变电设备和线路中流动产生的，因而它由线路损耗和变压器损耗两部分组成。按损耗的变化情况可划分为可变损耗和固定损耗。前者指当电流通过导体和变压器所产生的损耗，包括变压器的铜损和电力线路上的铜损，它与负荷率、电网电压等因素有关，约占电网总损耗的80%—85%。后者指只要接通电源电力网就存在的损耗，包括变压器的铁损，电缆线路、电容器及其他电器上的介质损耗及各种计量仪表、互感器线圈上的铁损，它与电网运行电压和频率有关，占总损耗15%～20%。我国与发达国家相比，线损较大。发达国家的线损约为2%—3%，而我国在2006年的线损统计为7.l%，所以线损的解决显得越来越重要。

1、无功功率

1.1无功功率的定义

电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的，他们在能量转换过程中建立交变的磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在负荷与电源之间往复交换，在三相之间流动，由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。

1.2无功功率的作用

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。

1.3无功分类

感性无功：电流矢量滞后于电压矢量90°，如电动机、变压器、晶闸管变流设备等；容性无功：电流矢量超前于电压矢量90°，如电容器、电缆输配电线路等；基波无功：与电源频率相等的无功（50HZ）；谐波无功：与电源频率不相等的无功。

2、无功补偿

在电力系统中，不但有功功率需要平衡，无功功率也需要平衡。

2.1无功补偿的作用

无功补偿的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。安装并联电容器进行无功补偿，可限制无功功率在电网中的传输，相应减少了线路的电压损耗，提高了配电网的电压质量。

（1）提高变压器的利用率，减少投资；功率因数由cosΦ1提高到cosΦ2提高变压器利用率为：

（2）减少用户电费支出；可避免因功率因数低于规定值而受罚。可减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，电费可相应降低。

（3）提高电力网传输能力；有功功率与视在功率的关系式为：

P=ScosΦ

2.2功率因数

实际供用电系统中的电力负荷并不是纯感性或纯容性的，是既有电感或电容、又有电阻的负载。这种负载的电压和电流的相量之间存在着一定的相位差，相位角的余弦cosΦ称为功率因数，又称力率。它是有功功率与视在功率之比。

2.3无功补偿的基本原理是

把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。

2.4无功补偿的常用装置

（1）同步调相机；早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿。同步调相机目前在现场仍有少量使用。

（2）静止补偿装置；静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。静止补偿器由于其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。

2.5无功补偿的主要方式

配电网无功补偿的主要方式有五种：变电站补偿、配电线路补偿、随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。

变电站补偿：针对电网的无功平衡，在变电站进行集中补偿，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，主要目的是平衡电网的无功功率，改善电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。

配电线路补偿：线路无功补偿即通过在线路杆塔上安装电容器实现无功补偿。线路补偿点不宜过多；控制方式应从简，一般不采用分组投切控制；补偿容量也不宜过大，避免出现过补偿现象；保护也要从简，可采用熔断器和避雷器作为过流和过压保护。

随机补偿：随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电动机同时投切的一种无功补偿方式。县级配电网中有很大一部分的无功功率消耗在电动机上，因此，搞好电动机的无功补偿，使其无功就地平衡，既能减少配电线路的损耗，同时还可以提高电动机的出力。

2.6电容器直接补偿的危害

电网谐波与并联电容器的运行有较大的关系，因为电容器可能使电网中的谐波电流放大，有时甚至在电网中产生谐振，使电器设备受到严重损坏，破坏电网的正常运行。在供电系统中作为无功补偿用的并联电容器，对于某次谐波若与呈感性的系统电抗发生并联谐振，则可能出现过电压而造成危害。过大的谐波电流可能使电容器寿命缩短、鼓肚、熔丝群爆甚至烧损。

3、无功补偿容量的确定

电容器的补偿容量与采用的补偿方式、未补偿时的负载情况、电容器的接法有关。

4、结语

电力系统中线路损耗和变压器损耗对电网电压及电能质量形成了很大影响，无功功率补偿在电力系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。通过合理的选择无功补偿装置，不但可以最大限度的减少电网的损耗，而且可以电提高网质量。本文对无功功率、无功补偿等各方面的基本定义及工作原理进行了详细的的介绍，提出了电容器直接补偿的危害，深入探讨了无功补偿容量的计算方法。

参考文献：

[1]王正风.无功功率与电力系统运行[M].中国电力出版社.

[2]王兆安，杨君，刘进军，谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社.2002.

电力系统中功率因素 第3篇

摆脱有形介质的束缚,实现电能的无线传输是电能传输与接入的一种革命性进步,也是人类多年的一个美好追求。无线电能传输技术始于1889年的美籍克罗地亚裔物理学家特斯拉的研究[1],多年来国内外的科学家执着地开展了很多探索研究工作,但进展缓慢[2,3,4]。近几年,电磁耦合谐振式无线能量传输技术作为一种新兴的无线能量传输技术迅速发展起来,并在无线能量传输领域引起巨大的反响,使无线能量传输技术成为国内外学者研究的又一热点问题。该技术思路最早是由MIT于2006年11月在美国AIP工业物理论坛上提出[5],并于2007年进行了基本的实验验证[6],并在《Science》杂志上发表题为《Wireless Power Transfer Via Strongly Coupled Magnetic Resonances》的文章。文章中指出该技术不仅能在几米的距离传输能量,而且可以穿越木板、塑料、墙壁等障碍,在一定的距离传输较大的功率。

目前国内外在电磁耦合谐振式无线电能传输方面进行研究还处于起步阶段,主要是功率、效率的分析和小功率的实验验证[7,8]。目前关于阻抗匹配方面的研究工作主要有:文献[9]分析了传输距离的变化会改变谐振频率,提出了利用阻抗匹配的方法保持谐振频率的方法。文献[10]针对2.4GHz的目标频率,为提高交流(高频)到直流的转换效率提出了在微波天线和整流桥之间、整流桥与负载进行阻抗匹配的设计方法。

这些研究对无线电能传输技术,尤其是对提高传输功率和效率起到了推动作用,但目前还没有分析系统自身阻抗对传输功率和效率的影响研究。因此本文在上述研究工作的基础上,首先从无线电能传输系统进一步分析阻抗匹配的作用和系统参数对系统阻抗的影响,并设计开发了无线电能传输实验系统,验证所提方法对提高移动物体传能功率和效率的效果。

2 电磁谐振耦合式无线电能传输系统的阻抗分析

电磁谐振耦合式无线电能传输系统基本原理是利用两个具有相同谐振频率的物体之间可以实现能量的高效传输,其工作频率一般在射频段。根据射频最大功率传输定理可知:当负载阻抗等于源阻抗的复共轭时,传输到负载的功率最大,因此负载阻抗对射频传输功率影响很大。同时当负载不匹配时,会有部分功率反射,这也影响传输的功率和效率。

无线电能传输系统中为了使传输系统能将波源的功率有效地传给负载,就必须使其阻抗匹配。如果阻抗不匹配造成很大的功率反射将会烧毁功率放大器,所以对于无线电能传输系统必须做到无反射匹配,但是理想的阻抗匹配实际中很难办到,只要匹配在一定范围内即可。

电磁耦合谐振式无线电能传输系统一般包括六个部分:正弦信号发生电路、宽带线性功放电路、电磁发射系统、电磁接收系统、整流调压系统和负载。由无线电能传输系统的结构可知:电磁发射系统和电磁接收系统以及整流调压和负载可以看成宽带线性功放模块的负载。

图1是无线电能传输系统的等效电路图。VS为高频电源;RS为电源内阻;RL为负载电阻;Rrad1、Rrad2、Rrad3、Rrad4分别为激磁线圈、发射线圈、接收线圈、负载线圈的辐射电阻;Rp1、Rp2、Rp3、Rp4分别为激磁线圈、发射线圈、接收线圈、负载线圈内由于集肤效应等因素产生的损耗电阻;L1、L2、L3、L4分别为激磁线圈、发射线圈、接收线圈、负载线圈的电感;C1、C4分别为与激磁线圈、负载线圈串联的电容;C2、C3分别为发射线圈、接收线圈上的分布电容;M12、M23、M34分别为激磁线圈与发射线圈、发射线圈与接收线圈、接收线圈与负载线圈之间的互感系数,为了便于分析,其余的互感忽略不计。

负载线圈的阻抗:

当工作在无线电能传输谐振频率时:

负载线圈的阻抗等效到接收线圈侧的阻抗为:

接收线圈阻抗为:

同理可得发射线圈阻抗为:

同理可得激磁线圈阻抗(即功率放大器的总负载)为:

由式(6)可知:Ztotal=Z1=f(f,M12,M23,M34,RL),即功率放大器的终端负载是一个关于五个参数(频率f、互感系数M12、M23、M34、负载RL)的多变量的函数。通过改变上述五个参数的大小必然会影响传能系统的阻抗,因此上述五个参数对系统的传输功率和效率影响很大。本文下面将通过实验重点研究f、M12、M23、M34、RL五个参数对无线电能传输功率和效率的影响,从而对提高功率和效率的设计提供参考。

3 实验研究与分析

为了验证理论分析的正确性,本文开发了电磁耦合谐振式无线电能传输实验装置,如图2所示,其中电磁发射、接收系统由螺旋线圈组成。

3.1 频率f对传输功率和效率的影响

在图2的实验装置中,在发射线圈和接收线圈20 cm时,负载为50Ω纯阻性负载,改变信号发生器的输出频率,调节功率放大器的总负载,得到功率和效率随着频率的变化情况,如图3所示。

由图3可知:随着频率的增大无线电能传输的功率和效率先是增大随后又减小,并且在频率为8.6 MHz时功率和效率达到最大值。这说明频率对负载阻抗影响较大,调整频率改变负载阻抗值可以使得功放模块的输出功率达到最大值。由于此时的输出功率最大,那么反射功率就会降到最低,这样功放模块上的热损减小,所以此时的效率也最大。

3.2 M23对传输功率和效率的影响

在图2的实验装置中,负载为50Ω纯阻性负载,信号发生器频率固定为8.6MHz时,改变发射线圈和接收线圈的距离得到功率和效率随着M23的变化情况,如图4所示。

由图4可知:随着线圈间距离的增大无线电能传输的功率和效率先是增大随后又减小,并且分别在距离为15cm和20cm时效率和功率达到最大值。这说明距离对负载阻抗影响较大,调整距离改变负载阻抗值可以使得功放模块的输出功率达到最大值。

3.3 RL对传输功率和效率的影响

在图3的实验装置中,在发射线圈和接收线圈20 cm时,信号发生器频率固定为8.6 MHz时,改变负载大小得到功率和效率随着RL的变化情况,如图5所示。

由图5可知:随着负载的增大无线电能传输的功率和效率逐渐减小。说明负载阻值越小得到的无线电能传输的功率和效率也就越大。

3.4 M12与M34对传输功率和效率的影响

在图3的实验装置中,负载为50Ω纯阻性负载,信号发生器频率固定为8.6MHz时,发射线圈和接受线圈的距离为20cm时,发射线圈和接收线圈的电压波形如图6中(a)所示。如图3所示通过调节激磁线圈和发射线圈的距离改变M12的值;通过调节接收线圈和负载线圈的距离改变M34的值分别得到图6中(b)、(c)所示发射线圈和接收线圈的电压波形。

由图6可知:在其他条件保持不变的情况下,调节M12使得接收线圈的电压由26.2V升到33.6V;调节M34使得接收线圈的电压由33.6V升到34.7 V。进一步说明M12和M34对负载阻抗有一定的影响,调节它们的大小可以提高功放模块的输出功率。

4 结论

理论分析和实验研究表明阻抗匹配对无线电能传输功率和效率影响很大。进行有效的阻抗匹配,可提高传输功率和效率。频率f、互感M12、互感M23、互感M34、负载RL五个参数影响阻抗大小,改变这五个参数的大小直接影响无线电能传输功率和效率。

在工程应用中,综合调整、优化上述五个参数可使系统处于最佳运行状态,系统功率和效率达到最佳。

参考文献

[1]Tesla N.Apparatus for transmitting electrical energy[P].U.S.patent:1,119,732,December1914.

[2]Esser A,Skudelny H C.A new approach to power sup-plies for robots[J].IEEE Transactions on Industry Ap-plications,1991,27(5):871-875.

[3]Manolatou C,Khan M J,Fan Shanhui,et al.Coupling of modes analysis of resonant channel add-drop filters[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1999,35(9):1322-1331.

[4]Hirai J J,Kim T W,Kawamura A.Wireless transmission of power and information for cableless linear motor drive[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2000,15(1):21-27.

[5]Aristeidis Karalis,Joannopoulos J D,Marin Soljacic.Wireless non-radiative energy transfer[A].The AIP In-dustrial Physics Forum[C].2006.11.

[6]Andre Kurs,Aristeidis Karalis,Robert Moffatt,et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic res-onances[J].Science,2007,317(6):83-86.

[7]Zhu Chunbo,Yu Chunlai,Liu Kai,et al.Research on the topology of wireless energy transfer device[A].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference(VPPC)[C].2008.

[8]Zhu Chunbo,Liu Kai,Yu Chunlai,et al.Simulation and experimental analysis on wireless energy transfer based on magnetic resonance[A].IEEE Vehicle Power and Pro-pulsion Conference(VPPC)[C].2008.

[9]Teck Chuan Beh,Imura T,Kato M,et al.Basic study of improving efficiency of wireless power transfer via magnet-ic resonance coupling based on impedance matching[A].2010IEEE International Symposium on Industrial Elec-tronics(ISIE)[C].2010.2011-2016.

电力系统中功率因素 第4篇

在蜂窝移动通信中，“远近效应”严重影响着通信的质量。所谓远近效应就是当基站同时接收两个距离不同的移动台发出来的信号时，由于两个移动台频率相同，则距基站近的移动台MS1将对另一个移动台MS2信号产生严重干扰，产生以强压弱的现象。

对于FDMA和TDMA系统可采用窄带滤波和时间定时，使得“远近效应”对通信质量的影响较小，而在CDMA系统中，“远近效应”的影响，可能使距基站较远的用户完全被距基站近的用户“淹没”。由于移动通信中移动用户不断地移动，有时靠近基站，有时远离基站。如果移动台发射功率固定不变，那么离基站距离近时，过大的发射功率不仅浪费，而且会造成对其它用户的干扰，尤其是对离基站较远的移动台给基站的信号影响较大。

在移动通信网络中，远近效应问题是普遍存在的，而且十分严重，甚至影响到网络的容量，为此CDMA系统必须采取功率控制技术。

“拐角”效应发生在下行(从基站到移动台)链路中，当移动台处于小区拐角时，所接收到的干扰将是在小区附近的三倍。所以当干扰严重时，移动台的通信质量会迅速下降。解决“拐角效应”通常采用正向链路功率控制技术，控制各基站的发射功率，只想移动台发射所需功率。以减少对邻近小区的干扰。

2 反向链路的功率控制

CDMA系统的通信质量和容量主要受限于收到干扰功率的大小。若基站接收到移动台的信号功率太低，则误比特率太大而无法保证高质量通信;反之，若基站接收到某一移动台功率太高，虽然保证了该移动台与基站间的通信质量，但对其他移动台增加了干扰，这就会导致整个系统通信质量的恶化和容量的减少。只有当每一个移动台的发射功率控制到基站所需的载干比的最小值时，通信系统的容量才能达到最大值。

上行链路功率控制就是控制各移动台的发射功率的大小，它可分为开环功率控制和闭环功率控制以及外环功率控制(outerLoopPC)。

1)上行链路开环功率控制也称为反向链路开环功率控制(Uplink PC)，或者称为反向开环功率控制。它主要是借助于实时调整各移动台发射功率，使本小区内任一移动台无论离基站多远，信号到达基站接收机时刚刚达到保证通信质量的最小载干比，从而保证系统容量。它的前提条件是假设上行与下行传输损耗相同，在开环功率控制系统中，移动台首先检测接收到的基站导频信号功率，如果移动台接收到的信号功率小，表明在正向链路上此刻的衰耗大，并由此认为反向链路上的衰耗也将较大，于是为了补偿这种信道衰落，移动台将自行增大发射功率;反之，移动台将减小发射功率。由于开环功率控制的目的是为了补偿信道中的平均路径损耗，所以它会有一个很大的动态范围，这一点限制了它的功率控制效果。开环功率控制只是移动台对发送电平的粗略估计，移动台通过测量接收功率来估计发送功率，而不需要进行任何正向链路的解调。开环功率控制的响应约为毫秒级，控制动态范围约在几十分贝。

开环功率控制的优点就是简单易行，不需要在移动台和基站之间交换控制信息，因而不仅控制速度快而且节约开销。它对付慢衰落比较有效，即对车载移动台快速开进或开出高大建筑物遮蔽区所引起的衰落，可以通过开环功率控制减小慢衰落的影响。但是对于信号因多径效应而引起的瑞利衰落，效果不佳。对于900MHz的CDMA蜂窝系统，采用频份双工通信方式，收发频率相差45MHz,已远远超过信道的相干带宽。所以，上行或是下行无线链路的多径衰落是彼此独立的，是完全不相干的。为了解决关于瑞利衰落结局效果不佳的情况，可以采用闭环功率控制的方法来解决。

但实际上由于各种原因，上下链路的路径损耗是不同的，因此控制信号的误差较大，控制准确度不高，且移动台要同时完成检测和控制，实现比较困难。

2)之所以称它为闭环功率控制，是说它是由基站检测来自移动台的信号强度或载干比，根据测得的结果与预定的标准值相比较，形成功率调整指令，通知移动台调整它的发射功率，调整阶距为0.5dB，一般情况下这种调整指令每1ms发送一次就可以了。

上行链路功率控制有效的解决了远近效应的问题，使各移动台发出的信号到达基站的功率电平几乎是相等的，既达到保证通信质量所要求的载干比的门限值，又可以最大限度地减少多址干扰，扩大系统容量。

但开始呼叫时必需以高电平呼叫，直到基站识别做出应答，移动台才能将发射功率下降到合适的值。在这样的高电平持续的时间内，就会造成各种干扰。另外基站到各个移动台必须具备某种形式的控制信道，以发送功率控制指令。

为弥补开、闭环功率控制的缺点，保证功率控制的精确和速度，采用开、闭环功率控制相结合的功率控制方式。在开始呼叫时，先用开环方式由移动台测量正向信号的功率，调整起始电平，然后用闭环方式由基站测量来自移动台的信号，并与CIR的门限值进行比较，产生一个功率指令发射给移动台，改指令与开环功率控制方式相结合，将移动台的发射功率调整到适当值。发射功率的调整，采用阶梯控制方式，有利于设备简化。

3 正向链路的功率控制

正向链路也称作下行链路(Downlink PC)，所以正向链路的功率控制也称作为正向功率控制。它是调整基站向移动台发射的功率，使任一移动台无论处于蜂窝小区中的任何位置上，收到基站发来的信号电平都恰好达到载干比所要求的门限值。做到这一点，就可以避免基站向距离近的移动台辐射过大的信号功率，也可以防止或减少由于移动台进入传播条件恶劣或背景干扰过强的地区而发生误码率增大或通信质量下降的现象。它实现的是基站根据移动台提供的测量结果，随时调整每个移动台的发射功率。其目的是对路径衰落小的移动台分配相对较小的正向发射功率，而对那些较远的和解调载干比低的移动台分配较大的正向发射功率。基站通过移动台对正向解调误帧率的反馈报告来决定针对该移动台的正向链路功率的增大或减小。从这个意义上说，正向功率控制也采用了闭环的形式。正向功率控制的目的主要是通过在各个正向业务信道上合理地分配功率来确保各个用户的通信质量，同时使正向链路的用户容量“最大”。

正向功率控制方法与反向功率控制相类似，正向功率控制可以由移动台检测基站发来的信号的强度，并不断地比较信号电平和干扰电平的比值。如果此比值小于预定的门限值，移动台就向基站发出增加功率的请求。基站收到调整功率的请求后，按0.5dB的调整阶距改变相应的发射功率。最大的调整范围约±6dB。这种功率控制是属于闭环方式。正向功率控制也可以采用开环方式，就是可由基站检测来自移动台的信号的强度，以估计反向传输的损耗并相应调整发给该移动台的功率。

在正向链路中，小区内信号的发射是同步的。当移动台解调时，小区内其它用户的干扰可以通过扩频码的正交性除去。在正向链路的解调中，干扰主要来自邻区干扰和多径引入的干扰。但是在正向链路中，由于小区内信号的同步性和移动台相干解调带来的增益使得正向链路的质量远好于反向链路。在正向链路中，只加入一个慢速的功率控制就可以很好地控制每个信道的发送功率。

正向传输信道的功率控制是在移动台的协助下完成的。在正向功率控制时，移动台检测正向传输的误帧率，并向基站报告该误帧率的统计结果，基站根据移动台报告的误帧率，决定向上或向下调整正向传输功率。移动台向基站报告误帧率统计结果有两种方式：1)门限报告方式，移动台统计接收的误帧数，一旦该值达到基站给定的门限，移动台就向基站报告：2)周期报告方式，移动台在基站给定的时间段内统计接收的帧数，在该时间段结束时.移动台就向基站报告误帧的统计值。

究竟采用以上何种方式，由基站为各个移动台个别指定，也可以两种方式一起使用。由于基站是在解调、解扩和译码的信号中提取功率指令，所以正向功率控制对信道变化的反应速度较慢，一般情况下至少需几十毫秒。

4 功率控制对系统容量的具体影响

由于在CDMA蜂窝通信系统中，任一小区的移动台都会受到相邻小区基站的干扰，任一小区的基站也会受到相邻移动台的干扰。这些来自邻近小区的干扰必须作为背景干扰的组成部分来对待，其存在必然会影响系统的容量。

在正向传输中，在一个小区内部，同一个基站不断地向所有通信中的移动台发送信号。任一移动台在接收有用信号时，基站发给所有其它用户的信息都要对这个移动台形成干扰。因为移动台靠近或离开该基站时，有用信号和干扰信号同样增大或减少，因此，若基站不进行功率控制，则该移动台无论处于小区的什么位置上，其接收到的载干比都不会变。但是，对邻近小区来的干扰而言，情况会不同，由于传播的距离不同，移动台越靠近小区的边缘，邻近小区的干扰就越强，而有用信号的强度却趋于最低。移动台最不利的接收位置是处于3个小区的交界的地方，经计算可得到载干比的表示式：

如果不计邻近基站的干扰，可得C/I=1/(n-1)，而由于邻近基站的干扰不能忽略，载干比将下降3.3倍。通常发射机的最大功率是根据最大通信距离进行计算的。在三个小区的交界处，基站的发射功率必须保证移动台在小区交界处可以正常的工作。但是，当移动台靠近基站时，如果基站仍然发射同样强的功率，则除去增大背景干扰外并无好处。基站增加功率控制后能把其发射的总功率减小1/2倍，这样对减少系统中的多值干扰是有好处的。在计算基站增加功率控制后，移动台处于小区交界处的载干比的表示式：

与(1)式相比，可看到，但载干比要求想同时，后者可允许同时工作的用户数比前者增大一倍。

此外，不考虑邻近小区的干扰时，一个小区允许同时工作的用户数约为n=1/(C/I)，即后者是前者的0.6倍，这就说明CDMA蜂窝系统和其它蜂窝系统类似，也存在一种信道再用效率F=0.6。可得

该式可用来计算CDMA蜂窝通信系统正向传输的通信容量，就是每个小区的信道数，或每个小区允许同时工作的用户数。

在反向传输中，如果各小区中的移动台都可以自动调整其发射功率，让任意一个移动台不论处在小区的任何位置上，它的信号功率在到达基站时，都能保持在某一额定值：就是载干比的门限值。由于各个基站的位置是固定不变的，各移动台在其小区内时随机分布的，因此基站附近的背景干扰不会因为某一移动台的位置变化而发生明显的变化。所以说，反向功率控制应该按照传播损耗的规律来确定。移动台(i)发射功率(Pi)与距离(ri)的关系为：

r为小区半径，Pm是移动台处于小区边缘处所需要的最大功率。

功率控制使得CDMA移动通信具有以下优点：

1)功率消耗最小，延长移动电池寿命;

2)降低干扰，最大化系统容量;

3)保证通信链路要求的QOS以支持对QOS敏感的多媒体业务;

4)提供服务区内不相等负载小区间的负载分流。

总之，功率控制是CDMA蜂窝移动通信系统提高通信质量、增大系统容量的关键技术，也是实现这种通信系统的关键技术之一。

参考文献

[1]郭梯云,邬国扬,李建东.移动通信[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2000.

[2]邬国扬.CDMA数字蜂窝网[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.

[3]邬国扬,孙献璞.蜂窝通信[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

电力系统中功率因素 第5篇

在电力网的运行中, 功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度, 我们希望的是功率因数越大越好。

一、影响功率因数的主要因素

1、大量的电感性设备, 如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的统计, 在工矿企业所消耗的全部无功功率中, 异步电动机的无功消耗占了60%~70%;而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60%~70%。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。

2、变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%~15%, 它的空载无功功率约为满载时的1/3。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期处于低负载运行状态。

3、供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。

二、无功补偿方法

1、低压个别补偿:

低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接, 它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行 (如大中型异步电动机) 的无功消耗, 以补励磁无功为主。

2、低压集中补偿:

低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧, 以无功补偿投切装置作为控制保护装置, 根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。电容器的投切是整组进行, 做不到平滑的调节。低压补偿的优点:接线简单、运行维护工作量小, 使无功就地平衡, 从而提高配变利用率, 降低网损, 具有较高的经济性, 是目前无功补偿中常用的手段之一。

3、高压集中补偿:

高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的6~10kV高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端, 用户本身又有一定的高压负荷时, 可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用;补偿装置根据负荷的大小自动投切, 从而合理地提高了用户的功率因数, 避免功率因数降低导致电费的增加。同时便于运行维护, 补偿效益高。

三、无功电源

电力系统的无功电源除了同步电机外, 还有静电电容器、静止无功补偿器以及静止无功发生器, 这4种装置又称为无功补偿装置。除电容器外, 其余几种既能吸收容性无功又能吸收感性无功。

1、同步电机:

同步电机中有发电机、电动机及调相机3种。

(1) 同步发电机:

同步发电机是唯一的有功电源, 同时又是最基本的无功电源, 当其在额定状态下运行时, 可以发出无功功率:

其中:Q、S、P、φ是相对应的无功功率、视在功率、有功功率和功率因数角。

发电机正常运行时, 以滞后功率因数运行为主, 向系统提供无功, 但必要时, 也可以减小励磁电流, 使功率因数超前, 即所谓的"进相运行", 以吸收系统多余的无功。

(2) 同步调相机:

同步调相机是空载运行的同步电机, 它能在欠励或过励的情况下向系统吸收或供出无功, 装有自励装置的同步电机能根据电压平滑地调节输入或输出的无功功率, 这是其优点。但它的有功损耗大、运行维护复杂、响应速度慢, 近来已逐渐退出电网运行。

(3) 并联电容器:

并联电容器补偿是目前使用最广泛的一种无功电源, 由于通过电容器的交变电流在相位上正好超前于电容器极板上的电压, 相反于电感中的滞后, 由此可视为向电网"发?quot;无功功率:

其中:Q、U、Xc分别为无功功率、电压、电容器容抗。

并联电容器本身功耗很小, 装设灵活, 节省投资;由它向系统提供无功可以改善功率因数, 减少由发电机提供的无功功率。

2、静止无功补偿器:

静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成, 由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速, 而且通断次数也可以不受限制。

3、静止无功发生器:

它的主体是一个电压源型逆变器, 由可关断晶闸管适当的通断, 将电容上的直流电压转换成为与电力系统电压同步的三相交流电压, 再通过电抗器和变压器并联接入电网。

参考文献

[1]孙亚男、夏纪刚:《浅谈电力系统中无功补偿的重要性》.内蒙古石油化工.2006年32卷6期

电力系统中功率因素 第6篇

电磁推进系统的重复推进是系统面临的一个重要课题。为了提高系统的经济性和稳定性,同时为了提高系统的快速反应能力,必须解决重复推进问题。本脉冲功率源主要应用于小质量电枢的重复推进试验研究。此外,本电源系统还将用于脉冲电流的冲击力研究,用以探索改善轨道支撑结构的有效方法。

1 系统组成及原理

1.1 主回路放电系统

在推进试验中,需要对放电电流进行调制,理想的波形为梯形波[4,5]。根据推进系统对脉冲功率源输出电能的要求,并结合PSpice仿真计算结果[6,7,8],我们研制了总储能为200 kJ的6路脉冲功率电源(PFN模块)。图1是单个模块电路原理图,主要由全桥整流充电系统、电流与速度测量系统、触发控制系统、脉冲电容器、三电极火花隙开关、续流硅堆、调波电感等部件构成[9]。

充电系统给脉冲电容器C充电,充电完毕后,放电开关K1接收到触发系统的脉冲控制信号,按设定时序要求导通主电路,并通过续流硅堆D(参数为2kA/3kV)及20μH调波电感L对放电电流进行调制,向负载Z(电枢及轨道)放电。电枢在脉冲大电流产生的电磁力作用下沿轨道高速运动。

图2是试验系统的实物图,在推进试验中用外积分Rogowski线圈(图1中RC1和RC2)分别测量流经主放电回路电流和续流硅堆电流[10],并通过B-dot线圈测量电枢的速度[11]。

1.2 触发控制系统

在脉冲功率源中,为了调制出特定的脉冲电流波形,需设定各个PFN模块释放电流时序。为此我们设计了一套十路脉冲触发系统。触发系统由时序触发控制电路板(见图3)、光纤转换板和触发控制箱组成。信号发生器触发脉冲的可调时延范围为0～10ms,单脉冲脉宽可调时延范围0～1ms。

触发控制系统的电路图如图4所示,其工作原理如下:1)220V工频电源通过隔离变压器T1、限流电阻R1、二极管D1向充电电容C1充电;2)设置十路脉冲触发器S发出时序控制脉冲信号,导通可控硅,通过同轴电缆产生的300V脉冲电压信号送至脉冲变压器T2,在T2次级形成30kV高压脉冲;3)高压脉冲触发三电极火花隙开关K1,触发各个PFN模块按设定时序动作,从而在负载上得到特定的脉冲电流。

1.3 电流与速度测量系统

试验系统中电流测量采用Rogowski线圈分别对流经主电路和续流硅堆的脉冲电流进行测量。

电枢速度的测量采用B-dot线圈。根据电磁场原理,电枢滑动至B-dot线圈正下方位置时,感应信号正负变换,通过B-dot线圈信号的过零点位置,可以得到电枢的速度曲线。实验中B-dot线圈采用Ф0.25mm漆包线绕制,匝数20,横截面积38.5mm2,线圈内阻约为1.3Ω。

数据采集系统主要由数据采集终端和电压、电流、速度传感器组成,采用Top View 2000数据采集终端,共有24个通道,采样频率范围200Hz～20MHz,最大的采集长度为8192K,可以满足试验数据采集的长度和精度要求。

2 仿真与试验研究

2.1 单次推进试验研究

推进系统的负载是长460mm的轨道本体(见图5a)及U型自紧电枢(见图5b),7个B-dot线圈沿轨道方向均匀分布,间距53mm。

导轨材料为紫铜,轨道口径10mm10mm。电枢为单体U型结构,质量为1.8g,电枢材料为6061铝材,电枢肩部加载圆顶尼龙帽,以减小气动阻力。

通过PSpice仿真计算,当6个PFN模块时序设定为0-0-0-0-750μs～900μs时,脉冲电流波形近似为梯形波。当脉冲电容器充电电压为2.0kV时,总回路的脉冲电流波形和PSpice仿真波形如图6a、6b所示,实际放电电流与仿真电流波形比较一致。放电电流峰值85kA,峰值持续时间1.30ms,电枢出膛时间2.0ms。

2.2 重复推进试验研究

为了验证重复电磁推进系统中电枢与轨道间电接触特性以及脉冲电源的工作稳定性,在上述设定条件下进行了重复推进试验研究。

重复试验的放电电流波形如图7所示。

可以看出,各次试验中电枢飞离电磁推进装置前的电流波形基本相同(主要误差来自于三电极火花隙开关在低电压工作时的分散性),表明脉冲电源系统具有较好的稳定性。

图8为重复推进7次后的导轨,导轨表面未见任何烧蚀,表明重复推进过程中导轨与电枢间电接触性能良好。

表1中所示是重复推进试验中电枢的初速度。在重复试验初期,导轨表面遗留的富含铝的堆积物对下次试验的电枢与导轨间电接触有积极作用,对初速度影响较大。但随着试验次数增加,薄层堆积到一定厚度,初速提升变缓,并最终会趋于某一固定值。

2.3 脉冲电流下电枢冲击力试验研究

为深入了解轨道型电磁推进装置工作时由脉冲电流所形成的冲击力的特点,利用此脉冲电源进行了一系列冲击力试验。

试验原理:通过压电冲击力传感器捕获电枢的冲击力,并通过双积分电荷放大器将电荷信号转换为电压信号,经滤波放大后在示波器上进行显示。

试验中采用同步放电时序,通过调整电压来测得不同工况下的脉冲电流和冲击力数据。图9是3.0kV时的脉冲电流和冲击力曲线。

通过观察电流和冲击力曲线发现,两者前半段较为相似,冲击力曲线在峰值时间较长,其原因是预紧力过大,导致电枢与轨道间摩擦力较大,冲击力不能迅速衰减。另外,通过对试验数据分析发现,当电枢刚度变大时,滞后时间会有所缩短。

试验结果表明,采用弹性好的支撑材料如玻璃钢等,可以较好地吸收能量,减少冲击力破坏。同时通过增大电枢结构尺寸和加大预紧力提高电枢刚度,可以保证推进质量。

3 结语

试验表明,所研制的200kJ脉冲电源系统稳定可靠,可以满足小质量电枢重复推进试验研究和脉冲电流下电枢冲击力实验研究的需要。同时该电源系统也可用于其他大电流放电应用研究。

参考文献

[1]王莹,张奇(Wang Y,Zhang Q).电磁轨道炮—一个蓬勃发展的脉冲功率技术新领域(Electromagnetic rail-gun-a new booming area in pulsed power)[J].电工电能新技术(Adv.Tech.of Elec.Eng.&Energy),1985,4(4):1-2.

[2]Wang Ying.Widely developing electric launch technologyin China[J].IEEE Trans.on Mag.,2003,39(11):39-41.

[3]王莹,肖峰(Wang Y,Xiao F).电炮原理(Principlesof electromagnetic guns)[M].北京:国防工业出版社(Beijing:National Defense Industry Press),1995.

[4]闵飞炎,杨明,王子才(Min F Y,Yang M,Wang Z C).电磁推进技术的关键问题及其数值模拟(Numericalsimulation and key issues of electromagnetic launch)[J].固体火箭技术(Solid Rocket Tech.),2009,32(3):237-238.

[5]Spahn E,Buderer G.Novel PFN with current turn-off ca-pability for electric launchers[J].IEEE Trans.onMag.,2001,37(11):398-402.

[6]Lehmann P,Peter H,Wey J.First experimental resultswith the ISL 10 MJ DES railgun pegasus[J].IEEETrans.on Mag.,2001,37(1):435-439.

[7]Augsburger B Smith B,McNab I R.DRA 500 kJ multi-module capacitor bank[J].IEEE Trans.on Mag.,1995,31(1):10-15.

[8]孙立强,袁伟群,严萍(Sun L Q,Yuan W Q,Yan P).电磁轨道推进装置仿真与实验(Simulation and experi-ment study of EM rail-gun launcher)[J].电机与控制学报(Elec.Machines&Control),2008,12(2):143-145.

[9]董健年,桂应春,李军,等(Dong J N,Gui Y C,Li J).电磁弹射系统的电磁功率源设计(Design of pulsedpower supply for electromagnetic launch)[J].高电压技术(High Voltage Eng.),2007,33(12):105-107.

[10]钟和清,张华,戴玲,等(Zhong H Q,Zhang H,Dai L,et al.).采用Rogowski线圈的PFN脉冲大电流测量技术(Measurement technology for pulsed high current ofPFN using Rogowski coil)[J].高电压技术(High Volt-age Eng.),2007,33(7):84-85.

电力系统中功率因素 第7篇

下一代移动通信系统对频谱有效性能和功率有效性提出了更高的要求, 在现有的蜂窝网结构中引入中继的协作式通信被认为是高要求下最可行的改进。在协同中继网络中, 由于引入了中继节点, 在提高边缘小区的通信质量的同时, 还可以增大小区的覆盖范围和盲区覆盖, 因而其得到了国内外的广泛关注和深入研究。

在中继节点处采用不同的转发模式对整个系统会有不同的影响。文献[1]第一次提出了放大重传AF (AmplifyForward) 模式和解码重传DF (Decode-Forward) 模式。随后, 文献[2]将其引入到蜂窝系统中并对网络的中断概率, 容量等进行了分析。在多中继系统中, 有很多种方法可以用来选择传输中继。文献[3]基于DF中继网络, 使用分布式功率分配策略提出了三种中继选择方案用以延长网络的生存时长。此文中, 拥有最小中断概率的节点被选为最佳的传输中继节点。文献[4]在给定中继概率的前提下, 为了实现最小化系统的功率, 提出了一种全新的中继选择策略, 在此策略中, 每个中继基于自己的门限值及CSI (Channel State Information) 独立作出传输决定。

任何系统内的功率都是一个珍贵的资源, 如何在资源有限的条件下, 合理的对其进行分配, 从而提高整个网络的性能是很多研究的重点。文献[5]在总功率受约束的条件下提出了一种基于OFDM中继网络的功率分配算法, 分别针对AF模式和DF模式以及有无分集进行了详细的分析, 通过在多条子载波上使用功率分配算法提高了整个网络的容量。文献[4]同样是在总功率受限的条件下对噪声受限的多跳中继系统的中断概率进行了分析, 仿真结果同样说明通过对功率的优化分配, 系统的整体性能能够得到很大的提升。

本文在协同通信的场景中, 提出了一种基于折中因子的优化功率分配算法。通过对折中因子的定义, 建立数学优化模型, 并针对提出的优化模型, 通过优化分配算法对其进行分析求解。

本文主要内容安排如下:首先给出系统模型, 其次提出基于折中因子的功率分配策略, 接下来针对提出的策略进行数值仿真分析, 最后进行总结。

2 系统模型

如图1所示为一典型无分集接收协同通信模型。系统包含一个源节点BS, 一个协同中继节点RS以及一个目的节点MS。h代表从BS到RS的信道系数, g代表从RS到MS的信道系数。在第1时隙内, 源节点将要发送的信息传送给中继节点, 中继节点接收到的信号表示为:

式中, 0n为相应的加性白噪声, 本文中假设其功率谱密度为N0。

中继节点将接收到的信号采用DF (Decode-andForwad) 模式进行解码放大, 然后再将其传送给目的节点。根据文献[5], DF中继模式下的系统容量表达式为:

和分别代表中继和目的节点处的接收信噪比, 表达式分别为:

sp, rp分别代表源节点和中继节点处的功率为噪声, 为便于分析, 将其值设置为1。根据文献[6], DF中继模式下系统中继概率的表达式为:

式中, 为信噪比门限值, 定义当时中断发生。

3 基于折中因子的功率分配算法

协作通信研究的关键问题是功率分配, 合理的进行功率分配可以在有限的资源条件下提升系统性能。本文基于折中因子提出了一种折中功率分配方法。在文献[5]中, 作者提出了在DF模式下, 系统总功率受限时, 最大化系统容量的方法。首先建立系统的优化模型, 表达为:

通过引入拉格朗日因子, 对上述优化模型进行优化求解后, 得到优化解为:

文献[6]提出了在DF模式下, 系统总功率受限时, 最小化系统中断概率的方法。同样, 建立了针对上述问题的优化模型, 表达为:

Pout表达式如式 (4) 。采用同样的方法, 获得了这种情况下的优化解为:

上述两种功率分配方案中, 文献[5]所提及的方法虽然顾及了系统的容量提升, 但却没有考虑此功率分配算法对系统的中断概率的影响;对于文献[6]中的功率分配方案, 也存在同样的问题, 在考虑中断概率的同时, 却没有考虑此功率分配方案对系统容量的影响。

综合以上两种方案的不足, 在此, 定义系统的折中因子:

从上述表达式可以看出, 当系统容量增加时, 折中因子K也增加;当中断概率降低时, 折中因子K也随之增加。也即是说折中因子越大, 系统的性能越好。故在系统总功率受限制条件下, 最大化系统折中因子的优化模型可以表达为:

上式中, 由于折中因子K表达式过于复杂, 用拉格郎日对偶分解法无法将其解出, 故本文提出一种优化功率分配算法来求出上述模型优化解的接近值。

此算法可表述为:

(1) 初始化:初始化信道系数h和g, 令循环迭代次数t=1000, 循环变量N=1;

(2) 根据式 (6) 求出ps的初值p's;

(3) 根据式 (7) 求出ps的终值p's;

(4) 求出迭代增量

(5) 计算新的发送节点功率ps=p's+N*∆ps, 同时求出pr, 代入式 (2) 及式 (4) 求出此时的折中因子K的值。

(6) N=N+1, 判断N是否小于t, Nt, 返回5) ;N>t, 结束

(7) 求出最大循环变量的值Kmax。

4 仿真分析

在仿真中, 噪声均设置为1。信道模型为。

其中, 是循环对称复高斯分布。d是源节点与中继节点之间的距离, 在仿真中将其设置为0.7。路径损耗因子设置为2。

首先对本文提出的功率分配方法和平均功率分配方法进行了比较, 如图2所示。在容量上, 本文提出的功率分配方法比平均功率分配方法所获得的性能要优越许多。

图3表明了本文所提出的功率分配方法与平均功率分配方法的对比。由图可见, 在功率相等的条件下, 本文所提出的功率分配方法比平均功率分配方法要优越许多。

图4表明的是在总功率相同的条件下, 本文所提出的功率分配方法与文献[5]及文献[6]中两种分配方法的比较。在以折中因子K为衡量指标的前提下, 本文所提出的功率分配方法明显优于上述两种优化功率分配方法。56

5 结论

本文提出了恒量系统性能的折中因子, 并在系统总功率额定的前提条件下, 以最大化系统的折中因子建立了优化模型, 并通过迭代算法对优化模型进行了求解。仿真结果证明本文所提出的基于折中因子的功率分配方法可以有效的提高系统的性能。

摘要：中继网络中, 在总功率有限的条件下, 如何对各个节点之间的功率进行合理分配, 从而提高系统的总体性能, 是一个关键问题。文章在DF中继网络中, 提出了衡量系统性能的折中因子, 并以最大化折中因子为优化目的, 在系统总功率受限制的条件下, 建立了优化模型。通过对优化模型的求解, 得到了优化功率分配方案。仿真结果证明了此方法的有效性。

关键词：DF,中继,功率,优化,折中因子

参考文献

[1] A.Sendonaris, E.Erkip, and B.Aazhang.User coopera-tion diversity-partⅠ:system description.IEEE Trans.Common, 2003, 51 (11) :1927～1938

[2] J.N.Laneman, D.N.C.Tse, and G.W.Wornell.Coopera-tive diversity in wireless network:efficient protocols and outage behavior, IEEE Trans.Inform.Theory, 2004, 50 (12) :3062～3080

[3] W.Huang, Y.Hong, and C.J.Kuo.Discrete power alloca-tion for lifetime maximization in cooperative networks, in Pro.Vehicular Technology Conference (VTC 07) , Baltimore, MD.2007, 10:581-585

[4] Hui Hui, Shihua Zhu and Guobing Li.Distributed power allocation schemes for amplify-and-forward networks, IEEE Commun.2009

[5] Yong Li, Wenbo Wang, Jia Kong, Wei Hong.Power alloca-tion and subcarrier pairing in OFDM-Based relaying networks.IEEE.Commun.2008

电力系统中功率因素 第8篇

关键词：三相异步电机,功率因素,定子绕组功率因素,转子绕组功率因素

0 引言

三相异步电机功率因素常指其输入功率因素,即定子绕组功率因素。我们知道,三相异步电机是定子绕组和转子绕组通过电磁感应实现机电能量转换的电器设备。对应转子绕组,也存在转子绕组功率因素。那么,定子绕组功率因素与转子绕组功率因素有何区别?下面将主要对二者进行分析。

1 三相异步电机功率因素

三相异步电动机的功率因数是衡量在异步电动机输入的视在功率中,真正消耗的有功功率所占比重的大小,其值为输入的有功功率P1与视在功率S之比,用cosφ1来表示。

三相异步电机等效电路见图1。根据等效电路,可得转子回路阻抗[1]:

式中,Z2'为转子回路阻抗,Ω;r2'/s为转子绕组电阻折算到定子回路的等效电阻,Ω;x2'为折算后转子绕组漏磁通的等效电抗值,Ω。

三相异步电机定子绕组和转子绕组的功率和电势表达式[1]:

以上公式中各量含义:m1:定子绕组相数,三相交流电时,m1=3;U1:定子绕组相电压,V;I1:定子绕组相电流,A;φ1:定子绕组阻抗角,°;φm:主磁通,Wb;φ2':转子绕组阻抗角;PM:电磁功率,W;E1:定子绕组相电势,V;E2':转子绕组相电势折算到定子回路等效电势,V;I2':转子绕组相电流的等效值,A;N1、N2:分别为定子绕组、转子绕组的每相有效匝数,匝。

表达式中物理量含义:r1:定子绕组电阻,Ω;x1:定子绕组漏磁通等效电抗,Ω;xm:主磁通等效电抗,Ω;其他量同前。

2 异步电机不同运行状态时的功率因素

异步电动机在运行中,功率因数是变化的,其变化大小与负载大小有关。下面分析空载、负载、启动时的功率因素变化情况。

2.1 空载运行

电动机空载运行时,定子绕组的电流基本上是产生旋转磁场的无功电流分量,有功电流分量很小。此时,功率因数很低,约为0.2左右。

异步电机空载时,转子转速与同步转速非常接近,n≈n0。故转差率s=(n0-n)/n0≈0。由等效电路知,此时,转子回路等效电阻r2'/s∞,即转子绕组相当于开路。转子绕组中没有电流,异步电机没有输出功率(忽略异步电机损耗)。这时讨论转子绕组功率因素没有意义。

从转子绕组阻抗表达式1-1可以推断,负载由轻载到空载变化过程中,nn0,s0,电阻分量r2'/s∞,转子频率f2=sf10,电抗分量x2'减小,转子绕组阻抗中的电阻分量一直增大,而电抗分量一直减小。所以,空载时,转子绕组的电压与电流相位差呈减小趋势,即功率因素角φ2'0,cosφ2'1。空载时,因E2'=s E10,而转子绕组阻抗Z2'增大,故转子电流减小至I2'0,输出功率为零。

空载时,定子绕组的电流不为零,定子绕组的电流是建立磁场的能量来源,是无功功率。此时,定子绕组电流就是励磁电流Im。而空载时,主磁通支路电抗分量远大于电阻分量,即xm>>rm。因此空载时,定子绕组的功率因素很低。

2.2 负载运行

当电动机带上负载运行时,要输出机械功率,定子绕组电流中的有功电流分量增加,功率因数也随之提高。

负载运行下面分析三种情况:额定负载、轻载、重载(超载)。

2.2.1 额定负载运行

当电动机在额定负载下运行时,功率因数达到最大值,一般约为0.7~0.9。

额定负载时,转差率SN约为5%左右,转子回路电阻相当于原来的20倍(20 r2')。此时,转子回路阻抗中r2'/s>>x2',对应φ2'=arctan[x2'/(r2'/s)]很小,故功率因素cosφ2'可达到0.8~0.9。

而定子绕组的功率因素角取决于定子绕组电压与其电流的相位差,定子电流是转子电流与空载励磁电流之和。此时,转子电流I2'>>Im,故定子绕组功率因素可达到0.8~0.85。

参见异步电机向量图(见图3)。

比较φ1、φ2'可知,定子绕组功率因素要略小于转子绕组功率因素。

2.2.2 轻载运行

轻载时,异步电机因负载小于额定负载,转速高于额定转速,转差率减小。根据表达式(5)知,转子绕组电势减小,而转子绕组阻抗中,电阻分量增大,电抗分量减小,所以转子电流较小,φ2'=arctan[x2'/(r2'/s)]相比额定负载时更小,此时的转子功率因素高于额定负载时功率因素。

再来分析定子绕组功率因素。

轻载时因转子回路呈阻性,且转子电流较小,而主磁通支路电流Im也较小,且xm>>rm。所以轻载时等效电路相当于xm和r2'/s并联。等效电路如图4。

此时定子回路近似等效阻抗:

表达式中物理量含义:r1为定子绕组电阻,Ω;x1为定子绕组漏磁通等效电抗,Ω;xm为主磁通等效电抗,Ω;其他量同前。

在表达式第三项,根据轻载时转差率很小,可以推断,j(r2'/s)2xm>>r2'xm2/s,所以,在轻载时,定子绕组的阻抗增加的电抗分量很大,使得轻载时定子绕组功率因素下降很多。轻载时向量图如图5所示。

2.2.3 重载运行

负载超过额定负载时,因转速n↓s↑E2'=s E1↑,f2=sf1↑x2'↑,r2'/s↓,转子回路感性负载增大,φ2'=arctan[x2'/(r2'/s)]增大,导致转子功率因素cosφ2'下降。转子电流I2'=E2'/[(r2'/s)2+(x2')2]1/2增大。当然,长时间过载运行会烧坏电机。

定子回路,参看图2异步电机近似等效线路。

φ1=arctan[(x1+x2')/(r1+r2'/s)]增大,所以,定子绕组功率因素重载运行时同样减小。

2.3 启动时

异步电机启动时,因转速为零n=0,转差率s=1,此时E2'=s E1=E1,根据异步电机近似等效电路图2可得,转子绕组阻抗角φ2'=arctan[x2'/(r2'/s)]=tg-1 x2'/r2',定子绕组功率因素角φ1=arctan[(x1+x2')/(r1+r2'/s)]=arctan[(x1+x2')/(r1+r2'/s)]。电抗分量x1+x2'>r1+r2',x2'>r2',定子绕组功率因素和转子绕组功率因素都很小。

3 结语

分析异步电机在不同的运行状态可以看出,转子绕组的功率因素大小根据负载变化而不同,空载时不具有实际意义。定子绕组功率因素在额定负载时达到最大。我们通常说的异步电机的功率因素指的是三相电机定子绕组的功率因素,更具有广泛意义。电动机应避免空载运行,防止“大马拉小车”现象[2]。电机运行的效率即输出功率的大小也受到功率因素的影响。

参考文献

[1]顾绳谷,姚守猷.电机及拖动基础上册[M].第4版.北京:机械工业出版社,2007:137-143.