电子半导体工厂容性负载设备无功补偿分析

电子半导体工厂容性负载设备无功补偿分析

刘杰

中国电子系统工程第四建设有限公司 河北 石家庄 050000

摘要：为了满足供电公司功率因数大于0.9的要求，多数采用低压无功补偿。因此本文对电子及半导体厂房的无功补偿计算进行分析，得到符合实际的无功补偿计算方法。因现在大量使用带滤波器的变频器、大功率UPS、IT设备、LED照明灯具等容性负载，故造成低压容性无功功率倒送到10KV电网系统。通过本文对以上设备的容性负载的功率因数进行分析，采用合理的供电方案和无功补偿方案，避免工厂生产运行时发生容性无功功率倒送国家电网现象，也可以避免低压系统由感性无功过渡到容性无功时产生低压系统基波（50HZ）谐振（功率因数为1）。本文对含有谐波的设备功率因数进行分析，给出配电设计时无功补偿容量计算依据，为以后电子及半导体厂房设计时提供参考。

关键词 低压无功补偿 容性负载 功率因数 基波 谐波

引言

XX集成电路有限公司，是生产8寸及12寸半导体芯片工厂，是典型的半导体行业。其需要配电设备有带滤波器变频器水泵、风机。有给工艺设备配电的大功率UPS，有生产及办工用的IT设备，有照明用的LED灯具。其以上都是容性负载，对其进行分析后来计算无功补偿容量方法，可以为以后的半导体工厂配电设计提供依据。此分析方法可以提供给供配电设计同仁参考。

非正弦电路设备无功补偿原则

正弦电路中功率因数：

λ=P/S=UIcosφ/（UI）=cosφ

其中：视在功率S=UI；有功功率P=UIcosφ；无功功率Q=UIsinφ。

非正弦电路中功率因数：

λ=P/S=UI1cosφ/（UI）=（I1/I）cosφ=vcosφ

其中：基波因数v=I1/I；单相桥式整流电路v=2√2/π≈0.9；三相桥式整流电路v=3/π≈0.955。

非正弦电路设备无功补偿原则

根据《全国供用电规则》要求，最低功率因数为0.9。《工业与民用供配电设计手册》简称《配电手册》，其是用电容器组的容性无功进行补偿，把功率因数补偿到0.9以上。《配电手册》的计算方法适用于正弦电路设备。因此非正弦电路设备的无功补偿计算应按本文计算原则。

大功率UPS无功补偿方案

芯恩（青岛）集成电路有限公司使用的大功率UPS有施耐德公司产品，其型号为Easy UPS 3L 500-600KVA，其技术规格书中注明在400V/50HZ线性负载及25~100%负载时，其输入功率因数是0.99。因三相桥式整流电路v=3/π≈0.955。基波cosφ=1，故其功率因数在整流电路前没有电容滤波电路时的功率因数λ=P/S=UI1cosφ/（UI）=（I1/I）cosφ=vcosφ≈0.955*1=0.955。现在厂家产品功率因数已达到0.99，故其整流电路前加了电容滤波装置。并功率因数呈现容性。下图为该产品模块原理图。

XX集成电路有限公司使用的大功率UPS还有华为公司产品，其型号为UPS5000-H-(1200kVA-1600kVA)，其技术规格书中注明在400V/50HZ线性负载，在100%负载时，其输入功率因数是0.99。在50%负载时，其输入功率因数是0.98。在30%负载时，其输入功率因数是0.94。因三相桥式整流电路v=3/π≈0.955。基波cosφ=1，故其功率因数在整流电路前没有电容滤波电路时的功率因数λ=P/S=UI1cosφ/（UI）=（I1/I）cosφ=vcosφ≈0.955*1=0.955。现在厂家产品功率因数在半载以上时已达到0.98，故其整流电路前加了电容滤波装置。并功率因数呈现容性。下图为该产品模块原理图。

华为UPS产品还注明输入电源电流总谐波畸变率如下：

THDi < 9%（30%线性负载）；THDi < 6%（50%线性负载）； THDi < 3%（100%线性负载）。 THDi < 11%（30%非线性负载）；THDi < 8%（50%非线性负

载）；THDi < 5%（100%非线性负载）

备注：

1. 在主旁同源情况下达到上指标。

2. 在输入THDu<2%时。

其中THDi为电流总谐波畸变率，THDu为电压总谐波畸变率。计算方法见GB／T 14549-1993 《电能质量 公用电网谐波》。

从以上得出，大功率UPS会产生电流谐波，其总电流畸变率最高可达到11%。故必须消除此谐波。根据各种非线性负载率下的总电流畸变率计算出最大的总谐波电流值，来选取谐波处理装置。因大功率UPS是全桥整流电路，基波cosφ=1，故其不存在感性无功。又电源至全桥整流电路间有滤波装置，存在容性无功。故大功率UPS的基波（50HZ）的无功补偿，不是增加容性电容器组，而是考虑用增加感性负载设备中的感性无功消去其容性无功，使变压器后的低压系统呈现感性负载状态，使其功率因数在0.9以上。还要增加小容量的固定电容器组来消除一台UPS在旁路工频电源时的感性无功，建议UPS在旁路状态时的感性无功功率因数取值0.75。

带滤波器变频器的无功补偿原则

现在工厂普遍采用的交流-直流-交流变频器。本文主要也是针对改型变压器进行讨论。交-直-交变频器的电源入口是全桥整流电路，其基波cosφ=1。但其谐波较大，如施耐德ATV600系列变频器，在80-100%负载情况下，其THDi ≤4 8%。故设计师设计时一般都采用滤波器加以去除其谐波。

北京XX项目采用ATV630（160KW）变频器的前滤波器（ 施耐德  型号VW3A46116X ）是LC滤波电路，电感L串接在角接电容外侧。由于没有厂家滤波器的详细资料，故根据现场实物进行测试。电容容值3*C=3*200μF。其电容容量为：Qc=3*2πfC*U2=3*314.2*200/1000000*4002var=30163var=30.2Kvar。经过对LC回路电压测量（变频器停止状态），电源电压平均值417V，电容C两端电压427V。故该LC滤波器电抗率K=1-417/427=2.3%。故每个滤波器实际输出容量为：Qc1=Qc/(1-K)=30.2Kvar/(1-0.023)=30.9Kvar。由于基波cosφ=1，故其消去谐波后容性功率因数为：λ=P/S=P/√（P2+Q2）=160/√（1602+30.92）=0.98。故带施耐德带滤波器VW3A46116X的ATV630变频器这个设备系统的功率因数是容性无功0.98。以后设计时无厂家参数时可以参考使用。

根据施耐德VW3A46116X 无源滤波器说明书中，确认滤波后谐波电流含有率THDi ≤10%。故必须用谐波处理装置消除此谐波。该滤波器容性无功在计算变压器固定电容器无功补偿时应给与减去。

IT设备及LED照明灯具的无功补偿原则

IT设备及LED照明灯具等设备，基本是单相电源供电。全桥整理电路提供直流电源。单相全控整流电路的基波cosφ=1，在全控整流电路前不加滤波电路时，其功率因数λ=vcosφ=0.9。根据吴江市侨光净化灯具厂灯具标牌数据可知，其功率因数达到0.95。故其一定采用在整流电路前设置滤波电容电路。其功率因数为容性无功。因IT设备及LED照明灯具的其总谐波电流畸变率一般厂家没有标注。但因现在大部分产品都在整流电路前面设置电感电容滤波电路。故对其的电流总谐波畸变率THDi 采取用已建项目实际测量或者估算。估算值建议取THDi=10%计算。

灯具铭牌

单相全波整流电路

工程实践情况

XX集成电路有限公司中低压系统中，以其中一组UPS配电系统为例来说明无功补偿计算。该组中2台市电供电的2500KVA变压器和1台发电机供电的2500KVA变压器互为备用。共计带6台400KVA的UPS。既是UPS负荷为2400KVA。计算无功补偿时，应按1台市电变压器带2400KVA的UPS负荷计算。设计院设计时按6台UPS都是在静态旁路供电时的功率因数，补偿容量Q计算式如下：

Q=Q1-Q2=S*(sinφ1-sinφ2)=S*[sin(cos-10.75)-sin(cos-10.9)]

=2400*(0.66-0.44)=528KVar

故设计师选取的是600KVar无功电容补偿。

根据GB／T 14549-1993 《电能质量 公用电网谐波》中总谐波畸变率公式，总谐波畸变率THDi=IH/I1,其中IH为谐波电流含量，I1为基波电流。根据华为UPS说明书给出的总谐波畸变率参数可知，总谐波电流最大值是发生在100%负荷率时。故总谐波电流IH=THDi*I1=THDi*S/(√3*U)=5%*2500/(√3*0.4)=180A。选取200A谐波处理装置即可。设计师为了可靠处理谐波选取了300A谐波处理装置。

以上设计中的主要问题是UPS在线方式运行时，它的功率因数为0.99。容性无功Q=S*sinφ=S*sin(cos-10.99)=-2400*0.14=-336KVar,造成最大有336KVar容性无功功率返回电网问题以及600KVar固定电容补偿柜闲置。

解决电子及半导体厂房UPS、带滤波器的变频器、LED灯具等容性无功倒送到10KV电网问题，是现在电气设计师需要关注的重点。解决方案有以下几点，请设计同仁参考。

在低压侧增加感性无功补偿装置，如并联电抗器等。但费用较大。

在变压器负荷回路设计时，把工厂感性负载如定频水泵、风机设备等容性负荷合理搭配，使变压器一直运行在感性无功区域。定频水泵及定频风机等，要与其他专业设计师进行沟通。如二次变频供水系统，由定频泵和变频泵组合。

如芯恩（青岛）集成电路有限公司有110KV/10.5KV电站，不采用低压补偿，可以直接采用10KV系统电容补偿。这样不会把容性无功倒送到110KV系统。

结论

通过本文论述分析，得出以下结论。

现在电子及半导体厂房容性负荷设备已经占比70%以上，如大功率UPS、带滤波器变频器、LED灯具、IT设备等。因此无功补偿计算是要考虑这些设备的容性无功。

无功功率补偿方式有低压0.4KV侧电容补偿和中压10KV侧电容补偿两种方式，如有110KV/10.5KV电站，优先采用10KV系统电容无功补偿方式，优点是投资少，避免容性无功倒送到国家电网。

现在的容性无功设备基本都是带整流装置设备，其总谐波电流是选择谐波处理装置依据。因此要根据负荷侧的容性无功设备厂家参数进行计算总谐波电流。

如采用低压0.4KV侧电容无功补偿，电气设计师要和暖通、动力等专业设计师沟通，在控制及节能效果一致原则下，尽量多采用定频水泵及风机。合同调配变压器负荷回路，达到变压器低压总负荷呈现感性无功状态，防止容性无功功率倒送国家电网。

低压配电系统无功补偿设计计算时，一定要考虑感性无功功率因数不要大于0.98，防止运行中功率因数达到1时的基波谐振，造成所带负荷过压损坏。

带整流装置的设备产品标注的功率因数是基波因数与基波功率因数乘积。而带整流电路装置设备的基波功率因数为1。厂家为了减少谐波而增加的整流装置前电容滤波装置，对电源系统呈现容性无功。这方面设计时要充分考虑。

参考文献：

【1】《工业与民用供配电设计手册》第四版，中国航空规划设计研究总院有限公司刘屏周主编；

GB/T 14549-1993 《电能质量 公用电网谐波规范》，国家技术监督局批准；

《Easy UPS 3L 500-600 kVA技术规格书》，施耐德电气公司；

《VW3A46116X滤波器说明书》，施耐德电气公司；

《UPS5000-H-(1200kVA-1600kVA) 用户手册》，华为技术有限公司；