CN203839965U - 交流容性负载功率因数的有级补偿电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种交流容性负载功率因数的有级补偿电路，包括负载电压电流信号处理电路、补偿控制与稳压电源电路，具体包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、处理器IC1、A三极管Q1、B三极管Q2、C三极管Q3、稳压电源模块U0、A固态继电器U1、B固态继电器U2、C固态继电器U3、电抗器L1、基准管D1、上稳压管D2、下稳压管D3、负载电阻R1等。本实用新型利用基于三只过零型交流固态继电器与一只三抽头的补偿电抗器进行对电网无扰动的投切控制，以实现对容性负载功率因数的三级补偿控制，能满足多数容性负载对功率因数补偿控制的要求，该方法性价比高、通用性好、安全可靠。

Description

交流容性负载功率因数的有级补偿电路

技术领域

本实用新型属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种交流容性负载功率因数的有级补偿电路，适用于对交流容性负载自动进行功率因数补偿控制的应用场合，以提高供电、用电效能。

背景技术

容性负载也是交流用电负载中的一种，其电流相位超前于电压相位，而供电、用电系统的功率因数是电能运行质量中的重要指标。目前，在提高交流用电负载功率因数的研究与技术应用方面，主要是针对感性负载。而在提高容性负载功率因数方面的主要方案为：一是基于旋转电机的同步调相机，二是基于晶闸管控制的电抗器。现有方案的不足之处在于：一是因同步调相机的核心是旋转电机，功耗大、噪声大、维护难度高、代价大，二是现有的一只电抗器只能对一点实现较理想的补偿效果，利用率低。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足，针对交流容性负载，提出一种交流容性负载功率因数的三级补偿电路。该电路集功率因数检测与三级补偿控制方案于一体，采用基于多三个电压过零型交流固态继电器对三抽头的补偿电抗器进行有级判别式切换，以实现对容性负载功率因数的有级补偿控制。

本实用新型包括负载电压电流信号处理电路、补偿控制与稳压电源电路。

负载相电压电流信号处理电路包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、容性负载PU1、负载电阻R1、偏压电阻R3、电压滤波电阻R4、电压滤波电容C1、上稳压管D2、偏流电阻R5、电流滤波电阻R6、电流滤波电容C2、下稳压管D3，电压互感器VS1的相检测端L端与电网相电压端L端连接，电压互感器VS1的零线端N端与电网零线端N端连接，电压互感器VS1的正输出端OUT1端与电压滤波电阻R4的一端连接，电压互感器VS1的负输出端OUT2端接地，电压滤波电阻R4的另一端与处理器IC1的上A/D转换接口端ADC1端、偏压电阻R3的一端、上稳压管D2的阴极、电压滤波电容C1的一端连接，偏压电阻R3的另一端与电压基准端VZ端连接，电压滤波电容C1的另一端接地，上稳压管D2的阳极接地，容性负载PU1的相供电端L端经连线穿过电流互感器CS1的检测孔后与电网相电压端L端连接，容性负载PU1的零线端N端与电网零线端N端连接，电流互感器CS1的负输出端A2接地，电流互感器CS1的正输出端A1与负载电阻R1的一端、电流滤波电阻R6的一端连接，负载电阻R1的另一端接地，电流滤波电阻R6的另一端与处理器IC1的下A/D转换接口端ADC2端、偏流电阻R5的一端、下稳压管D3的阴极、电流滤波电容C4的一端连接，偏流电阻R5的另一端与电压基准端VZ端连接，电流滤波电容C4的另一端接地，下稳压管D3的阳极接地；

补偿控制与稳压电源电路包括处理器IC1、钟振U4、电抗器L1、A固态继电器U1、B固态继电器U2、C固态继电器U3、A三极管Q1、B三极管Q2、C三极管Q3、A基极电阻R7、B基极电阻R8、C基极电阻R9、稳压电源模块U0、电源电容C0、稳压电阻R2、基准管D1，处理器IC1的电源端VCC端与稳压电源正端VCC端连接，处理器IC1的地端GND端接地，处理器IC1的时钟端XT端与钟振U4的输出端OUT端连接，钟振U4的电源端+V端与稳压电源正端VCC端连接，钟振U4的地端GND端接地，处理器IC1的第1输出端O1端与A基极电阻R7的一端连接，A基极电阻R7的另一端与A三极管Q1的基极b端连接，处理器IC1的第2输出端O2端与B基极电阻R8的一端连接，B基极电阻R8的另一端与B三极管Q2的基极b端连接，处理器IC1的第3输出端O2端与C基极电阻R9的一端连接，C基极电阻R9的另一端与C三极管Q3的基极b端连接，A三极管Q1的射极e端接地，A三极管Q1的集电极c端与A固态继电器U1的负输入端-IN端连接，B三极管Q2的射极e端接地，B三极管Q2的集电极c端与B固态继电器U2的负输入端-IN端连接，C三极管Q3的射极e端接地，C三极管Q3的集电极c端与C固态继电器U3的负输入端-IN端连接，A固态继电器U1的正输入端+IN端、B固态继电器U2的正输入端+IN端、C固态继电器U3的正输入端+IN端均与稳压电源正端VCC端连接，A固态继电器U1的第1交流端AC1端、B固态继电器U2的第1交流端AC1端、C固态继电器U3的第1交流端AC1端均与电网相电压端L端连接，A固态继电器U1的第2交流端AC2端与电抗器L1的第1抽头端1端连接，B固态继电器U2的第2交流端AC2端与电抗器L1的第2抽头端2端连接，C固态继电器U3的第2交流端AC2端与电抗器L1的第3抽头端3端连接，电抗器L1的0抽头端0端与电网零线端N端连接。稳压电源模块U0的相供电端L端与电网相电压端L端连接，稳压电源模块U0的零线端N端与电网零线端N端连接，稳压电源模块U0的输出电源端+V端与稳压电源正端VCC端、电源电容C0的一端、稳压电阻R2的一端连接，电源电容C0的另一端接地，稳压电阻R2的另一端与基准管D1的阴极、基准电压端VZ端连接，基准管D1的阳极接地。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型利用易于制作的多抽头电抗器及过零型交流固态继电器，对容性负载功率因数进行有级补偿控制，该方法能满足多数交流容性负载对功率因数补偿控制的要求，该方法性价比高、通用性好、安全可靠。

该电路方法容易扩展应用于三相交流容性负载的功率因数补偿控制中。

附图说明

图1为本实用新型的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，交流容性负载功率因数的有级补偿电路，包括负载电压电流信号处理电路、补偿控制与稳压电源电路。

负载相电压电流信号处理电路包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、容性负载PU1、负载电阻R1、偏压电阻R3、电压滤波电阻R4、电压滤波电容C1、上稳压管D2、偏流电阻R5、电流滤波电阻R6、电流滤波电容C2、下稳压管D3，电压互感器VS1的相检测端L端与电网相电压端L端连接，电压互感器VS1的零线端N端与电网零线端N端连接，电压互感器VS1的正输出端OUT1端与电压滤波电阻R4的一端连接，电压互感器VS1的负输出端OUT2端接地，电压滤波电阻R4的另一端与处理器IC1的上A/D转换接口端ADC1端、偏压电阻R3的一端、上稳压管D2的阴极、电压滤波电容C1的一端连接，偏压电阻R3的另一端与电压基准端VZ端连接，电压滤波电容C1的另一端接地，上稳压管D2的阳极接地，容性负载PU1的相供电端L端经连线穿过电流互感器CS1的检测孔后与电网相电压端L端连接，容性负载PU1的零线端N端与电网零线端N端连接，电流互感器CS1的负输出端A2接地，电流互感器CS1的正输出端A1与负载电阻R1的一端、电流滤波电阻R6的一端连接，负载电阻R1的另一端接地，电流滤波电阻R6的另一端与处理器IC1的下A/D转换接口端ADC2端、偏流电阻R5的一端、下稳压管D3的阴极、电流滤波电容C4的一端连接，偏流电阻R5的另一端与电压基准端VZ端连接，电流滤波电容C4的另一端接地，下稳压管D3的阳极接地；

补偿控制与稳压电源电路包括处理器IC1、钟振U4、电抗器L1、A固态继电器U1、B固态继电器U2、C固态继电器U3、A三极管Q1、B三极管Q2、C三极管Q3、A基极电阻R7、B基极电阻R8、C基极电阻R9、稳压电源模块U0、电源电容C0、稳压电阻R2、基准管D1，处理器IC1的电源端VCC端与稳压电源正端VCC端连接，处理器IC1的地端GND端接地，处理器IC1的时钟端XT端与钟振U4的输出端OUT端连接，钟振U4的电源端+V端与稳压电源正端VCC端连接，钟振U4的地端GND端接地，处理器IC1的第1输出端O1端与A基极电阻R7的一端连接，A基极电阻R7的另一端与A三极管Q1的基极b端连接，处理器IC1的第2输出端O2端与B基极电阻R8的一端连接，B基极电阻R8的另一端与B三极管Q2的基极b端连接，处理器IC1的第3输出端O2端与C基极电阻R9的一端连接，C基极电阻R9的另一端与C三极管Q3的基极b端连接，A三极管Q1的射极e端接地，A三极管Q1的集电极c端与A固态继电器U1的负输入端-IN端连接，B三极管Q2的射极e端接地，B三极管Q2的集电极c端与B固态继电器U2的负输入端-IN端连接，C三极管Q3的射极e端接地，C三极管Q3的集电极c端与C固态继电器U3的负输入端-IN端连接，A固态继电器U1的正输入端+IN端、B固态继电器U2的正输入端+IN端、C固态继电器U3的正输入端+IN端均与稳压电源正端VCC端连接，A固态继电器U1的第1交流端AC1端、B固态继电器U2的第1交流端AC1端、C固态继电器U3的第1交流端AC1端均与电网相电压端L端连接，A固态继电器U1的第2交流端AC2端与电抗器L1的第1抽头端1端连接，B固态继电器U2的第2交流端AC2端与电抗器L1的第2抽头端2端连接，C固态继电器U3的第2交流端AC2端与电抗器L1的第3抽头端3端连接，电抗器L1的0抽头端0端与电网零线端N端连接。稳压电源模块U0的相供电端L端与电网相电压端L端连接，稳压电源模块U0的零线端N端与电网零线端N端连接，稳压电源模块U0的输出电源端+V端与稳压电源正端VCC端、电源电容C0的一端、稳压电阻R2的一端连接，电源电容C0的另一端接地，稳压电阻R2的另一端与基准管D1的阴极、基准电压端VZ端连接，基准管D1的阳极接地。

本实用新型所使用的包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、稳压电源模块U0、A固态继电器U1、B固态继电器U2、C固态继电器U3、处理器IC1、A三极管Q1、B三极管Q2、C三极管Q3、基准管D1、上稳压管D2、下稳压管D3等在内的主要器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：电压互感器采用JDZX10系列产品，电压流互感器采用BH-0.66系列产品，稳压电源模块采用WAN2.5-3.3，固态继电器采用SSR-H380D过零型系列产品，处理器采用STM32F103，三极管采用C8050，基准管、稳压管均采用BZX84-B3等。

本实用新型中的主要电路参数及输入输出关系如下：

图1中的电压互感器VS1的输出信号u_v0与电网相电压u_a间的关系如式(1)所示，其中的k_v为变压系数；电流互感器CS1的输出信号u_i0与电网相电流i_a间的关系如式(2)所示，其中的k_i为变流系数。

u_vo＝k_vu_a   (1)

u_io＝R1·k_ii_a   (2)

上述的u_v0、u_i0信号经电平迁移及阻抗变换跟随后即成为单极性信号u_v、u_i，经阻容滤波后，分别如式(3)、式(4)所示，式(5)是确保电压信号、电流信号进行电路同步滤波的条件。

$u_v=\frac{R3}{R3+R4}{u}_{\mathrm{vo}}+\frac{R4}{R3+R4}{V}_Z---\left(3\right)$

$u_i=\frac{R5}{R5+R6}{u}_{\mathrm{io}}+\frac{R6}{R5+R6}{V}_Z---\left(4\right)$

$\frac{R3\·R4}{R3+R4}C1=\frac{R5\·R6}{R5+R6}C2---\left(5\right)$

本实用新型工作过程如下：

电压互感器、电流互感器的输出信号u_v0、u_i0经阻容滤波、电平迁移、阻抗变换跟随后成为单极性且幅值符合处理器IC1的A/D转换接口要求的信号u_v、u_i，分别输入到处理器IC1的上A/D转换接口、下A/D转换接口，由内置于处理器的程序进行同步滤波后计算出电压、电流信号间的相位差φ与负载功率因数cosφ值，且程序中设置有多级功率因数阈值A、B、C，其中A>B>C>0，进而处理器依据下列判别式，经各输出端O1、O2、O3端输出相应的高电平或低电平控制信号，经三极管后控制各过零型固态继电器的导通与否，即控制所需投运的电抗器的电感量。

(1)cosφ＜0且|cosφ|≥A：功率因数已符合要求，无需投运补偿电抗器器，则七个固态继电器均处于关断状态；

(2)cosφ＜0且A＞|cosφ|≥B：投运第一级(电感量最小。注：级数越高、电感量越大，依次类推)补偿电感量，此时处理器输出控制信号经驱动芯片使A固态继电器U1导通，投运的电感值为L1中的0-1端间的电感量；

(3)cosφ＜0且B＞|cosφ|≥C：投运第二级补偿电感量，此时处理器输出控制信号经驱动芯片使固态继电器U2导通，投运的电感值为L1中的0-2端间的电感量；

(4)cosφ＜0且C＞|cosφ|：投运第三级补偿电感量，此时处理器输出控制信号经驱动芯片使固态继电器U3导通，投运的电感值为L1中的0-3端间的电感量，即：L1的全部电感器。

因此，用一只多抽头的电抗器即可实现对容性负载的多级功率因数的补偿控制，且采用基于双向晶闸管输出级的电压过零式固态继电器，使得补偿电抗器的投切过程对电网无扰动。该电路方法可容易扩展应用于三相交流容性负载的功率因数补偿控制中。

Claims (3)

1.交流容性负载功率因数的有级补偿电路，包括负载电压电流信号处理电路、补偿控制与稳压电源电路，其特征在于：

负载相电压电流信号处理电路包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、容性负载PU1、负载电阻R1、偏压电阻R3、电压滤波电阻R4、电压滤波电容C1、上稳压管D2、偏流电阻R5、电流滤波电阻R6、电流滤波电容C2、下稳压管D3，电压互感器VS1的相检测端L端与电网相电压端L端连接，电压互感器VS1的零线端N端与电网零线端N端连接，电压互感器VS1的正输出端OUT1端与电压滤波电阻R4的一端连接，电压互感器VS1的负输出端OUT2端接地，电压滤波电阻R4的另一端与处理器IC1的上A/D转换接口端ADC1端、偏压电阻R3的一端、上稳压管D2的阴极、电压滤波电容C1的一端连接，偏压电阻R3的另一端与电压基准端VZ端连接，电压滤波电容C1的另一端接地，上稳压管D2的阳极接地，容性负载PU1的相供电端L端经连线穿过电流互感器CS1的检测孔后与电网相电压端L端连接，容性负载PU1的零线端N端与电网零线端N端连接，电流互感器CS1的负输出端A2接地，电流互感器CS1的正输出端A1与负载电阻R1的一端、电流滤波电阻R6的一端连接，负载电阻R1的另一端接地，电流滤波电阻R6的另一端与处理器IC1的下A/D转换接口端ADC2端、偏流电阻R5的一端、下稳压管D3的阴极、电流滤波电容C4的一端连接，偏流电阻R5的另一端与电压基准端VZ端连接，电流滤波电容C4的另一端接地，下稳压管D3的阳极接地；

补偿控制与稳压电源电路包括处理器IC1、钟振U4、电抗器L1、A固态继电器U1、B固态继电器U2、C固态继电器U3、A三极管Q1、B三极管Q2、C三极管Q3、A基极电阻R7、B基极电阻R8、C基极电阻R9、稳压电源模块U0、电源电容C0、稳压电阻R2、基准管D1，处理器IC1的电源端VCC端与稳压电源正端VCC端连接，处理器IC1的地端GND端接地，处理器IC1的时钟端XT端与钟振U4的输出端OUT端连接，钟振U4的电源端+V端与稳压电源正端VCC端连接，钟振U4的地端GND端接地，处理器IC1的第1输出端O1端与A基极电阻R7的一端连接，A基极电阻R7的另一端与A三极管Q1的基极b端连接，处理器IC1的第2输出端O2端与B基极电阻R8的一端连接，B基极电阻R8的另一端与B三极管Q2的基极b端连接，处理器IC1的第3输出端O2端与C基极电阻R9的一端连接，C基极电阻R9的另一端与C三极管Q3的基极b端连接，A三极管Q1的射极e端接地，A三极管Q1的集电极c端与A固态继电器U1的负输入端-IN端连接，B三极管Q2的射极e端接地，B三极管Q2的集电极c端与B固态继电器U2的负输入端-IN端连接，C三极管Q3的射极e端接地，C三极管Q3的集电极c端与C固态继电器U3的负输入端-IN端连接，A固态继电器U1的正输入端+IN端、B固态继电器U2的正输入端+IN端、C固态继电器U3的正输入端+IN端均与稳压电源正端VCC端连接，A固态继电器U1的第1交流端AC1端、B固态继电器U2的第1交流端AC1端、C固态继电器U3的第1交流端AC1端均与电网相电压端L端连接，A固态继电器U1的第2交流端AC2端与电抗器L1的第1抽头端1端连接，B固态继电器U2的第2交流端AC2端与电抗器L1的第2抽头端2端连接，C固态继电器U3的第2交流端AC2端与电抗器L1的第3抽头端3端连接，电抗器L1的0抽头端0端与电网零线端N端连接；稳压电源模块U0的相供电端L端与电网相电压端L端连接，稳压电源模块U0的零线端N端与电网零线端N端连接，稳压电源模块U0的输出电源端+V端与稳压电源正端VCC端、电源电容C0的一端、稳压电阻R2的一端连接，电源电容C0的另一端接地，稳压电阻R2的另一端与基准管D1的阴极、基准电压端VZ端连接，基准管D1的阳极接地。

2.如权利要求1所述的交流容性负载功率因数的有级补偿电路，其特征在于：

电压互感器VS1的输出信号u_v0与电网相电压u_a间的关系如式(1)所示，其中的k_v为变压系数；电流互感器CS1的输出信号u_i0与电网相电流i_a间的关系如式(2)所示，其中的k_i为变流系数：

u_vo＝k_vu_a   (1)

u_io＝R1·k_ii_a   (2)

上述的u_v0、u_i0信号经电平迁移及阻抗变换跟随后即成为单极性信号u_v、u_i，经阻容滤波后，分别如式(3)、式(4)所示，式(5)是确保电压信号、电流信号进行电路同步滤波的条件：

$u_v=\frac{R3}{R3+R4}{u}_{\mathrm{vo}}+\frac{R4}{R3+R4}{V}_Z---\left(3\right)$

$u_i=\frac{R5}{R5+R6}{u}_{\mathrm{io}}+\frac{R6}{R5+R6}{V}_Z---\left(4\right)$

$\frac{R3\·R4}{R3+R4}C1=\frac{R5\·R6}{R5+R6}C2---\left(5\right).$

3.如权利要求1所述的交流容性负载功率因数的有级补偿电路，其特征在于：

所述的电压互感器VS1、电流互感器CS1、稳压电源模块U0、A固态继电器U1、B固态继电器U2、C固态继电器U3、处理器IC1、A三极管Q1、B三极管Q2、C三极管Q3、基准管D1、上稳压管D2、下稳压管D3均采用现有的成熟产品，电压互感器采用JDZX10系列产品，电压流互感器采用BH-0.66系列产品，稳压电源模块采用WAN2.5-3.3，固态继电器采用SSR-H380D过零型系列产品，处理器采用STM32F103，三极管采用C8050，基准管、稳压管均采用BZX84-B3。