CN101154814A - 电能回馈式无功自动补偿方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种电能回馈式无功自动补偿方法和装置见图[1]，由电源[1]，相位检测电路[2]，控制电路[3]，驱动电路[4]和开关电路[5]组成。主要用于磁能和电能相互转换设备中。该发明根据电源电压的不同时刻的相位，分别控制开关K1、K2、K3、K4的导通状态，使电容器C与电感进行电能和磁能交换。减少了供电网络的无功功率，提高了电网的功率因数。采用该发明方法可以用低压电解电容代替高压无极性电力电容，因此，成本低，设备体积小，安装方便。对供电网络干扰小，噪音小有利于环境保护。
Description
背景技术
本发明涉及一种电能回馈式无功自动补偿方法和装置。在交流电力设备中，感性元件工作时需要建立磁场，因此，为了支撑电感的磁场能量变化要不断和电源交换无功能量，这些无功能量虽然没有被电感消耗，但是由于这些能量不断来回交换引起发电、输电和供配电设备上的电压损耗及功率损失，造成电力资源浪费。为了解决这个问题，科学研究人员提出了多种无功功率自动补偿方法。
技术领域
目前使用的无功功率自动补偿方法基本分为三类：电容器并联无功功率自动补偿技术，同步电机无功功率自动补偿技术，电力电子变流无功功率自动补偿技术。并联电容器无功功补偿技术和同步电机补偿技术是目前被广泛采用的补偿技术。在电力电子变流无功功率自动补偿技术中，目前有可控串补法TCSC(Thyristor controlled series capacitor)和逆变式静止无功发生器SVG(Static VarGenerater)，本发明是一种“电能回馈式无功功率自动补偿”EPFC(ElectricPower Feedback Compensation)方法。电能回馈式无功功率补偿方法可以完全吸收电感释放的能量，然后再回馈给用电设备，而逆变式静止无功发生器SVG只能吸收一部分电感释放的能量。因此，电能回馈式无功功率补偿方法更节约能源。
当前使用的无功功率自动补偿设备存在的问题：
1.使用高压无极性电力电容，体积大，成本高。
2.无功功率自动控制设备原理复杂。
3.使用交流接触器的场合，工作噪音大。
4.设备体积大需要占用较大的使用空间。
本发明的特点：
1.使用低压电解电容。
2.无功功率自动控制设备原理简单。
3.不使用交流接触器，工作噪音小。
4.设备体积小。
发明内容
本发明的目的可以通过以下措施达到。图1是工作原理总框图。在图1中，相位检测电路(1)检测电源(8)的电压相位，相位检测电路(1)的输出信号馈给控制电路(4)，在控制电路(4)中计算出开关电路(6)的闭合顺序并输出信号馈给驱动电路(5)，在驱动电路(5)中将控制信号进行放大后馈给开关电路(6)，开关电路(6)根据控制信号按照一定的顺序闭合开关，以不同的方式将电源(8)、电容器C和电感元件(7)构成不同的工作回路，使得电源(8)的输出能量和电感元件合理交换达到无功功率自动补偿目的。缺相检测电路(2)检测电源(8)在工作过程中是否缺相供电，当电源(8)缺相时缺相检测电路(2)输出信号馈给控制电路(4)，控制电路(4)输出信号馈给驱动电路(5)断开开关电路(6)保护设备不损坏。电流检测电路(3)检测电感元件(7)工作电流，当电感元件(7)工作电流超过标准时，电流检测电路(3)输出信号馈给控制电路(4)，控制电路(4)输出信号馈给驱动电路(5)断开开关电路(6)达到保护设备目的。
附图说明
下面结合本发明实施例附图作进一步说明。
图1是工作原理总框图。
图2是无功功率自动补偿装置工作原理图。
图3是电感元件功率及能量波形图。
图4是电容元件功率及能量波形图。
图5是相位检测电路工作原理图。
图6是缺相电路工作原理图。
图7三相电源缺相检测电路原理图。
图8是驱动电路工作原理图。
图9三相电源电路控制原理图。
具体实施方式
参见图3电感元件功率及能量波形图，在电感的两端加电压以后，电感中的电流在相位上总是落后电压90°当电压和电流同时为正或同时为负时，电源做正功，当电压和电流不同时为正或为负时，电源做负功，即电感在做功时为了建立磁场要不断与电源交换能量，这部分能量并没有被电感消耗，但是被电感所占有，使得电源的负荷量减少，利用率降低。参见图4电容元件功率及能量波形图，在电容的两端加电压以后，电容中的电流在相位上总是超前电压90°当电压和电流同时为正或同时为负时，电源做正功，当电压和电流不同时为正或为负时，电源做负功，可以看出电容与电感具有相反的电流、电压工作特性。我们考虑如果在能量流出电感时不流入供电电源而流入电容中存储，在能量流入电感时这部分能量从电容中再释放出来重新流入电感，就可以提高电源的利用率，减少无功损耗，实现无功功率自动补偿的目的。使用图2所示的无功功率自动补偿方法可以达到这个目的。在图2中有三个相同的开关电路(61)、开关电路(62)、开关电路(63)，三个开关电路工作原理相同，在单相供电系统中只用一组开关电路。在图2中给出了开关电路(61)的拓扑结构以说明三相供电系统无功功率自动补偿原理，开关电路(62)和关电路(63)的拓扑结构与关电路(61)相同，工作原理也相同。
参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8分析无功功率自动补偿装置的工作过程。
参见图2、图5，相位检测电路(1)中的光电隔离电路(11)检测电源的过零点，光电隔离电路(11)的输出信号馈给滤波整形电路(12)，滤波整形电路(12)的输出信号馈给比较电路(13)，比较电路(13)的输出信号馈给图2中的控制电路(4)，控制电路(4)的输出信号馈给驱动电路(5)，参见图8驱动电路(5)中的输入光电隔离电路(51)将低电压工作电路与高电压工作电路隔离，输入光电隔离电路(51)的输出信号馈给限幅电路(52)，限幅电路(52)的输出信号馈给功率放大电路(53)，功率放大电路(53)的输出信号馈给图1中的开关电路(6)顺序闭合开关实现电容与电感的能量交换。
图9是三相电源控制电路工作原理总框图。在图9中，UBC电压信号(63)，A相电流信号(65)，同时馈给cosφ产生电路(64)。UCA电压信号(61)，UBC电压信号(62)，UcA电压信号(63)cosφ信号(64)，同时馈给同步控制信号产生电路(67)。同步控制信号产生电路(67)馈给光电隔离电路(610)，光电隔离电路(610)分别馈给A相同步信号产生电路(614)、B相同步信号产生电路(615)、C相同步信号产生电路(616)。信号处理电路(68)接收cosφ信号产生电路(64)、给定信号(66)或手动给定信号(69)、软启动信号(612)，信号处理电路(68)的输出信号馈给脉宽调制电路(611)，脉宽调制电路(611)产生PWM信号馈给光电隔离电路(613)。门电路(617)分别接收接受A相同步信号(614)和脉宽调制电路(613)产生A相控制信号馈给驱动电路(620)，驱动电路(620)输出信号馈给A相电子开关(623)，A相电子开关(623)控制A相电源工作。门电路(618)分别接收接受B相同步信号(615)和脉宽调制电路(613)产生B相控制信号馈给驱动电路(621)，驱动电路(621)输出信号馈给B相电子开关(624)，A相电子开关(624)控制B相电源工作。门电路(619)分别接收接受C相同步信号(616)和脉宽调制电路(613)产生C相控制信号馈给驱动电路(622)，驱动电路(622)输出信号馈给C相电子开关(625)，C相电子开关(625)控制C相电源工作。电子开关电路(623)、电子开关电路(624)、电子开关电路(625)根据控制信号按照一定的顺序闭合开关，在图1中以不同的方式将电源(8)、电子开关电路内部电容器C和电感元件(7)构成不同的工作回路，使得电源(8)的输出能量和电感元件合理交换达到无功功率自动补偿目的。
工作步骤如下：
(一)当电源电压从负半周过零到正半周时，相位检测电路(1)检测到电压从负半周到正半周过零点，并将过零信号馈给控制电路(4)，在控制电路(4)中将过零信号延迟90°+φ后，启动驱动电路(5)，驱动电路(5)断开开关电路(61)的K2和K3，此时，电源电压从正向最大值开始向零点变化，电感L71开始释放能量，由二极管D1、电容C、开关K5、二极管D4和L71构成放电回路，能量从电感中流入电容C中存储。
(二)当相位检测电路(1)测量到电源电压从正半周过零到负半周时，控制电路(4)在过零点出立即通知驱动电路(5)闭合开关电路(61)中的K1、K4，此时，电源电压反向逐渐增大，在电源电压小于电容C的端电压时，二极管D2、D3不能导通，因此，电源不做功，电容C通过K1、电感L71、K4、K5构成放电回路，电容中的能量回馈给电感L71，电容做功，当电容C的端电压小于二极管D2、D3的导通电压降时，二极管D2、D3开始导通，电源的能量通过L71、沿着D2、K1和K4、D3两路构成工作回路，电源开始做功。
(三)当电源电压从正半周过零到负半周时，控制电路(4)在过零点处闭合开关电路(61)的K2、K3，在过零点延迟90°+φ相位后，。断开开关电路(61)中的K1、K4，此时，电源电压从反向最大值开始向零点变化，电感L71开始释放能量，由二极管D2、电容C、开关K5、二极管D3和L71构成放电回路，能量又一次从电感L71转移到电容C中存储。
(四)当相位检测电路(1)测量到电源电压从负半周过零到正半周时，在过零点处、闭合开关电路(61)中的K1、K4，此时，电源电压正向逐渐增大，在电源电压小于电容C的端电压时，二极管D1、D4不能导通，因此，电源不做功，电容C通过K2、电感L71、K3、K5构成放电回路，电容中的能量回馈给电感L71，电容做功，当电容C的端电压小于二极管D1、D4的导通电压降时，二极管D1、D4开始导通，电源的能量通过L71、沿着D1、K2和K3、D4两路构成工作回路，电源开始做功。至此完成一个工作循环，以后重复执行上述工作过程。
(五)上述是单相电源、开关电路(61)、电感元件L71工作过程。在三相电源中，B相电源、开关电路(62)、电感元件L72和C相电源、开关电路(63)、电感元件K73的电路结构与A相电源开关电路(61)的电路结构相同，工作原理也相同。
参见图2和图6，缺相检测电路(2)中的电容分压电路(21)检测三相电源是否缺相，电容分压电路(21)的输出信号馈给整流电路(22)，整流电路(22)的输出信号馈给光电隔离电路(23)，光电隔离电路(23)的输出馈给斯密特整形电路(24)，斯密特整形电路(24)的输出信号馈给图2中的开关控制电路(4)，当检测到三相电源缺相时，控制电路(4)输出信号馈给驱动电路(5)，驱动电路(5)断开开关电路(61)，开关电路(62)，开关电路(63)保护设备不受损害。
参见图2、图7，电流检测电路(3)中的霍尔电流检测元件(31)检测三相电源的电路值，霍尔电流检测元件(31)输入信号馈给滤波放大电路(32)，滤波放大电路(32)的输出信号馈给比较电路(33)，比较电路(33)的输出信号馈给图2中的控制电路(4)，当检测到三相电源的电流超过标准时，控制电路(4)输出信号馈给驱动电路(5)，驱动电路(5)断开开关电路(61)，开关电路(62)，开关电路(63)达到保护设备目的。
从上述的分析中我们看到，使用图2的工作原理，开关按照一定顺序切换，使得电感负荷的无功能量仅与电容器C进行交换，避免了感性用电设备与电源发生无功能量交换，达到了无功功率因数自动补偿的目的。
Claims (9)
1.一种电能回馈式无功自动补偿方法和装置，由相位检测电路(1)，缺相检测电路(2)，电流检测电路(3)，控制电路(4)，驱动电路(5)，开关电路(6)，电感元件(7)，电源(8)按顺序连接组成，其特征是：开关电路(6)、电感元件(7)与电源(8)串联接，相位检测电路(1)、缺相检测电路(2)、电流检测电路(3)分别检测电源(8)的电压相位、电流相位和缺相情况馈给控制电路(4)，控制电路(4)的输出信号馈给驱动电路(5)，驱动电路(5)输出信号馈给开关电路(6)。
2.根据权利要求1所述的一种电能回馈式无功自动补偿方法和装置，其特征是：开关电路(6)，由一组开关K1并联二极管D1，开关K2并联二极管D2，二极管D1、D2阴极连接在一起构成串联电路，和另一组开关K3并联二极管D3，开关K4并联二极管D4，二极管D3、D4阳极连接在一起构成的串联电路并联接后组成桥型电路，电容器C和开关K5串联后跨接在桥型开关电路的两臂中间，电容器C的一端接二极管D1、D2的阴极连接点，开关K5一端接二极管D3、D4的阳极连接点。
3.根据权利要求1所述的一种电能回馈式无功自动补偿方法和装置，其特征是：控制电路(4)接收相位检测电路(1)、电流检测电路(2)、缺相检测电路(3)的输出信号，控制电路(4)分别输出同步触发脉宽调制信号和改变输出功率用脉宽调制信号PWM，控制电路(4)控制开关电路(6)的控制方法包括以下步骤：
(1)在用电设备上电工作时控制开关电路(6)实施软启动。
(2)当电源电压从负半周过零到正半周时，在过零点延迟90°+φ相位后闭合开关电路(61)的K1、K4，断开开关电路(61)的K2、K3。在开关电路(61)的K1、K4闭合期间采用PWM控制。
(3)当电源电压从正半周过零到负半周时，在过零点处延迟90°+φ相位后闭合开关电路(61)中的K2、K3，断开开关电路(61)的K1、K4。在开关电路(61)中的K2、K3闭合期间采用PWM控制。
(4)步骤(2)、(3)为一个工作周期，一个工作周期完成后再转到步骤(2)当电源缺相或负载电流超标准，控制电路(4)断开开关电路(6)停止电感元件工作。
4.根据权利要求1所述的一种电能回馈式无功自动补偿方法和装置，其特征是：在三相电路中，开关电路(62)、开关电路(63)的电路结构和开关电路(61)的电路结构相同。
5.根据权利要求1所述的一种电能回馈式无功自动补偿方法和装置，其特征是：控制电路(4)控制开关电路(62)、开关电路(63)的方法与权利要求3相同。
6.根据权利要求1所述的一种电能回馈式无功自动补偿方法和装置，其特征是：相位检测电路(1)由输入光电隔离电路(11)检测电源电压的相位，光电隔离电路(11)的输出信号馈给滤波放大电路(12)，滤波放大电路(12)输出信号馈给比较电路(13)，比较电路(13)的输出信号馈给控制电路(4)。
7.根据权利要求1所述的一种电能回馈式无功自动补偿方法和装置，其特征是：电流检测电路(3)由霍尔电流检测元件(31)检测电源流人电感元件的电流值，霍尔电流检测元件(31)的输出信号馈给滤波放大电路(32)，滤波放大电路(32)的输出信号馈给比较电路(33)比较电路(33)的输出信号馈给控制电路(4)。
8.根据权利要求1所述的一种电能回馈式无功自动补偿方法和装置，其特征是：缺相检测电路(2)由电容分压电路(21)检测三相电源是否缺相，电容分压电路(21)的输出信号馈给整流电路(22)，整流电路(22)的输出信号馈给光电隔离电路(23)，光电隔离电路(23)的输出信号馈给斯密特整形电路(24)，斯密特整形电路(24)的输出信号馈给控制电路(4)。
9.根据权利要求1所述的一种电能回馈式无功自动补偿方法和装置，其特征是：驱动电路(5)由输入光电隔离电路(51)接受控制电路(4)的输出信号，输入光电隔离电路(51)的输出信号馈给限幅放大电路(52)，限幅放大电路(52)的输出信号馈给功率放大电路(53)，功率放大电路(53)的输出信号馈给开关电路(61)、开关电路(62)、开关电路(63)。
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