CN202856361U - 动态抗谐波无功补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动态抗谐波无功补偿装置，属于滤波技术领域，其结构由：断路器、可控硅半导体模块、电感电容补偿滤波组件、智能控制单元、机柜、散热风机、快速熔断器、零线排、滤波电抗器、滤波电容器、放电线圈等部件构成，断路器、快速熔断器、可控硅半导体模块、滤波电抗器、滤波电容器通过电缆相互连接，放电线圈与滤波电容器通过电缆连接，智能控制保护系统、可控硅半导体模块通过控制电缆连接，断路器进线电源通过电缆连接至主母线，散热风机安装在外壳顶部，本实用新型能有效抑制或治理谐波，提高供电系统功率因数和供电质量，降低设备损耗，有效改善供电系统谐波电压畸变率，具备滤波组件过热、过压、欠压、过流、短路等保护。

Description

动态抗谐波无功补偿装置

技术领域

本实用新型涉及一种无功补偿装置，尤其涉及一种采用单调谐波电感电容无源滤波补偿技术的动态抗谐波无功补偿装置。 

背景技术

随着我国经济水平的不断发展和电力电子技术的广泛应用，在供电系统中越来越多的使用如变频器、高频电源等非线性负载产生大量的电网谐波，严重影响电网质量，加大供电能耗，如各种整流电源、电弧炉、中频炉、变频电源灯，各种非线性负荷接入电网，导致电网中的高次谐波含量不断上升，使得谐波污染日趋严重，谐波对电力系统的安全、稳定、经济运行带来极大影响，危机用电安全，对周围的用电设备构成潜在威胁，同时又引起无功功率的严重不足，减低电能质量。为补偿电力系统无功功率的严重不足，提高系统电压水平，低压无功功率自动补偿装置被大量使用，但目前使用的低压无功功率自动补偿装置在电网系统中含有谐波的情况下，低压无功功率自动补偿装置与谐波之间相互影响发生串、并联谐振，使谐波电流放大几倍甚至几十倍，造成电容器烧毁及其他用电设备损坏，现使用的低压无功功率自动补偿装置存在以下的缺陷和不足： 

1、当电网系统中含有谐波时，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，使电容器电流有效值增大，温度增高，引起电容器过热而降低电容器的使用寿命或电容器烧毁； 

2、当电网系统中含有谐波时，谐波电压叠加在电容器的基波电压上，使电容器电压有效值增大，电压峰值大大增大，是电容器在运行中发生局部放电而不能熄灭，造成电容器损坏； 

3、当电网系统中含有谐波时，在一定参数配合下，并联电容器组的容抗于电网中其他谐波源的感抗满足相等条件下时发生并联谐振，对谐波电流起严重的放大作用，使谐波电流放大几倍甚至几十倍，导致电容器、电缆等用电设备过热加速绝缘老化、缩短使用寿命，以致损坏和烧毁； 

4、当电网母线含有谐波电压时，在一定参数配合下，接在母线下的变压器的漏抗和变压器二次侧所接的电容器组会发生串联谐振，危机电容器本身和附件电气设备的用电安全，危害进一步加剧，常常引起烧毁用电设备的严重事故； 

5、现使用的低压无功功率自动补偿装置，其本身智能显示补偿装置投运后电网的功率因数和工作电流，不能同时显示补偿装置投运前、后电网的总电流值和功率因素值，补偿效果不直观。 

发明内容

为解决现有电力无功补偿中存在的技术的整流器、变频器、中频炉等设备易产生大量谐波，使得系统中的电压、电流的波形畸变，造成电网质量恶化等弊端，而提供了一种动态抗谐波无功补偿装置，采用电感电容补偿滤波技术，可有效抑制或治理谐波，提高供电系统功率因数和供电质量，降低设备损耗，满足国家标准，有效改善供电系统的谐波电压畸变率，同时在成套装置中加装并联电容器进行快速 动态无功补偿，能满足快速变化负载的需要。 

本实用新型是通过以下的技术方案来实现的： 

动态抗谐波无功补偿装置，其结构由：断路器、可控硅半导体模块、电感电容补偿滤波组件、智能控制单元、机柜、散热风机、快速熔断器、零线排、滤波电抗器、滤波电容器、放电线圈等部件构成，其中断路器、快速熔断器、可控硅半导体模块、滤波电抗器、滤波电容器通过电缆相互连接，放电线圈与滤波电容器通过电缆连接，智能控制保护系统、可控硅半导体模块通过控制电缆连接，零线排固定在外壳内部横梁上，所有零线都固定在零排上，断路器进线电源通过电缆连接至主母线，散热风机安装在外壳顶部。 

所述的断路器，其为动态无功补偿滤波装置总电源开关，进线端通过电缆或铜排与系统主母线相连，出线端通过铜电缆接入快速熔断器的进线端，断路器固定安装于外壳上方中部，为动态无功补偿滤波装置提供电源分断及速切保护。 

所述的可控硅半导体模块，其通过螺丝固定于外壳的中下部，通过电流互感器连接于主母线，可控硅半导体模块结构包括：可控硅、散热器、风机、触发板、温度开关，其中可控硅用螺丝固定于散热器的正面，风机用螺丝固定于散热器下面，触发板用螺丝固定于散热器侧面，温度开关用螺丝固定于散热器的下面，触发板的输出端与可控硅用控制电缆连接，触发板的输入端与智能控制单元连接，可控硅半导体模块为整机中重要部分，起到动态投切电感电容补偿滤波组件的作用。 

所述的电感电容补偿滤波组件，其结构包括：滤波电抗器和滤波电容器，滤波电抗器的输入端电源用电缆与可控硅半导体模块输出端连接，滤波电容器的输入端电源用电缆与滤波电抗器的输出端连接，滤波电抗器用螺丝固定于外壳中后部，滤波电容器用螺丝固定于外壳的中下部，电感电容补偿滤波组件为整机中最关键部分，起到滤除谐波和补偿电网无功功率的作用。 

所述的智能控制单元，其由核心控制系统和硬件电路组成，核心控制系统采用电力参数采集芯片和32位ARM处理器及外围电路组成，其硬件电路由数据采集电路、同步检测电路、PWM隔离驱动电路、通信电路、电源等辅助电路组成，能够实现装置的控制系统实时性和准确性，能控制器为装置的关键部件，直接决定了装置的性能指标和补偿效果。 

所述的数据采集电路，其主要负责电压、电流等模拟信号转换的处理，由于被检测的电压电流量数值比较大，数值远超过ARM允许的输入信号范围，需要把这些模拟电信号降低，并将电流量变换为电压量，双极性信号变成单极性信号，并进行电平匹配，A/D转换后送入DSP进行运算，其实现方法为：电压、电流信号(包括1个三相交流母线电压、3个负载电流)经电流型霍尔传感器变换后，在高精度采样电阻上形成与原信号成比例的电压信号，再经滤波、隔离、电平变换后，得到0～3V模拟量输入电压，最后经12位A/D变换后进入ARM内处理。 

所述的PWM隔离驱动电路，是将智能控制器产生的电驱动脉冲信 号，经隔离和功率放大处理后，最终输出0-12路电压控制信号，实现对可控硅半导体模块的驱动控制，当装置出现过流、短路等故障时，立即封锁可控硅半导体模块的驱动脉冲，并向核心控制系统发送保护信号。 

所述的硬件保护电路，其保证了装置可靠稳定的工作，当装置发生短路、过流、过压、超温、欠压等故障时，故障信号经过故障检测电路处理后，立即封锁可控硅半导体模块驱动脉冲信号，并进行报警等处理，以保护系统安全。 

本实用新型是一种采用单调谐电感电容无源滤波补偿技术的新型动态抗谐波无功补偿装置，它通过智能控制单元采集电网实时数据，计算出电网无功谐波当量，产生相应的控制信号，投切电感电容补偿滤波组件，电感电容回路在该次谐波频率时能与电容器产生串联谐振，使装置在该次谐波频率形成非常低的阻抗(趋近于零)，让大部份的该谐波电流流入本装置，而不流向供电系统，同时补偿系统无功功率，达到迅速清洁供电网络和提高功率因数的作用。 

由于采用了以上技术方案，本实用新型具有的有益效果为： 

1、既可滤波又可进行无功补偿，可以瞬间高于额定容量进行涌流补偿，从而消除闪变和电压波动。 

2、根据谐波源特性自行判断最佳滤波效果，并能自动适应电网的阻抗变化，可滤除：3次、5次、7次、11次、13次、17次等特征谐波，谐波滤除率达60-75％。 

3、装置具有多种保护功能，具备滤波组件过热、过压、欠压、过 流、短路等保护。 

4、采用大功率晶闸管电流过零点自动投切技术，可连续频繁投切滤波组件，实现零电流投入、零电流切除，无涌流冲击、无电弧重燃、无需放电即可再投。 

5、快速跟踪系统负荷无功变化，实时动态响应投切，动态响应时间：≤20ms.基波无功补偿：功率因数可达到0.95以上，降低电网损耗，增加变压器承载效率。 

6、智能化管理：以负载的实时无功功率为投切物理量，应用瞬时无功控制理论，在10ms内完成数据采集、计算及控制输出。采用RS485通讯，在实现瞬时投切控制，配电参数、电能质量等数据，可实现在线监控和远方遥测、遥信、遥调。 

7、具有设计合理、性能优良等优点，具有极高的应用价值。 

附图说明

图1、为本实用新型的正面剖视结构示意图； 

图2、为本实用新型的后面剖视结构示意图； 

图3、为本实用新型的电路图； 

图4、为本实用新型中的电感电容补偿滤波组件的电路图。 

图1～2中：1-外壳、2-散热风机、3-断路器、4-主母线、5-电流互感器、6-可控硅半导体模块、7-风机、8-放电线圈、9-滤波电容器、10-散热器、11-触发板、12-滤波电抗器。 

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本实用新型的结构及工作过程做进一 步说明： 

动态抗谐波无功补偿装置，其结构由：断路器3、可控硅半导体模块6、电感电容补偿滤波组件、智能控制单元、机柜、散热风机2、快速熔断器、零线排、滤波电抗器12、滤波电容器9、放电线圈8等部件构成，其中断路器3、快速熔断器、可控硅半导体模块6、滤波电抗器12、滤波电容器9通过电缆相互连接，放电线圈8与滤波电容器9通过电缆连接，智能控制保护系统、可控硅半导体模块6通过控制电缆连接，零线排固定在外壳1内部横梁上，所有零线都固定在零排上，断路器3进线电源通过电缆连接至主母线4，散热风机2安装在外壳1顶部。 

所述的断路器3，其为动态无功补偿滤波装置总电源开关，进线端通过电缆或铜排与系统主母线4相连，出线端通过铜电缆接入快速熔断器的进线端，断路器3固定安装于外壳1上方中部，为动态无功补偿滤波装置提供电源分断及速切保护。 

所述的可控硅半导体模块6，其通过螺丝固定于外壳1的中下部，通过电流互感器5连接于主母线4，可控硅半导体模块6结构包括：可控硅、散热器10、风机7、触发板11、温度开关，其中可控硅用螺丝固定于散热器10的正面，风机7用螺丝固定于散热器10下面，触发板11用螺丝固定于散热器10侧面，温度开关用螺丝固定于散热器10的下面，触发板11的输出端与可控硅用控制电缆连接，触发板11的输入端与智能控制单元连接，可控硅半导体模块6为整机中重要部分，起到动态投切电感电容补偿滤波组件的作用。 

所述的电感电容补偿滤波组件，其结构包括：滤波电抗器12和滤波电容器9，滤波电抗器12的输入端电源用电缆与可控硅半导体模块6输出端连接，滤波电容器9的输入端电源用电缆与滤波电抗器12的输出端连接，滤波电抗器12用螺丝固定于外壳中1后部，滤波电容器9用螺丝固定于外壳1的中下部，电感电容补偿滤波组件为整机中最关键部分，起到滤除谐波和补偿电网无功功率的作用。 

所述的智能控制单元，其由核心控制系统和硬件电路组成，核心控制系统采用电力参数采集芯片和32位ARM处理器及外围电路组成，其硬件电路由数据采集电路、同步检测电路、PWM隔离驱动电路、通信电路、电源等辅助电路组成，能够实现装置的控制系统实时性和准确性，能控制器为装置的关键部件，直接决定了装置的性能指标和补偿效果。 

所述的数据采集电路，其主要负责电压、电流等模拟信号转换的处理，由于被检测的电压电流量数值比较大，数值远超过ARM允许的输入信号范围，需要把这些模拟电信号降低，并将电流量变换为电压量，双极性信号变成单极性信号，并进行电平匹配，A/D转换后送入DSP进行运算，其实现方法为：电压、电流信号(包括1个三相交流母线电压、3个负载电流)经电流型霍尔传感器变换后，在高精度采样电阻上形成与原信号成比例的电压信号，再经滤波、隔离、电平变换后，得到0～3V模拟量输入电压，最后经12位A/D变换后进入ARM内处理。 

所述的PWM隔离驱动电路，是将智能控制器产生的电驱动脉冲信 号，经隔离和功率放大处理后，最终输出0-12路电压控制信号，实现对可控硅半导体模块的驱动控制，当装置出现过流、短路等故障时，立即封锁可控硅半导体模块6的驱动脉冲，并向核心控制系统发送保护信号。 

所述的硬件保护电路，其保证了装置可靠稳定的工作，当装置发生短路、过流、过压、超温、欠压等故障时，故障信号经过故障检测电路处理后，立即封锁可控硅半导体模块驱动脉冲信号，并进行报警等处理，以保护系统安全。 

本实用新型是一种采用单调谐电感电容无源滤波补偿技术的新型动态抗谐波无功补偿装置，它通过智能控制单元采集电网实时数据，计算出电网无功谐波当量，产生相应的控制信号，投切电感电容补偿滤波组件，电感电容回路在该次谐波频率时能与电容器产生串联谐振，使装置在该次谐波频率形成非常低的阻抗(趋近于零)，让大部份的该谐波电流流入本装置，而不流向供电系统，同时补偿系统无功功率，达到迅速清洁供电网络和提高功率因数的作用。 

Claims (7)

1.动态抗谐波无功补偿装置，其结构由：断路器[3]、可控硅半导体模块[6]、电感电容补偿滤波组件、智能控制单元、机柜、散热风机[2]、快速熔断器、零线排、滤波电抗器[12]、滤波电容器[9]、放电线圈[8]构成，其特征在于：其中断路器[3]、快速熔断器、可控硅半导体模块[6]、滤波电抗器[12]、滤波电容器[9]通过电缆相互连接，放电线圈[8]与滤波电容器[9]通过电缆连接，智能控制保护系统、可控硅半导体模块[6]通过控制电缆连接，零线排固定在外壳[1]内部横梁上，所有零线都固定在零排上，断路器[3]进线电源通过电缆连接至主母线[4]，散热风机[2]安装在外壳[1]顶部。

2.如权利要求1所述的动态抗谐波无功补偿装置，其特征在于：所述的断路器[3]，其为动态无功补偿滤波装置总电源开关，进线端通过电缆或铜排与系统主母线[4]相连，出线端通过铜电缆接入快速熔断器的进线端，断路器[3]固定安装于外壳[1]上方中部。

3.如权利要求1所述的动态抗谐波无功补偿装置，其特征在于：所述的可控硅半导体模块[6]，其通过螺丝固定于外壳[1]的中下部，通过电流互感器[5]连接于主母线[4]，可控硅半导体模块[6]结构包括：可控硅、散热器[10]、风机[7]、触发板[11]、温度开关，其中可控硅用螺丝固定于散热器[10]的正面，风机[7]用螺丝固定于散热器[10]下面，触发板[11]用螺丝固定于散热器[10]侧面，温度开关用螺丝固定于散热器[10]的下面，触发板[11]的输出端与可控硅用控制电缆连接，触发板[11]的输入端与智能控制单元连接。 

4.如权利要求1所述的动态抗谐波无功补偿装置，其特征在于：所述的电感电容补偿滤波组件，其结构包括：滤波电抗器[12]和滤波电容器[9]，滤波电抗器[12]的输入端电源用电缆与可控硅半导体模块[6]输出端连接，滤波电容器[9]的输入端电源用电缆与滤波电抗器[12]的输出端连接，滤波电抗器[12]用螺丝固定于外壳中[1]后部，滤波电容器[9]用螺丝固定于外壳[1]的中下部。

5.如权利要求1所述的动态抗谐波无功补偿装置，其特征在于：所述的智能控制单元，其由核心控制系统和硬件电路组成，核心控制系统采用电力参数采集芯片和32位ARM处理器及外围电路组成，其硬件电路由数据采集电路、同步检测电路、PWM隔离驱动电路、通信电路、电源组成。

6.如权利要求5所述的动态抗谐波无功补偿装置，其特征在于：所述的数据采集电路，其主要负责电压、电流模拟信号转换的处理，由于被检测的电压电流量数值比较大，数值远超过ARM允许的输入信号范围，需要把这些模拟电信号降低，并将电流量变换为电压量，双极性信号变成单极性信号，并进行电平匹配，A/D转换后送入DSP进行运算。

7.如权利要求5所述的动态抗谐波无功补偿装置，其特征在于：所述的PWM隔离驱动电路，是将智能控制器产生的电驱动脉冲信号，经隔离和功率放大处理后，最终输出0-12路电压控制信号，实现对可控硅半导体模块[6]的驱动控制。 

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