CN2456353Y - 可控硅电容器快速补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可控硅电容器快速补偿装置,其特征在于:有一个外壳,外壳中有一个接受一相电流及电压信号的函数运算电路,函数运算电路与控制逻辑产生电路相接,控制逻辑产生电路有多路输出,各路输出分别接一识别逻辑电子门,各识别逻辑电子门分别与一个触发脉冲产生电路相连接,各触发脉冲产生电路再接一组可控硅模块,另有一三相同步电压电路与过零电压产生电路相连接,过零电压产生电路再与前述各识别逻辑电子门相连接。优点:实现了无触点运行,不对电网和电力电容器产生强大的冲击,运行噪声小,寿命长,动作可靠,安装调试方便,改善了电网的运行环境,提高了供用电质量。

Description

可控硅电容器快速补偿装置

本实用新型涉及供配电技术，是一种交流供电系统的无功功率补偿装置，具体地说，是一种采用可控硅的电容器快速补偿装置。

无功补偿装置具有改善电压质量、降低电能损耗等特点，已被广大用户广泛采用。但长期以来物功补偿装置均采用交流接触器投切电容，由于电力电容器的本身特点，决定了它在接通瞬间相当于短路，造成了对电网和电容器的强大冲击。因而使交流接触器触点因过载而烧损严重，同时对电容的频繁冲击而损坏电容器。可控硅作为一种无触点开关早就被广泛应用，但用可控硅代替交流接触器投切电容存在诸多技术问题。

本实用新型的目的是提供一种能实现无噪声、无触点运行和无冲击投入、安全可靠性高、性能稳定的可控硅电容器快速补偿装置。

本实用新型的技术解决方案是：一种可控硅电容器快速补偿装置，其特征在于：有一个外壳，外壳中有一个接受一相电流及电压信号的函数运算电路，函数运算电路与控制逻辑产生电路相接，控制逻辑产生电路有多路输出，各路输出分别接一识别逻辑电子门，各识别逻辑电子门分别与一个触发脉冲产生电路相连接，各触发脉冲产生电路再接一组可控硅模块，另有一三相同步电压电路与过零电压产生电路相连接，过零电压产生电路再与前述各识别逻辑电子门相连接。

本实用新型中所述的函数运算电路中包括一个一相线电流互感器，电流互感器经降压及稳压电路分别接二个比较器的同相输入端，另有比较电压接上述比较器的反相输入端，二个比较器的输出分别接一门电路。

本实用新型中所述的控制逻辑产生电路中有二个分别与前述门电路相接的单稳态触发器，单稳态触发器经电子开关电路接与非门电路，另有一个脉冲产生电路与上述与非门电路相连接，与非门电路接循环逻辑电路，循环逻辑电路经多个放大器输出多路控制电信号。

本实用新型中所述的过零电压产生电路中有二个分别与三相同步电压电路中的同步变压器相连接的比较器，一个比较器经反相器接一RS微分电路送出正过零脉冲A，另一比较器接一单稳态触发器并再经另一反相器后接另一微分电路送出换流脉冲A′。

本实用新型中所述的触发脉冲产生电路中有分别输入前述过零脉冲A、A′的二个与非门，与非门共同接一单稳态触发器，单稳态触发器输出放大脉冲，同时反馈给一RS触发器，RS触发器的Q、Q端分别接上述与非门的输入端。

本实用新型的优点是：由于采用可控硅模块作为交流开关，实现了无触点运行，不对电网和电力电容器产生强大的冲击，运行噪声小，寿命长。由于采用了特殊的触发电路，使可控硅在投入运行的瞬间无任何冲击电流，避免了对交流供电系统和电力电容器的冲击，实现了无冲击投入，直接延长了电力电容器的寿命。同时延长了电力电力变压器、开关等电网主接线的寿命。改善了电网的运行环境。提高了供用电质量。动作可靠，安装调试均十分方便。具有故障率低运行可靠的特点。其电容器的无功补偿量是目前电容器和可控硅星形接法无功补偿量的三倍。

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明：

图1为本实用新型的一种可控硅电容器快速补偿装置的原理框图；

图2为本实用新型的可控硅电容器快速补偿装置的电原理图中的无功检测控制板电路之一；

图3为本实用新型的可控硅电容器快速补偿装置的电原理图中的无功检测控制板电路之二；

图4为本实用新型的可控硅电容器快速补偿装置的电原理图中的电源、过零脉冲取样板电路；

图5为本实用新型的可控硅电容器快速补偿装置的电原理图中的触发脉冲输出板电路；

图6为i_LlR与i_LlQ相量关系图；

图7为各参数瞬时值的波形图；

图8(a)、(b)、(c)、(d)为无功检测控制板电路波形图；

图9为可控硅三相电力电容器开关的等效电路：

图10为图9电路的波形图。

图1描述了本实用新型的一个实施例。有一个外壳1，外壳1中有一个接受一相电流及电压信号的函数运算电路2，函数运算电路2与控制逻辑产生电路3相接，控制逻辑产生电路3有多路输出，各路输出分别接一识别逻辑电子门4，各识别逻辑电子门4分别与一个触发脉冲产生电路5相连接，各触发脉冲产生电路5再接一组可控硅模块，另有一三相同步电压电路6与过零电压产生电路7相连接，过零电压产生电路7再与前述各识别逻辑电子门4相连接。图2、图3、图4、图5描述了本实用新型的一个具体电路。电路分布在三缺电路板上，包括集成电路IC1(324)、IC2(324)、IC3、IC4、IC5、IC6、IC7、IC8、IC9、IC10(4043)、IC11(4043)、IC12、IC13、IC101(324)、IC102(324)、IC103、IC104、IC105、IC6(7812)、IC201(4023)、IC202(4013)、IC203、IC204、IC205、IC206、IC207、晶体管BG1、BG2、BG3、BG101、BG102、BG103、BG104、BG105、BG106、BG107、BG108、BG109、BG110、BG111、BG112、BG113、BG114、BG115、BGI16、BGI117、BG118、BG119、BG201、BG202、BG203、BG204、BG205、BG206、BG207、BG208、BG209、BG210、二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D101、D102、D103、D104、D105、D106、D107、D108、D109、D110、D111、D201、D202、D203、D204、D205、D206、D207、D208、D209、D210、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28、R29、R30、R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40、R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47、R101、R102、R103、R104、R105、R106、R107、R108、R109、R110、R111、R112、R113、R114、R115、R116、R117、R118、R119、R120、R121、R122、R123、R124、R125、R126、R127、R128、R129、R130、R131、R132、 R133、R134、R135、R136、R137、R138、R139、R140、R141、R142、R143、R144、R145、R146、R147、R148、R149、R150、R201、R202、R203、R204、R205、R206、R207、R208、R209、R210、R211、R212、R213、R214、R215、R216、R217、R218、R219、R220、R221、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C16、C17、C18、C19、C20、C21、C22、C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C101、C102、C103、C104、C105、C106、C107、C108、C109、C110、C111、C112、C113、C114、C115、C116、C117、C118、C119、C120、C121、C122、C123、C124、C125、C201、C202、C203、C204、C205、C206、C207、C208、C209、C210、C211、C212、C213、C214等。

无功检测控制板上电路简介：

无功补偿装置性能优良的前提是控制目标参数--无功分量的检测既正确又简单。当负载所需的无功电流增量达到或超过一组电容器的电流值时，控制器做投入动作，以增加投入电容器的组数；当负载变化出现cosφ等于1(或微量超前)时，控制器做切除动作，以减少投入电容器的组数。这样使受控对象始终运行于欠补状态，欠补值为一组电容器的容量和零之间。

本装置采用三角函数图形本身具有的运算功能，不用微机手段，而只用一个比较器和与外门配合即达到此目的。

1、波形分解及函数关系：

设Ll相电流I_Ll滞后于Ll相电压U_Ll一个相位角φ，其相量关系见图6。电流I_Ll可分解为有功分量I_LlR和无功分量I_Llφ,I_Llφ的函数表达式为： $I_{\mathrm{Ll\φ}}=I_{\mathrm{Ll}}\sin \mathrm{\φ}=1/\sqrt{2}\left({2I}_{\mathrm{Ll}}\right)\sin \mathrm{\φ}=1/\sqrt{2}{I}_{\mathrm{Llm}}\sin \mathrm{\φ}------\left(1\right)$

各参数瞬时值的波形见图7。令t=0时，相电压U_Ll的瞬时值u_Ll过零点，那么相电流I_Ll的瞬时值i_Ll比u_Ll滞后tφ秒。tφ=φ/2πT(2)φ=2πtφ/T(3)i_Ll波形可分解为与u_Ll同相的i_LlR和比u_Ll滞后π/2的i_Llφ两个波形分量。T/4时刻，这时i_Ll为最大值，i_Llφ过零点，而T/2时刻状态恰好相反；i_LlR过零点，i_Llφ为最大值并与i_Ll曲线相交于a点。此时i_Ll的瞬时值记为i_Lla，

i_Lla=I_Llmsin(π-tφ2π/T)        (4)

将(3)代入式(4)得：

i_Lla=I_Llmsin(π-φ)=I_Llmsinφ    (5)

比较式(1)式(5)可得： $I_{\mathrm{Llm}}=1/\sqrt{2}{i}_{\mathrm{Lla}}------\left(6\right)$

因此得出结论：Ll相电流有效值I_Ll中的无功分量有效值I_LlQ，等于Ll相电压瞬时值u_Ll由正趋负过零点时Ll相电流的瞬时值(i_Lla)除于

据此我们只要在L1相电压由E趋负过零点(u_Ll=0)时对Ll相电流的瞬时值i_Ll进行测量，即可方便地将I_LlQ分离出来，而无须依赖于微机进行函数运算。从而可大幅度简化电路，又提高装置的可靠性。

2、工作原理分析如下：

i_Ll由Ll相电流互感器提供，它比u_Ll滞后tφ秒，见图8(a)，其中在T/2处的尖脉冲是判别脉冲。i_Ll在电阻R上产生的压降u_LlR，其波形与电流成正比例，相位角不变。该电压由稳压管削去负半波后，加在比较器的同相输入端。同时比较电压U_K加在比较器的反相输入端，当i_Ll(或i_LlR)瞬时值大于I_K(U_K)时，比较器输出U₀′为1，反之为0。

见图8(b)及(c)。输出U₀′的波形为方波，方波的上升沿和下降沿分别在U_K与i_LlR曲线相交点的时刻t1和t2，而且在时间轴的位置将随着电流i_Ll的滞后角(tφ2π/T)而变化。

结论：电压u_Ll由正趋负过零时，若电流1_Ll(或I_LlR)的瞬时值等于或大于一组电容器的电流I_K(或I_KR)，也就是说I_Ll中的无功分量等于可大于一组电容器的电流值(有效值)，则比较器输出1，门电路判别器输出投入指令的负脉冲；反之则门电路无脉冲输出。

3、无功检测控制板。

该板电路原理见图2、图3所示：当负载电流的功率因素等于或微量超前时，装置输出切换指令。这时只要将过零脉冲设置在L1相电压由负趋正过零点的瞬间，其原理同前，不再赘述。

由以上原理可知，由于采用函数图形法分离无功分量，电路简单可靠，当欠补时只有投脉冲，过补时只有切脉冲，投切脉冲经过单稳态电路展宽，作为允许信号，经过电子开关电路转换，送至与非门电路，由脉冲产生电路产生cp脉冲送到循环逻辑电路，输出1-8路控制电信号，电子门电路由K1、 K2开关控制，主要用于调试机器而设立。

二、使用可控硅作为三相电力电容器开关的原理：

电力电容器是一种特殊的元件，在交流电源的作用下，对电容器交替地进行着充放电，电路中也就形成了交变电流，电容器的电流与电压关系如图6所示。

i=CΔu/Δt    (7)

式7表明，随时间变化的电压在电容器中引起了电流i，电流的大小取决于电容器C和电压的变化率/Δu/Δt。电流超前电压90°。

例如C≡320μf(xc=10Ω)R为导线电阻，R≤0.5Ω，可认为R≤Xc,VT1为可控硅，最坏的情况下，当u_AC处于正峰值时触发VT1，瞬间电位为u_ACM/2R=2×380V/2×0.5=537A，可以想象，在这种情况下对电网和电力电容器造成多么严重的冲击。

以上说明，可控硅开通的合适时刻决定着开通电流的大小。

设触发时刻t=0，电源电压uAC=3U_Msin(ωt+a)，电容器初始电压为零，R≤Xc，并忽略可控硅正向压降，则2Ri+(2/c)iat=3u_Msin(ωt+α)作拉氏变换解出，并反变换得； $i\left(t\right)=\sqrt{3}(U_M/2)\[1/Z\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α}+\mathrm{\φ})-\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\φ})/\mathrm{Z\ωtR}{e}^{-t/\mathrm{RC}}\]$ 式中 $Z=\sqrt{R^2+{(1/\mathrm{\ωc})}^2}$ φ=tg^-1(1/ωcR)    (8)

要V_T1开通无跃变电流，对式(8)令i(t)。

解得α=0°，即当电压u_AC过零且为正的时刻(记作u_AC=0⁺)触发V_{T 1}则电流从零开始变化而无跃变，且di/dt最小，i经过短暂的过渡过程进入稳态， $i=(\sqrt{3}{u}_M/2Z)\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ}),$ 如选取C=320μf Z=10ΩR=0.5ΩU=380V则 $I_M=\sqrt{2}\×31A$ 。

如图9、图10所示：

当u_ab在ωt₀时刻发出第一个触发脉冲，则过渡过程平滑，几乎没有冲击电流，T₁₂导通，电容器充电。在ωt_l时刻，发出笫二个触发脉冲，T₁₁导通，电容器放电，如此往复。

综上所述，第一个触发脉冲必须产生u_ab电压过零且为正时刻，而第二、第三个触发脉冲，应在电容器u_ab正负最大处产生。

图4为过零脉冲取样电路原理图。当同步变压器U_AB电压，送至I_C1时，因I_Cl的反向端，输出正半周方波，经反相器反相，RC微分电路送出正过零脉冲A。当同步电压u_AB送到I_C2同相端对，每个过零点均送出过零脉冲，经单稳电路展宽π/2方波，经反相器反相微分，送出换流脉冲A

其余u_AB、u_CA两相均相同。

图5为触发脉冲输出板上电路电原理图。

当过零脉冲A、A′分别送到I_C1、I_C2加电源瞬间，RS触发器清零，Q端为0。Q端为1。

当K1即第一路投入电信号送来时，过零脉冲A经I_Cl送单稳展宽，输出放大输出脉冲，同时反馈给RS触发器置I；Q端为1,Q端为0，关闭I_Cl、开放I_C2,A′换流脉冲源源送出。当K1信号消失，也就是切除，则K1经反相微分，送出后沿微分脉冲，使RS触发器复原，也就是置零。

其它二相也如此同时工作，同时关闭，只是过零时刻相差120°而已。

Claims (5)

1、一种可控硅电容器快速补偿装置，其特征在于：有一个外壳，外壳中有一个接受一相电流及电压信号的函数运算电路，函数运算电路与控制逻辑产生电路相接，控制逻辑产生电路有多路输出，各路输出分别接一识别逻辑电子门，各识别逻辑电子门分别与一个触发脉冲产生电路相连接，各触发脉冲产生电路再接一组可控硅模块，另有一三相同步电压电路与过零电压产生电路相连接，过零电压产生电路再与前述各识别逻辑电子门相连接。

2、根据权利要求1所述的可控硅电容器快速补偿装置，其特征在于：函数运算电路中包括一个一相线电流互感器，电流互感器经降压及稳压电路分别接二个比较器的同相输入端；另有比较电压接上述比较器的反相输入端，二个比较器的输出分别接一门电路。

3、根据权利要求2所述的可控硅电容器快速补偿装置，其特征在于：控制逻辑产生电路中有二个分别与前述门电路相接的单稳态触发器，单稳态触发器经电子开关电路接与非门电路，另有一个脉冲产生电路与上述与非门电路相连接，与非门电路接循环逻辑电路，循环逻辑电路经多个放大器输出多路控制电信号。

4、根据权利要求1或2、3所述的可控硅电容器快速补偿装置，其特征在于：过零电压产生电路中有二个分别与三相同步电压电路中的同步变压器相连接的比较器，一个比较器经反相器接一RS微分电路送出正过零脉冲A，另一比较器接一单稳态触发器并再经另一反相器后接另一微分电路送出换流脉冲A′。

5、根据权利要求4所述的可控硅电容器快速补偿装置，其特征在于：触发脉冲产生电路中有分别输入前述过零脉冲A、A′的二个与非门，与非门共同接一单稳态触发器，单稳态触发器输出放大脉冲，同时反馈给一RS触发器，RS触发器的Q、Q端分别接上述与非门的输入端。

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