CN2202370Y - 自动控制无功补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的是适于对大中企业的耗电用 户进行无功补偿的自动装置。该装置是以连接于变 电点或配电点的发电机为无功补偿源，以检测电力系 统无功需求的相敏检测器为采样电路及检测信号处 理电路，去控制发电机的励磁绕组的电流大小，实现 对电力电网的无功跟踪补偿。本装置结构组成简单， 体积小，成本低，而且实现了无功的无级平滑补偿。

Description

本实用新型涉及的是为解决电力系统功率因数低、传输功电耗大技术问题而设计的一种无功补偿装置。

在供电系统中，有许多根据电磁感应原理工作的电气设备，如变压器、电动机、感应炉等，这些电气设备在运行中不仅消耗有功功率，而且还需要一定量的无功功率，如果不采取有效的措施，这些无功功率将由电力电网提供。无功的传输造成了大量的电损耗和电压损失，还限制了电气设备的送电能力，使电系统功率因数降低。为了减少大量无功功率在输电线中的流动，除要减少无功功率的消耗外，还要在电力系统中采用安装同步调相机、移相电容器等无功功率补偿装置，在用户负荷处进行就地补偿。在实际应用中，移相电容器的采用最为广泛，该技术虽具有安装简单、运行维护方便的特点，但与之配套使用的开关柜体积庞大、投资较高，在控制移相电容器的投入和切出时，继电器是受高压电弧破坏最严重的器件，需要经常维修。虽对该方法进行各种技术改造和改进，但都难以根据电力系统中的无功需求实现无级平滑调节。因此，广大技术人员寻找能够解决无功补偿的有效方案。

电能消耗大的大中型工厂企业常常自备发电厂，利用生产过程中产生的剩余能量来发电，并连接于电力系统中。这些发电厂中的发电机总是处于低于额定负荷的工作状态，甚至要根据实际电能需要使其中几部发电机歇机，这就为利用现有设备实现无功功率补偿创造了条件。

本实用新型的发明目的在于提供一种可在用户负荷处就地无功补偿的补偿装置，尤其提供一种控制部分简单、投资低的无功补偿装置。

本发明的另一发明目的在于提供一种可以根据电力系统的需要可实现无级平滑调整的自动控制的无功补偿装置。

本实用新型再一发明目的在于提供一种可以利用企业现有设备完成有效无功补偿提高功率因数的无功补偿装置。

在电力系统中，发电机是将其它形式的能源转为电能的设备，向电力系统发出有功功率和无功功率，那么如何利用其无功功率来进行补偿，又保证其稳定的有功功率地出力呢？我们从发电机的工作原理可知，当其励磁电流增加时，产生的感应电动势E与电网电压U反相，在发电机回路中的感应电流△I＝△E／X_d，滞后于△E90°相位角，也就是把过剩的激磁送回到系统中去，这一电流对发电机本身而言是感性的，而对电网而言则是发进相无功功率，如图1（a）所示；同样，减少励磁电流，产生的感应电动势E与电网电压U的模差为△E，与U的相位相同，其感应电流超前电动势90°，即这一电流对发电机输出是容性的，起助磁作用，对电网发网发出的是迟相无功功率，如图1（b）所示。由上所述，只要改变发电机的励磁电流的大小，就可以改变发电机对电网无功功率的分配，而对有功功率没有影响。因此，可以利用发电机的这种工作特性，达到改善功率因数的目的。

本实用新型就是根据这一设计思路，发明、提供了一种自动控制无功补偿装置，该装置的主要特征是以调控电路从电力高压输电线上获取采样信号，并进行处理后对作为无功功率补偿源的发电机的励磁回路进行调控，对用户负荷实行就地补偿，即以连接于变电点或配电点的发电机作为无功补偿的中心设备，兼以检测电力系统无功需求量的相敏检测器作为采样电路，以检测信号处理电路及发电机励磁电流控制部分控制该发电机的励磁回路中的励磁电流大小，跟踪电力网负载的无功需求进行补偿，其中检测信号处理电路是由双限比较器、脉冲发生器、循环计数器及执行电路构成，由执行电路去顺序改变励磁电流的大小，跟随补偿电网的无功功率，改善功率因数。

本实用新型提供的自动控制无功补偿装置，其调控电路相对移相电容器的开关柜要简单的多，而且体积明显缩小，因此，所需投资大大降低；尤其是该装置的另外的二大优点是：工厂可以利用现有的未满负荷的发电机进行无功补偿，充分挖掘了企业的已有设备潜能，进一步降低了投资；又以检测信号处理电路对发电机的励磁电流予以无级调整，实现对电力网无功功率的无级平滑跟踪补偿，即达到了低投资完成大功效的目的，工作稳定、维修率低，有效地提高了功率因数，减少无功输送的电力损耗，节省了企业的电费超额支出和惩罚性支出。

图1为发电机励磁电流变化的相位图

图2为工厂配电系统的配电简图

图3为本装置结构的组成框图

图4为本装置中相敏检测器1的一典型实施例电路图

图5为相敏检测器工作原理的向量图

图6为本装置中检测信号处理电路的实施电路图

图7为本装置中发电机励磁回路的电路图

图8为手动调节励磁电流的发电机励磁回路电路图

下面将以上述附图中的具体实施形式详细说明本装置：

如图2所示，作为无功功率补偿源的发电机F安装于配电盘或插接母线H点处，调控电路从电力高压输电线处获得采样信号，判断感性负载还是容性负载，去控制发电机励磁线圈的励磁电流，按实际需要补偿无功功率的需求。

本自动控制无功补偿装置的调控电路，如图3框图所示，包括获取电力系统检测信号的相敏检测器1、检测信号处理电路2、发电机F的励磁电流调控电路以及电源电路3组成，其中检测信号处理电路2是由双限比较电路21、脉冲发生器22、循环计数器23和执行电路24组成，由执行电路24控制发电机F的励磁回路的励磁电流的大小。

图4给出的是相敏检测器1的一典型电路图。该检测器1一输入端是以电流互感器B1感应一相的相电流如I_A，作为选通信号，另一输入端是以电压互感器B2感应另两相间的相电压信号，如U_BC，作为被测信号。在本电路中，三极管BG1既作为由相电流协调的选通开关管，又作为相电压正、负半波电流流通的共同通道。当相电压U_BC为正时，经电阻R1、二极管D1、电阻R3、三极管BG1、稳压管D_W1所构成的通道①中，在时间t1内产生电流i₁；当相电压U_BC为负时，经电阻R2、二极管D2、电阻R4、三极管BG1、稳压管D_W2所构成的通道②中，在时间t2内产生电流i2。见图5，若电网终端接有纯电阻负载时，t1＝t2，输出端a、b电压相同，电压输出为0；如图5（b）波形所示，若为感性负载时，相电流I_A滞后相电位U_BC一个角度，t1>t2，i1>i2，a端相对b端输出高直流电位；若为容性负载，相电I_A超前于相电位U_BC一个角度，t1<t2，i1<i2，b端相对a端输出高直流电位。通过输出端ab电压的不同输出，确定用户负载的无功需求量。

相敏检测器1输出端ab接入检测信号处理电路2，对检测信号进行处理。检测信号处理电路2包括双限比较器21、脉冲发生器22、循环计数嚣23和执行电路24构成的，如图6所示，其中的双限比较器是由两运算放大器T01、T02及其外围元件构成的，相敏检测器1输出的检测信号经滤波、稳压后分别输入滞后限比较器T01的正相输入端和超前限比较器T02的反相输入端，其各自的反相和正相输入端分别连接有由电位器W2、W3、W4和滤波电容C01及电位器W5、W6、W7和滤波电容C02组成的确定感性或容性整定值的基准电压电路25。图6中运算放大器T1及其外围元件构成了脉冲发生器22的一实施例的电路，用于产生间隔为8～120秒的脉冲信号，通过调节电位器W11来完成所需的脉冲间隔的调整。脉冲发生器22的输出端P、q与双限比较器的输出端m、n之间分别经由二极管D10、D11和二极管D12、D13组成的选通电路连接起来，分别经延时电路与循环计数器23的触发端相连。

循环计数器23是由CMOSRD触发器的移位寄存器及异或门T₅～T₇构成，其每一输出端各连接有由一驱动器和该驱动器的继电器负载J_n（本实施例中，n为1－10）组成了执行电路24。

上述的检测信号处理电路工作电压均是由以相电压为源经变压、整流、滤波、稳压构成的稳压电源电路3提供。

图7所示的是发电机F的一种励磁电流控制电路的组成，它包括电源电路41、放大电路42、单结晶体管UST1、电容C1、电阻R10和电阻R13组成的驰张电路43、单结晶体管UST2、电容C2、电阻R20和晶闸管SCR2构成的关断电路44组成，驰张电路43中电阻R13为分段电阻或多抽头可变电阻，R13接于单结晶体管UST1的发射极上，每一分节点处设有一继电器触点开关K1－K10，由执行电路24控制改变R13的阻值，用于调整连接于发电机励磁回路上的晶闸管SCR1的占空比，控制励磁电流的大小。

该装置的动态过程是：当相敏检测器1输出高电平时，即检测到电网中的感性负载，比较器TO输出端m翻转为高电位，选通脉冲发生器22，产生一个脉冲触发循环计数器23，使执行电路24在原有基础上再使一继电器的触点K_n吸合，使电阻R13阻值减小，改变驰张电路43中延时电路的延时时间，与关断电路44配合改变晶闸管SCR1的占空比，使发电机的励磁电流增加，此时发电机F向电力系统中发进相无功功率，此后，若相敏检测器1检测的结果仍高于整定值时，脉冲发生器22再一次产生一个脉冲到循环计数器23，由执行电路24的下一个继电器触点K_n＋1吸合，使电阻R13进一步减小，直至电力系统中的无功接近整定值为止；当相敏检测器1输出低电平时，即检测到电网中容性无功高于整定值时，比较器TO输出端m为低电平，比较器T1输出端n翻转输出高电平，选通脉冲发生器22，触发循环计数器23使执行电路24中继电器在原基础上释放一触点Kn－1，使电阻R13阻值增加，改变延时电路的延时时间，与关断电路44配合，改变晶闸管SCR1的占空比，使发电机的励磁电流减少，向电力系统发迟相无功功率，依上述工作顺序直至其接近整定值。

在不断调整无功补偿过程中，为避免发电机的励磁线圈过电流过电压，在检测信号处理电路2中还设有励磁过电流及过电压保护电路26、27，该电路的一输入端引进励磁机线圈L1的励磁信号经分压电阻接入比较器T2的正相输入端，另一输入端引进发电机励磁线圈L2的输出电压信号，也接入比较器TO的正相输入端，两路各接有一二极管D20、D18构成或门电路，若出现过电流或过电压信号，比较器TO输出高电平，触发驱动电路中的驱动管BGo和继电器Jo，使并接于相敏检测器1的输出端ab触点开关Ko吸合，切断相敏检测器1和双限比较器21的联系，不再使励磁电流增加，当励磁电流小于额定值时继电器触点Ko释放。

在本实施例中，发电机F的被控励磁回路还可以继续简化，其电路如图8所示，分段电阻R13可以为多抽头可变电阻或由多段电阻R1～Rn串接组成，经选择开关K_L连接于发电机F的励磁回路中，由执行电路24控制的继电器触点K1～Kn顺序连接于相邻段电阻的节点上，当K_L与触片6相连时，本装置处于自动无功补偿状态；可变电阻RC与分段电阻R1～Rn＋1并联，当K_L与触片5相连时，为手动控制状态。

Claims (6)

1、一种自动控制无功补偿装置，其特征在于该装置是以连接于变电点或配电点(H)的发电机作为对系统的无功补偿源，以调控电路从电力高压输电线上获取采样信号、并进行处理，去控制发电机的励磁电流的大小；调控电路是由相敏检电路(1)和检测信号处理电路(2)和发电机励磁电流控制部分构成，其中检测信号处理电路(2)包括双限比较器(21)、脉冲发生器(22)、循环计数器(23)及执行电路(24)，通过执行电路(24)去调控发电机的励磁电流控制部分，改变励磁电流的大小，实现无功跟踪补偿。

2、根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征在于发电机的励磁电流控制部分是由电源电路（41）放大电路（42）、驰张电路（43）和关断电路（44）组成，其中驰张电路（43）是由连接于单结晶体管（UST₁）发射极的延时电路（R₁₃、C₁）和连接于励磁回路的晶闸管（SCR₁）组成，延时分段电阻（R₁₃）的分节点上各连接有由执行电路（24）控制的继电器触点开关（Kn），通过改变晶闸管（SCR₁）的占空比，自动控制无功补偿。

3、根据权利要求2所述的无功补偿装置，其特征在于在发电机励磁线圈（L2）与励磁机线圈（L1）之间接有可变电阻（R_C），选择开关（K_L）与触片（5）相通时，为手动控制状态。

4、根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征在于发电机（F）的励磁电流控制部分是由可变电阻（Rc）和分段或多抽头电阻（R₁₃）并接，联于发电机励磁回路中，其中一并接点接有选择开关（K_L），用于实现手动或自动控制。

5、根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征在于脉冲发生器（22）产生间隔为8～120秒的脉冲信号。

6、根据权利要求1或5所述的无功补偿装置，其特征在于检测信号处理电路（2）设有一励磁线圈过电流、过电压保护电路（26、27）其输入信号分别取自励磁线圈（L₁、L₂）的电压信号由比较器（To）比较触发由驱动三极管（BGo）和继电器（Jo）组成的驱动电路，由触点（Ko）切断相敏检测器（1）与双限比较器（21）的联系。

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