CN208923835U - 圆柱式智能电容器 - Google Patents

Abstract

一种圆柱式智能电容器，包括三相电压电流采样单元、A/D转换单元、智能控制单元、人机界面、无功补偿单元、指示灯外接输出口和通信数据端口，无功补偿单元三相主回电路的电源线通过断路器接入，所述无功补偿单元主回电路包括六个单回电路，每个单回电路包括一个磁保持继电器、一个电力电容器、过零检测电路和充电电路，三相电压电流采样单元采集三相电压电流数据，在判断需要投切时，智能控制单元通过过零检测电路检测电网电压的过零点，来控制继电器在电压过零点投入或在电流过零点切除。本实用新型提供了一种投切涌流大、稳定性较差、补偿效率较低的圆柱式智能电容器。

Description

圆柱式智能电容器

技术领域

本实用新型涉及电容器技术领域，尤其是涉及一种圆柱式智能电容器。

背景技术

在社会经济迅猛发展的大背景下，人们早已经脱离了“用上电”的需求阶段，已经步入了“用好电”的需求阶段；人们对用电的可靠性和安全性的要求越来越高；无功补偿作为最常见、最广泛的改善电能质量的方式，其已经成为电力系统稳定运行的最重要因素。传统的无功补偿装置，其故障率高、功耗高、投切涌流大、安装调试和维护困难，目前，智能电容器已经被广泛使用；但是，普通智能电容器存在两个很明显的缺陷：

1、现有智能电容器宣称是无涌流投切，但试验条件下，其投入涌流基本在3倍左右，而实际运行工况下，其投入涌流一般在8～10倍左右；并不是真正的无涌流投切；

2、现有智能电容器切除电容器后，需要等待电力电容器中的电荷放电，称为“放电延时”，放电延时一般为60～180s；尤其是在负载存在较快变化的情况下，放电延时会大大降低智能电容器的补偿效率。

发明内容

为了克服现有智能电容器存在投切涌流大、稳定性较差、补偿效率较低的缺陷，本实用新型提供了一种投切涌流大、稳定性较差、补偿效率较低的圆柱式智能电容器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种圆柱式智能电容器，包括三相电压电流采样单元、A/D转换单元、智能控制单元、人机界面、无功补偿单元、指示灯外接输出口和通信数据端口，所述三相电压电流采样单元分别与所述智能控制单元、通信数据端口连接，所述A/D转换单元与所述智能控制单元连接，所述智能控制单元分别与人机界面和无功补偿单元连接，所述无功补偿单元与所述指示灯外接输出口连接，所述通信数据端口通过485通信线与智能控制单元连接；

无功补偿单元三相主回电路的电源线通过断路器接入，所述无功补偿单元主回电路包括六个单回电路，每个单回电路包括一个磁保持继电器、一个电力电容器、过零检测电路和充电电路，所述磁保持继电器的两个继电器触点分别与ABC三相电源线中的其中一个电源线和电力电容器的一端连接，所述过零检测电路和充电电路分别与磁保持继电器的两个继电器触点并联，所述充电电路包括充电二极管和限流电阻，所述充电二极管的正极与磁保持继电器的一个继电器触点连接，所述充电二极管的负极与限流电阻的一端连接，所述限流电阻的另一端与磁保持继电器的另一个继电器触点连接，所述电力电容器的一端与磁保持继电器的另一个继电器触点连接，所述电力电容器的另一端根据不同的补偿方式与三相四线中的其中一相电源线连接；

三相电压电流采样单元采集三相电压电流数据，在判断需要投切时，智能控制单元通过过零检测电路检测电网电压的过零点，来控制继电器在电压过零点投入或在电流过零点切除。

进一步，所述智能电容器还包括顶盖和底座，六个电力电容器等间隔并排布置，所述顶盖安装在六个电力电容器的上端，六个电力电容器的下端安装在底座上，所述底座上安装有接地片，每个电力电容器外还套装一个圆柱形外壳；

所述智能控制单元、无功补偿单元、三相电压电流采样单元、A/D 转换单元、和断路器设置在六个电力电容器的上方且位于顶盖内，所述人机界面、指示灯外接输出口和通信数据端口设置在顶盖上。

再进一步，所述人机界面包括液晶显示屏、按键和用于指示电容器各回路的投切状态和电源状态的LED指示灯，所述LED指示灯与所述指示灯外接输出口连接。

再进一步，所述智能控制单元采用微控制器STM32F103VBT6芯片。

更进一步，所述无功补偿单元主回电路可做三种补偿方式，分别为分相补偿、三相共同补偿以及分相补偿和三相共同补偿混合在一起的混合补偿；

分相补偿的电路为电源通过断路器，A、B、C相电源线分别接到两组三相共六个磁保持继电器，每个磁保持继电器再连接到电力电容器，最终接到N相线；

三相共同补偿的电路为电源通过断路器，A、B、C相电源线分别接到两组三相共六个磁保持继电器，六个磁保持继电器分别连接到电力电容器，最终接到B、C、A相线，形成A相对B相，B相对C相，C 相对A相的回路，六个磁保持继电器在间隔100ms内投入，形成三相共同补偿的电路；

混合补偿的电路为电源通过断路器，A、B、C相电源线分别接到两组三相共六个磁保持继电器，一组磁保持继电器分别连接到电力电容器，最终接到N相线，形成分相补偿的电路；另一组磁保持继电器分别连接到电力电容器，最终接到B、C、A相线，形成A相对B相，B相对C相，C相对A相的回路，三个磁保持继电器在间隔100ms内投入，形成三相共同补偿的电路；这样，在一台设备中，实现了三相共补和分相补偿混合的补偿电路。

本实用新型的有益效果主要表现在：采用微控制器判断过零检测电路的信号，控制继电器驱动电路的运行，从而实现继电器在开关两端电压过零点投入和开关两端电流过零点切除的功能；该种无涌流投切的方式一般称为“同步开关”或“新型复合开关(单片机与继电器复合)”，其提高了智能电容器的使用寿命，尤其是电力电容器和继电器的寿命，提高可靠性、降低成本；无功补偿单元，通过“充电电路”使开关两端电压过零点由原先电网电压正弦波正中心变化到正弦波峰值(波峰或波谷)附近；更改后，开关两端过零点的斜率大幅度变小，最终达到降低投入涌流控制的难度，真正实现无涌流投切；并且，由于是在电流过零点也就是电压峰值切除电容器，所以，开关两端切除电容时的过零点与投入电容器的过零点接近，基本上不需要放电延时。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图。

图2是无功补偿单元分补型的主回电路示意图。

图3是无功补偿单元混补型的主回电路示意图。

图4是无功补偿单元共补型的主回电路示意图。

图5是无功补偿单元单回电路示意图。

图6是充电前的电压波形示意图。

图7是正向充电后的电压波形示意图。

图8是反向充电后的电压波形示意图。

图9是本实用新型的外观剖面图。

图10是图9的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图10，一种圆柱式智能电容器，包括三相电压电流采样单元、A/D转换单元、智能控制单元15、人机界面11、无功补偿单元13、指示灯外接输出口20和通信数据端口19，所述三相电压电流采样单元分别与所述智能控制单元15、通信数据端口19连接，所述A/D转换单元与所述智能控制单元15连接，所述智能控制单元15分别与人机界面11 和无功补偿单元13连接，所述无功补偿单元13与所述指示灯外接输出口20连接，所述通信数据端口19通过485通信线与智能控制单元15连接；

无功补偿单元13三相主回电路的电源线通过断路器1接入，所述无功补偿单元主回电路包括六个单回电路，每个单回电路包括一个磁保持继电器2、一个电力电容器3、过零检测电路4和充电电路，所述磁保持继电器2的两个继电器触点21分别与ABC三相电源线中的其中一个电源线和电力电容器3的一端连接，所述过零检测电路4和充电电路分别与磁保持继电器2的两个继电器触点21并联，所述充电电路包括充电二极管5和限流电阻6，所述充电二极管5的正极与磁保持继电器2的一个继电器触点连接，所述充电二极管5的负极与限流电阻6的一端连接，所述限流电阻6的另一端与磁保持继电器2的另一个继电器触点连接，所述电力电容器3的一端与磁保持继电器2的另一个继电器触点连接，所述电力电容器3的另一端根据不同的补偿方式与三相四线中的其中一相电源线连接；即所述电力电容器3的另一端与三相四线(A、B、C、 N)的一相连接，分补与N相连接；共补与不同于该回路继电器所接的电源连接，并且每个回路所接电源不同；

三相电压电流采样单元采集三相电压电流数据，在判断需要投切时，智能控制单元通过过零检测电路4检测电网电压的过零点，来控制继电器在电压过零点投入或在电流过零点切除。

进一步，所述智能电容器还包括顶盖12和底座17，六个电力电容器3等间隔并排布置，所述顶盖12安装在六个电力电容器3的上端，六个电力电容器3的下端安装在底座17上，所述底座17上安装有接地片 18，每个电力电容器外还套装一个圆柱形外壳；

所述智能控制单元15、无功补偿单元13、三相电压电流采样单元、 A/D转换单元、和断路器1设置在六个电力电容器3的上方且位于顶盖12 内，所述人机界面11、指示灯外接输出口20和通信数据端口19设置在顶盖12上。

三相电压电流采样单元是基于RN8302芯片的电力计量电路，主要负责电网电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、电压谐波畸变率、电流谐波畸变率等所有电网参数的采集。

A/D转换单元，主要是将产品温度等参数转化为数字量，实现温度采集等功能。

智能控制单元采用微控制器STM32F103VBT6芯片，内含有12位 A/D转换器、SPI通信模块、USART通信模块、定时器等。也可采用其它同类型芯片。

人机界面主要有LED指示灯、液晶显示屏和按键组成；LED指示灯主要指示电容器各回路的投切状态和电源状态；液晶显示屏可显示所有电网采集参数、设置参数和运行状态等；按键可用于参数的翻页、参数的调整和手动投切等功能。

如图2～图4所示的是无功补偿单元的主回电路，其配置灵活，可以做分相补偿(简称：分补)、三相共同补偿(简称：共补)、分相补偿和三相共同补偿混合(简称：混补)；并且，做共补时，可以通过控制，实现“相间补偿”。

分相补偿指的是A、B、C三相分别与N相之间有一个开关，任意一相可以单独补偿；

三相共同补偿指的是A、B、C三相分别有一个开关，与另一相连接，工作时，三相开关间隔100ms左右投入，达到三相共同补偿的效果；

如图2所示，电源通过断路器，A、B、C相电源线分别接到两组三相共六个磁保持继电器，每个磁保持继电器再连接到电力电容器，最终接到N相线，形成分相补偿的电路；

如图3所示，电源通过断路器，A、B、C相电源线分别接到两组三相共六个磁保持继电器，一组磁保持继电器连接到电力电容器，最终接到N相线，形成分相补偿的电路；另一组磁保持继电器连接到电力电容器，最终接到B、C、A相线，形成A对B，B对C，C对A的回路，三个继电器在间隔100ms内投入，形成三相共同补偿的电路；这样，就在一台设备中，实现了三相共补和分相补偿混合的补偿电路。

如图4所示，电源通过断路器，A、B、C相电源线分别接到两组三相共六个磁保持继电器，磁保持继电器连接到电力电容器，最终接到B、C、A相线，形成A对B，B对C，C对A的回路，三组继电器在间隔100ms内投入，形成三相共同补偿的电路；

如图5所示的是无功补偿单元中的单个回路，智能控制单元通过过零检测电路检测电网电压的过零点，且根据该过零点驱动继电器线圈22动作，使继电器触点21在X轴与正弦波的交点处闭合，如图7、 8所示，我们称之为“在过零点投入”；未充电前，如图6所示，该交点位于正弦波中心位置，其斜率最大。

如图9和图10所示，电流采样信号和485通信线通过左侧通信数据端口接入，多机联网时，直接通过该通信数据端口并接；右侧六个端子为外接指示灯的六个指示灯外接输出口；底座17上安装有接地片18，并留有接地螺丝，用于连接接地线。

本实用新型的工作原理为：

智能控制单元15通过SPI通信方式，将三相电压电流采样单元的数据读取出来，并根据这些数据，按照预设的控制策略进行智能投切判断。

在判断需要投切时，又由智能控制单元据采集外部电网电压过零点，来控制继电器在电压过零点投入或在电流过零点切除；

本实用新型是在无功补偿单元单回电路中加入二极管和限流电阻组成的充电电路，如图5所示，利用二极管的单相导电性，对电容器充直流电；限流电阻的作用是防止二极管因为过流而烧坏；

增加了充电电路之后，使正弦波整体抬升或降低，该交点就接近正弦波波峰或波谷位置，其斜率非常小。

充电后，开关两端过零点的斜率大幅度变小，最终达到降低投入涌流控制的难度，真正实现无涌流投切；

由于是在电流过零点也就是电压峰值切除，所以，开关两端切除电容时的电压过零点与投入电容器的电压过零点接近，基本上不需要放电延时。

Claims (5)

1.一种圆柱式智能电容器，其特征在于：包括三相电压电流采样单元、A/D转换单元、智能控制单元、人机界面、无功补偿单元、指示灯外接输出口和通信数据端口，所述三相电压电流采样单元分别与所述智能控制单元、通信数据端口连接，所述A/D转换单元与所述智能控制单元连接，所述智能控制单元分别与人机界面和无功补偿单元连接，所述无功补偿单元与所述指示灯外接输出口连接，所述通信数据端口通过485通信线与智能控制单元连接；

无功补偿单元三相主回电路的电源线通过断路器接入，所述无功补偿单元主回电路包括六个单回电路，每个单回电路包括一个磁保持继电器、一个电力电容器、过零检测电路和充电电路，所述磁保持继电器的两个继电器触点分别与ABC三相电源线中的其中一个电源线和电力电容器的一端连接，所述过零检测电路和充电电路分别与磁保持继电器的两个继电器触点并联，所述充电电路包括充电二极管和限流电阻，所述充电二极管的正极与磁保持继电器的一个继电器触点连接，所述充电二极管的负极与限流电阻的一端连接，所述限流电阻的另一端与磁保持继电器的另一个继电器触点连接，所述电力电容器的一端与磁保持继电器的另一个继电器触点连接，所述电力电容器的另一端根据不同的补偿方式与三相四线中的其中一相电源线连接；

三相电压电流采样单元采集三相电压电流数据，在判断需要投切时，智能控制单元通过过零检测电路检测电网电压的过零点，来控制继电器在电压过零点投入或在电流过零点切除。

2.如权利要求1所述的圆柱式智能电容器，其特征在于：所述智能电容器还包括顶盖和底座，六个电力电容器等间隔并排布置，所述顶盖安装在六个电力电容器的上端，六个电力电容器的下端安装在底座上，所述底座上安装有接地片，每个电力电容器外还套装一个圆柱形外壳；

所述智能控制单元、无功补偿单元、三相电压电流采样单元、A/D转换单元、和断路器设置在六个电力电容器的上方且位于顶盖内，所述人机界面、指示灯外接输出口和通信数据端口设置在顶盖上。

3.如权利要求1或2所述的圆柱式智能电容器，其特征在于：所述人机界面包括液晶显示屏、按键和用于指示电容器各回路的投切状态和电源状态的LED指示灯，所述LED指示灯与所述指示灯外接输出口连接。

4.如权利要求1或2所述的圆柱式智能电容器，其特征在于：所述智能控制单元采用微控制器STM32F103VBT6芯片。

5.如权利要求1或2所述的圆柱式智能电容器，其特征在于：所述无功补偿单元主回电路可做三种补偿方式，分别为分相补偿、三相共同补偿以及分相补偿和三相共同补偿混合在一起的混合补偿；

分相补偿的电路为电源通过断路器，A、B、C相电源线分别接到两组三相共六个磁保持继电器，每个磁保持继电器再连接到电力电容器，最终接到N相线；

三相共同补偿的电路为电源通过断路器，A、B、C相电源线分别接到两组三相共六个磁保持继电器，六个磁保持继电器分别连接到电力电容器，最终接到B、C、A相线，形成A相对B相，B 相对C相，C相对A相的回路，六个磁保持继电器在间隔100ms内投入，形成三相共同补偿的电路；

混合补偿的电路为电源通过断路器，A、B、C相电源线分别接到两组三相共六个磁保持继电器，一组磁保持继电器分别连接到电力电容器，最终接到N相线，形成分相补偿的电路；另一组磁保持继电器分别连接到电力电容器，最终接到B、C、A相线，形成A相对B相，B相对C相，C相对A相的回路，三个磁保持继电器在间隔100ms内投入，形成三相共同补偿的电路；这样，在一台设备中，实现了三相共补和分相补偿混合的补偿电路。