CN202633950U - 一体化智能调补电容器组 - Google Patents

Abstract

一体化智能调补电容器组，它包括智能调补电容器组开关电路和智能调补电容器组控制电路，其特点是：智能调补电容器组开关电路的连接结构是，在三相四线交流电路的相线与相线之间、相线与零线之间均接入至少一只电容器，每只电容器均串接各自的交流互感器和各自的开关；智能调补电容器组控制电路的连接结构是，外部控制信号输入电路、交流信号变换及采样电路、键盘显示电路、温度检测电路、RS232串行通信接口电路、RS485串行通信接口电路、状态信号输出电路、交流过零检测电路和继电器隔离驱动电路均与嵌入式微处理器连接。具有器件少、温升小、体积小、功耗低、结构简单、性能价格比高，节能效果佳，使用寿命长等优点。

Description

一体化智能调补电容器组

技术领域

本实用新型涉及供电和系统装置，是一种一体化智能调补电容器组。 

背景技术

现有低压无功自动补偿装置的结构都是由一台控制器和若干低压电力电容器、投切低压电力电容器的开关和一些保护组件在屏、柜或箱内组装而成，其不足之处存在着产品造价高，体积大，内部配线复杂，可维性差，容量没有可扩性，装置的进一步智能化困难，很难适应智能电网发展的需要。迄今尚未见一体化智能调补电容器组的文献报导和实际应用。 

我国低压配电网中，主要采用三相四线制的配电方式，配电变压器为Y/YN0接线方式。理想情况下，三相负荷为平衡配置时，变压器对称运行。但实际上由于在用户端存在着大量的单相负荷，而且用电不具同时性，必然使配电变压器处于绝对不对称运行状态，即各相的有功功率和无功功率都不一样。对于无功功率的不平衡，采用分相补偿的方法即可补掉无功，但对于有功功率的不平衡却无能为力，有时补偿后反而使变压器的电流更加不平衡。而配电变压器的不对称运行，会产生大量的负序电流和零序电流，这些负序电流和零序电流会严重污染电网，大大增加电网的功率损耗，降低变压器的出力，威胁配电网的安全运行，严重影响供电质量。如负序电流会使电能计量精度大幅下降，给供电部门造成经济损失；负序电流还会降低电动机的出力并使电动机发热从而减少使用寿命，给用户造成损失。而零序电流（中线电流）的增大，会使变压器的铜损和铁损增大，极端情况下铜损可达正常的3倍。零序电流严重时零序磁通会使变压器过热，甚至烧断中线和烧毁开关，严重威胁变压器的安全运行和用户的用电安全；同时零序电流会造成中性点电压偏移，使负荷大的相电压降低，负荷小的相电压升高，严重时会烧毁用户的用电器。应用目前市场上最好的可以实现分补的无功补偿装置对负荷进行补偿，也只能将系统中的无功电流部分补掉，而对于不对称的有功电流部分却无能为力，有时无功补偿后却使电流的不平衡度有可能更大，为解决上述问题，电业供电部门只能定期用人工改线的方式进行负荷调整。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术之不足，基于构思的技术原理，提供一种将集中控制的模式变为分散控制、集中管理的模式，具有器件少、温升小、体积小、功耗低、结构简单、性能价格比高，节能效果佳，使用寿命长的一体化智能调补电容器组。 

解决其技术问题采用的技术方案是，一种一体化智能调补电容器组，它包括智能调补电容器组开关电路与智能调补电容器组控制电路连接，其特征是：所述的智能调补电容器组开关电路包括在三相四线交流电路的相线与相线之间、相线与零线之间均接入至少一只电容器，每只电容器均串接各自的电流互感器和各自的开关；所述的智能调补电容器组控制电路包括外部控制信号输入电路、交流信号变换及采样电路、键盘显示电路、温度检测电路、RS232串行通信接口电路、RS485串行通信接口电路、状态信号输出电路、交流过零检测电路和继电器隔离驱动电路均与嵌入式微处理器连接。 

所述的嵌入式微处理器U2的型号为LPC2138。 

所述的外部控制信号输入电路包括端子J2 、型号为TLP521光耦U19 、电阻R40 和R41相连接，将外部的开关量经型号为TLP521光耦U19隔离后输入到型号为LPC2138嵌入式微处理器U2。 

所述的继电器隔离驱动电路包括与若干个电容器数量相等，用于投切若干个电容器的型号为GRT-508A_P磁保持继电器，型号为MC1416驱动芯片U12、U19、 U24、 U29，型号为TLP521-4光耦U10、U13、U15、U21、U26、U28和限流电阻R22、 R26 、R27、 R34、 R54相连接，将型号为LPC2138嵌入式微处理器U2的控制信号隔离、驱动型号为GRT-508A_P磁保持继电器动作。 

所述的状态信号输出电路包括接线端子J1， 常开触点继电器RL13 ，续流二极管D26，型号为MC1416驱动芯片U63，型号为TLP521-4光耦U62，三极管U61和电阻R106、R105相连接，将型号为LPC2138嵌入式微处理器U2的状态输出信号隔离、放大并驱动电磁继电器动作输出。 

所述的交流信号变换及采样电路包括型号为CS5451的通道同步采样芯片， 分压电阻 R51、 R54、R52、R55、R53、 R56，继电器LS1、LS2、LS3和电流互感器T1、T2 、T3、T12、T12、T13、T14、T15、T16 相连接，将交流电压转换为型号为CS5451的通道同步采样芯片所需采样电压。 

所述的交流过零检测电路包括型号为TLP521光耦U1和电阻R13、R14、R86、R87相连接，型号为TLP521光耦U1的输出为与交流同相位的方波ZERO信号，所述的ZERO信号由高电平跳变为低电平，送入型号为LPC2138嵌入式微处理器U2进行处理。 

所述的RS232串行通信接口电路包括型号为TLP521-2光耦U60，型号为MAX3232EEAE电平转换芯片U48，端子J35，电阻R102～R104和电容C28、C29、C30 、C35、C36相连接，型号为LPC2138嵌入式微处理器U2的通用串行口UART0经型号为TLP521-2光耦U60与型号为MAX3232EEAE电平转换芯片U48连接，用于信号接收和发送。 

所述的RS485串行通信接口电路包括跳线帽J34，型号为MAX3485电平转换芯片U31，型号为6N137光耦U29、U32、U36，瞬变二极管D9、D15～D19 ，电阻R56～R58、R60～R63 、R100和电容C18 相连接，型号为LPC2138嵌入式微处理器U2的通用串行口UART0经型号为6N137光耦与型号为MAX3485电平转换芯片U31连接，用于电容器组交换数据，实现组网运行。 

所述的温度检测电路等包括若干个温度传感器芯片T、T1、T2，型号为DS18B20，该温度传感器芯片把实时感知的电容器本体的温度T1、T2和环境温度T转换成数字量用单总线送入型号为LPC2138嵌入式微处理器U2处理，实现电容器组的温度检测。 

本实用新型一体化智能调补电容器组的优点体现在： 

1．由于本实用新型的电容器组分别在AB相间、BC相间、CA相间、AN之间、BN之间、CN之间各接入至少一只电容器，每个电容器的端子单独引出，各自通过开关接入交流电路中能够实现对每一个电容器的单独控制，使每一个电容器都可以单独投入或退出三相电源；将智能调补电容器组开关电路与智能调补电容器组控制电路连接在一起，采用角接、星接连接方式，构成低压无功补偿装置的一体化装置；该一体化装置具备了传统无功补偿装置的所有功能，即可以作为完整无功补偿装置单独运行，也可以多个并联组网，作为一个大容量补偿装置运行；由于每一个电容器可单独控制投切，能够使电容器在相间和相对零间实现不等量任意组合分相控制投切，不仅实现无功功率补偿，还可实现对有功功率在三相间进行均衡化调整，功率补偿稳定；能够实现相位过零控制投切电容器，消除涌流对电网电压的冲击,降低设备损耗和提高电容器的使用寿命；

2．本实用新型的智能调补电容器组控制电路具有检测电容器本体和环境温度功能，还有测量电容器电容值的功能，通过软件的配合，实现电容器组全寿命状态管理，满足了智能电网对接入设备的要求；

3．本实用新型在结构上突破了现有低压无功补偿设备的概念，将成套补偿装置一体化、部件化，将集中控制的模式改为分散控制、集中管理的新模式，具有器件少、温升小、体积小、功耗低、结构简单、易实现标准化、规范化，容量大型化，且扩容、维护方便，资源和电损比传统产品降低50%左右，比传统的单纯无功补偿装置多节电10%以上；

4．本实用新型解决了在进行无功补偿的同时自动调整配电变压器有功电流不对称的难题，减小中性点电压偏移，提高了供电质量。

附图说明

图1为本实用新型的一体化智能调补电容器组电路原理框图； 

图2为智能调补电容器组控制电路2原理框图；

图3为继电器隔离驱动电路3原理图；

图4为状态信号输出电路4原理图；

图5为外部控制信号输入电路5原理图； 

图6为交流信号变换及采样电路6原理图；

图7交流过零检测电路7原理图；

图8为RS232串行通信接口电路8原理图；

图9为RS485串行通信接口电路9原理图；

图10为温度检测电路10原理图；

图11为控制电路中嵌入式微处理器11原理图。

图中：1智能调补电容器组开关电路，2智能调补电容器组控制电路，3继电器隔离驱动电路，4状态信号输出电路，5外部控制信号输入电路，6交流信号变换及采样电路，7交流过零检测电路，8 RS232串行通信接口电路，9 RS485串行通信接口电路，10温度检测电路，11嵌入式微处理器，12键盘显示电路。 

具体实施方式

下面利用附图和具体实施方式对本实用新型作进一步描述。 

参照图1和图2，本实用新型的一种一体化智能调补电容器组包括智能调补电容器组开关电路1与智能调补电容器组控制电路2连接。所述的智能调补电容器组开关电路1包括在三相四线交流电路的AB相间、BC相间、CA相间、AN之间、BN之间、CN之间设置至少一只电容器，每只电容器串接各自的电流互感器和各自的开关与三相四线交流电路连接。本实用新型的具体实施方式采用电容器C1～C6共6个电容器，电流互感器CT1～CT6共6个互感器，开关J1～J6共6个开关，每三个电容器封装在一个外壳中，每个外壳有六个端子与电容器的接线相连构成两组电容器组，两组电容器组均采用角接连接方式、或均采用星接连接方式，或一组角接、另一组星接连接方式。每组电容器可以作为完整无功补偿装置单独运行。本实用新型的具体实施方式为两组电容器组的实施方式，但不局限本具体实施方式，可根据用户需要制成两组以上电容器组，最佳为四组电容器组。本实用新型的一种一体化智能调补电容器组也可以由若干个并联组网，作为一个大容量补偿装置运行。所述的智能调补电容器组控制电路2包括：外部控制信号输入电路5、交流信号变换及采样电路6、键盘显示电路12、温度检测电路10、RS232串行通信接口电路8、RS485串行通信接口电路9、状态信号输出电路4、交流过零检测电路7和继电器隔离驱动电路3均与嵌入式微处理器11连接。小型断路器DL作为接入开关，还兼有电路的过载和短路保护功能。所述的键盘显示电路12型号采用ZLG7290专用芯片，通过I2C总线与嵌入式微处理器11，即嵌入式微处理器U2连接。 

参照图3，所述的继电器隔离驱动电路3包括与若干个电容器数量相等，用于投切若干个电容器的型号为GRT-508A_P磁保持继电器，型号为MC1416驱动芯片U12、U19、 U24、 U29，型号为TLP521-4光耦U10、U13、U15、U21、U26、U28和限流电阻R22、 R26 、R27、 R34、 R54相连接。来自嵌入式微处理器U2的行控制总线Colum_1 Colum_2 Colum_3 Colum_4 Colum_5与列控制总线 Row_1 Row_2 Row_3 Row_4 Row_5 与光耦U10 U13 U15 U21 U26 U28的输入控制端交叉组成24路开关电路。以其中一路为例：工作过程: 当Row_1是低电平，Row_2 Row_3 Row_4 Row_5是高电平，同时Colum_1是高电平，Colum_2 Colum_3 Colum_4 Colum_5是低电平时，型号为TLP521-4光耦U10的15脚位输出12V电压，这个12V电压经过型号为MC1416驱动芯片U12的1脚位，使对应输出端16脚位输出低电平，从而使磁保持继电器RL1合闸线圈得电，完成控制磁保持继电器RL1的控制动作。 其它路以此类推。所述的继电器隔离驱动电路3的功能是：将嵌入式微处理器U2的控制信号隔离、驱动型号为GRT-508A_P磁保持继电器动作。 

参照图4，所述的状态信号输出电路4包括接线端子J1， 常开触点继电器RL13 ，续流二极管D26，型号为MC1416驱动芯片U63，型号为TLP521-4光耦U62，三极管U61和电阻R106、R105相连接，将嵌入式微处理器U2的状态输出信号放大、隔离并驱动电磁继电器动作输出。所述的状态信号输出电路4的工作原理是：三极管 U61的1脚接嵌入式微处理器U2，型号为TLP521-4光耦U62得到来自三极管U61的高电平控制信号后，型号为TLP521-4光耦U62的15脚位输出12V高电平，型号为MC1416驱动芯片U63的1脚位得到高电平后，它的输出端16脚位立即输出低电平，此时电磁继电器RL13得电，常开触点闭合，从而实现对外部电路的控制。 

参照图5，所述的外部控制信号输入电路5包括端子J2 、型号为TLP521光耦U19 、电阻R40 和R41相连接，将外部的开关量经型号为TLP521光耦U19隔离输入到嵌入式微处理器U2。所述的外部控制信号输入电路5的工作原理是：当外部无源节点闭合，从而使型号为TLP521光耦U19的输入端1脚位和2脚位导通，光耦U19的4脚位由高电平跳变为低电平，送入型号为LPC2138的嵌入式微处理器U2处理。 

参照图6，所述的交流信号变换及采样电路6包括型号为CS5451的6通道同步采样芯片， 分压电阻 R51、 R54、R52、R55、R53、 R56，继电器LS1、LS2、LS3，电流互感器T1、T2 、T3、T12、T12、T13、T14、T15、T16 相连接，交流信号变换及采样电路6 工作原理是：三相四线制的A相交变电压经由R51 R54串联电阻分压后，得到峰值电压小于800mV的信号，该信号经由继电器LS1切换后送入同步采样芯片5451处理。 B相 C相工作原理依此类推。A相交变电流经过电流互感器T1后，处理成交变电压小于800mV的信号，该信号经由继电器LS2切换后送入同步采样芯片5451处理。 B相 C相工作原理依此类推。继电器用于切换需转换的信号电路，如需对外部交流信号进行采样，则由微处理器控制继电器LS1  S2  LS3的触点23和67接通；如需对电容器组支路的电流信号进行采样，则由嵌入式微处理器U2控制继电器LS1、LS2、LS3的触点2、4和5、7接通。 

参照图7，所述的交流过零检测电路7包括型号为TLP521光耦U1和电阻R13、R14、R86、R87相连接。交流过零检测电路7的工作原理是：三相四线制的A相交变电压经过限流电阻R13、 R14、 R86 R87和型号为TLP521光耦U1发光二极管的输入端后，在A相电压上过零时，型号为TLP521光耦U1的输出端导通，此时ZERO信号由高电平跳变为低电平，送入型号为LPC2138嵌入式微处理器U2进行处理。 

参照图8，所述的RS232串行通信接口电路8包括型号为TLP521-2光耦U60，型号为MAX3232EEAE电平转换芯片U48，端子J35，电阻R102～R104和电容C28、C29、C30 、C35、C36相连接。所述的RS232串行通信接口电路8的工作原理是：外部数据信号经由接线端子J35的3脚位输入到电平转换芯片U48的8脚位，转换后的电平由U48的9脚位输出到光耦U60的4脚位，信号经过隔离后，由光耦U60的6脚位送入型号为LPC2138嵌入式微处理器U2；来自型号为LPC2138嵌入式微处理器U2发送的数据信号经由光耦U60的2脚位输入，光耦U60的8脚位输出电平到电平转换芯片U48的10脚位，使电平转换芯片U48的7脚位输出转换后的信号经由接线端子J35的2脚位输出。 

参照图9，所述的RS485串行通信接口电路9包括跳线帽J34，型号为MAX3485电平转换芯片U31，型号为6N137光耦U29、U32、U36，瞬变二极管D9、D15～D19 ，电阻R56～R58、R60～R63 、R100和电容C18 。RS485串行通信接口电路9的工作原理是：外部输入差分数据信号经瞬变二极管D9、 D15～D19 限压输入到型号为MAX3485电平转换芯片U31的6脚位与7脚位，处理后的共模信号由型号为MAX3485电平转换芯片U31的1脚位输出，同时型号为6N137光耦U29的3脚位接收数据信号，经过隔离处理后由型号为6N137光耦U29的6脚位输出，送入型号为LPC2138嵌入式微处理器U2。型号为LPC2138嵌入式微处理器U2发送数据信号由两个步骤，第一步：来自型号为LPC2138嵌入式微处理器U2的信号经由型号为6N137光耦U32的3脚位输入,经过隔离芯片U32后由光耦型号为6N137U32的6脚位输出，同时送入型号为MAX3485电平转换芯片U31的2脚位与3脚位；第二步：来自型号为LPC2138嵌入式微处理器U2的共模发送数据信号经过型号为6N137隔离芯片U36的3脚位隔离后，由型号为6N137隔离芯片U36的6脚位输出，送入型号为MAX3485电平转换芯片U31的4脚位，处理成差分信号后，由型号为MAX3485电平转换芯片的6脚位和7脚位送出。 

参照图10，所述的温度检测电路10包括3个型号为DS18B20温度传感器芯片。温度检测电路10工作原理是：型号为DS18B20温度传感器芯片把实时感知的电容器本体的温度和环境温度转换成数字量用单总线送入型号为LPC2138嵌入式微处理器U2处理，实现电容器组的温度测量，进而实现电容器组全寿命状态管理，以满足智能电网的需求。 

参照图11，所述的嵌入式微处理器11是智能调补电容器组控制电路2的核心部件，即是型号为LPC2138的嵌入式微处理器U2。

Claims (1)

1.一种一体化智能调补电容器组，它包括智能调补电容器组开关电路与智能调补电容器组控制电路连接，其特征是：所述的智能调补电容器组开关电路包括在三相四线交流电路的相线与相线之间、相线与零线之间均接入至少一只电容器，每只电容器均串接各自的交流互感器和各自的开关；所述的智能调补电容器组控制电路包括外部控制信号输入电路、交流信号变换及采样电路、键盘显示电路、温度检测电路、RS232串行通信接口电路、RS485串行通信接口电路、状态信号输出电路、交流过零检测电路和继电器隔离驱动电路均与嵌入式微处理器连接。

2．根据权利要求1所述的一体化智能调补电容器组，其特征是：所述的嵌入式微处理器的型号为LPC2138。

3．根据权利要求1所述的一体化智能调补电容器组，其特征是：所述的外部控制信号输入电路包括端子J2、型号为TLP521光耦U19和电阻R40 、R41相连接，将外部的开关量经型号为TLP521光耦U19隔离后输入型号为LPC2138嵌入式微处理器。

4根据权利要求1所述的一体化智能调补电容器组，其特征是：所述的继电器隔离驱动电路包括与若干个电容器数量相等，用于投切若干个电容器的型号为GRT-508A_P磁保持继电器，型号为MC1416驱动芯片U12、U19、U24、U29，型号为TLP521-4光耦U10、U13、U15、U21、U26、U28和限流电阻R22、R26、R27、R34、R54相连接，将型号为LPC2138嵌入式微处理器的控制信号隔离、驱动型号为GRT-508A_P磁保持继电器动作。

5．根据权利要求1所述的一体化智能调补电容器组，其特征是：所述的状态信号输出电路包括接线端子J1，常开触点继电器RL13，续流二极管D26，型号为MC1416驱动芯片U63，型号为TLP521-4光耦U62，三极管U61和电阻R106、R105相连接，将型号为LPC2138嵌入式微处理器的状态输出信号隔离、放大并驱动电磁继电器动作输出。

6．根据权利要求1所述的一体化智能调补电容器组，其特征是：所述的交流信号变换及采样电路包括型号为CS5451的通道同步采样芯片， 分压电阻R51、R54、R52、R55、R53、R56，继电器LS1、LS2、LS3和电流互感器T1、T2 、T3、T12、T12、T13、T14、T15、T16相连接，将交流电压转换为型号为CS5451的通道同步采样芯片所需采样电压。

7．根据权利要求1所述的一体化智能调补电容器组，其特征是：所述的交流过零检测电路包括型号为TLP521光耦U1和电阻R13、R14、R86、R87相连接，型号为TLP521光耦U1的输出为与交流同相位的方波ZERO信号，所述的ZERO信号由高电平跳变为低电平，送入型号为LPC2138嵌入式微处理器进行处理。

8．根据权利要求1所述的一体化智能调补电容器组，其特征是：所述的RS232串行通信接口电路包括型号为TLP521-2光耦U60，型号为MAX3232EEAE电平转换芯片U48，端子J35，电阻R102～R104和电容C28、C29、C30、C35、C36相连接，型号为LPC2138嵌入式微处理器的通用串行口UART0经型号为TLP521-2光耦U60与型号为MAX3232EEAE电平转换芯片U48连接，用于信号接收和发送。

9．根据权利要求1所述的一体化智能调补电容器组，其特征是：所述的RS485串行通信接口电路包括跳线帽J34，型号为MAX3485电平转换芯片U31，型号为6N137光耦U29、U32、U36，瞬变二极管D9、D15～D19，电阻R56～R58、R60～R63 、R100和电容C18 相连接，型号为LPC2138嵌入式微处理器的通用串行口UART0经型号为6N137光耦与型号为MAX3485电平转换芯片U31连接，用于电容器组交换数据，实现组网运行。

10．根据权利要求1所述的一体化智能调补电容器组，其特征是：所述的温度检测电路包括若干个型号为DS18B20温度传感器芯片，型号为DS18B20温度传感器芯片把实时感知的电容器本体的温度和环境温度转换成数字量用单总线送入型号为LPC2138嵌入式微处理器处理，实现电容器组的温度调控。

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