CN101212140B - 功率因数自动补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种功率因数自动补偿装置，包括：电流检测电路、电压检测电路、信号处理电路和动态补偿单元。电流检测电路用于接收来自三相交流电网的相电流以产生采样电压，电压检测电路用于接收来自三相交流电网的线电压以产生基准电压，信号处理电路用于接收采样电压、基准电压以产生控制信号，动态补偿单元接收控制信号以对三相交流电网进行无功功率补偿。信号处理电路包括信号处理模块，信号处理模块包括比较单元及开关单元，比较单元由第一电压比较器及分压滑动变阻器组成，分压滑动变阻器接收基准电压并为第一电压比较器提供信号基准电压，第一电压比较器以采样电压对信号基准电压进行比较以产生第一输出电压，开关单元接收第一输出电压后产生控制信号。

Description

功率因数自动补偿装置 

技术领域

本发明涉及一种功率因数自动补偿装置，尤其涉及一种用于三相交流电网的功率因数自动补偿装置。 

背景技术

三相交流电网是我国供电系统中十分重要的供电网络，其广泛应用于工业生产、日常生活中。直接挂载在三相交流电网上的通常是一些大型用电设备，比如机床等。这些大型用电设备一般采用电动机将来自三相交流电网的电能转换为其他形式的输出能。在所述转换操作过程中，电动机中的线圈使三相交流电网的相电流的相位滞后于相电压。所述电流滞后相位的余弦值被称为功率因数。 

在交流电学理论中，相电压与相电流的乘积为理想意义上提供给电动机的功率，称为视在功率。相电压、相电流及功率因数三者的乘积为电动机实际利用的功率，称为有功功率。实际工作中，电动机利用的有功功率比视在功率小，这是由于电动机消耗了部分电能所造成的。为了降低电能的浪费，有必要提高有功功率。理论上，当功率因数等于1时，有功功率等于视在功率。为了使有功功率尽量达到这种理想状态，需要提高功率因数。 

目前，一般采用补偿法来提高功率因数。所述补偿法的主要原理为：将电容挂载在电动机之前的电网上；利用电容的储电特性，使得在电动机之前，相电压的相位滞后于相电流；当电动机的线圈对相电流的相位产生滞后效应时，产生的电流滞后相位得到之前电压滞后相位的补偿；由此所述电流滞后相位将减小，而功率因数将增大。 

对于上述补偿法，存在两种实施方式：静态补偿及动态补偿。所谓静态补偿，首先对所需补偿的功率因数进行分析，其次对应于分析结果计算出需采用的电容大小，之后将所需电容挂载至三相交流电网上。所谓动态补偿，首先对所需补偿的功率因数进行分析，其次对应于分析结果设定出所需采用的电容的大小范围，之后将位于所述范围内的多个不同大小的电容通过开关挂载在三相交流电网上，最后采用单片机对所述开关进行控制。比较而言，动态补偿可以根据不同情况选择不同电容对功率因数进行补偿，因此其补偿效果更好。 

如图1所示，传统的三相交流电网10将三相交流发电机80产生的三相交流电输送给负载80。传统功率因数自动补偿装置1采用单片机40实现对三相交流电网10的功率因数补偿的操作控制。其中，功率因数自动补偿装置1包括电压采样器20、电流采样器30、单片机40、开关模组50及补偿器60。 

进行补偿操作时，电压采样器20及电流采样器30分别对三相交流电网10上的线电压、相电流进行采样。单片机40接收来自电压采样器20及电流采样器30的采样电压及采样电流，并对所述采样电压、所述采样电流进行处理，进而产生控制信号。开关模组50接收所述控制信号以导通，从而使补偿器50可以对三相交流电网10进行功率因数补偿操作。 

然而，单片机的市场价格较昂贵。因此，采用单片机控制无功功率补偿操作的功率因数自动补偿装置的生产成本较高。 

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种成本较低的功率因数自动补偿装置。 

一种功率因数自动补偿装置，包括：电流检测电路、电压检测电路、信号处理电路和动态补偿单元。所述电流检测电路用于接收来自三相交流电网的相电流以产生采样电压，所述电压检测电路用于接收来自三相交流电网的线电压以产生基准电压，所述信号处理电路用于接收所述采样电压、所述基准电压以产生控制信号，所述动态补偿单元用于接收所述控制信号对三相交流电网进行无功功率补偿。所述信号处理电路包括信号处理模块，所述信号处理模块包括比较单元及开 关单元，所述比较单元由第一电压比较器及分压滑动变阻器组成，其中，分压滑动变阻器接收所述基准电压并为所述第一电压比较器提供信号基准电压，所述第一电压比较器以所述采样电压对所述信号基准电压进行比较以产生第一输出电压，所述开关单元接收所述第一输出电压后产生所述控制信号。 

上述功率因数自动补偿装置以采用电压比较器、滑动变阻器等普通电子元件的信号处理电路取代单片机实现对动态补偿单元控制，从而降低了整个功率因数自动补偿装置的生产成本。 

附图说明

图1是传统的采用单片机的功率因数自动补偿装置的示意图。 

图2为本发明一较佳实施方式揭露的功率因数自动补偿装置的功能模块图。 

图3为图2所示功率因数自动补偿装置的具体功能模块连接图。 

图4为图3所示功率因数自动补偿装置的具体结构的电路。 

具体实施方式

如图2所示，一较佳实施方式的功率因数自动补偿装置100包括电流检测电路120、电压检测电路130、信号处理电路140、开关电路150、补偿电路160和保护电路170。电流检测电路120与三相交流电网端线901电性相连。电压检测电路130与三相交流电网端线901及端线902电性相连。信号处理电路140、保护电路170都分别与电流检测电路120、电压检测电路130电性相连，信号处理电路140还与补偿电路160电性相连。开关电路150分别与三相交流电网端线901、补偿电路160及保护电路170电性相连。补偿电路160分别与信号处理电路140、开关电路150及三相交流电网端线901、端线902及端线903电性相连。 

当功率因数自动补偿装置100工作时，电流检测电路120从三相交流电网端线901获得相电流，并对相电流处理后得到采样电压。电压检测电路130从三相交流电网端线901及端线902获得线电压，并对线电压处理后得到基准电压。信号处理电路140根据所述采样电压及所述基准电压产生一控制信号，并把所述控制信号传送给补偿电路160。补偿电路160接收所述控制信号，以对三相交流电网进行无功功率补偿操作。当三相交流电网中线电压或相电流波动超出补偿电路160的正常工作范围时，保护电路170根据电流检测电路120、电压检测电路130提供的采样电压、基准电压，产生保护信号，当开关电路150接收到所述保护信号时，开关电路150会自动断开，使得补偿电路160不能处于工作状态。 

图3所示为图2所示功率因数自动补偿装置100的具体功能模块连接图。其中，信号处理电路140包括第一信号处理模块141及第二信号处理模块143。第一信号处理模块141与电流检测电路120、电压检测电路130电性相连及补偿电路160电性相连。第二信号处理模块143与电流检测电路120、电压检测电路130及补偿电路160电性相连。其中，第二信号处理模块143与第一信号处理模块141的具体结构及功能相同，以下以第一信号处理模块141为例作具体说明。 

第一信号处理模块141包括比较单元142、延时单元144及开关单元146。比较单元142分别与电流检测电路120、电压检测电路130及延时单元144电性相连。开关单元146分别与电流检测电路120、延时单元144及补偿电路160电性相连。 

当第一信号处理模块141工作时，比较单元142以所述基准电压对所述采样电压进行比较，以产生第一输出电压。该第一输出电压在延时单元144中进行延时操作后被提供给开关单元146。开关单元146根据该第一输出电压和电压检测电路130提供的基准电压产生一控制信号，该控制信号被提供给补偿电路160。 

补偿电路160包括静态补偿单元162、第一动态补偿单元164及第二动态补偿单元166。静态补偿单元162并联在三相交流电网中。第一动态补偿单元164分别与三相交流电网中的端线901、端线902、端线903电性相连，还与开关单元146及开关电路150电性相连。第二动态补偿单元166分别与三相交流电网中的端线901、端线902、端线903电性相 连，还与第二信号处理模块143及开关电路150电性相连。静态补偿单元162为三相交流电网提供一恒定无功功率补偿量。第一动态补偿单元164接收第一信号处理模块141提供的所述控制信号，第二动态补偿单元166接收第二信号处理模块143提供的所述控制信号，以对三相交流电网进行动态的无功功率补偿。其中，第一动态补偿单元164及第二动态补偿单元166的具体结构相同，以下以第一动态补偿单元164为例作具体说明。 

如图4所示，其为功率因数自动补偿装置100的具体结构的电路。电流检测电路120包括变压器T1、整流电桥D1、第一电容C1及电位器121。变压器T1的初级线圈122与三相交流电网的一端线901电性相连，以检测端线901的相电流，其次级线圈123与整流电桥D1的输入端a电性相连以为整流电桥D1提供感应电流。整流电桥D1的接地端b接地，以对所述感应电流进行整流操作。第一电容C1的第一端与整流电桥D1输出端c及所述电位器121电性相连，其第二端接地，以对所述整流后的感应电流进行滤波操作，进而将其传送至电位器121。电位器121的第一固定端与第一电容C1第一端电性相连，其第二固定端接地，以接收所述滤波后的感应电流。电位器121的滑动端分别与信号处理电路140、保护电路170电性相连，以向信号处理电路140、保护电路170提供采样电压。在本实施例中，电位器121具有二固定电阻及一采样滑动变阻器。其中，所述采样滑动变阻器W1电性串联在所述二固定电阻中间。 

电压检测电路130包括变压器T2、整流电桥D2、三端稳压模块V1、第二电容C2及第三电容C3。变压器T2的初级线圈131与三相交流电网端线903及端线902电性相连，变压器T2的次级线圈132与整流电桥D2的输入端d电性相连，以为整流电桥D2提供感应电压。整流电桥D2的接地端e接地，第二电容C2的第一端分别与整流电桥D2的输出端f、三端稳压模块V1的输入端Vin电性相连，其第二端接地，以对所述整流后的感应电压进行滤波操作，进而将其传送至三端稳压模块V1。三端稳压模块V1的接地端GND接地。第三电容C3的第一端与三端稳压模块 V1的输出端Vout、信号处理电路140及保护电路170电性相连，其第二端接地，以对三端稳压模块V1产生的基准电压进行滤波操作，进而将滤波后的基准电压提供给信号处理电路140及保护电路170。 

信号处理电路140中，第一信号处理模块141与采样滑动变阻器W1的滑动端、三端稳压模块V1的输出端Vout及补偿电路160电性相连，以接收所述采样电压及所述基准电压，并将所述采样电压与所述基准电压比较以产生控制信号来控制补偿电路160为三相交流电网提供无功功率补偿。第二信号处理模块143与采样滑动变阻器W1的滑动端、三端稳压模块V1的输出端Vout及补偿电路160电性相连，以接收所述采样电压及所述基准电压，并将所述采样电压与所述基准电压比较以产生控制信号来控制补偿电路160为三相交流电网提供无功功率补偿。在信号处理模块141中，比较单元142包括分压滑动变阻器W2，第一电压比较器A1。分压滑动变阻器W2的滑动端与三端稳压模块V1的输出端Vout电性相连，其一固定端接地，以接收所述基准电压，并通过调整其滑动头端产生信号基准电压。第一电压比较器A1的反相输入端与分压滑动变阻器W2的另一固定端电性相连，以接收所述信号基准电压，其同相输入端与采样滑动变阻器W1的滑动端电性相连，以接收所述采样电压。第一电压比较器A1将所述采样电压与所述信号基准电压比较以产生第一输出电压。延时单元144与第一电压比较器A1的输出端电性相连，以接收所述第一输出电压，并对该第一电压进行延时操作。所述延时单元包括串联在所述比较单元和所述开关单元之间的二个电阻及二个并联的电容，所述二个电容的第一端均接地，其中一个电容的第二端电性连接在所述二个电阻之间，另一个电容的第二端与所述开关单元电性连接。开关单元146包括第一继电器J1、第一三极管Q1。第一继电器J1的第一端与三端稳压模块V1的输出端Vout电性相连，以接收所述基准电压；第一继电器J1的开关一端与第三继电器J3的输出端电性相连，所述开关的另一端接地，以控制第三继电器J3的开关组的闭合与断开。第一继电器J1的第二端与第一三极管Q1的集电极电性相连，以将所述基准电压提供给第一三极管Q1的集电极。第一 三极管Q1的基极与延时单元144电性相连，发射极接地。当第一三极管Q1的基极接收到所述第一输出电压时，第一三极管Q1导通，此时第一继电器J1中有电流通过，第一继电器J1的开关闭合，产生一控制信号，并将该控制信号传送给补偿电路160中第一动态补偿单元164，第一动态补偿单元164开始为三相交流电网提供补偿。 

在本案实施方式中，第一信号处理模块141通过调整滑动变阻器的滑动端以得到第一信号基准电压，当第一信号处理模块141中的第一比较电压大于第一信号基准电压时，第一信号处理模块141发出控制信号，使第一动态补偿单元164为三相交流电网提供补偿。第二信号处理模块143通过调整滑动变阻器的滑动端以得到第二信号基准电压，当第二信号处理模块143中的第二比较电压大于第二信号基准电压时，第二信号处理模块143发出控制信号，使第二动态补偿单元166为三相交流电网提供补偿。 

开关电路150包括一第二继电器J2。第二继电器J2第一端通过第二继电器J2的开关与三相交流电网端线901电性相连，第二继电器J2第一端还与补偿电路160电性相连，以为补偿电路160提供工作电压，第二继电器J2第二端与保护电路170电性相连。当保护电路170提供一保护信号给开关电路150时，第二继电器J2的开关与三相交流电网端线901断开，此时补偿电路160不能进入工作状态。 

在补偿电路160中，静态补偿单元162包括补偿电容C81、补偿电容C82和补偿电容C83。补偿电容C81第一端与三相交流电网端线901，第二端接地。补偿电容C82第一端与三相交流电网端线902，第二端接地。补偿电容C83第一端与三相交流电网端线903，第二端接地，该等补偿电容为三相交流电网提供恒定的无功功率补偿。第一动态补偿单元164包括第三继电器J3、补偿电容C91、补偿电容C92和补偿电容C93。补偿电容C91第一端与第三继电器J3的开关K1电性相连，开关K1的另一端与三相交流电网端线901电性相连，补偿电容C91第二端接地。补偿电容C92第一端与第三继电器J3的开关K2电性相连，开关K2的另一端与三相交流电网端线902电性相连，补偿电容C92第二端接地。补偿 电容C93第一端与第三继电器J3的开关K3电性相连，开关K3的另一端与三相交流电网端线903电性相连，补偿电容C93第二端接地。所述开关K1、K2、K3对应控制补偿电容C91、C92、C93与三相交流电网之间的导通状态。第三继电器J3第一端与第一信号处理模块141电性相连，以接收所述控制信号，当第三继电器J3接收到所述控制信号时，第三继电器J3中有电流通过，第三继电器J3的开关组闭合，补偿电容C91、补偿电容C92及补偿电容C93与三相交流电网中的端线导通，第一动态补偿单元164开始为三相交流电网提供补偿。同样的，若第二动态补偿单元166接收到第二信号处理模块143提供的控制信号时，第二动态补偿单元166也开始为三相交流电网提供补偿。 

保护电路170包括一分压单元172、一检测保护单元174。分压单元172包括第一电阻R1、第二电阻R2。第一电阻R1的一端与三端稳压模块V1的输出端Vout电性相连，另一端与检测保护单元174、第二电阻R2电性相连，第二电阻R2的另一端接地。分压单元172接收所述基准电压，并对所述基准电压分压得到保护基准电压，所述保护基准电压被提供给检测保护单元174。检测保护单元174包括一第四继电器J4、一滑动变阻器W3、一第二电压比较器A2、第四电容C4、第三电阻R3及一第二三极管Q2。第四继电器J4的第一端与三端稳压模块V1的输出端Vout电性相连，以接收所述基准电压。第四继电器J4的开关一端与开关电路150电性相连，第四继电器J4的开关的另一端接地，以控制开关电路150的导通状态。第四继电器J4的第二端与第二三极管Q2的集电极电性相连，以将所述基准电压提供给第一三极管Q1的集电极。 

第二电压比较器A2的反相输入端与分压单元172的第一电阻R1的一端电性相连，以接收所述保护基准电压。滑动变阻器W3的一固定端与采样滑动变阻器W1的滑动端电性相连，滑动变阻器W3的另一固定端接地，以接收所述采样电压，滑动变阻器W3的滑动端与第二电压比较器A2的同相输入端电性相连，通过调节滑动变阻器W3的滑动端得到第三比较电压，所述第三比较电压被提供给第二电压比较器A2的同相输入端。第二电压比较器A2根据接收到的所述保护基准电压及所述 第三比较电压产生第二输出电压。第二电压比较器A2的输出端与第四电容C4的第一端、第三电阻R3电性相连。第四电容C4的第二端接地。第三电阻R3的另一端与第二三极管Q2的基极电性相连。所述第二输出电压经过第四电容C4滤波后提供给第二三极管Q2的基极，此时第二三极管Q2导通。第四继电器J4有电流通过，第四继电器J4的开关断开，开关电路150中的第二继电器J2的输入端、输出端的电势差为零，即没有电流流过第二继电器J2，第二继电器J2的开关与三相交流电网中的端线断开，从而使动态补偿单元164中的第三继电器J3的第二端也与三相交流电网中的端线断开，动态补偿单元164不能进入工作状态。此时动态补偿单元166也不能进入工作状态。 

通过调节滑动变阻器W3的滑动端得到不同的第二比较电压，可实现对补偿电路160的过流保护、短路保护。 

在其他实施例中，可以增加多组信号处理模块、动态补偿单元，来精确无功功率补偿量。 

该功率因数自动补偿装置100采用信号处理电路140及开关电路150实现对补偿电路160的控制作用。其中，信号处理电路140仅以电压比较器、三极管、电阻、电容、继电器等常用电子元件构成，其生产成本得以降低。

Claims (10)

1.一种功率因数自动补偿装置，其包括电流检测电路、电压检测电路、信号处理电路和动态补偿单元，所述电流检测电路用于接收来自三相交流电网的相电流以产生采样电压，所述电压检测电路用于接收来自三相交流电网的线电压以产生基准电压，所述信号处理电路用于接收所述采样电压、所述基准电压以产生控制信号，所述动态补偿单元用于接收控制信号对三相交流电网进行无功功率补偿；其特征在于：所述信号处理电路包括信号处理模块，所述信号处理模块包括比较单元及开关单元，所述比较单元由第一电压比较器及分压滑动变阻器组成，其中，分压滑动变阻器接收所述基准电压并为所述第一电压比较器提供信号基准电压，所述第一电压比较器以所述采样电压对所述信号基准电压进行比较以产生第一输出电压，所述开关单元接收所述第一输出电压后产生所述控制信号。

2.如权利要求1所述的功率因数自动补偿装置，其特征在于：所述信号处理模块还包括延时单元，所述延时单元用于对所述第一输出电压进行延时操作。

3.如权利要求2所述的功率因数自动补偿装置，其特征在于：所述比较单元包括分压滑动变阻器、第一电压比较器，所述分压滑动变阻器的一固定端与所述第一电压比较器的反相输入端电性相连，所述分压滑动变阻器的另一固定端接地，所述分压滑动变阻器的滑动头端与所述电压检测电路电性相连，所述第一电压比较器的同相输入端与所述电流检测电路中的采样滑动变阻器的滑动端电性相连，所述第一电压比较器的输出端与所述延时单元电性相连。

4.如权利要求2所述的功率因数自动补偿装置，其特征在于：所述延时单元包括串联在所述比较单元和所述开关单元之间的二个电阻及二个并联的电容，所述二个电容的第一端均接地，其中一个电容的第二端电性连接在所述二个电阻之间，另一个电容的第二端与所述开关单元电性连接。 

5.如权利要求2所述的功率因数自动补偿装置，其特征在于：所述开关单元包括第一继电器、第一三极管，所述第一继电器的第一端接收所述基准电压，所述第一继电器的开关的一端与所述动态补偿单元电性相连，所述第一继电器的第二端与所述第一三极管的集电极电性相连，所述第一继电器的开关的另一端接地，所述第一三极管的基极与所述延时单元电性相连，所述第一三极管的发射极接地。

6.如权利要求1所述的功率因数自动补偿装置，其特征在于：所述功率因数自动补偿装置还包括静态补偿单元，所述静态补偿单元并联在三相交流电网中，持续为三相交流电网提供无功功率补偿。

7.如权利要求6所述的功率因数自动补偿装置，其特征在于：所述功率因数自动补偿装置包括多组所述动态补偿单元，且所述信号处理电路也有与所述动态补偿单元对应的多组所述信号处理模块。

8.如权利要求1所述的功率因数自动补偿装置，其特征在于：还包括保护电路、开关电路，所述保护电路分别与所述电流检测电路、所述电压检测电路及所述开关电路电性相连，所述开关电路还与三相交流电网中一端线、所述动态补偿单元电性相连，所述保护电路用于控制所述开关电路的导通状态，所述开关电路用于控制所述动态补偿单元的工作状态。

9.如权利要求8所述的功率因数自动补偿装置，其特征在于：所述保护电路包括分压单元、检测保护单元，所述分压单元根据接收到的所述基准电压以产生保护基准电压，所述检测保护单元根据接收到的所述采样电压、所述基准电压及所述保护基准电压以产生所述保护信号，来控制所述开关电路的导通状态。

10.如权利要求8所述的功率因数自动补偿装置，其特征在于：所述开关电路包括第二继电器，所述第二继电器的第一端分别与所述动态补偿单元、所述第二继电器的开关的一端电性相连，所述第二继电器的开关的另一端与三相交流电网中的任意一端线电性相连，所述第二继电器的第二端与所述保护电路电性相连。 

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