CN214798885U - 一种负载无功功率补偿系统 - Google Patents

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杨学思
张晖
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Abstract

本实用新型公开了一种负载无功功率补偿系统，包括多组补偿电容电路单元和用于控制切换各组补偿电容电路单元接入到负载供电系统中的控制单元；每组补偿电容电路单元包括一个电容投切接触器和一个补偿电容，该电容投切接触器和补偿电容串联后并联到负载；每组补偿电容电路单元中的电容投切接触器的线圈分别与一个继电器串联形成回路，所有的继电器与控制单元连接，控制单元通过驱动继电器完成对各电容投切接触器的驱动与断开，从而将合适的补偿电容电路单元接入负载供电系统中，完成对负载供电系统进行无功功率补偿调整。

Description

一种负载无功功率补偿系统
技术领域
本实用新型属于电力系统供电技术领域，具体涉及一种负载无功功率补偿系统。
背景技术
供电系统驱动电机负载运行，电机属于感性负载，在不进行无功功率补偿的情况下，负载功率因数(λ)很小，供电系统输出的效率低，为了增加功率因数，提高系统的运行效率，需要按照负载功率的大小配置一定容量的电容，通过电容为负载提供无功功率，使供电系统的输出更加高效、稳定。通常以功率因数λ表征发电设备的效率(λ接近1效率越高)，利用补偿电容的方法可以有效地提高负载功率因数，降低线路上的损耗，改善供电质量。
当电机的数量有变化时，电容容量必须随之改变，否则会出现欠补偿或过补偿的情况发生，其中过补偿现象会直接导致电路中电压瞬间升高，造成回路元器件超负荷运行，严重情况可导致器件击穿，线路损毁，从而影响供电系统的稳定运行。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种负载无功功率补偿系统。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种负载无功功率补偿系统，包括多组补偿电容电路单元和用于控制切换各组补偿电容电路单元接入到负载供电系统中的控制单元；
每组补偿电容电路单元包括一个电容投切接触器和一个补偿电容，该电容投切接触器和补偿电容串联后并联到负载；
每组补偿电容电路单元中的电容投切接触器的线圈分别与一个继电器串联形成回路，所有的继电器与控制单元连接，控制单元通过驱动继电器完成对各电容投切接触器的驱动与断开，从而将合适的补偿电容电路单元接入负载供电系统中。
在上述技术方案中，包括6组补偿电容电路单元。
在上述技术方案中，各组补偿电容电路单元中的补偿电容的容量不同。
在上述技术方案中，控制单元采用PLC。
在上述技术方案中，PLC型号为S7-1200PLC。
在上述技术方案中，控制单元还连接有人机交互，通过人机交互单元设定负载的数量，通过控制单元选择不同的补偿电容电路单元接入到负载供电系统来适应负载电机的数量变化，完成对负载供电系统进行无功功率补偿调整，将功率因数(λ)维持在0.6至0.8之间，从而提高负载供电系统输出效率及稳定性。
在上述技术方案中，人机交互单元采用触摸屏。
在上述技术方案中，触摸屏型号为昆仑通泰Tpc7062Ti。
在上述技术方案中，所述控制单元采用S7-1200PLC，其作为从站端PLC，由从站端PLC连接用于驱动电容投切接触器的继电器，并通过PROFINET通信的方式连接所述人机交互单元，该从站端PLC与控制柜中的主站端PLC连接，主站端PLC采用S7-1500PLC。
本实用新型的优点和有益效果为：
本实用新型可应用于针对一定数量范围内电机负载的供电系统当中，为现场操作提供便捷、可触控的操作方式，并实现无功补偿容量自动匹配及投切功能，将功率因数(λ)维持在0.6至0.8之间，从而提高供电系统输出效率及稳定性。
附图说明
图1为无功功率补偿系统结构示意图；
图2为无功功率补偿系统控制原理示意图；
图3为无功功率补偿系统通讯示意图；
图4.1为补偿电容接入负载供电系统的电路原理图；
图4.2为补偿电容接入负载供电系统的电路向量图；
图5为PLC控制程序流程图；
图6为无功功率补偿系统主界面；
图7为1#工作变频器电容补偿界面；
图8为1#工作变频器禁止电容补偿界面；
图9额定频率输入电机数量界面；
图10报警记录界面；
图11操作记录界面。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。
如图1-3所示，一种负载无功功率补偿系统，包括6组补偿电容电路单元、用于控制切换这6组补偿电容电路单元的控制单元和人机交互单元，通过人机交互单元设定负载电机的数量，通过控制单元选择不同的补偿电容电路单元接入到负载供电系统来适应负载电机的数量变化，完成对负载供电系统进行无功功率补偿调整，将功率因数(λ)维持在0.6至0.8之间，从而提高负载供电系统输出效率及稳定性。
每组补偿电容电路单元包括一个电容投切接触器和一个补偿电容，该电容投切接触器和补偿电容串联后并联到负载；每组补偿电容电路单元中的电容投切接触器的线圈分别与一个继电器串联形成回路，所有的继电器与控制单元连接，控制单元通过驱动继电器完成对各电容投切接触器的驱动与断开，从而将合适的补偿电容电路单元接入负载供电系统中。
控制单元采用PLC(可编程逻辑控制器)作为控制核心，PLC连接所述人机交互单元，人机交互单元采用触摸屏(型号为昆仑通泰Tpc7062Ti)；通过触摸屏进行启动电机数量的输入操作，与PLC进行通讯；通过PLC的输入信号模块(DI)采集各组补偿电容电路单元中电容投切接触器状态信号，PLC根据触摸屏输入的电机数量进行程序判断，通过PLC的输出信号模块(DQ)发送驱动信号，通过继电器完成对各电容投切接触器的驱动与断开，从而将合适的补偿电容投入回路。每当电容投切接触器完成动作后，都会上传操作记录至触摸屏进行记录。
进一步的说，参见附图3，所述PLC采用S7-1200PLC，其作为从站端PLC，由从站端PLC连接用于驱动电容投切接触器的继电器，并通过PROFINET通信的方式连接所述触摸屏。该从站端PLC与控制柜中的主站端PLC连接，主站端PLC采用S7-1500PLC。
图4.1-4.2为补偿电容接入负载供电系统的电路原理图和电路向量图，以系统输出电压为参考相量，并联补偿电容前，变频器输出的电流
Figure BDA0003081511580000041
等于负载电流
Figure BDA0003081511580000042
并入补偿电容后，负载电流
Figure BDA0003081511580000043
减少的同时产生电容电流
Figure BDA0003081511580000044
此时
Figure BDA0003081511580000045
与
Figure BDA0003081511580000046
之和等于变频器输出电流
Figure BDA0003081511580000047
Figure BDA0003081511580000048
与电源电压
Figure BDA0003081511580000049
之间的相位差为
Figure BDA00030815115800000410
从图4中可见
Figure BDA00030815115800000411
φ1是
Figure BDA00030815115800000412
与电源电压
Figure BDA00030815115800000413
之间的相位差，由此可知功率因数由
Figure BDA00030815115800000414
提高到
Figure BDA00030815115800000415
根据电路相量图所示可知：
Figure BDA00030815115800000416
Figure BDA00030815115800000417
且
IC＝UωC
因此补偿电容容量：
Figure BDA00030815115800000418
单台电机有功功率P＝30W；
负载自然功率因数(补偿前)
Figure BDA00030815115800000419
补偿后功率因数预计达到
Figure BDA00030815115800000420
即
Figure BDA00030815115800000421
或
Figure BDA00030815115800000422
Figure BDA00030815115800000423
Figure BDA00030815115800000424
Figure BDA00030815115800000425
Figure BDA00030815115800000426
电压U＝380V；
额定运行状态下ω＝2πf＝2π×2000＝4000π；
因此
Figure BDA0003081511580000051
Figure BDA0003081511580000052
按照公式
Figure BDA0003081511580000053
计算补偿电容容量，在额定频率2000Hz状态下，经计算单台电机负载补偿电容理论容量0.014μF≤C≤0.025μF。
按照以上述计算推导及电机负载测试，额定频率运行时50台电机补偿电容容量为1μF/相(星形连接方式)满足
Figure BDA0003081511580000055
即单台电机补偿电容容量为0.02μF/相。
如表1所示，针对不同数量范围的电机设备，由PLC进行自动电容补偿，根据要求，需满足100台、200台、300台、400台、500台五种工况，电机数量均为50的倍数，因此以50台电机作为基数，依次增加。额定2000Hz频率状态下，根据所需的电容容量进行补偿方式分配，单台电机需要0.02μF，共分为11段范围，若补偿过多电容则会造成过补偿现象的发生，直接导致电路电压升高，超出元器件额定耐压范围，造成器件击穿线路损毁，间接导致试验失败，为避免过补偿现象的发生，以每个范围的最小电机数量进行补偿电容计算，得出理论补偿电容容量值，根据现有各容量电容，进行部分电容值微调得到各范围的补偿电容容量。
表1
Figure BDA0003081511580000054
如表2所示为负载无功功率补偿系统内匹配电容容量及数量，进行相应排列组合完成对不同数量电机的无功功率补偿。
表2
Figure BDA0003081511580000061
图5为负载无功功率补偿系统PLC(从站端PLC)控制程序流程图，其程序流程如下：
(I)初始化
主程序入口，开始初始化，S1。
(II)接收主站端PLC发送的变频器的频率状态
程序经过初始化后首先等待接收变频器的频率数值，以此判断是否允许后续操作投入补偿电容，S2。
(III)频率状态判断
程序对接收到的频率数值进行判断是否为额定频率2000Hz，若为额定频率则执行下一步操作，若不是则返回继续等待，S3。
(IV)进入补偿程序
在额定频率2000Hz状态下，PLC进入补偿程序循环，S4。
(V)接收触摸屏电机数量
接收触摸屏人工输入的启动电机数量，S5。
(VI)数量范围判断
PLC程序接收到触摸屏发出的电机数量后，11段范围依次进行判断，根据电机数量符合的范围段程序进行下一步操作，S6。
(VII)触摸屏确认键操作
启动电机数量范围段程序判断完成后，等待触摸屏人工操作确认键指令，接收后PLC发送投入电容指令，S7。
(VIII)投入补偿电容
PLC发送驱动信号，通过相应继电器驱动相应电容投切接触器，完成补偿电容投入，S8。
(IX)触摸屏显示电容容量
补偿电容投入完成后，PLC反馈电容容量至触摸屏显示，S9。
(X)结束
程序结束，S10。
如图6所示为负载无功功率补偿系统主界面，可选择当前试验要启动的变频器，进入相应变频器补偿电容操作界面。
如图7所示为1#工作变频器电容补偿界面，若PLC判断频率为2000Hz状态下，“额定频率补偿启动”按键可操作，点击可进入下一界面。
如图8所示为1#工作变频器禁止电容补偿界面，若PLC判断频率未达到2000Hz，“额定频率补偿启动”按键呈灰色状态，不可操作。
如图9为额定频率输入电机数量界面，在此界面可人工输入电机数量，点击“确认”键可投入补偿电容，投入补偿电容完成后，“确认”键呈灰色状态不可操作，防止人为误操作，当试验结束，点击“停止”键，补偿电容切出。当投入补偿电容后，界面可显示电机数量和投入补偿电容的容量。
如图10为报警记录界面，当系统出现故障可在该界面查询故障记录。
如图11为操作记录界面，负载无功功率补偿系统操作记录可在该界面进行查询。
为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种负载无功功率补偿系统，其特征在于：包括多组补偿电容电路单元和用于控制切换各组补偿电容电路单元接入到负载供电系统中的控制单元；
每组补偿电容电路单元包括一个电容投切接触器和一个补偿电容，该电容投切接触器和补偿电容串联后并联到负载；
每组补偿电容电路单元中的电容投切接触器的线圈分别与一个继电器串联形成回路，所有的继电器与控制单元连接，控制单元通过驱动继电器完成对各电容投切接触器的驱动与断开，从而将合适的补偿电容电路单元接入负载供电系统中。
2.根据权利要求1所述的负载无功功率补偿系统，其特征在于：包括6组补偿电容电路单元。
3.根据权利要求1所述的负载无功功率补偿系统，其特征在于：各组补偿电容电路单元中的补偿电容的容量不同。
4.根据权利要求1所述的负载无功功率补偿系统，其特征在于：控制单元采用PLC。
5.根据权利要求2所述的负载无功功率补偿系统，其特征在于：PLC型号为S7-1200PLC。
6.根据权利要求1所述的负载无功功率补偿系统，其特征在于：控制单元还连接有人机交互，通过人机交互单元设定负载的数量。
7.根据权利要求6所述的负载无功功率补偿系统，其特征在于：人机交互单元采用触摸屏。
8.根据权利要求7所述的负载无功功率补偿系统，其特征在于：触摸屏型号为昆仑通泰Tpc7062Ti。
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