全自動數字功率因數補償儀的製作方法
2023-06-05 22:54:06 1
專利名稱：全自動數字功率因數補償儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種全自動數字功率因數補償儀，它屬於電量的控制或調節裝置。它由電源單元、過壓保護電路、循環計數器、輸出驅動電路及置零和置位電路組成。
在電力電網運行中，由於負載存在電抗元件，帶來電網的無功損耗，造成極大的能源浪費，為此設計了不同模式的功率因數補償設備。目前的功率因數補償設備存在著不完善之處，如工作不穩定、效率低、自動化程度不高等。還有一些採用模擬鑑相，繼電器邏輯輸出的功率因數補償設備，這類設備可靠性差、壽命低和工作不穩定。在中國專利CN2036711U中記載的《高效功率因數自動補償控制器》，它由採樣電路、相位控制、運算計數、解碼鎖存及驅動電路組成，採用了運算和逼近相結合的控制方式用電流向量I、
代替I、Sin
作為驅動信號，但其鑑相器當I滯後時輸出為「1」，I超前時輸出為「0」，不知I為零和功率因數為1時又該輸出什麼電平，而出現不確定的因數，其控制器鎖存器採用了R－S觸發器，眾所之知，R－S觸發器的R、S兩端是不能同時為「0」的，這樣將出現一個不穩定的輸出數據，勢必造成錯誤的投入和切除，該設備在輸出驅動電路中採用R－S觸發器直接驅動BCR雙向可控矽，導致整個設備帶電，帶來不安全因素，另外由於標準的電力電容器YY系列4～10千乏，容量大，切除後應有30秒以上的放電時間，電力電容器的快速投入和切除，將造成電容器兩端電壓成倍增長，致使損壞電力電容器。
本實用新型的目的在於設計一種安全可靠，能準確檢測功率因數變化情況，直接輸出其相應的數位訊號，投入和切除時間隨機設定，保證電力電容器的安全，投入、切除時間準確無誤，投切周期終點記憶，無限循環，使每一組補償電容器都有相等工作機會，功耗低，工作穩定的全自動數字功率因數補償儀。
本實用新型一種全自動數字功率因數補償儀，由電源單元、過壓保護電路、投、切循環計數器、輸出驅動電路及置零和置位電路組成，其特徵在於，數字鑑相器由同相線的電壓UA和電流IA構成基準相位信號和採樣信號，由基準相位信號產生對應於0～8°和172°～180°的兩個脈衝信號，再對IA進行連續鑑相，直接輸出投入脈衝UF和切除脈衝UG，分別使投時鐘產生器和切時鐘產生器輸出投時鐘UT和切時鐘UQ。有一個時鐘信號發生器，由工頻50HZ信號經過212次分頻得到40.96秒／步的正常時鐘信號，過壓時產生5.12秒／步的時鐘脈衝以快速切除補償電壓的時鐘信號，電壓恢復正常後自動投入正常運行。鎖存器採用J－K觸發器形式與由二－－十進位計數器構成投入循環計數器和切除循環計數器連接，產生先投先切、止點記憶、無限循環的邏輯功能，保證每組補償電容器有相等的工作機會，它的輸入端J端1－8和K端1－8分別接到投入循環計數器和切除循環計數器的對應數據輸出線，其輸出Q端A－K分別連接至投入檢測電路和切除檢測電路的輸入端，由時鐘延遲器將標準時鐘信號形成一個滯後0.1秒的導引脈衝提供給鎖存器。
本實用新型全自動數字功率因數補償儀，為隔離電網電壓，確保安全，在輸出驅動電路與鎖存器之間有光電藕合單元。
按本實用新型設計的全自動數字功率因數補償儀，能準確地測出功率因數變化情況，直接輸出相應的數位訊號，適用範圍廣，抗幹擾能力強，投入和切除時間隨機設定，保證電力電容器的安全，每一組補償電容器都有相等工作機會，投入和切除時間準確，不會出現反覆投切現象，工作安全可靠、壽命長、功耗低，不會造成電網電壓的大幅度波動。
本實用新型有如下附圖圖1全自動數字功率因數補償儀的方框圖。
圖2全自動數字功率因數補償儀的邏輯圖。
圖3全自動數字功率因數補償儀的數字鑑相器各信號對應波形圖。
下面參照
本實用新型的實施方案。按圖1所示的方框圖，採用CMOS集成電路組成圖2所示的邏輯形式。數字鑑相器1由IC1～IC11組成，其中IC1～IC3採用LM324、IC4、IC6、IC7、IC10、IC11採用CD4050、IC5採用CD4069、IC8採用CD4073，IC9採用CD4081集成電路，基準信號取自相線和零線之間(220V)，從a接入，檢測信號由電流互感器取自和基準信號同一相線上的電流，從b接入，兩個信號的相位情況直接反映電網的功率因數情況，基準信號經運算放大器IC1、IC2整形後形成脈衝信號，脈寬為10ms，佔空比11，經微分整形取前、後沿，分別從IC4、IC5輸出對應於基準相位信號的0～8°之間的脈衝信號UF和對應於基準相位信號的172°～180°之間的UG脈衝信號，通過調整電位器W2、W3可調整UF、UG對應於基準電壓相位的角度，UF、UG信號作為數字鑑相器的取樣脈衝信號。檢測信號經IC3、IC6整形後從IC6輸出和由電流信號一致的脈衝信號，經過與門IC8、IC9和UF、UG對照檢測，由IC10、IC11分別送出投入(滯後)信號UT和切除(超前)信號UQ。數字鑑相器1的輸出關係為IA滯後UA時UT＝1UQ＝0IA超前UA時UT＝0UQ＝1IA與UA同相時UT＝0UQ＝0IA為零時(IA＜10％)UT＝0UQ＝0因數值≥0.95時UT＝0UQ＝0過壓時(UA≥240V)UT＝0UQ＝1當UT輸出為1時表示此時電網功率因數降低需投入補償電容器。如在安裝時將檢測輸入信號接反(不能滿足和基準相位信號相差180°)時，將出現VT＝VQ＝1，此時後面的邏輯電路將自行封鎖，不能投入運行。數字鑑相器各信號對應波形如圖3所示。圖3中(1)為基準相位信號，(2)為UF，(3)為UG，(4)為檢測信號並被入為反向180°，……為超前時的信號，－·－為滯後時的信號，(5)為檢測信號整形後的波形，(6)為滯後時的整形波形，(7)為投入信號UT，(8)為超前時整形波形，(9)為切除信號UQ。
投時鐘產生器2和切時鐘產生器3分別由IC12、IC13組成，採用集成電路CD4081，它由投切信號和時鐘信號發生器6輸出的時鐘信號構成「與」的關係，直接產生投入或切除時鐘脈衝驅動相應的投切循環計數器10、12工作。時鐘信號發生器6由IC14～IC16、IC20組成，IC14採用CD4020、IC15、IC16採用CD4050、IC20採用CD4081，將工頻50HZ信號經分頻212次得到40.96秒／步的正常投切時鐘信號從IC16輸出，經29次分頻後，通過IC20與過壓保護電路7的輸出相與得到5.12秒／步的過壓時鐘信號經IC20輸出。
時鐘延遲器8由IC21～IC24組成，其中IC21、IC23採用與門電路CD4069、IC22、IC24採用CD4050電路，將時鐘信號、過壓信號經過延遲處理後產生滯後0.1秒的延遲脈衝輸出，經投入檢測器4和切除檢測器5向鎖存器13提供導引脈衝信號，保證鎖存器的J、K端狀態確定以後再觸發翻轉，克服錯誤翻轉現象。投入檢測器4由三與門IC33和八或門IC31組成，切除檢測器5由三與門IC32和八與門IC30組成，IC30、IC31的輸入A→K端分別接到鎖存器13的Q端，全部為「0」時表示切完，全部為「1」時表示投完，出現上述情況時，鎖存器的時鐘信號將被封鎖。
鎖存器企13由IC34～IC37組成，採用四片CD4027八單元J－K觸發器，J、K輸入端分別接投入循環計數器10和切除循環計數器12，J端1－8作為投數據寄存的信號端，K端1－8作為切數據寄存的信號端，在投切時鐘信號導引下使輸出端Q發生翻轉K＝0 J＝1 CP＝1Q＝1K＝1 J＝0 CP＝1Q＝0K＝1J＝1CP＝1此時只翻轉一次，靠檢測器封鎖時鐘信號。
K＝0 J＝0 CP＝1Q維持原狀態時鐘CP為0時，原來存入的數據將長期保存，記憶和存貯了投入、切除的數據信號，由IC27置位電路17，保證開始時Q＝0。其八位輸出作為光電耦合器14的驅動信號和送入投入檢測器4，切除檢測器5的IC31、IC30的輸入端，當八步全部投完時，投檢測器4便產生兩個信號，高電平封鎖投入循環計數器10，低電平封鎖J－K觸發器的CP時鐘信號，防止周期空翻轉現象，當八步全部切完時，切除檢測器5產生兩個信號，高電平封鎖切除循環計數器12，低電平封鎖J－K觸發器的CP時鐘信號，防止錯誤的投切出現。
投入循環計數器10和切除循環計數器12由IC28、IC29組成，採用二片二－十進位的CD4017計數器，只用其八位，分別由置零電路9、10的IC25、IC26工作前置零，預設的投切步數從BT、BQ送入，可預設1－8步中的任意步數。投入循環計數器10的禁止端由過壓信號，投入檢測信號和切除信號控制。切除循環計數器的12的禁止端由切除檢測信號控制，切除完八步時自動封鎖計數器，它們的時鐘信號分別來自投時鐘發生器2和切時鐘發生器3，實現投在先，切在後，沒有投入就沒有切除，根據數字鑑相器1的輸出UF、UQ狀態執行投入和切除的邏輯控制，始終保持電網功率因數值為0.95左右，處於臨界最佳功率因數值。
過壓保護電路7由運算放大器LM324IC17和非門IC18及驅動電路IC19組成，正常時檢測輸出為「0」，過壓時檢測輸出為「1」。當過壓時，不論數字鑑相器1輸出什麼信號，此時的邏輯控制表現出切除優先的狀態，時鐘信號由正常值40.96秒／步，變為5.12秒／步快速切除，所以過壓出現後，已投入的N步將依次快速切除(5.12秒／步)，直到所有的投入步數都切完後，切除檢測器5封鎖J－K觸發器的CP時鐘信號，當電壓恢復正常後，電路將自動轉入正常運行。
光電隔離單元14採用八隻光耦器IC38～IC45 4N25接於鎖存器13輸出與輸出驅動電路15之間，有效的隔離市電，使市電和數字電路隔離，避免不安全因素，且光耦器的驅動電流不大，和對應的1－8步的發光二極體串聯，可以直觀反映該步的運行狀態。
輸出驅動電路15採用八隻雙向可控矽BCR1－BCR8為輸出器件，控制信號由光耦直接送出，1－8步可控矽的共陰線為火線(相線)，輸出端的接觸器接於零線上時，接觸器工作電壓為220V，接另外一相線時，接觸器工作電壓為380V，只需改變接線點，就可適應不同接觸器的工作電壓。
電源單元16輸出兩組直流電壓，IC47採用7809輸出VDD為9V，供電路器件工作，IC46採用7805輸出5V電源供光電隔離單元14的光耦器和驅動電路15可控矽的控制電源。
本實施方案輸入電壓220V，輸出電壓220V／380V，輸出電流2A，控制1－8路，也可根據用戶需要選擇8步以內的任何步數，投入時間40.96秒／步，切除時間40.96秒／步，過壓切除5.12秒／步，過壓電壓250V(可設定)，功率因數穩定值≥0.95，全自動無人值守，設定投切順序為先投先切，終點記憶，無限循環。
權利要求1.一種全自動數字功率因數補償儀，由電源單元16、過壓保護電路7、投入循環計數器10、切除循環計數器12、輸除驅動電路15及置零電路9、11、和置位電路17組成，其特徵在於a)有一個由同相線的電壓UA和電流IA構成基準相位信號和採樣信號，由基準信號產生對應於0～8°和172°～180°的兩個脈衝信號，再對IA進行連續鑑相，直接輸出投入脈衝UF和切除脈衝UG，分別使投時鐘產生器2和切時鐘產生器3輸出投時鐘UT和切時鐘UQ的數字鑑相器1；b)有一個由工頻50HZ信號經過212次分頻得到40.96秒/步的正常時鐘信號，過壓時產生5.12秒/步的過壓時鐘信號以快速切除，電壓恢復正常後自動投入正常運行的時鐘信號發生器6；c)有一個由J-K觸發器構成，其J端1-8和K端1-8分別接到投入循環計數器10和切除循環計數器12對應數據輸出線，其Q端A-K分別連接至投入檢測電路4和切除檢測電路5的輸入端A-K，並由時鐘延遲電路8形成滯後0.1秒的時鐘脈衝導引的鎖存器13。
2.按權利要求1所述的全自動數字功率因數補償儀，其特徵在於有一個為隔離電網電壓，連接於輸出驅動電路15和鎖存器13之間的光電隔離單元14。
專利摘要本實用新型屬於電量的控制或調節設備，由電源單元、過壓保護、循環計數器、數字鑑相器、鎖存器、投切時鐘產生器、投切檢測、時鐘信號發生器、時鐘延遲器、光電隔離、輸出驅動電路及置零、置位電路組成，採用同相線的電壓和電流構成基準相位信號和檢測信號，投切時間40.96秒/步，過壓切除時間5.12秒/步，鎖存器採用J-K觸發器，帶有光電隔離，設定投切1-8步內任意選擇，功率因數穩定值≥0.95，功耗＜12W。
文檔編號G05F1/70GK2080190SQ9021517
公開日1991年7月3日 申請日期1990年12月9日 優先權日1990年12月9日
發明者劉寧庶, 李渝明 申請人:劉寧庶, 李渝明