CN102157944B - 一种共补型低压智能组合式无功功率补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种共补型低压智能组合式无功功率补偿器，CPU单元与一个操控面板单元连接；CPU单元与一个外部RS485通讯单元连接；CPU单元与温度传感器单元连接；CPU单元与输出控制功率开关投切单元连接；CPU单元与信号放大整流电路连接并采集的电网电压、电流数据；输出控制功率开关投切单元通过接线端子与功率投切模块连接，功率投切模块内设有过零投切IC。本发明所述的共补型低压智能组合式无功功率补偿器，投切安全，对电网冲击电流小，长寿命，低成本，具有过压，过流，过温保护，安装操作简便、直观，对操作人员只要求普通电工就能确保设备可靠运行。

Description

一种共补型低压智能组合式无功功率补偿器

技术领域

本发明涉及用于低压0.4KV无功功率补偿的智能组合电力电容器，具体说是一种共补型低压智能组合式无功功率补偿器。

背景技术

当前电网使用的电能主要是用于工业用电，大约占70％左右，而工业用电绝大部分是用于感性负载，如电动机等，还有部分用于阻性负载，如电加热等。电动机的频繁启动、停止，电加热按照所需温度调整功率的大小，而且电加热很多只用到单相，即AC220V电源。用电环境错综复杂。对此，通常会在线路上并联电容器，以补充线路的无功功率损耗。以前提前预加电容器，容易在用电低谷阶段，出现过补，现在基本淘汰不使用。现在用户无功功率补偿措施通常都是在0.4KV配电屏端通过功率因数控制器来控制多组电力电容器的投切，使功率因数达到0.95左右。

现有的配电屏无功功率补偿机构包括：电力刀开关，熔断器，无功补偿检测装置，电容器专用投切继电器，电力电容器等，如需达到消除谐波功能，还需另加谐波消除电抗线圈。其存在如下缺点：投切电流大，对线路产生浪涌冲击电流，电容器专用投切继电器触点寿命短，接线繁杂，占用空间大，维护检修不方便，成本高，机械连接部件多，设备容易失效。而市场上现有的智能或类智能型产品，操控界面都比较繁琐，对操控人员技术要求很高，需要专人跟踪技术指导，无法大面积普及，极大的限制了无功功率补偿器的推广使用，造成能源浪费。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种共补型低压智能组合式无功功率补偿器，投切安全，对电网冲击电流小，长寿命，低成本，具有过压，过流，过温保护，安装操作简便、直观，对操作人员只要求普通电工就能确保设备可靠运行。

发明概述

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

本发明提供了一种共补型低压智能组合式无功功率补偿器，其特征在于，由以下组成：一个电源变换器(1)，接收AC380v电源输入，为CPU单元(5)和以下各单元、电路提供一路VCC-5v、一路VDD+12v、两路VDD+5v供电；

其中，主电源VDD1+5v供CPU单元(5)使用，同时VDD1+5V和VCC-5V提供给信号放大整流电路(3)中的运算放大器IC1～IC4，运算放大器IC1～IC4用于放大电流和电压信号，VDD2+12V供给功率投切模块和过零投切IC(10)用于投切电源，VDD3+5V提供给RS485通信单元；

CPU单元(5)通过线缆与一个操控面板单元(4)连接，操控面板单元(4)用于人机对话并显示相关信息；

CPU单元(5)通过线缆与一个外部RS485通讯单元(8)连接；

CPU单元(5)通过线缆与温度传感放大器单元(9)连接；

CPU单元(5)通过线缆与信号放大整流电路(3)连接；

信号放大整流电路(3)接收信号采集单元(2)的数据；

所述信号采集单元(2)包括一个电压互感器(21)和一个电流互感器(22)；电流互感器(22)检测B相线的电流，电压互感器(21)检测AC相的电压，测量电网配电参数；

CPU单元(5)通过线缆与输出控制功率开关投切单元(6)连接；

输出控制功率开关投切单元(6)通过连接端子与第一、第二功率投切模块(7A、7B)连接，所述功率投切模块内设有过零投切IC(10)；

第一、第二功率投切模块(7A、7B)与“三角形”连接的三个电力电容器CAP1、CAP2、CAP3连接；

第一功率投切模块(7A)的K1引脚与三相相线的A相连接，

第二功率投切模块(7B)的K1引脚与三相相线的C相连接，

第一功率投切模块(7A)的K2引脚与“三角形”连接的三个电力电容器的公共端A1连接，

第二功率投切模块(7B)的K2引脚与“三角形”连接的三个电力电容器的公共端C1连接，

“三角形”连接的三个电力电容器的公共端B1连接三相相线的B相；

电流互感器(22)的型号为CT05-1，电流互感器(22)将一次电流互感器输出的0～5A电流信号转化成CPU单元(5)可处理的小信号，输入到运算放大器IC3的9脚，再通过由二极管D3、D4和运算放大器IC4构成的整流放大电路，输入到CPU单元(5)，经CPU单元(5)内部模拟/数字变换后，测量出电网电流信号；

电压互感器(21)的型号为PT01-4，电压互感器(21)感应出来和电源电压成比例的电压信号，输入到运算放大器IC1的2脚，通过由二极管D2、D1和运算放大器IC2构成的整流放大电路，输入到CPU单元(5)，经CPU单元(5)内部模拟/数字变换后，与操控面板单元(4)设定值进行对比，检测是否过压、欠压，当过压时切断电力电容器，欠压时，禁止投入电力电容器，但允许切除电力电容器，从而确保电力电容器可靠运行不会损坏；同时，与电流信号进行对比，根据相位角的差距，计算无功功率大小，该无功功率超过操控面板单元(4)设定值时，投入电力电容器，进行无功功率补偿，提升电力线路供电效率；

所述运算放大器IC1～IC4的型号为LM324，运算放大器IC2、IC4的输出端和反向输入端间均并联有一个电阻R2和一个电容C2；

输出控制功率开关投切单元(6)设有由CPU单元(5)控制的三极管Q1、三极管Q2，

三极管Q1、三极管Q2的基极接收CPU单元(5)的控制信号，发射极均接地，

三极管Q1的集电极C连接一直限流电阻R3的一端，电阻R3的另一端与每一个功率投切模块的S4引脚相连接，

三极管Q2的集电极C极与每一个功率投切模块的S2引脚相连接，

功率投切模块的S1引脚和S3引脚与电源VDD2+12V连接，

S3、S4引脚连接到设于功率投切模块内的过零投切IC(10)，

S1、S2引脚连接到设于功率投切模块内的磁保持继电器J1的线圈两端，

功率投切模块内还设有反向并联的晶闸管SCR1和SCR2，

磁保持继电器J1的一对常开触点中的一个触点连接晶闸管SCR1的阳极A极、SCR2的阴极K极，另一个触点连接晶闸管SCR1的阴极K极、SCR2的阳极A极，

晶闸管SCR1的阳极A极、SCR2的阴极K极连接到K1端子，

晶闸管SCR1的阴极K极、SCR2的阳极A极连接到K2端子，

过零投切IC的一个输出控制端连接在晶闸管SCR1的门极G极，过零投切IC的另一个输出控制端连接到晶闸管SCR2的门极G极；

所述S1，S2，S3，S4都通过输出控制功率开关投切单元(6)受控于CPU单元(5)，由CPU检测到功率因数下降到设定要求以下时，投入电力电容器，当功率因数达到设定要求或者过补偿时，则在CPU控制下切断电力电容器。

发明详述

具体地，本发明提供了一种共补型低压智能组合式无功功率补偿器，其特征在于，包括：一个电源变换器1，接收AC380v电源输入，为CPU单元5和以下各单元、电路提供一路VCC-5v、一路VDD+12v、两路VDD+5v供电；

其中，主电源VDD1+5v供CPU单元5使用，同时VDD1+5V和VCC-5V提供给信号放大整流电路3中的运算放大器IC1～IC4，运算放大器IC1～IC4用于放大电流和电压信号，VDD2+12V供给功率投切模块和过零投切IC10用于投切电源，VDD3+5V提供给RS485通信单元；

CPU单元5通过线缆与一个操控面板单元4连接，操控面板单元4用于人机对话并显示相关信息；

CPU单元5通过线缆与一个外部RS485通讯单元8连接；

CPU单元5通过线缆与温度传感放大器单元9连接；

CPU单元5通过线缆与信号放大整流电路3连接；

信号放大整流电路3接收信号采集单元2的数据；

所述信号采集单元2包括一个电压互感器21和一个电流互感器22；电流互感器22检测B相线的电流，电压互感器21检测AC相的电压，测量电网配电参数；

CPU单元5通过线缆与输出控制功率开关投切单元6连接；

输出控制功率开关投切单元6通过连接端子与第一、第二功率投切模块7A、7B连接，所述功率投切模块内设有过零投切IC10；

第一、第二功率投切模块7A、7B与“三角形”连接的三个电力电容器CAP1、CAP2、CAP3连接。

在上述技术方案的基础上，CPU单元5的型号为STC12C5620AD。

在上述技术方案的基础上，第一功率投切模块7A的K1引脚与三相相线的A相连接，第二功率投切模块7B的K1引脚与三相相线的C相连接，

第一功率投切模块7A的K2引脚与“三角形”连接的三个电力电容器的公共端A1连接，

第二功率投切模块7B的K2引脚与“三角形”连接的三个电力电容器的公共端C1连接，“三角形”连接的三个电力电容器的公共端B1连接三相相线的B相。

在上述技术方案的基础上，操控面板单元4下部设有设定键、向上键、向下键，中部设有一个主LED显示框，环绕主LED显示框设有若干显示当前工作状态的LED指示灯。在上述技术方案的基础上，温度传感放大器单元9包括热敏电阻RT，所述热敏电阻RT为一个负温度系数器件，

热敏电阻RT与电阻R1串联分压后输入到CPU单元5。

在上述技术方案的基础上，电流互感器22的型号为CT05-1，电流互感器22将一次电流互感器输出的0～5A电流信号转化成CPU单元5可处理的小信号，输入到运算放大器IC3的9脚，再通过由二极管D3、D4和运算放大器IC4构成的整流放大电路，输入到CPU单元5，经CPU单元5内部模拟/数字变换后，测量出电网电流信号；

电压互感器21的型号为PT01-4，电压互感器21感应出来和电源电压成比例的电压信号，输入到运算放大器IC1的2脚，通过由二极管D2、D1和运算放大器IC2构成的整流放大电路，输入到CPU单元5，经CPU单元5内部模拟/数字变换后，与操控面板单元4设定值进行对比，检测是否过压、欠压，当过压时切断电力电容器，欠压时，禁止投入电力电容器，但允许切除电力电容器，从而确保电力电容器可靠运行不会损坏；

同时，与电流信号进行对比，根据相位角的差距，计算无功功率大小，该无功功率超过操控面板单元4设定值时，投入电力电容器，进行无功功率补偿，提升电力线路供电效率；

所述运算放大器IC1～IC4的型号为LM324，运算放大器IC2、IC4的输出端和反向输入端间均并联有一个电阻R2和一个电容C2。

在上述技术方案的基础上，输出控制功率开关投切单元6设有由CPU单元5控制的三极管Q1、三极管Q2，

三极管Q1、三极管Q2的基极接收CPU单元5的控制信号，发射极均接地，

三极管Q1的集电极C连接一直限流电阻R3的一端，电阻R3的另一端与每一个功率投切模块的S4引脚相连接，

三极管Q2的集电极C极与每一个功率投切模块的S2引脚相连接，

功率投切模块的S1引脚和S3引脚与电源VDD2+12V连接，

S3、S4引脚连接到设于功率投切模块内的过零投切IC10，

S1、S2引脚连接到设于功率投切模块内的磁保持继电器J1的线圈两端，

功率投切模块内还设有反向并联的晶闸管SCR1和SCR2，

磁保持继电器J1的一对常开触点中的一个触点连接晶闸管SCR1的阳极A极、SCR2的阴极K极，另一个触点连接晶闸管SCR1的阴极K极、SCR2的阳极A极，

晶闸管SCR1的阳极A极、SCR2的阴极K极连接到K1端子，

晶闸管SCR1的阴极K极、SCR2的阳极A极连接到K2端子，

过零投切IC的一个输出控制端连接在晶闸管SCR1的门极G极，过零投切IC的另一个输出控制端连接到晶闸管SCR2的门极G极。

在上述技术方案的基础上，所述过零投切IC10有两个，两个过零投切IC10串联使用以增加可靠性。

在上述技术方案的基础上，过零投切IC10型号为MOC3083。

本发明所述的共补型低压智能组合式无功功率补偿器，投切安全，对电网冲击电流小，长寿命，低成本，具有过压，过流，过温保护，安装操作简便、直观，对操作人员只要求普通电工就能确保设备可靠运行。

附图说明

本发明有如下附图：

图1共补型低压智能组合式无功功率补偿器的结构框图，

图2操控面板单元示意图，

图3过零投切IC结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明所述的共补型低压智能组合式无功功率补偿器，以CPU单元5为核心，通过一个电压互感器和一个电流互感器对外部的电压信号、电流信号取样。其具体结构如图1所示，包括：

一个电源变换器1，接收AC380v电源输入，为CPU单元5和以下各单元、电路提供一路VCC-5v、一路VDD+12v、两路VDD+5v供电；其中，主电源VDD1+5v供CPU单元5使用，同时VDD1+5V和VCC-5V提供给信号放大整流电路3中的运算放大器IC1～IC4，运算放大器IC1～IC4用于放大电流和电压信号，VDD2+12V供给功率投切模块和过零投切IC10用于投切电源，VDD3+5V提供给RS485通信单元；

CPU单元5通过线缆与一个操控面板单元4连接，操控面板单元4用于人机对话并显示相关信息；本发明所述的共补型低压智能组合式无功功率补偿器在联机控制时，可以通过操控面板单元4设定一台为主机(通信地址设置为零地址)，其他为从机(通信地址设置成非零不重复序号)；主机作为主控制设备对配电信息采集计算，并根据计算结果与控制目标比较，对从机发出电容器投切命令，从机电容器投切按循环投切方式接受控制，以实现小范围连接，避免各台单独工作，投入了一起投入，切断了一起切断，使功率因数偏低；

CPU单元5通过线缆与一个外部RS485通讯单元8连接；本发明所述的共补型低压智能组合式无功功率补偿器间可通过外部RS485通讯单元8进行485通讯，实现联网控制功能；外部RS485通讯单元8可采用现有技术实现；

CPU单元5通过线缆与温度传感放大器单元9连接；温度传感放大器单元9用于采集电容器温度，对电容器实现过温保护；

CPU单元5通过线缆与信号放大整流电路3连接；

信号放大整流电路3接收信号采集单元2的数据；

所述信号采集单元2包括一个电压互感器21和一个电流互感器22；电流互感器22检测B相线的电流，电压互感器21检测AC相的电压，测量电网配电参数；

CPU单元5通过线缆与输出控制功率开关投切单元6连接；

输出控制功率开关投切单元6通过连接端子与第一、第二功率投切模块7A、7B连接，所述功率投切模块内设有过零投切IC10；

第一、第二功率投切模块7A、7B与“三角形”连接的三个电力电容器CAP1、CAP2、CAP3连接。三个电力电容器CAP1、CAP2、CAP3为用于补充低压0.4KV的电力电容器，三个电力电容器间为“三角形”连接。

在上述技术方案的基础上，CPU单元5的型号为STC12C5620AD。CPU单元5为控制核心，CPU单元5采用宏晶科技的STC12C5620AD单片机，该单片机可以工作在1T模式，比普通51系列单片机速度快8～12倍，内部集成了8路10位ADC和其他外围设备，满足产品测量控制要求。

在上述技术方案的基础上，第一功率投切模块7A的K1引脚与三相相线的A相连接，第二功率投切模块7B的K1引脚与三相相线的C相连接，

第一功率投切模块7A的K2引脚与“三角形”连接的三个电力电容器的公共端A1连接，

第二功率投切模块7B的K2引脚与“三角形”连接的三个电力电容器的公共端C1连接，“三角形”连接的三个电力电容器的公共端B1连接三相相线的B相。

在上述技术方案的基础上，如图2所示，操控面板单元4下部设有设定键、向上键、向下键，中部设有一个主LED显示框，环绕主LED显示框设有若干显示当前工作状态的LED指示灯。

操控面板单元4工作过程如下：

在上电复位后，主LED显示框显示公司拼音缩写，亮1秒，之后共补型低压智能组合式无功功率补偿器进入自动运行状态，自动LED指示灯亮。

进入自动运行状态后，主LED显示框依次显示以下各参数的值且相应的LED指示灯亮：电容器补偿无功容量(容量LED指示灯亮)、功率因数下限(下限LED指示灯亮)、投切电容器延时(延时LED指示灯亮)、电流互感器变比(变比LED指示灯亮)、电容器过压保护值(过压LED指示灯亮)、电容器过温保护温度值(过温LED指示灯亮)、本机的通信地址(地址LED指示灯亮)，每个参数显示停留1秒，指示灯在参数显示后熄灭，上述参数显示完成后，频率LED指示灯亮，主LED显示框显示电网频率。然后共补型低压智能组合式无功功率补偿器进入自动控制状态。

进入自动控制状态后，当出现过电压时，主LED显示框显示过压的电压值，同时过压LED指示灯亮，如有投入电容则切除已投入的电容，并在电网电压降至过压保护值以下10VAC前禁止电容器再次投入；当出现过温时，主LED显示框显示过温的温度值，同时过温LED指示灯亮，切除已投入的电容，并在电容器温度降至过温保护值以下5℃前禁止电容器再次投入。

在共补型低压智能组合式无功功率补偿器处于自动运行状态(自动LED指示灯亮)时，按设定键，主LED显示框显示内容依次在频率、AC相电压、B相电流、功率因数之间切换，相应的频率、电压、电流、功率因数LED指示灯亮。

在共补型低压智能组合式无功功率补偿器处于自动运行状态(自动LED指示灯亮)时，同时按设定键和向上键，或先按下向上键并保持再按设定键，共补型低压智能组合式无功功率补偿器进入设置状态，再按设定键在电容器补偿无功容量、功率因数下限、投切电容器延时、电流互感器变比、电容器过压保护值、电容器过温保护温度值、本机的通信地址之间切换，同时相应的LED指示灯亮，按向上键增加当前设置参数的参数值，按向下键减小当前设置参数的参数值，所设定的新参数值自动保存。其中，当设定完本机的通信地址后，需要再次按设定键才返回自动运行状态。

在共补型低压智能组合式无功功率补偿器处于自动运行状态(自动LED指示灯亮)时，同时按设定键和向下键，或先按下向下键并保持再按设定键，共补型低压智能组合式无功功率补偿器进入手动状态(手动LED指示灯亮)，按向上键投入电容，LED指示灯C亮，按向下键切除电容，电容LED指示灯C灭，按设定键返回自动运行状态。

在共补型低压智能组合式无功功率补偿器处于自动运行状态(自动LED指示灯亮)时，同时按向上键和向下键，或先按下向下键并保持再按向上键，共补型低压智能组合式无功功率补偿器进入调试状态(调试LED指示灯亮)，按向上键电容LED指示灯C亮，但电容器不动作；按向下键电容LED指示灯C灭，但电容器不动作，按设定键返回自动运行状态。调试状态主要用于测试显示电路板的按键和显示部件是否正常。

上述操控面板单元4采用的直观人性化的控制面板具有以下优点：显示内容直观，主LED显示框显示内容和状态指示LED等相互对应，无需轮换选择显示内容，避免由于LED显示框显示的缺陷，而误导操作人员，出现错误操作，比如LED屏无法区分“T”和“J”，对操作人员要求很低，只要普通电工就可操作，并且不一定需要对应详细说明书。

在上述技术方案的基础上，温度传感放大器单元9包括热敏电阻RT，热敏电阻RT是一个NTC(负温度系数)器件，受温度变化，其本身阻值也会降低，热敏电阻RT与电阻R1串联分压后输入到CPU单元5，经CPU单元5内部模拟/数字变换后，与操控面板单元4设定值对比，判断是否过温，是否切断电力电容器，同时可以在操控面板单元4上查询当前温度值。

在上述技术方案的基础上，电流互感器22的型号为CT05-1，电流互感器22将一次电流互感器输出的0～5A电流信号转化成CPU单元5可处理的小信号，输入到运算放大器IC3的9脚，再通过由二极管D3、D4和运算放大器IC4构成的整流放大电路，输入到CPU单元5，经CPU单元5内部模拟/数字变换后，测量出电网电流信号；

电压互感器21的型号为PT01-4，电压互感器21感应出来和电源电压成比例的电压信号，输入到运算放大器IC1的2脚，通过由二极管D2、D1和运算放大器IC2构成的整流放大电路，输入到CPU单元5，经CPU单元5内部模拟/数字变换后，与操控面板单元4设定值进行对比，检测是否过压、欠压，当过压时切断电力电容器，欠压时，禁止投入电力电容器，但允许切除电力电容器，从而确保电力电容器可靠运行不会损坏；同时，与电流信号进行对比，根据相位角的差距，计算无功功率大小，该无功功率超过操控面板单元4设定值时，投入电力电容器，进行无功功率补偿，提升电力线路供电效率；所述运算放大器IC1～IC4的型号为LM324，运算放大器IC2、IC4的输出端和反向输入端间均并联有一个电阻R2和一个电容C2。

本发明所述的共补型低压智能组合式无功功率补偿器，只需要一只电流互感器和一只电压互感器，电流互感器22用于检测B相相线的电流，电压互感器21用于检测AC相的电压，通过CPU运算以后得出当前的功率因数和无功功率，如当前的功率因数低于设定值呈感性，滞后LED指示灯亮且无功功率大于电容器无功补偿设定值时，三相同时接通电力电容器，以补偿提高功率因数，通过测量相角差，当电网容性时，超前LED指示灯亮同时切断三相补偿电力电容器。本发明中，三相电力电容器做“Δ”连接(“三角形”连接)，同时对三相相进行补偿，一个电流互感器22和一个电压互感器21，信号取样后通过CPU单元5计算，再和操控面板单元4设定值对比，决定投入或切断。对同一线路上即有感性负载，又有阻性负载的，实现更加精细的补偿。例如，低压总电流为100A，电压0.4kV，有功功率55KW，功率因数提高到0.96以上，则视在功率：

$S=\sqrt{3}\mathrm{UI}=\sqrt{3}\×400\×100=69.28\mathrm{kVA}---\left(1\right)$

无功功率：

$Q=\sqrt{S^2-P^2}=\sqrt{{69.28}^2-{55}^2}=4212\mathrm{kVAR}---\left(2\right)$

原功率因数：

cosφ＝P/S＝0.79(3)

补偿电容：

$\begin{array}{c}{Q}_c=P[\sqrt{\frac{1}{{\cos }^2{\mathrm{\φ}}_1}-1}-\sqrt{\frac{1}{{\cos }^2{\mathrm{\φ}}_2}-1]}\\ =26.6\mathrm{kVAR}\end{array}---\left(4\right)$

根据计算所得，则需相应补偿25KVar的共补电容较合适。智能共补电容器选用20+5KVar组合方式，根据计算结果投入一组20KVar(此时电容LED指示灯C1亮)和一组5Kvar(此时电容LED指示灯C2亮)，可以达到较好的无功补偿目的。

在上述技术方案的基础上，输出控制功率开关投切单元6设有由CPU单元5控制的三极管Q1、三极管Q2，

三极管Q1、三极管Q2的基极接收CPU单元5的控制信号，发射极均接地，

三极管Q1的集电极C连接一直限流电阻R3的一端，电阻R3的另一端与每一个功率投切模块的S4引脚相连接，

三极管Q2的集电极C极与每一个功率投切模块的S2引脚相连接，

功率投切模块的S1引脚和S3引脚与电源VDD2+12V连接，

S3、S4引脚连接到设于功率投切模块内的过零投切IC10，

S1、S2引脚连接到设于功率投切模块内的磁保持继电器J1的线圈两端，

功率投切模块内还设有反向并联的晶闸管SCR1和SCR2，

磁保持继电器J1的一对常开触点中的一个触点连接晶闸管SCR1的阳极A极、SCR2的阴极K极，另一个触点连接晶闸管SCR1的阴极K极、SCR2的阳极A极，

晶闸管SCR1的阳极A极、SCR2的阴极K极连接到K1端子，

晶闸管SCR1的阴极K极、SCR2的阳极A极连接到K2端子，

过零投切IC的一个输出控制端连接在晶闸管SCR1的门极G极，过零投切IC的另一个输出控制端连接到晶闸管SCR2的门极G极。

所述S1，S2，S3，S4都通过输出控制功率开关投切单元6受控于CPU单元5。由CPU检测到功率因数下降到设定要求以下时，投入电力电容器，当功率因数达到设定要求或者过补偿时，则在CPU控制下切断电力电容器。

输出控制功率开关投切单元6和功率投切模块的工作过程如下：

1、当CPU单元5经过内部计算，通过操控面板单元4设定值对比，在需要投入电力电容器的情况下：

A、先输出高电平控制三极管Q1的基极B使三极管Q1导通，三极管Q1的集电极C连接一直限流电阻R3的一端，电阻R3的另一端与功率投切模块的S4引脚相连接；图1所示的具体实施例中有两个功率投切模块7A和7B，电阻R3与每一个功率投切模块的S4引脚端子连接；

B、功率投切模块的S3引脚与电源VDD2+12V连接，功率投切模块的S3、S4引脚连接到过零投切IC10，在交流电压过零时，该过零投切IC导通，

C、三极管Q1导通20mS以后，CPU单元输出高电平控制三极管Q2的基极B，三极管Q2的集电极C极与功率投切模块的S2引脚相连接；图1所示的具体实施例中有两个功率投切模块7A和7B，Q2的C极与每一个功率投切模块的S2引脚端子连接；

D、功率投切模块的S1引脚连接到VDD2+12V，功率投切模块的S1、S2引脚连接到磁保持继电器线圈两端，得到正向电压时，磁保持继电器吸合。这样实现投入电力电容器时，减小或防止对电网的冲击电流。

切断的过程和上述投入过程相反，当CPU需要切断功率投切模块的时候，先切断三极管Q2基极B的高电平，使磁保持继电器得到反向电压切断，经过20mS以后，断开三极管Q1基极B的高电平，切断过零投切IC，使功率投切模块彻底切断。过零投切IC型号可以为MOC3083，考虑到可靠性，可以采用如图3所示的两只MOC3083串联的方式使用。磁保持继电器J1可采用现有技术实现。

晶闸管SCR1、SCR2反向并联，然后再和继电器J1常开触点并联，晶闸管SCR1、SCR2受控于过零投切IC，CPU单元通过S3端子和S4端子驱动过零投切IC时，晶闸管在电源电压过零时导通，最大限度减轻对电网的浪涌冲击电流，磁保持继电器J1晚于过零投切IC一定时间接通，如20mS，可保护继电器触点不受大电流冲击，延长继电器使用寿命，磁保持继电器J1接通后，使晶闸管SCR1、SCR2阳极和阴极电压为零，由晶闸管工作原理可知：当晶闸管阳极和阴极电压不足以维持导通的时候，晶闸管截止，退出工作，此时不管过零投切IC是否导通，晶闸管均截止，使晶闸管不会发热烧坏。

本发明工作原理如下：

通过电流互感器，把强电流转变为和电流成比例的弱电压信号，通过电压互感器，把高电压转变为弱电压信号；转换后的电流信号、电压信号送入信号放大整流电路3，把模拟信号通过CPU单元5的ADC功能转化成的数字量信号，CPU单元5计算两个信号的相位差，继而计算得到功率因数和无功功率，以判断是否投入补偿电容，或切断电力电容器，通过驱动电路，驱动功率模块上的晶闸管和磁保持继电器复合开关电路，实现过零投切，避免对电网的大电流冲击，延长磁保持继电器的触点寿命。

具体实现原理是：在CPU单元5检测到无功功率超过设定的值的时候经过延时，先驱动晶闸管，使晶闸管在电压过零时导通，实现对电网无冲击电流接入电力电容器，经过1-2个波形周期，即10-20ms以后，再接通磁保持继电器，短接晶闸管两端，实现平稳过渡，同时，避免晶闸管长时间通电，发热损坏。由晶闸管的工作特性可以知道，当晶闸管两端压降为零的时候，晶闸管截止。切断功率模块的过程和投入过程相反，先切断磁保持继电器，经过1-2个周期即10-20ms后，再电流过零切断晶闸管，同样实现保证磁保持触点寿命，消除对电网冲击电流的影响。

Claims (6)

1.一种共补型低压智能组合式无功功率补偿器，其特征在于，由以下组成：

一个电源变换器(1)，接收AC380v电源输入，为CPU单元(5)和以下各单元、电路提供一路VCC-5v、一路VDD+12v、两路VDD+5v供电；

其中，主电源VDD1+5v供CPU单元(5)使用，同时VDD1+5V和VCC-5V提供给信号放大整流电路(3)中的运算放大器IC1～IC4，运算放大器IC1～IC4用于放大电流和电压信号，VDD2+12V供给功率投切模块和过零投切IC(10)用于投切电源，VDD3+5V提供给RS485通信单元；

CPU单元(5)通过线缆与一个操控面板单元(4)连接，操控面板单元(4)用于人机对话并显示相关信息；

CPU单元(5)通过线缆与一个外部RS485通讯单元(8)连接；

CPU单元(5)通过线缆与温度传感放大器单元(9)连接；

CPU单元(5)通过线缆与信号放大整流电路(3)连接；

信号放大整流电路(3)接收信号采集单元(2)的数据；

所述信号采集单元(2)包括一个电压互感器(21)和一个电流互感器(22)；电流互感器(22)检测B相线的电流，电压互感器(21)检测AC相的电压，测量电网配电参数；

CPU单元(5)通过线缆与输出控制功率开关投切单元(6)连接；

输出控制功率开关投切单元(6)通过连接端子与第一、第二功率投切模块(7A、7B)连接，所述功率投切模块内设有过零投切IC(10)；

第一、第二功率投切模块(7A、7B)与“三角形”连接的三个电力电容器CAP1、CAP2、CAP3连接；

第一功率投切模块(7A)的K1引脚与三相相线的A相连接，

第二功率投切模块(7B)的K1引脚与三相相线的C相连接，

第一功率投切模块(7A)的K2引脚与“三角形”连接的三个电力电容器的公共端A1连接，

第二功率投切模块(7B)的K2引脚与“三角形”连接的三个电力电容器的公共端C1连接，

“三角形”连接的三个电力电容器的公共端B1连接三相相线的B相；

电流互感器(22)的型号为CT05-1，电流互感器(22)将一次电流互感器输出的0～5A电流信号转化成CPU单元(5)可处理的小信号，输入到运算放大器IC3的9脚，再通过由二极管D3、D4和运算放大器IC4构成的整流放大电路，输入到CPU单元(5)，经CPU单元(5)内部模拟/数字变换后，测量出电网电流信号；电压互感器(21)的型号为PT01-4，电压互感器(21)感应出来和电源电压成比例的电压信号，输入到运算放大器IC1的2脚，通过由二极管D2、D1和运算放大器IC2构成的整流放大电路，输入到CPU单元(5)，经CPU单元(5)内部模拟/数字变换后，与操控面板单元(4)设定值进行对比，检测是否过压、欠压，当过压时切断电力电容器，欠压时，禁止投入电力电容器，但允许切除电力电容器，从而确保电力电容器可靠运行不会损坏；

同时，与电流信号进行对比，根据相位角的差距，计算无功功率大小，该无功功率超过操控面板单元(4)设定值时，投入电力电容器，进行无功功率补偿，提升电力线路供电效率；

所述运算放大器IC1～IC4的型号为LM324，运算放大器IC2、IC4的输出端和反向输入端间均并联有一个电阻R2和一个电容C2；

输出控制功率开关投切单元(6)设有由CPU单元(5)控制的三极管Q1、三极管Q2，

三极管Q1、三极管Q2的基极接收CPU单元(5)的控制信号，发射极均接地，

三极管Q1的集电极C连接一直限流电阻R3的一端，电阻R3的另一端与每一个功率投切模块的S4引脚相连接，

三极管Q2的集电极C极与每一个功率投切模块的S2引脚相连接，

功率投切模块的S1引脚和S3引脚与电源VDD2+12V连接，

S3、S4引脚连接到设于功率投切模块内的过零投切IC(10)，

S1、S2引脚连接到设于功率投切模块内的磁保持继电器J1的线圈两端，

功率投切模块内还设有反向并联的晶闸管SCR1和SCR2，

磁保持继电器J1的一对常开触点中的一个触点连接晶闸管SCR1的阳极A极、SCR2的阴极K极，另一个触点连接晶闸管SCR1的阴极K极、SCR2的阳极A极，

晶闸管SCR1的阳极A极、SCR2的阴极K极连接到K1引脚，

晶闸管SCR1的阴极K极、SCR2的阳极A极连接到K2引脚，

过零投切IC的一个输出控制端连接在晶闸管SCR1的门极G极，过零投切IC的另一个输出控制端连接到晶闸管SCR2的门极G极；

所述S1，S2，S3，S4都通过输出控制功率开关投切单元(6)受控于CPU单元(5)，由CPU检测到功率因数下降到设定要求以下时，投入电力电容器，当功率因数达到设定要求或者过补偿时，则在CPU控制下切断电力电容器。

2.如权利要求1所述的共补型低压智能组合式无功功率补偿器，其特征在于：CPU单元(5)的型号为STC12C5620AD。

3.如权利要求1所述的共补型低压智能组合式无功功率补偿器，其特征在于：操控面板单元(4)下部设有设定键、向上键、向下键，中部设有一个主LED显示框，环绕主LED显示框设有若干显示当前工作状态的LED指示灯。

4.如权利要求1所述的共补型低压智能组合式无功功率补偿器，其特征在于：温度传感放大器单元(9)包括热敏电阻RT，所述热敏电阻RT为一个负温度系数器件，

热敏电阻RT与电阻R1串联分压后输入到CPU单元(5)。

5.如权利要求1所述的共补型低压智能组合式无功功率补偿器，其特征在于：所述过零投切IC(10)有两个，两个过零投切IC(10)串联使用以增加可靠性。

6.如权利要求5所述的共补型低压智能组合式无功功率补偿器，其特征在于：过零投切IC(10)型号为MOC3083。

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