CN201312125Y - 复合型功率因数补偿与消谐控制装置 - Google Patents

Abstract

复合型功率因数补偿与消谐控制装置包括主机和分机两部分，主机包括电量采集电路、主机温度采集电路、键盘电路、主机微处理器、主机485接口电路、显示电路、风扇驱动电路、主机电源电路；分机包括分机485接口电路、输入信号控制电路、分机微处理器、分机电源电路、磁保持继电器控制电路、可控硅控制电路、磁保持继电器、可控硅、状态检测电路、分机温度采集电路；智能功率因数补偿与消谐节能型复合开关可以自动跟踪电网谐波及功率因数，自动投切电容器和电抗器，达到消谐和补偿功率因数的目的，可控硅与磁保持继电器并接，投切时是在电压过零瞬间将可控硅先过零触发，稳定后再将磁保持继电器吸合导通，而切出时是先将磁保持继电器断开，可控硅延时过零断开，从而实现电流过零切除，电容器投切和切除时是在过零点完成，无涌流，可以广泛应用于谐波治理与功率因数补偿时作为投切电抗器和电容器的控制装置。

Description

复合型功率因数补偿与消谐控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种能够自动跟踪电网谐波和功率因数，并根据谐波含量及功率因数大小自动投切电容器和电抗器，以达到抑制谐波和提高功率因数的控制装置。

背景技术

目前国内外在无功功率补偿和谐波治理方面都已经积累了比较丰富的经验，并且国内外均有比较成熟的产品，无功功率补偿通常采用投切电容器的方法，谐波治理通常采用无源或有源滤波器来实现谐波的治理，无源滤波器主要是由电抗器和电容器串联构成，具有容易设计的优点，但是其滤波效果依赖于系统阻抗特性。尽管有源电力滤波器有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前要想在电力系统中完全取代无源滤波器还不现实，这是因为与无源滤波器相比较，有源电力滤波器的成本高，这一点是限制有源电力滤波器推广使用的主要原因，因此，无源滤波器目前使用还比较普遍。

在工业、企业供电系统中，由于绝大多数用电设备均属于感性负载，这些用电设备在运行时除了从供电系统取用有功功率外，还取用相当数量的无功功率。有些生产设备(如轧机，电弧炉等)在生产过程中还经常出现无功冲击负荷，这种冲击负荷比正常取用的无功功率可能增大5～6倍。从电路理论知道，无功功率的增大使供电系统的功率因数降低。功率因数的降低将致使：电网回路中功率损耗增大；电网回路中电压损失增大；供电设备的供电能力下降，电能成本增高。中华人民共和国为了奖励企业提高功率因数，在按两部电价制收电费时，规定了依照企业功率因数的高低而调整所收电费额的附加奖惩制度。按照这个制度，对月平均功率因数高于规定值的企业，可以按超过的多少相应地减收电费，而当功率因数低于规定值时，则增收电费。在《全国供用电规则》中明确规定，功率因数低于0.7时，电业局可不予供电，因而企业无论从节约电费、提高供电质量还是从提高供电设备的供电能力出发，都必须考虑补偿无功功率的措施，而无功功率的补偿通常采用在电网中并联电容器的方法来实现。

由于电网负载情况复杂，绝大多数电网都需要同时进行无功功率补偿和谐波治理，这样就需要两套装置，况且直接将电容器并联在电网上进行无功补偿，电网上将会产生一定的谐波放大，在并联电容器的回路中串联电抗器是非常有效和可行的方法解决谐波放大问题，若电抗器的电抗率选择合适又可以抑制高次谐波的作用。因此，目前国内电网无功补偿装置都是将固定的电抗器串联于电容器回路中，这样不仅能对电网中无功功率进行补偿，还可以抑制电网中的谐波。而实际电网中负载是在不断变化的，功率因数也随时在变化，为了适应电网变化的功率因数，就要求采用多组电容器分组投切，以达到对电网功率因数进行动态补偿的目的。如果电容器的组数发生变化，而电抗器的感抗值不变，则起不到抑制谐波的作用，还有可能出现谐波放大的效果。为了达到既起到功率补偿又抑制电网谐波通常采用多组电抗器分别与多组电容器串联组合使用，而通常电容器的投切主要采用可控硅投切或采用交流接触器投切，电容器投切时由于涌流较大，虽然可以在过零点投，但可控硅需要较大的散热面积，体积较大，而采用交流接触器投切体积较小，但不能保证在过零点投切，触点容易烧结，目前还没有既有无功功率补偿，又有谐波治理于一体的复合型功率因数补偿与消谐控制装置。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可以自动检测电网谐波和功率因数，并根据检测的结果自动投切电容器和电抗器，以达到提高功率因数和消除谐波的目的。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种复合型功率因数补偿与消谐控制装置，包括主机和分机两部分，主机包括电量采集电路、主机温度采集电路、键盘电路、主机微处理器、主机485接口电路、显示电路、风扇驱动电路、主机电源电路；分机包括分机485接口电路、输入信号控制电路、分机微处理器、分机电源电路、磁保持继电器控制电路、可控硅控制电路、磁保持继电器、可控硅、状态检测电路、分机温度采集电路；主机485接口电路与分机485接口电路由通信导线直接连接，实现主机和分机之间的通信；主机微处理器分别与电量采集电路、主机温度采集电路、键盘电路、主机485接口电路、显示电路、风扇驱动电路、主机电源电路连接；主机电源电路分别与电量采集电路、主机温度采集电路、主机微处理器、主机485接口电路、显示电路和风扇驱动电路连接，为它们提供工作电源；分机微处理器分别与分机485接口电路、输入信号控制电路、分机电源电路、磁保持继电器控制电路、可控硅控制电路、状态检测电路和温度采集电路连接；分机电源电路分别与分机485接口电路、分机微处理器、磁保持继电器控制电路、可控硅控制电路、状态检测电路、温度采集电路连接，为它们提供工作电源；磁保持继电器和可控硅并联，可控硅起到辅助作用，由于可控硅响应速度快，而继电器响应速度较慢，所以开关闭合时先闭合可控硅然后在几十毫秒或几秒种内再将磁保持继电器闭合，这样可以保证开关在过零点投切，开关闭合后可控硅两端电压为零此时可控硅自动关断，状态检测电路的输入端分别并联在磁保持继电器和可控硅上，状态检测电路的输出端连接到分机微处理器的I/O口上。

电量采集电路由电能专用采集芯片ATT7022及外围电路组成，电量采集电路也可以采用单片机及外围电路组成，被测电网电压量和电流量分别由电压互感器和电流互感器变为较小的电压量和电流量后直接送给ATT7022或送给单片机，电压互感器一次端并联在被测电网上取被测电网电压量，同时使强电和弱电隔离，电流互感器一次端串联在被测电网上取被测电网电流量，同时使强电和弱电隔离，电压互感器二次端与芯片ATT7022的电压输入口连接，也可以与单片机的A/D端口连接，电流互感器二次端通过电阻将电流量转换成电压量后与芯片ATT7022的电流输入口连接，也可以与单片机的A/D端口连接。

可控硅控制电路由555振荡电路、逻辑电路、三极管驱动电路和脉冲变压器组成，逻辑电路的输入端分别与555振荡电路的输出端和分机微处理器输出口连接，逻辑电路的输出端与三极管驱动电路的输入端连接，三极管驱动电路的输出端通过电阻与脉冲变压器的输入端连接，电阻串联在脉冲变压器的输入端回路中，脉冲变压器输出端的一端与可控硅的触发极G连接，另一端与可控硅的T极连接。

磁保持继电器控制电路由继电器组成，继电器线圈的两端，一端与电源正极连接，一端与分机微处理器的输出口端连接，继电器的触点两端，一端连接在电源上，一端连接在磁保持继电器线圈的一端，磁保持继电器线圈的另一端与电源的负极端连接。

状态检测电路由二极管、电阻和光耦器件组成，光耦的输入端并联一个二极管，再串联一个电阻后并联在磁保持继电器和可控硅上；光耦的输出端一端接地，光耦的输出端另一端串联一电阻后接电源的正极性端，同时将光耦的该输出端连接到分机微处理器的输入端口。状态检测电路通过光耦电路将磁保持继电器触点两端的正弦波电压信号转化成方波信号，送到分机微处理器的输出口端进行过零点检测，以便在控制器接收到开关闭合控制命令时在过零点投切开关，光耦隔离电路还具有强电和弱电隔离的作用，该电路还具有缺相信息的检测，当该路开关缺相时此时该路没有信号送出，所以可以根据是否有信号送出来判断该路是否为缺相。

本实用新型具有积极的效果：(1)本实用新型的复合型功率因数补偿与消谐控制装置中，可控硅与磁保持继电器并联使用，闭合时先闭合可控硅，然后再闭合磁保持继电器，能够自动跟踪零点，保证在过零点投切开关，过零点投切开关不会产生大的涌流，磁保持继电器工作后不需要维持电压，具有节能的目的。(2)本实用新型的复合型功率因数补偿与消谐控制装置电量采集电路采用电能专用采集芯片ATT7022及外围电路完成电压有效值、电流有效值、功率因数、无功功率、谐波检测。(3)本实用新型的复合型功率因数补偿与消谐控制装置可以实时检测电容器表面温度，当温度超限时可以自动报警，同时开启风扇进行降温，达到延长电容器使用寿命的效果。

附图说明

图1为实施例1的主机结构图。

图2为实施例1的分机结构图。

图3为实施例1的可控硅与磁保持继电器并联电路原理图。

具体实施方式

见图1、图2和图3，本实施例的复合型功率因数补偿与消谐控制装置，包括主机和分机两部分，主机包括电量采集电路、主机温度采集电路、键盘电路、主机微处理器、主机485接口电路、显示电路、风扇驱动电路、主机电源电路；分机包括分机485接口电路、输入信号控制电路、分机微处理器、分机电源电路、磁保持继电器控制电路、可控硅控制电路、磁保持继电器、可控硅、状态检测电路、分机温度采集电路。

图3中的可控硅控制采用脉冲变压器T来实现，来自振荡电路的IN频率信号通过脉冲变压器T产生脉冲信号对双向可控硅电路进行控制，图3中的D1为可控硅，可控硅选用双向可控硅，K0为磁保持继电器，R1和C1为可控硅阻容保护电路并联在可控硅D1的两端，用于保护可控硅，同时又作为对开关交流电压波形信号的采集作用，可控硅和磁保持继电器并联在一起，可控硅电路主要起到辅助作用，由于可控硅响应速度快，而磁保持继电器响应速度慢，所以开关闭合时先闭合可控硅然后在几十毫秒或几秒种内再将磁保持继电器闭合，这样可以保证开关在过零点投切，开关闭合后可控硅两端电压为零此时可控硅自动关断，磁保持继电器具有保持触点状态的功能，触发后不需要提供电能，可以保持触点状态，具有节能的特点，图3中IC1为过零点采集用的光耦器件，其主要原理是将正弦波信号转化成方波信号送到单片机，同时光耦器件又起到隔离作用，电阻R0、R2、R3为限流电阻串联在线路中，C0为外接补偿电容器，E3接火线端，E4接三相公共端或接地，V_CC为直流电源的正极性端，D2为整流二极管，PB0为送到分机微处理器的过零检测信号端。

分机温度采集电路温度采集采用热敏电阻组成(例如10KΩ，35KΩ)，也可以采用数字温度传感器AD590、LM92，分机温度采集电路贴在电容器表面实时采集电容器表面温度，分机将采集到的电容器温度信号通过485接口送到主机，当温度超限时可以自动报警，同时开启风扇进行降温，这样可以延长电容器使用寿命。

输入信号控制电路主要由1到3组光电耦合器件及电阻元件组成，用于控制信号的输入。

主机温度采集电路和风扇驱动电路可以自成一体，根据温度参数单独对风扇进行控制，也可以与主机构成一体，本实例中是与主机构成一体。

主机电源电路和分机电源电路分别由变压器降压电路、整流电路、滤波电路和稳压电路组成。

显示电路采用LCD显示电压有效值、电流有效值、功率因数、无功功率、谐波含量和谐波含量柱状图。

键盘电路用于检测参数的设置，例如可以通过键盘设定目标功率因数及目标谐波含量。

主机微处理器和分机微处理器采用PIC、NSP430、51或AVR系列等单片机。

Claims (6)

1、复合型功率因数补偿与消谐控制装置，其特征在于包括主机和分机两部分，主机包括电量采集电路(1)、主机温度采集电路(2)、键盘电路(3)、主机微处理器(4)、主机485接口电路(5)、显示电路(6)、风扇驱动电路(7)、主机电源电路(8)；分机包括分机485接口电路(9)、输入信号控制电路(10)、分机微处理器(11)、分机电源电路(12)、磁保持继电器控制电路(13)、可控硅控制电路(14)、磁保持继电器(15)、可控硅(16)、状态检测电路(17)、分机温度采集电路(18)；主机485接口电路(5)与分机485接口电路(9)由通信导线直接连接，实现主机和分机之间的通信；主机微处理器(4)分别与电量采集电路(1)、主机温度采集电路(2)、键盘电路(3)、主机485接口电路(5)、显示电路(6)、风扇驱动电路(7)、主机电源电路(8)连接；主机电源电路(8)分别与电量采集电路(1)、主机温度采集电路(2)、主机微处理器(4)、主机485接口电路(4)、显示电路(5)和风扇驱动电路(7)连接，为它们提供工作电源；分机微处理器(11)分别与分机485接口电路(9)、输入信号控制电路(10)、分机电源电路(12)、磁保持继电器控制电路(13)、可控硅控制电路(14)、状态检测电路(17)和分机温度采集电路(18)连接；分机电源电路(12)分别与分机485接口电路(9)、分机微处理器(11)、磁保持继电器控制电路(13)、可控硅控制电路(14)、状态检测电路(17)、分机温度采集电路(18)连接，为它们提供工作电源；磁保持继电器(15)和可控硅(16)并联，状态检测电路(17)的输入端分别并联在磁保持继电器(15)和可控硅(16)上，状态检测电路(17)的输出端连接到分机微处理器(11)的I/O口上。

2、如权利要求1所述的复合型功率因数补偿与消谐控制装置，其特征在于，电量采集电路(1)由电能专用采集芯片ATT7022及外围电路组成，电量采集电路(1)也可以采用单片机及外围电路组成，被测电网电压量和电流量分别由电压互感器和电流互感器变为较小的电压量和电流量后直接送给ATT7022或送给单片机，电压互感器一次端并联在被测电网上取被测电网电压量，同时使强电和弱电隔离，电流互感器一次端串联在被测电网上取被测电网电流量，同时使强电和弱电隔离，电压互感器二次端与芯片ATT7022的电压输入口连接，也可以与单片机的A/D端口连接，电流互感器二次端通过电阻将电流量转换成电压量后与芯片ATT7022的电流输入口连接，也可以与单片机的A/D端口连接。

3、如权利要求1所述的复合型功率因数补偿与消谐控制装置，其特征在于，可控硅控制电路(14)由555振荡电路、逻辑电路、三极管驱动电路和脉冲变压器组成，逻辑电路的输入端分别与555振荡电路的输出端和分机微处理器(11)输出口连接，逻辑电路的输出端与三极管驱动电路的输入端连接，三极管驱动电路的输出端通过电阻与脉冲变压器的输入端连接，电阻串联在脉冲变压器的输入端回路中，脉冲变压器输出端的一端与可控硅(16)的触发极G连接，另一端与可控硅的T极连接。

4、如权利要求1所述的复合型功率因数补偿与消谐控制装置，其特征在于，磁保持继电器控制电路(13)由继电器组成，继电器线圈的两端，一端与电源正极连接，一端与分机微处理器(11)的输出口端连接，继电器的触点两端，一端连接在电源上，一端连接在磁保持继电器(15)线圈的一端，磁保持继电器(15)线圈的另一端与电源的负极端连接。

5、如权利要求1所述的复合型功率因数补偿与消谐控制装置，其特征在于，状态检测电路(17)由二极管、电阻和光耦器件组成，光耦的输入端并联一个二极管，再串联一个电阻后并联在磁保持继电器(15)和可控硅(16)上；光耦的输出端一端接地，光耦的输出端另一端串联一电阻后接电源的正极性端，同时将光耦的该输出端连接到分机微处理器(11)的输入端口。

6、如权利要求1所述的复合型功率因数补偿与消谐控制装置，其特征在于，分机温度采集电路(18)可以由热敏电阻组成，也可以采用数字温度传感器组成，分机温度采集电路(18)贴在电容器表面采集电容器表面温度。

Images