環保型無功功率調節器的製作方法
2023-12-02 01:31:41 1
專利名稱：環保型無功功率調節器的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種無功功率調節器，尤其涉及到一種採用雙脈衝源驅動的 環保、節能、低功耗無功功率補償調節器。
背景技術：
高效的電力能源網系統，也是有功與無功的平衡系統；非線性負荷的普遍 應用，用戶負載的非線性、衝擊性、不平衡的用電特性，致使電網系統瞬時無 功始終處在高度頻繁變化過程中。非線性負荷的普遍應用，大量諧波注入電網， 諧波能量直接威脅著無功補償設備安全運行，無功補償系統會放大電網系統諧 波能力，無功補償設備又最怕諧波產生過電壓，損壞無功補償設備。 同行業無功補償技術發展情況概述 1、 第一代無功補償技術一靜態自動無功補償控制 1.1技術特點
第一代無功補償技術主要是以採用無功補償控制器+繼電器+接觸器的無 功補償控制技術為主。這種無功補償控制技術主要有以下幾個方面的特點。 1.2應用情況以及存在的問題 1.2.1技術優點
*控制技術簡單
採用自動無功補償控制器+繼電器+接觸器組裝無功補償成套裝置 比較容易實現，無功補償控制器內部的無功補償算法比較簡便；*價格比較低廉
這種無功補償控制的技術設備比較成熟，市面比較常見，自動無功 補償控制器+繼電器+接觸器各元器件的價格比較低廉。 1.2.2技術缺點及存在的問題
*控制技術屬於靜態方式，實時動態響應時間長
無功補償控制器的處理器比較低廉， 一般主要以8位的單片機為主 要數據處理器，處理數據速度慢，數據測量精度差；控制器無功補償控 制信號採用繼電器輸出，繼電器帶動接觸器投切電容器，處理數據處理
數據時間單位一般大於1s級以上，繼電器的動作時間一般大於20ms以 上，接觸器的動作時間一般大於40ms以上；電網周波20ms;所以相對 電網周波時間，這種控制時間周期遠遠大於電網周期的變化時間。所以 這種無功補償技術屬於靜態無功補償技術；
*控制湧流大，對補償設備和電網衝擊比較大
這種無功補償控制的技術如上述所述，屬於繼電器和接觸器控制的 無功補償控制技術，控制很難實現過零技術，投切湧流比較大， 一般控
制湧流都在大於80倍以上的額定值，對補償電容器和電網的衝擊比較
大，容易造成閃變現象
*維護成本比較高
控制湧流比較大，動作頻繁，補償電容器、控制投切接觸器經常發 生燒毀更換現象。
2、 第二代無功補償技術一動態無功補償控制技術 2.1技術優點第二代無功補償技術主要是以採用無功補償控制器控制可控矽晶閘管投切電容器實現無功補償功能。這種無功補償控制技術主要有以下幾個方面的特點。
2.2應用情況以及存在的問題2.2.1技術優點
*處理數據精度高
無功補償控制器的處理器一般主要以16位的單片機為主要數據處理器，處理數據比較快，數據測量精度較好；*動態響應能力強
控制器的無功補償控制信號採用光電耦合輸出，光電器件帶動可控
矽晶閘管投切電容器;控制器處理數據處理數據時間單位一般小於30ms級以內，可控矽晶閘管的動作時間一般在微妙級以內；電網周波20ms;所以相對電網周波時間，這種控制時間周期遠遠小於電網周期的變化時間。動態響應時間一般小於100ms以內。
*控制投切湧流小
較上述靜態自動無功補償技術來說，這種無功補償控制技術採用晶閘管可控矽控制方式，驅動採用過零點打開，過零點關斷技術，使投切
湧流大大減小， 一般只是額定電流的2.8倍以內，對補償電容器以及電網的衝擊都比較小，可以有效改善閃變效應。
*降低維護成本
控制湧流小，對補償電容器的衝擊小，提高補償電容器的使用壽命，減少應用電容器在實際運行中的更換次數。
2.2.2技術缺點及存在的問題20
*控制技術比較複雜
無功補償控制器的處理器一般主要以16位的單片機為主要數據處理器，處理數據比較快，數據測量精度較好；無功投切一般採用無功功率等物理量控制，對控制的要求比較高，技術難度比較大；*成本比較高
較上述靜態無功自動補償設備來說，該技術類型的無功補償設備製造成本比較高，只適合於工業控制比較複雜的配電系統，無功補償控制器、可控矽晶閘管各環節的材料成本都比較高；*功耗大，消耗系統10 20%的能量
無功補償採用可控矽晶閘管投切電容器，可控矽晶閘管閉合有節電壓存在，通過電流大，消耗能量比較多；*體積大，設備布局佔用廠電房面積比較大
較上述靜態無功自動補償設備來說，單位體積的無功補償設備要要遠遠大於上述設備的體積容量；因為採用可控矽晶閘管投切電容器的無功補償設備需要考慮散熱器，所以體積大大增加；*產生諧波，二次汙染電網
採用可控矽晶閘管投切電容器，可控矽晶閘管閉合有節電壓存在，電流比較大，產生諧波含量比較豐富。
3、 第三代無功補償技術一採用複合開關的無功補償技術
第三代無功補償技術主要是以採用複合開關的無功功率調節器投切電容器實現無功補償功能。
3.1技術優點*無功處理數據精度高
無功補償控制器的處理器一般主要以16位的單片機為主要數據處理器，處理數據比較快，數據測量精度較好；*動態響應能力強
具有上述可控矽晶閘管控制的無功補償技術的動態響應時間，動態
響應時間一般小於100ms以內。
*控制投切湧流小
較上述靜態自動無功補償技術來說，這種無功補償控制技術採用晶閘管可控矽控制方式，驅動採用過零點打開，過零點關斷技術，使投切
湧流大大減小， 一般只是額定電流的20倍以內。
*降低維護成本-
控制湧流小，對補償電容器的衝擊小，提高補償電容器的使用壽命，減少應用電容器在實際運行中的更換次數。
3.2技術缺點及存在的問題
成本比較高較上述前兩種靜態無功自動補償設備來說，該技術類型的無功補償設備製造成本比較高，只適合於工業控制比較複雜的配電系統，無功補償控制器、可控矽晶閘管各環節的材料成本都比較高。
以下是現有無功功率調節器控制原理的分析情況-
1、 原有高功耗、大體積、產生諧波無功功率調節器控制原理分析圖1是原有高功耗、大體積、產生諧波對電網造成二次汙染的無功功率調節器的設計驅動波形。
1.1無功功率調節器自身消耗功率分析在該系統中，晶閘管器件不僅式啟動切換器件，另外承擔著主運行器件，晶閘管器件在閉合狀態時，有節點壓存在，依據"P-UI"，(式中P:消耗功率，U:閉合節點壓，I:主迴路電流)得知，晶閘管器件閉合節點壓由晶閘管器件本身屬性確定， 一般為0.7V左右，功率調節器的一般運行電流，即主迴路電流I 一般^20A以上，所以一般的單個無功功率調節器的自身功耗都^10W以上；
1.2無功功率調節器自身產生諧波功率分析
在該系統中，晶閘管器件屬於非線性元器件，正常的電網波形屬於正弦波，電網電壓、電流流經線性元器件時，反饋的電壓、電流波形及頻率不會發生畸變；電網電壓、電流流經非線性元器件時，反饋的電壓、電流波形及頻率會發
生畸變；產生非電網波形和頻率的其它信號叫"諧波"；電網電壓、電流流經晶閘管這種非線性器件時，電網波形出現失真現象，產生的諧波電流的大小與負載電流的大小成正比。在圖2中，調節器在整個工作區內"產生的諧波成分比較豐富"，但湧流電流在可控範圍之內。
2、 可靠性無法保證的單一脈衝信號驅動的無功功率調節複合開關控制原理分析
圖3是可靠性無法保證單一脈衝信號驅動的無功功率複合開關的設計驅動波形。
2.1複合開關無功功率調節器主控制系統可靠性問題分析目前市面上銷售運行的複合開關型無功功率調節器的驅動控制電路均採用單片機為主的單一脈衝信號驅動控制電路，複合開關型無功功率調節器屬於強電運行環境，"電磁兼容"幹擾問題比較嚴重，受到複合開關無功功率調節器的體積、成本等因素的限制，無法對驅動器做到比較好的電磁兼容防護措施；複合開關型無功功率調節器內部CPU經常出現死機、誤觸發等非正常運行情況，最終導致複合開關無功功率調節器非正常運行和振蕩運行情況，燒壞自身或電容器。
2.2單一驅動信號驅動兩類不同特性的元器件造成的非正常競爭現象帶來的可靠性問題分析
採用單一脈衝信號驅動波形如上圖所示，T1:為小體積大功率繼電器驅動
信號區間，T2:為晶閘管驅動信號區間；從圖中得知T1-T2，就是兩種不同動作特性的器件驅動波形由主控制器同一時刻發出；繼電器和晶閘管接到動作信
號後出現不正常合、分閘動作競爭現象，這種競爭對繼電器的傷害是致命的。
競爭原因如下
繼電器屬於慢速動作器件，動作時間一般在5ms 20ms不等，由於應用在這類產品內的繼電器屬於功率型繼電器，從原始設計中就沒有考慮繼電器的動作一致性問題，如繼電器的固有動作時間為20ms，繼電器的實際動作時間是20ms土 (5ms 20ms);繼電器有時動作速度快達到5ms，有時動作慢將達歪U^:30ms以上。
晶閘管較繼電器元器件來說屬於快速元氣件，動作時間一般在0.05ms 10ms，為了提高無功功率調節器的響應時間和限制投入時的湧流電流，無功功率調節器設計引入晶閘管器件；利用晶閘管的動作響應時間快來提高無功功率調節器的動作時間和響應速度，利用晶閘管過零點電壓打開和關斷技術實現限制無功功率調節器的動作湧流電流。
在圖4的晶閘管驅動條件信號合成邏輯電路圖中，晶閘管驅動信號由"投入/切除啟動信號"和"電網波形過零檢測信號"等兩種信號"與"邏輯產生，即兩個條件同時成立，驅動條件成立；所以晶閘管屬於快速元器件，但動作是有條件限 制的，所以有快速動作特性的晶閘管也有的0.05ms 10ms大範圍的時間誤差。 在晶閘管動作時間最快和繼電器動作最慢時，無功功率調節器不存在惡性 競爭動作；出現繼電器動作快和晶閘管動作慢情況時，無功功率調節器出現惡 性競爭動作，繼電器將帶負荷合、分閘；繼電器帶負荷合、分閘將出現原有產
品的"湧流"大，對電網"衝擊"大，設備、器件"壽命短"等現象。
在圖5的有競爭現象的無功功率調節器的實際運行電流波形圖中，調節器 在工作的開啟/關斷時間點湧流比較大，超過5倍以上。
基於上述現有無功補償技術的不足之處，本發明人設計了本發明"環保型 無功功率調節器"。
發明內容
本發明針對上述現有技術的不足所要解決的技術問題是提供一種採用雙 脈衝源控制的節能性、環保性、低成本性無功補償技術構成的無功功率調節器。 本發明解決其技術問題所採用的技術方案是
一種環保型無功功率調節器，包括處理器、磁保持繼電器和可控矽晶閘管， 可控矽晶閘管用於製造諧波，其還設有雙脈衝源驅動電路，無功補償響應時間
在40ms以內，前脈衝實現可控矽晶閘管過零點打開和過零點關斷技術，後脈衝
實現磁保持繼電器跟隨開啟和超前關閉技術，減少投切湧流減小，雙脈衝源驅 動電路採用將磁保持繼電器和可控矽晶閘管兩種不同特性的驅動信號分時處
理，磁保持繼電器和可控矽晶閘管兩種信號前後各相差80ms的時間間隔，80ms 相當於電網4個周波時間長度，無功功率調節器投入期，可控矽晶閘管動作啟動時間比磁保持繼電器動作啟動時間超前80ms的4個電網周波的時間長度，順利 實現過零投入；無功功率調節器在退出/切除期，磁保持繼電器動作啟動時間比 可控矽晶閘管動作啟動時間超前80ms的4個電網周波的時間長度；最終由可控 矽晶閘管順利完成過零關斷。
所述的處理器為處理數據比較快以及數據測量精度較好的32位DSP數據處 理器，無功補償控制器的處理器一般主要以32位的DSP為主要數據處理器，處 理數據比較快，數據測量精度較好。
本發明環保型無功功率調節器的有益效果是
電能質量綜合監控與動態無功補償技術相結合應用，可以合理規避電網系 統諧波對無功補償設備的負面影響，本發明大大提高對系統無功補償的響應能 力，減小諧波對系統設備和無功補償設備的影響，提高無功補償設備的抗諧波 能力；無功補償也是解決電能質量問題的其中方案之一，將電能質量綜合監測 與動態無功補償相接合的設計技術方案，有效提高系統產品應用的效率，提升
現有系統產品的應用技術水平。主要取得以下幾個方面的功效
採用雙脈衝源控制的節能性、環保性、低成本性無功補償技術構成的無功 功率調節器技術特點
* 無功處理數據精度高
無功補償控制器的處理器一般主要以32位的DSP為主要數據處理器，處 理數據比較快，數據測量精度較好；
* 動態響應能力強
優秀的主控制器配合具有上述可控矽晶閘管控制的無功補償技術的動態響
應時間，動態響應時間一般小於50ms以內。* 控制投切湧流小
採用雙脈衝源控制的無功功率調節器，準確實現前脈衝實現晶閘管過零點 打開和過零點關斷技術，後脈衝實現磁保持繼電器跟隨開啟和超前關閉技術， 使投切湧流大大減小， 一般只是額定電流的2.8倍以內，對補償電容器以及電 網的衝擊都比較小，可以有效改善閃變效應。
* 降低維護成本
控制湧流小，對補償電容器的衝擊小，提高補償電容器的使用壽命，減少 應用電容器在實際運行中的更換次數。將電容器的使用壽命由原來的1/4提高 到整體壽命的3/4以上。
* 製造成本大大降低-
採用雙脈衝源分時驅動技術，避免無功調節器採用大功率高價位的晶閘管，
而採用小體積大功率低價位的磁保持繼電器為跟隨運行元件；使調節器整體制 造成本縮小為原有調節器成本的1/3以下，為產品的大量推廣起到積極作用。
* 功耗小
採用啟動、運行、關閉分時分工協作的設計控制技術，避免具有快速、高 功耗的晶閘管長期運行，採用低速、無功耗元器件過渡的運行方式，使調節器
整體功耗較由原來單位kVar消耗10—20W縮小到目前的0.05W，基本不再消 耗系統能量。
* 體積小
採用雙脈衝源分時驅動技術，避免無功調節器使用大功率晶閘管，低功耗 的驅動設計無需調節器附加散熱器和額外散熱空間，製造體積大大減小。
* 不產生諧波，控制技術環保，不二次汙染電網採用雙脈衝源分時驅動技術，避免無功調節器內製造諧波的晶閘管長期運 行，調節器正常運行閉合零電壓，解決了產生諧波汙染問題。 * 提高了可靠性
採用雙脈衝源分時驅動技術，避免以往採用單脈衝同時驅動磁保持繼電器 和晶閘管在動作過程中的不正常競爭現象，導致驅動磁保持繼電器出現帶負荷 合、分閘，很容易投切功率調節器。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是現有高功耗、大體積、產生諧波的功率調節器的信號驅動波形圖2是含有豐富諧波成分的實際運行電流波形圖3是單一脈衝信號驅動的無功功率複合開關的信號驅動波形圖4是晶閘管驅動條件信號合成邏輯電路圖5是有競爭現象的無功功率調節器的實際運行電流波形圖6是採用雙脈衝源驅動的無功功率調節器信號驅動波形圖7是採用雙脈衝源驅動的無功功率調節器實際運行電流波形圖。
具體實施例方式
參照圖6至圖7，本發明是這樣實施的
在圖6和圖7中，採用雙脈衝信號源疊加驅動的無功功率自動調節器的設
計主要採用以下方法
採用雙脈衝信號源疊加驅動的無功功率自動調節器的設計，結合目前無功補償控制技術的優缺點改進設計的一種快速、節能、環保不產生諧波、投退湧 流小無衝擊、運行穩定可靠的無功功率調節器。無功功率調節器包括磁保持接 觸器、可控矽元件以及雙脈衝信號產生電路等部分組成；採用磁保持接觸器和 可控矽元件為主迴路的無功功率調節器解決一般無功補償產品無法滿足的無功
補償快速響應能力，無功補償響應時間小於40ms以內；採用磁保持接觸器和
可控矽元件主備式的無功補償調節方案解決了由單可控矽組成的無功補償設備 所帶來的體積大、成本高、高功耗(一般將會消耗系統15%的能量)、產生諧 波汙染電網等應用缺陷；採用雙脈衝信號源疊加驅動的控制模式解決了其他制 造廠商設計的複合開關中主備元件工作配合不夠完善所造成的產品運行穩定性 問題。
雙脈衝源驅動的無功功率調節器主控制系統設計全採用自適應硬體電路組 成，自適應硬體電路具有抗幹擾能力強，動作響應"零"延時，硬體電路延時一
般在ns數量級，完全滿足ms級動作響應的時間要求。自適應硬體電路本身比 CPU組成的控制系統抗幹擾能力要強。
如圖6所示，雙脈衝源驅動電路採用將繼電器和晶閘管兩種不同特性的驅 動信號分時處理，繼電器T1和晶閘管T2兩種信號前後各相差80ms的時間間 隔，80ms相當於電網4個周波時間長度。
無功功率調節器投入期，晶閘管T2動作啟動時間比繼電器T1動作啟動時 間超前80ms的4個電網周波的時間長度；順利實現過零投入。無功功率調節 器退出/切除期，繼電器T1動作啟動時間比晶閘管T2動作啟動時間超前80ms 的4個電網周波的時間長度；最終由晶閘管順利完成過零關斷。晶閘管的投入/ 關斷前後啟動使無功功率調節器可靠實現快速響應時間"和"限制湧流"。利用電器在穩態併入/退出運行迴路，實際"發熱"和"產生諧波"的運行周期時間很短， 從而實現無功功率調節器的"節能"(調節器自身功耗小)、"環保"(不產生諧波)、
"可靠"(解決驅動信號的不合理)等幾大功效。70ms 80ms的時間差，有效 可靠保證晶閘管的帶負荷時間，避免晶閘管運行發熱過多，為選擇"小體積"、"低 價位"的晶閘管得到技術上的保證，最終實現無功功率調節器的"經濟"低成本設 計。
從圖7中可知，調節器在開啟/關斷時間點有2 3個周波的汙染諧波成分 存在，湧流小於3倍的額定值，在受控範圍之內，是比較理想的工作特性。
以上所述，僅是本發明一種環保型無功功率調節器的較佳實施例而己，並 非對本發明的技術範圍作任何限制，凡是依據本發明的技術實質對以上的實施 例所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1、一種環保型無功功率調節器，包括處理器、磁保持繼電器和可控矽晶閘管，可控矽晶閘管用於製造諧波，本發明的特徵在於其還設有雙脈衝源驅動電路，無功補償響應時間小於40ms，前脈衝實現可控矽晶閘管過零點打開和過零點關斷，後脈衝實現磁保持繼電器跟隨開啟和超前關閉，減少投切湧流，雙脈衝源驅動電路採用將磁保持繼電器和可控矽晶閘管兩種不同特性的驅動信號分時處理，磁保持繼電器和可控矽晶閘管兩種信號前後各相差80ms的時間間隔，80ms等於電網4個周波時間長度，在無功功率調節器投入期，可控矽晶閘管動作啟動時間比磁保持繼電器動作啟動時間超前80ms的4個電網周波的時間長度，實現過零投入；無功功率調節器在退出/切除期，磁保持繼電器動作啟動時間比可控矽晶閘管動作啟動時間超前80ms的4個電網周波的時間長度；最終由可控矽晶閘管順利完成過零關斷。
2、 根據權利要求1所述的環保型無功功率調節器，其特徵在於所述的處理 器為處理數據快以及數據測量精度高的32位DSP數據處理器。
全文摘要
本發明涉及到一種無功功率調節器，尤其涉及到一種採用雙脈衝源驅動的環保、節能、低功耗無功功率補償調節器。其包括處理器、磁保持繼電器和可控矽晶閘管，可控矽晶閘管用於製造諧波，其還設有雙脈衝源驅動電路，無功補償響應時間小於40ms，前脈衝實現可控矽晶閘管過零點打開和過零點關斷技術，後脈衝實現磁保持繼電器跟隨開啟和超前關閉技術，減少投切湧流減小，80ms相當於電網4個周波時間長度，無功功率調節器投入期，順利實現過零投入；無功功率調節器在退出/切除期，由可控矽晶閘管順利完成過零關斷。其有益效果是處理數據精度高；動態響應能力強；控制投切湧流小；降低維護成本；製造成本降低；體積小；不產生諧波，不二次汙染；提高了可靠性。
文檔編號H02J3/18GK101499662SQ20081021693
公開日2009年8月5日 申請日期2008年10月24日 優先權日2008年10月24日
發明者謝蘭平, 鄧永輝, 陳彥武 申請人:深圳市奇輝電氣有限公司