CN103296687B - 一种高效智能复式电压补偿节电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效智能复式电压补偿节电器，该节电器包括逻辑控制模块和三个节电处理系统；每个节电处理系统均设有复式自耦变压器，每个复式自耦变压器均与各自节电处理系统中的滤波电路、功率因数提高电路和旁通电路并联后接入三相交变电源中的交变电源干路，该交变电源干路还串联有复合保护电路和断路器；所述逻辑控制模块通过控制线路与三个复式自耦变压器的调零开关、进线开关和出线开关连接；该节电器设有测量统计电路、遥信与遥控模块、人机交互系统和通讯模块。本发明的节电器设备成本较低、节电率和稳压率高、体积小，能够实现自动运行和远程人工遥控，具有智能调节和高效低成本的特点。

Description

一种高效智能复式电压补偿节电器

技术领域

本发明涉及一种电气设备，具体涉及一种高效智能复式电压补偿节电器。

背景技术

节电装置电容补偿是应用最早的节电方法，起始于二十世纪六十年代，是利用电容的储能特性对线路和电力设备进行无功补偿的节电方法，但只能有限地改善电网供电质量，提高线路功率因数，其在动力设备有载运行的供电回路中，对于变化的负载很难实现更好的补偿，在应用中受到很多限制。

在经过多年的研究和发展后，节电技术取得了较大的进步，节电效率更高，稳定性更好，现有的节电技术大致有以下几种：

①电抗式调压技术，该技术是通过电抗器和电子元器件及可控硅的组合线路达到降压节电的目的。该方法效率较低，功率因数较差，成本较高，在对电动机、风机和水泵的节能应用中，其有功节电率的价值很低，而且对于负载大于65%，功率因数大于0.7的应用对象极不适用，设备故障率较高，不具备广泛推广使用的条件。

②可控硅调压技术，该技术利用改变可控硅导通角大小来降低电压而达到节电目的，虽然具有一定的节电效果，但在调压过程中导致了正弦波的严重畸变，输出不稳定，同时还导致了大量谐波和尖峰电压产生，污染电网，使用效果较差，而且使用范围很窄，仅限于电动机的变负载，轻载和功率因数较低的负载范围。

③逆变调压技术，该技术的UPS系统先将电网的交流电转变成直流电，再从直流电经过逆变而得到交流电。由于UPS系统只改变输出电压，不改变频率，通过隔离变压器后，UPS系统可输出高质量的电源。但是UPS系统效率很低，价格昂贵，而且在交流和直流的变换过程中，该系统会给电网带来严重的电流谐波污染。

④脉宽调制技术，该类技术的核心是通过改变频率亦即调制脉宽以达到降低能源消耗的目的。这一方面的代表产品有电机应用中的节能变频器，电源应用中的开关电源和照明系统中的节能灯及电子镇流器等。在实际应用中变频器的使用范围亦受到限制，它只适用于特别需要变频的范围内。但是对于恒速运行中的电动机，风机和水泵等，包括中轻载、重载、满载和超载以及功率因数较高的运行状态，无明显节电效果，而且其产生的谐波和瞬变浪涌比较严重，加上投资回收期较长，这些缺陷都影响了其大范围的推广使用。

⑤可逆匹配式节电装置，其主要原理是依据磁电相互转换及能量可逆匹配的原理，通过计算机控制系统对电机真实负载的精确测量，由磁电转换装置输出同电机负载达到最佳匹配效果的供电功率，而将电源供给的多余的电能通过回馈装置再回馈到电源系统中去，实现可观的节电效果。

⑥集成电路芯片控制技术，采用集成电路芯片控制技术，由微处理器芯片、可控硅、集成式双置晶闸管等元件组成。其核心技术是动态跟踪电机负载量的变化，调整电机运行过程中的电压与电流，不改变电机的转速，不影响电机的正常运行，能避免电机因出力过度造成的电能浪费，具有很好的动态节电控制功能，但因其成本较高，使其使用范围受到限制。

综合分析现有的节电器技术，部分技术具有较好的节电效果，能够较好的滤除杂波，能够很好的满足使用要求，但是价格过高，不能够广泛使用；另一部分技术虽然价格低廉，但是其节电效果不好，输出电压不稳定，负载的功率受限，也不能够满足实际生产的使用要求。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种设备成本较低、节电率和稳压率较高、体积小、能够实现自动运行和遥控的高效智能复式电压补偿节电器。

为解决上述问题，本发明采用技术方案为：

一种高效智能复式电压补偿节电器，该节电器包括逻辑控制模块和三个分别用于处理三相交变电源中的每相交变电源的节电处理系统；每个节电处理系统均设有复式自耦变压器线圈，每个复式自耦变压器线圈均与各自节电处理系统中的滤波电路、功率因数提高电路和旁通电路并联后接入交变电源的干路，该个交变电源干路的电源输入端还串联有复合保护电路和断路器；所述逻辑控制模块通过控制线路与三个复式自耦变压器线圈的调零开关、进线开关和出线开关连接；该节电器还设有用于分别测量三个交变电源干路中的电流和电压的测量统计电路，该测量统计电路能够测量线路中电流、电压、频率和相位等数据，该测量统计电路通过线路与逻辑控制模块连接；该节电器还设有与逻辑控制模块连接的遥信与遥控模块、人机交互系统和通讯模块。

本发明为了实现对于交变电源的实时调控，根据用电器的工作状况不断的调整输出功率的大小以达到节电的目的，较佳的技术方案有，每个复式自耦变压器线圈均设有多个与交变电源输入干路连接的进线抽头、多个调零抽头和多个与交变电源输出干路连接的出线抽头，且三个复式自耦变压器线圈中的进线抽头、出线抽头和调零抽头设置于线圈的相同位置；每个进线抽头均串联有与逻辑控制模块连接的进线开关，每个调零抽头均串联有与逻辑控制模块连接的调零开关，每个出线抽头均串联有与逻辑控制器连接的出线开关，工作时，通过调整不同的开关组合能够达到不断调整输出功率的目的，从而达到节能的效果，开关工作时，同一时间只有一个调零开关、一个进线开关和一个出线开关接通；三个复式自耦变压器线圈绕制于同一个铁芯上，或分别绕置于三个铁芯上。

本发明为了有效滤除电路中的杂波，消除因用电器工作状态变化产生的电流对电源电路产生的影响，较佳的技术方案还有，每个滤波电路由一个或多个并联的LC谐振电路组成，每个LC谐振电路由一个滤波电容、一个电抗器和一个滤波开关串联组成，所述LC谐振电路的谐振频率与用电设备的电路谐波频率相近，且LC谐振电路的相位与用电设备的电路谐波的相位相反；通过控制滤波开关的状态来调整滤波电路的接入状态，以达到不同的滤波效果。

本发明为了实现实时检测用电器的工作状态以快速调节输出电源，从而高效调节输出功率以达到较好的节电效果，较佳的技术方案还有，测量统计电路通过互感器分别与三个交变电源输入干路连接，为了便于快速传输监测信号，测量统计电路中设有用于将采集的干路电流、电压、频率功率、电能计量度数、谐波、频率、功率因数、相位相位信号进行处理的模数转换电路。

本发明为了提高节电器的功率因数，根据用电器的工作情况适时调整功率因数的大小，以实现较佳的节电效果，较佳的技术方案还有，每个功率因数提高电路均由一个或多个并联的功率因数调控电路组成，每个功率因数调控电路由一个投切电容、一个电抗器和一个投切开关串联组成；每个投切开关均与逻辑控制器通过控制线路连接；通过控制投切开关的工作状态，不断调整接入电路的投切电容的大小，以实现对于功率因数的调整。

本发明为了实现对于节电器和用电器的保护，避免因电路故障造成对于节电器和用电器的损坏，较佳的技术方案还有，每个复合保护电路中均设有过电保护器、快速熔断器、缺相保护器、欠压保护器；每个旁通电路中均设有由逻辑控制模块控制的旁通开关。

本发明为了实现节电器的自动运行，适时处理监测信号以快速做出调整反应，提高节电效果，较佳的技术方案还有，所述逻辑控制模块设有可编程逻辑控制器，该逻辑控制模块的信号输入端通过线路分别与测量统计电路、人机交互系统、遥信与遥控模块和通讯模块连接；所述逻辑控制模块的信号输出端通过线路分别与三个节电处理系统的调零开关、出线开关、进线开关、投切开关和旁通开关连接，该信号输出端还与通讯模块、人机交互系统和遥信与遥控模块连接。

本发明为了实现对于输入电源的高效调控，较佳的技术方案还有，三个复式自耦变压器线圈的进线抽头设置于线圈的上部，出线抽头设置于线圈的中部，调零抽头设置于线圈的下部，三个自耦变压器的相同位置的一组调零抽头互相连接；三个复式自耦变压器线圈绕制于同一个铁芯上。

本发明为了提高节电器的使用寿命和安全性，避免操作过程中出现电弧和烧坏触点的情况，较佳的技术方案还有，三个节电处理系统中的调零开关、出线开关、进线开关、投切开关和旁通开关均为过零触发型晶闸管或固态继电器；为了使电路避免受到雷击的破坏，所述单相电源干路的输入端还连接有避雷电路。

本发明为了实现对于节电器的人工遥控控制和实时信息通信，较佳的技术方案还有，所述遥信与遥控模块设有与控制室连接的远控接口；人机交互系统设有节电器参数设置界面；通讯模块设有485通讯接口，该通讯模块采用Modbus协议进行数据交换，可编程逻辑控制器型号为西门子S7-226。

本发明的优点和有益效果为：

（1）本发明设置有逻辑控制模块、功率因数放大电路和测量统计电路，能够实时监控用电器的工作状态，实时对于输出电源做出调控，以达到较好的节电效果，本节电器的节电率达10%～40%。

（2）本发明中的每个滤波电路由多组并联的LC谐振电路组成，能够有效滤除电路中的谐波，谐波滤除度≥90%；本发明设有测量统计电路，能够精确测量电路中电流、电压、频率和相位等信息，电路参数测量精度达0.2级，能够高效反馈电路信息，以达到及时高效调控输出功率、高效节能的目的。

（3）本发明采用自耦变压器实现高效调压，调压补偿范围为10%～100%，能够根据检测数据实时大范围调控输出电压和功率，以达到高效节能的目的。

（4）本发明中的调零开关、出线开关、进线开关、投切开关和旁通开关均为过零触发型晶闸管或固态继电器，在开关工作时不会产生电弧，提高了设备的使用寿命和安全性。

（5）本发明的节电器设有遥信与遥控模块和通讯模块，能够实现远程人工遥控和实时信息通讯，便于检测节电器的运行状态和实现人工远程遥控。

附图说明

图1为本发明高效智能复式电压补偿节电器电路图。

图中：1、控制线路；2、互感器；3、功率因数放大电路；4、复式自耦变压器线圈；5、滤波电路；

具体实施方式

下列实施例将进一步说明本发明。

实施例1

如图1所示，本发明采用技术方案为一种高效智能复式电压补偿节电器，该节电器包括逻辑控制模块和三个分别用于处理三相交变电源中单相电源的节电处理系统；每个节电处理系统均设有复式自耦变压器线圈4，每个复式自耦变压器线圈4均与各自节电处理系统中的滤波电路、功率因数提高电路和旁通电路并联后接入交变电源的干路，该交变电源干路的电源输入端还串联有复合保护电路和断路器K1；逻辑控制模块通过控制线路1与三个复式自耦变压器线圈4的调零开关Kc、进线开关Ka和出线开关Kb连接；该节电器还设有用于分别测量三个交变电源干路中的电流和电压的测量统计电路，该测量统计电路通过线路与逻辑控制模块连接；该节电器还设有与逻辑控制模块连接的遥信与遥控模块、人机交互系统和通讯模块。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明为了实现对于交变电源的实施调控，根据用电器的工作状况不断的调整输出功率的大小以达到节电的目的，较佳的实施方式还有，每个复式自耦变压器线圈4均设有4个与交变电源输入干路连接的进线抽头、15个调零抽头和15个与交变电源输出干路连接的出线抽头，且三个复式自耦变压器线圈4中的进线抽头、出线抽头和调零抽头设置于线圈的相同位置；每个进线抽头均串联有与逻辑控制模块连接的进线开关Ka，每个调零抽头均串联有与逻辑控制模块连接的调零开关Kc，每个出线抽头均串联有与逻辑控制器连接的出线开关Kb；三个复式自耦变压器线圈绕制于同一个铁芯上，其他部分与实施例1完全相同。

实施例3

在实施例2的基础上，本发明为了有效滤除电路中的杂波，消除因用电器工作状态变化产生的电流对电源电路产生的影响，较佳的实施方式还有，每个滤波电路由8个并联的LC谐振电路组成，每个LC谐振电路由一个滤波电容Cd、一个电抗器Td和一个滤波开关Kd串联组成，LC谐振电路具有与用电设备电路谐波相近的谐振频率和相反的相位，为了实现实时检测用电器的工作状态以快速调节输出电源，从而高效调节输出功率以达到较好的节电效果，本发明的测量统计电路通过三个互感器2分别与三个交变电源输入干路连接，为了便于快速传输监测信号，测量统计电路中设有用于将采集的干路电流、电压、频率和相位信号进行处理的模数转换电路；三个复式自耦变压器线圈分别绕置于三个铁芯上，其他部分与实施例2完全相同。

实施例4

在实施例3的基础上，本发明为了提高节电器的功率因数，根据用电器的工作情况适时调整功率因数的大小，以实现较佳的节电效果，实现对于节电器和用电器的保护，较佳的实施方式还有，每个功率因数提高电路均由8个并联的功率因数调控电路组成，每个功率因数调控电路由一个投切电容Ce、一个电抗器Te和一个投切开关Ke串联组成；每个投切开关Ke均与逻辑控制器连接；每个复合保护电路中均设有过电保护器、快速熔断器、缺相保护器、欠压保护器；每个旁通电路中均设有由逻辑控制模块控制的旁通开关K2，其他部分与实施例3完全相同。

实施例5

在实施例4的基础上，本发明为了为了实现节电器的自动运行，适时处理监测信号以快速做出调整反应，提高节电效果，较佳的实施方式还有，逻辑控制模块设有可编程逻辑控制器，该逻辑控制模块的信号输入端通过线路分别与测量统计电路、人机交互系统、遥信与遥控模块和通讯模块连接；逻辑控制模块的信号输出端通过控制线路分别与三个节电处理系统的调零开关Kc、出线开关Kb、滤波开关Kd、进线开关Ka、投切开关Ke和旁通开关K2连接，该信号输出端还与通讯模块、人机交互系统和遥信与遥控模块连接；三个复式自耦变压器线圈绕制于同一个铁芯上，其他部分与实施例4完全相同。

实施例6

在实施例5的基础上，本发明为了实现对于输入电源的高效调控，提高节电器的使用寿命和安全性，较佳的实施方式还有，三个复式自耦变压器线圈的进线抽头设置于线圈的上部，出线抽头设置于线圈的中部，调零抽头设置于线圈的下部，三个自耦变压器的相同位置的一组调零抽头互相连接；三个节电处理系统中的调零开关Kc、出线开关Kb、进线开关Ka、滤波开关Kd、投切开关Ke和旁通开关K2均为过零触发型晶闸管；为了使电路避免受到雷击的破坏，单相电源干路的输入端还连接有避雷电路，其它部分与实施例5完全相同。

实施例7

在实施例6的基础上，本发明为了实现对于节电器的人工遥控控制和实时信息通信，较佳的技术方案还有，遥信与遥控模块设有与控制室连接的远控接口；人机交互系统设有节电器参数设置界面；通讯模块设有485通讯接口，该通讯模块采用Modbus协议进行数据交换，可编程逻辑控制器型号为西门子S7-226；功率因数提高电路均由20组并联的功率因数调控电路组成；滤波电路由15个并联的LC谐振电路组成；每个复式自耦变压器线圈4均设有8个进线抽头、30个调零抽头和30出线抽头，其它部分与实施例6完全相同。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种高效智能复式电压补偿节电器，其特征在于，该节电器包括逻辑控制模块和三个分别用于处理三相交变电源中每相交变电源的节电处理系统；三个节电处理系统均设有复式自耦变压器线圈，三个复式自耦变压器线圈均与各自节电处理系统中的滤波电路、功率因数提高电路和旁通电路并联后接入交变电源的干路，该交变电源干路的电源输入端还串联有复合保护电路和断路器；所述逻辑控制模块通过控制线路与三个复式自耦变压器线圈的调零开关、进线开关和出线开关连接；该节电器设有用于分别测量三个交变电源干路中电流和电压的测量统计电路，该测量统计电路通过线路与逻辑控制模块连接；该节电器还设有与逻辑控制模块连接的遥信与遥控模块、人机交互系统和通讯模块；

每个复式自耦变压器线圈均设有多个与交变电源输入干路连接的进线抽头、多个调零抽头和多个与交变电源输出干路连接的出线抽头；每个进线抽头均串联有与逻辑控制模块连接的进线开关，每个调零抽头均串联有与逻辑控制模块连接的调零开关，每个出线抽头均串联有与逻辑控制器连接的出线开关；三个复式自耦变压器线圈绕制于同一个铁芯上，或分别绕置于三个铁芯上；

逻辑控制模块设有可编程逻辑控制器，该逻辑控制模块的信号输入端通过线路分别与测量统计电路、人机交互系统、遥信与遥控模块和通讯模块连接；逻辑控制模块的信号输出端通过控制线路分别与三个节电处理系统的调零开关、出线开关、进线开关、滤波开关、投切开关和旁通开关连接，该信号输出端还与通讯模块、人机交互系统和遥信与遥控模块连接。

2.如权利要求1所述的高效智能复式电压补偿节电器，其特征在于，每个滤波电路由一个或多个并联的LC谐振电路组成，所述LC谐振电路的谐振频率与用电设备电路的谐波频率相同，且LC谐振电路的相位与用电设备电路的谐波相位相反。

3.如权利要求2所述的高效智能复式电压补偿节电器，其特征在于，测量统计电路通过互感器分别与三个交变电源输入干路连接，测量统计电路中设有用于将采集的干路电流、电压、频率和相位信号进行处理的模数转换电路。

4.如权利要求3所述的高效智能复式电压补偿节电器，其特征在于，每个功率因数提高电路均由一个或多个并联的功率因数调控电路组成，每个功率因数调控电路由一个投切电容、一个电抗器和一个投切开关串联组成；每个投切开关均与逻辑控制器连接。

5.如权利要求4所述的高效智能复式电压补偿节电器，其特征在于，每个复合保护电路中均设有过电保护器、快速熔断器、缺相保护器、欠压保护器；每个旁通电路中均设有由逻辑控制模块控制的旁通开关。

6.如权利要求5所述的高效智能复式电压补偿节电器，其特征在于，三个复式自耦变压器线圈的进线抽头设置于线圈的上部，出线抽头设置于线圈的中部，调零抽头设置于线圈的下部。

7.如权利要求6所述的高效智能复式电压补偿节电器，其特征在于，三个节电处理系统中的调零开关、出线开关、进线开关、滤波开关、投切开关和旁通开关均为过零触发型晶闸管或固态继电器；交变电源干路的输入端还连接有避雷电路。

8.如权利要求7所述的高效智能复式电压补偿节电器，其特征在于，遥信与遥控模块设有与控制室连接的远控接口；人机交互系统设有节电器参数设置界面；通讯模块设有485通讯接口，该通讯模块采用Modbus协议进行数据交换，可编程逻辑控制器型号为西门子S7-226。