CN100386939C - 电力用户智能无功功率自动补偿节能器 - Google Patents

电力用户智能无功功率自动补偿节能器 Download PDF

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Abstract

一种电力用户智能无功功率自动补偿节能器包括智能无功功率补偿调节器、若干分路电容控制接触器、若干电容器组和一电流互感器。所述智能无功功率补偿调节器设有采样电流输入端、采样电压输入端、一外接交流接触器电源总线和若干输出控制线，所述采样电流输入端和电流互感器连接，所述采样电压输入端与电源连接，所述外接交流接触器电源总线和电源相线连接，所述电容器组经过若干分路电容控制接触器与电源连接。本发明电力用户智能无功功率自动补偿节能器以控制多个电容器的接通和分断调节补偿无功功率，调节补偿精度达1%以上，完全实现cosФ＝1，节能效果好。

Description

电力用户智能无功功率自动补偿节能器
【技术领域】
本发明涉及电源补偿领域，尤其涉及电力用户智能无功功率自动补偿节能器。
【背景技术】
电力是最清洁环保，而且使用方便快捷、优质高效，便于输送控制的能源。
电感性负载阻抗对交流电产生反向电动势的阻碍作用，使流入的电流滞后于电压90度相位角，而电容性负载电流超前于电压90度相位角。运用这个原理，在电感性负载中并联电容器可使总电路的电流与电压相位角变小，适当并联电容器可使cosΦ＝1，即I与U同相，相当于一个纯电阻，这种情况称为并联谐振或电流谐振，可达到补偿无功功率的作用(如图1所示为并联谐振或电流谐振电路，也称为无功补偿原理图)。电流谐振时电感、电容回路中的电流为电源电流的Q倍：
Q＝ωL/R
ω2＝1/LC
谐振频率为：
f 0 = 1 2 π 1 LC
过大的谐振电流可能对电路造成损害。并联电容器后电感支路的电流IL并无太大的改变，只是电感与电容并联后的总电路发生了变化，可使总的功率因数提高了。电感产生的无功电流IL1流入电容器被储存，当电感需要供电时，恰好电容器放电反供给电源使用，因IL1与IC实际方向相反，这样电源流入的电流I0被减少了，从而节约了电能。如图2和3分别为电流和电压相量图和功率三角图；图中ΦC和ΦL分别表示电容器固有超前角和电感器的滞后角。
农业常用的水泵、增氧机等电气设备如感应式电动机、变压器、日光灯等属于电感性负载，使用时在电路中电流和电压之间产生相位差，相位差越大，则功率因数越低，根据图2和3可知：
并联电容前cosΦ＝P/S＝P/UI0
IL＝I0
IL＝P/U cosΦ
无功功率Q＝S sinΦ＝UI0 sinΦ
Q＝UIL1
流过电动机的无功电流为(安)：
IL1＝I0×sinΦ＝P×sinΦ/U cosΦ
流过电容器的电流(安)：并联电容器后，总电路cosΦ0≈1，sinΦ0≈0则
Ic≈IL1
电容的容抗(欧)：
Xc＝U/Ic
于是可求出电容量(法)：
C＝1/ωXc
功率因数低的危害是：
(1)电源的容量不能充分利用。
(2)增加输电线路、发电机和变压器绕组的功率损失。
(3)低压长距离输电电压不稳定。
电感电路并联适当容量的电容器是实现节约用电的最有效和最简单方法。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种低成本节省电能的电力用户智能无功功率自动补偿节能器。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电力用户智能无功功率自动补偿节能器包括智能无功功率补偿调节器、若干分路电容控制接触器、若干电容器组和一电流互感器；所述智能无功功率补偿调节器设有采样电流输入端、采样电压输入端、一外接交流接触器电源总线和若干输出控制线；所述采样电流输入端和电流互感器连接，所述采样电压输入端的一端与电源相线连接，另一端与电源零线连接，所述外接交流接触器电源总线和电源相线连接，所述电流互感器套设在电源相线上，所述输出控制线分别和分路电容控制接触器对应连接，所述电容器组经过分路电容控制接触器与电源连接。
所述电力用户智能无功功率自动补偿节能器还包括一主开关。
所述电力用户智能无功功率自动补偿节能器还包括一外壳。
所述电力用户智能无功功率自动补偿节能器内设有一停电保护接触器。
所述电容器组至少包括第一一级电容器组，其若干路容值递增的二级电容器组。
所述电容器组至少包括第一一级电容器组和第二一级电容器组。
所述第一一级电容器组内的各路电容器或者二级电容器组的容值不等；所述第一一级电容器组和第二一级电容器组的各路容值不等。
所述第一一级电容器组包括若干路容值递增的电容器，后一路电容器的容值大于等于前一路电容器的容值，小于等于前面各路电容器的容值之和；所述第二一级电容器组包括若干路容值相同的电容器，每一路电容器的容值是第一一级电容器组中容值最大电容器容值的1-2倍。
所述第一一级电容器组包括若干路容值递增的电容器，后一路电容器的容值是前一路电容器的容值的2倍，所述第二一级电容器组包括若干路容值相同的电容器，每一路电容器的容值是第一一级电容器组中容值最大电容器容值的2倍。
所述第一一级电容器组包括若干路容值递增的二级电容器组，后一路二级电容器组的容值大于等于前一路二级电容器组的容值，小于等于前面各路二级电容器组的容值之和；所述第二一级电容器组包括若干路容值相同的二级电容器组，每一路二级电容器组的容值是第一一级电容器组中容值最大二级电容器组容值的1-2倍。
所述第一一级电容器组包括若干路容值递增的二级电容器组，后一路二级电容器组的容值是前一路二级电容器组的容值的2倍；所述第二一级电容器组包括若干路容值相同的二级电容器组，所述每一路二级电容器组的容值是第一一级电容器组中容值最大的二级电容器组容值的2倍。
每一二级电容器组包括三个并联且容值相同的电容器。
所述电容器组包括若干容值相同的一级电容器组；每一一级电容器组包括三个并联且容值相同的电容器。
所述二级电容器组可以采用三角形并联或者星形并联。
与现有技术相比，本发明电力用户智能无功功率自动补偿节能器以控制多个电容器的接通和分断调节补偿无功功率，大大降低了输电线路线路损耗，完全实现cosΦ＝1，节能效果好。同时本发明采用电容量以级差梯度2的N-1次方递增的方式，使调节精度可达无功功率总量的1/(2的N次方-1)以上；当N＝10时，调节补偿精度达无功功率总量的1‰以上。
【附图说明】
图1是无功功率补偿原理图；
图2为电流和电压相量图；
图3为功率三角形图；
图4是电力用户智能无功功率自动补偿节能器的内部连接示意图；
图5是本发明中电容量走势曲线图；
【具体实施方式】
请参阅图4所示，一种电力用户智能无功功率自动补偿节能器1’(以下简称为节能器1’)包括智能无功功率补偿调节器1、若干分路电容控制接触器2、若干电容器组3和一电流互感器4。智能无功功率补偿调节器1设有采样电流输入端、采样电压输入端、一外接交流接触器电源总线、若干输出控制线和控制电路(未图示)。采样电流输入端和电流互感器4连接。采样电压输入端的一端与电源相线连接，另一端与电源零线连接。外接交流接触器电源总线和电源相线连接。电流互感器4套设在一电源相线上。输出控制线分别与分路电容控制接触器2连接。在本实施方式中，智能无功功率补偿调节器1设有10根输出控制线。
本发明节能器1’还可包括一设在节能器1’内部的主开关5和一包覆节能器1’的外壳(图中未示出)。智能无功功率补偿调节器1可用可编程序控制器代替。在所述节能器1’之前可以接入用户总开关6和用户电表7。
为了防止停电时，电容器组3意外放电到箱外线路中伤人，可以在节能器1’内设一停电保护接触器(图中未示出)。停电保护接触器受节能器1’外电源的控制。停电保护接触器输入电压可以是380V或者220V，触点电流大于节能器1’的总电流1.5倍。
为减小电容器在分断后短时间内再次接入时引起过电流，可设置利用接触器常闭动断触点，对分断状态的电容器串入电阻或者感性负载，进行闭环放电。
智能无功功率补偿调节器1可以是JKG和JKL系列的智能无功功率补偿调节器。分路电容控制接触器2可选择输入电压380V或者220V，额定工作电流至少大于电容器组3工作电流的1.5倍。分路电容控制接触器2包括动合触点20和线圈21。当接触器2输入电压是380V时，线圈21与电源相线连接；当接触器2输入电压是220V时，线圈21与电源零线连接。在本实施方式中，分路电容控制接触器2是10个。
电容器组3包括第一一级电容器组和第二一级电容器组。电容器组3通过分路电容控制接触器的动合触点20和电源连接。在本实施方式中，第一一级电容器组包括6路容值递增的二级电容器组C1-C6，每一二级电容器组包括三个并联且容值相同的电容器，后一路二级电容器组的容值是前一路二级电容器组的容值的2倍。即在各路电容器组电容量值之间形成了一个以2的N-1次方为梯度的级差(此处N＝1-6)，如图5。
第二电容器组包括4路容值相同的二级电容器组C7-C10，每一二级电容器组包括三个并联且容值相同的电容器，电容器组C7-C10的容值皆是电容器组C6容值的2倍。
当然，也可以是所述第一一级电容器组包括若干路容值递增的二级电容器组，后一路二级电容器组的容值大于等于前一路二级电容器组的容值，小于等于前面各路二级电容器组的容值之和；所述第二一级电容器组包括若干路容值相同的二级电容器组，每一路二级电容器组的容值是第一一级电容器组最大二级电容器组容值的1-2倍。
所述二级电容器组也可以用单个的电容器代替。
当然电容器组3也可以是由若干容值相同的电容器或电容器组构成；如果是由电容器组构成，则每一电容器组包括三个并联且容值相同的电容器。
电容器组的选择应该根据原有设备的功率因素和要求达到的功率因素来确定。每一千瓦有功功率需补偿的电容器的无功容值见表(一)。
表(一)
  0.80   0.82   0.84   0.86   0.88   0.90   0.92   0.94   0.96   0.98   1.00
  0.400.420.440.460.48   1.541.411.291.181.08   1.601.471.341.231.12   1.651.521.391.281.18   1.701.571.441.341.23   1.751.621.501.391.28   1.811.681.551.441.34   1.871.741.611.501.4.   1.931.801.681.571.46   2.001.871.751.641.54   2.001.961.841.731.62   2.292.162.041.931.83
  0.500.520.540.560.58   0.980.890.810.730.66   1.040.940.860.780.71   1.091.000.910.830.76   1.141.050.970.890.81   1.191.101.020.940.87   1.251.161.070.990.92   1.311.211.131.050.98   1.371.281.201.121.04   1.441.351.271.191.12   1.531.441.361.281.20   1.731.641.561.481.41
  0.600.620.640.660.68   0.580.520.450.390.33   0.640.570.500.440.38   0.690.620.580.490.43   0.740.670.610.550.48   0.790.730.660.600.54   0.850.780.720.650.59   0.910.740.770.710.65   0.970.900.840.780.71   1.040.980.910.850.79   1.131.061.000.940.88   1.331.271.201.141.08
  0.700.720.740.760.78   0.270.210.160.100.05   0.320.270.210.160.11   0.380.320.260.210.16   0.430.370.310.260.21   0.480.420.370.310.26   0.540.480.420.370.32   0.590.540.480.430.38   0.660.600.540.490.44   0.730.670.620.560.51   0.820.760.710.650.60   1.020.960.910.850.80
  0.800.820.840.860.880.90   0.05   0.100.05   0.160.100.05   0.210.160.110.05   0.270.210.160.110.06   0.320.270.220.170.110.06   0.390.340.280.230.160.12   0.460.410.350.300.250.19   0.550.490.440.390.340.28   0.750.700.650.590.540.49
上表中左侧第一列表示原有设备的功率因素，第一行表示要求达到的功率因素，两行对应的相交处是需要并联的电容值，单位是千乏。
电容器千乏与微法之间的关系式为：
电容器容抗Xc＝1/ωC＝1/2πfC
式中：C--电容ω--角频率
KVar(千乏)＝U(伏)×I(安)×10-3
＝U×U/Xc×10-3
＝U2×ωC(法)×10-3
＝U2×2πfC(微法)×10-9
当选用输入电压380V且电容三角形并联时电容器外壳必须接地，而选用输入电压220V且电容星形并联时电容器中线接零线，外壳接地。
在本实施方式中，采用规格是N/5A的外接电流互感器4，N为主开关5最大电流值，电流互感器4的次级最大电流为5安。外接电流互感器4套设在电源相线上，也可以将电源总线上原有的电流互感器次级和智能无功功率补偿调节器1的采样电流输入端串联。
本发明节能器1’的工作原理如下：首先通过对取样电流与取样电压的对比与分析，取得相位差信号(G型)或取得无功电流信号(L型)。然后当信号达到设定值下限时发出接通信号，信号达到设定值上限时发出分断信号。信号维持到延时时间后，触发智能无功功率补偿调节器1内的控制电路带动接触器以“顺序输出”或者“智能控制”的方式循环工作。所谓“顺序输出”是以各路电容值从小到大的顺序逐个接通或者分断。所谓“智能控制”是以控制器实际测量无功功率、无功电流值与各路电容值(电流值)从大到小“比较”后，选择输出(逐个接通或者分断)或组合输出(以二进制数值处理，经错位延时后逐个接通或者分断)。各路电容值(电流值)可以在程序中“预置”也可以人为逐个输入，或者通过“自检”程序逐个测取，并保存到存储器中，等待调用。使电力用户内部电器设备的电动机运行时产生的无功功率在用户自己的总开关内给予了适当补偿。无功电流在节能器内电容器组与电动机形成回路，储存电能后返供电能给电动机工作使用。
本实施方式中，节能器1’用在三相380V无功功率补偿，用于三相交流电的电感性负载平衡的三相380V电力用户。
在其他实施方式中，节能器1’也可制造成分三组单相220V无功功率各自补偿，用于三相交流电的电感量不平衡的三相380V电力用户或者制造成独立的单相220V无功功率补偿的单相220V电力用户，如空调、制冷等负载电路。如在单相220V电力用户中上述电容器组采用220V单相电容器。其他元件和第一实施方式相同，故不赘述。另外，当加大无功功率补偿调节器输出端容量，且负载为容性负载时，可以省掉分路电容控制接触器，由无功功率补偿调节器直接带动单相电容器工作，适合家庭和商用。
当改变调节器1输出方式为电压或者电流信号，分别控制晶闸管、场效应管或者电力晶体管，则交流接触器2和动合触点20可用晶闸管、场效应管或者电力晶体管代替。
本发明通过以智能无功功率补偿调节器为例，介绍了一种电力用户智能无功功率自动补偿节能器，这不能被认为是对本发明权利要求的限制。因为在本发明中无功功率补偿调节器的输出端可以任意的增加，需要补偿的线路就会相应增加；另外，在所述电容器组中，电容器或者每次级电容器组的容值是完全可以根据实际需要配置的。如果本领域的技术人员依据本发明作出了非实质性的、显而易见的改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种电力用户智能无功功率自动补偿节能器，其特征在于：所述节能器包括智能无功功率补偿调节器、若干分路电容控制接触器、若干电容器组和一电流互感器；所述智能无功功率补偿调节器设有采样电流输入端、采样电压输入端、一外接交流接触器电源总线和若干输出控制线，所述采样电流输入端和电流互感器连接，所述采样电压输入端的一端与电源相线连接，另一端与电源零线连接，所述外接交流接触器电源总线和电源相线连接；所述电流互感器套设在电源相线上，所述输出控制线分别和分路电容控制接触器连接，所述电容器组经过分路电容控制接触器与电源连接；所述智能无功功率补偿调节器带动所述分路电容控制接触器以各路电容值从小到大的顺序逐个接通或者分断，或者，以实际测量无功功率、无功电流值与各路电容值、电流值从大到小比较后，逐个接通或者分断，或以二进制数值处理，经错位延时后逐个接通或者分断；所述电容器组至少包括第一一级电容器组和第二一级电容器组；所述第一一级电容器组内的各路电容器或者二级电容器组的容值不等；所述第一一级电容器组和第二一级电容器组的各路容值不等。
2.根据权利要求1所述的电力用户智能无功功率自动补偿节能器，其特征在于，所述第一一级电容器组包括若干路容值递增的二级电容器组，后一路二级电容器组的容值大于前一路二级电容器组的容值，小于等于前面各路二级电容器组的容值之和；所述第二一级电容器组包括若干路容值相同的二级电容器组，每一路二级电容器组的容值是第一一级电容器组中容值最大二级电容器组容值的1-2倍。
3.根据权利要求1所述的电力用户智能无功功率自动补偿节能器，其特征在于，所述第一一级电容器组包括若干路容值递增的二级电容器组，后一路二级电容器组的容值是前一路二级电容器组的容值的2倍；所述第二一级电容器组包括若干路容值相同的二级电容器组，所述每一路二级电容器组的容值是第一一级电容器组中容值最大的二级电容器组容值的2倍。
4.根据权利要求1所述的电力用户智能无功功率自动补偿节能器，其特征在于，每一二级电容器组包括三个并联且容值相同的电容器。
5.根据权利要求1所述的电力用户智能无功功率自动补偿节能器，其特征在于，所述二级电容器组由单个电容器代替。
6.根据权利要求1所述的电力用户智能无功功率自动补偿节能器，其特征在于：所述二级电容器组采用三角形并联或者星形并联。
7.根据权利要求1所述的电力用户智能无功功率自动补偿节能器，其特征在于：所述电力用户智能无功功率自动补偿节能器内设有一停电保护接触器；所述停电保护接触器受所述节能器外电源的控制；停电保护接触器触点电流大于节能器总电流的1.5倍。
8.根据权利要求1所述的电力用户智能无功功率自动补偿节能器，其特征在于：当改变调节器输出方式为电压或者电流信号，分别控制晶闸管、场效应管或者电力晶体管，则交流接触器和动合触点由晶闸管、场效应管或者电力晶体管代替。
9.根据权利要求1所述的电力用户智能无功功率自动补偿节能器，其特征在于：当加大无功功率补偿调节器输出端容量，且负载为容性负载时，省掉分路电容控制接触器，由无功功率补偿调节器直接带动单相电容器工作。
10.根据权利要求1所述的电力用户智能无功功率自动补偿节能器，其特征在于：智能无功功率补偿调节器由可编程序控制器代替。
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浅谈变电所并联无功电容器的分组设计. 信珂，卞峰.山东电力高等专科学校学报，第6卷第3期. 2003
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