複合型功率因數補償與消諧控制裝置的製作方法
2023-05-17 13:28:21
專利名稱：複合型功率因數補償與消諧控制裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種能夠自動跟蹤電網諧波和功率因數，並根據諧波 含量及功率因數大小自動投切電容器和電抗器，以達到抑制諧波和提高功 率因數的控制裝置。
背景技術：
目前國內外在無功功率補償和諧波治理方面都已經積累了比較豐富的 經驗，並且國內外均有比較成熟的產品，無功功率補償通常採用投切電容 器的方法，諧波治理通常採用無源或有源濾波器來實現諧波的治理，無源 濾波器主要是由電抗器和電容器串聯構成，具有容易設計的優點，但是其 濾波效果依賴於系統阻抗特性。儘管有源電力濾波器有著無源濾波器所不 具備的巨大技術優勢，但目前要想在電力系統中完全取代無源濾波器還不 現實，這是因為與無源濾波器相比較，有源電力濾波器的成本高，這一點 是限制有源電力濾波器推廣使用的主要原因，因此，無源濾波器目前使用 還比l交普遍。
在工業、企業供電系統中，由於絕大多數用電設備均屬於感性負載， 這些用電設備在運行時除了從供電系統取用有功功率外，還取用相當數量 的無功功率。有些生產設備(如軋機，電弧爐等)在生產過程中還經常出
現無功沖擊負荷，這種衝擊負荷比正常取用的無功功率可能增大5 ~ 6倍。 從電路理論知道，無功功率的增大使供電系統的功率因數降低。功率因數 的降低將致使電網迴路中功率損耗增大；電網迴路中電壓損失增大；供 電設備的供電能力下降，電能成本增高。中華人民共和國為了獎勵企業提高功率因數，在按兩部電價制收電費時，規定了依照企業功率因數的高低 而調整所收電費額的附加獎懲制度。按照這個制度，對月平均功率因數高 於規定值的企業，可以按超過的多少相應地減收電費，而當功率因數低於 規定值時，則增收電費。在《全國供用電規則》中明確規定，功率因數低
於0.7時，電業局可不予供電，因而企業無論從節約電費、提高供電質量 還是從提高供電設備的供電能力出發，都必須考慮補償無功功率的措施， 而無功功率的補償通常採用在電網中並聯電容器的方法來實現。
由於電網負載情況複雜，絕大多數電網都需要同時進行無功功率補償 和諧波治理，這樣就需要兩套裝置，況且直接將電容器並聯在電網上進行 無功補償，電網上將會產生一定的諧波放大，在並聯電容器的迴路中串聯 電抗器是非常有效和可行的方法解決諧波放大問題，若電抗器的電抗率選 擇合適又可以抑制高次諧波的作用。因此，目前國內電網無功補償裝置都 是將固定的電抗器串聯於電容器迴路中，這樣不僅能對電網中無功功率進 行補償，還可以抑制電網中的諧波。而實際電網中負載是在不斷變化的， 功率因數也隨時在變化，為了適應電網變化的功率因數，就要求採用多組 電容器分組投切，以達到對電網功率因數進行動態補償的目的。如果電容 器的組數發生變化，而電抗器的感抗值不變，則起不到抑制諧波的作用， 還有可能出現諧波放大的效果。為了達到既起到功率補償又抑制電網諧波 通常採用多組電抗器分別與多組電容器串聯組合使用，而通常電容器的投 切主要採用可控矽投切或採用交流接觸器投切，電容器投切時由於湧流較 大，雖然可以在過零點投，但可控矽需要較大的散熱面積，體積較大，而 釆用交流接觸器投切體積較小，但不能保證在過零點投切，觸點容易燒結， 目前還沒有既有無功功率補償，又有諧波治理於一體的複合型功率因數補償與消諧控制裝置。
實用新型內容
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種可以自動檢測電網諧波和 功率因數，並根據檢測的結果自動投切電容器和電抗器，以達到提高功率 因數和消除諧波的目的。
為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種複合型功率因數補償與 消諧控制裝置，包括主機和分機兩部分，主機包括電量採集電路、主機溫
度採集電路、鍵盤電路、主機微處理器、主機485接口電路、顯示電路、 風扇驅動電路、主機電源電路；分機包括分機485接口電路、輸入信號控 制電路、分機微處理器、分機電源電路、磁保持繼電器控制電路、可控矽 控制電路、磁保持繼電器、可控矽、狀態檢測電路、分機溫度採集電路； 主機485接口電路與分機485接口電路由通信導線直接連接，實現主機和 分機之間的通信；主機微處理器分別與電量採集電路、主機溫度採集電路、 鍵盤電路、主機485接口電路、顯示電路、風扇驅動電路、主機電源電路 連接；主機電源電路分別與電量採集電路、主機溫度採集電路、主機微處 理器、主機485接口電路、顯示電路和風扇驅動電路連接，為它們提供工 作電源；分機微處理器分別與分機485接口電路、輸入信號控制電路、分 機電源電路、磁保持繼電器控制電路、可控矽控制電路、狀態檢測電路和 溫度採集電路連接；分機電源電路分別與分機485接口電路、分機微處理 器、磁保持繼電器控制電路、可控矽控制電路、狀態檢測電路、溫度採集 電路連接，為它們提供工作電源；磁保持繼電器和可控矽並聯，可控珪起 到輔助作用，由於可控^眭響應速度快，而繼電器響應速度4交'隄，所以開關 閉合時先閉合可控矽然後在幾十毫秒或幾秒種內再將磁保持繼電器閉合，這樣可以保證開關在過零點投切，開關閉合後可控矽兩端電壓為零此時可 控矽自動關斷，狀態檢測電路的輸入端分別並聯在磁保持繼電器和可控矽
上，狀態檢測電路的輸出端連接到分機微處理器的I/O 口上。
電量採集電路由電能專用採集晶片ATT7022及外圍電路組成，電量採 集電路也可以採用單片機及外圍電路組成，被測電網電壓量和電流量分別 由電壓互感器和電流互感器變為較小的電壓量和電流量後直接送給 ATT7022或送給單片機，電壓互感器一次端並聯在淨皮測電網上取^皮測電網電 壓量，同時使強電和弱電隔離，電流互感器一次端串聯在4皮測電網上取被 測電網電流量，同時使強電和弱電隔離，電壓互感器二次端與晶片ATT7022 的電壓輸入口連接，也可以與單片機的A/D埠連接，電流互感器二次端 通過電阻將電流量轉換成電壓量後與晶片ATT7022的電流輸入口連接，也 可以與單片機的A/D埠連接。
可控矽控制電路由555振蕩電路、邏輯電路、三極體驅動電路和脈沖 變壓器組成，邏輯電路的輸入端分別與555振蕩電路的輸出端和分機微處 理器輸出口連接，邏輯電路的輸出端與三極體驅動電路的輸入端連接，三 極管驅動電路的輸出端通過電阻與脈衝變壓器的輸入端連接，電阻串聯在 脈衝變壓器的輸入端迴路中，脈沖變壓器輸出端的一端與可控矽的觸發極G 連接，另一端與可控矽的T極連接。
磁保持繼電器控制電路由繼電器組成，繼電器線圈的兩端， 一端與電 源正極連接， 一端與分機微處理器的輸出口端連接，繼電器的觸點兩端， 一端連接在電源上， 一端連接在磁保持繼電器線圈的一端，磁保持繼電器 線圈的另一端與電源的負極端連接。
狀態檢測電路由二極體、電阻和光耦器件組成，光耦的輸入端並聯一個二極體，再串聯一個電阻後並聯在磁保持繼電器和可控矽上；光耦的輸 出端一端接地，光耦的輸出端另一端串聯一電阻後接電源的正才及性端，同 時將光耦的該輸出端連接到分機微處理器的輸入埠 。狀態檢測電路通過 光耦電路將磁保持繼電器觸點兩端的正弦波電壓信號轉化成方波信號，送 到分機微處理器的輸出口端進行過零點檢測，以便在控制器接收到開關閉 合控制命令時在過零點投切開關，光耦隔離電路還具有強電和弱電隔離的 作用，該電路還具有缺相信息的檢測，當該路開關缺相時此時該路沒有信 號送出，所以可以根據是否有信號送出來判斷該路是否為缺相。
本實用新型具有積極的效果(1)本實用新型的複合型功率因數補償與 消諧控制裝置中，可控矽與磁保持繼電器並聯使用，閉合時先閉合可控矽， 然後再閉合磁保持繼電器，能夠自動跟蹤零點，保證在過零點投切開關， 過零點投切開關不會產生大的湧流，磁保持繼電器工作後不需要維持電壓， 具有節能的目的。(2)本實用新型的複合型功率因數補償與消諧控制裝置 電量採集電路採用電能專用採集晶片ATT7022及外圍電路完成電壓有效值、 電流有效值、功率因數、無功功率、諧波;險測。(3)本實用新型的複合型 功率因數補償與消諧控制裝置可以實時檢測電容器表面溫度，當溫度超限 時可以自動報警，同時開啟風扇進行降溫，達到延長電容器使用壽命的效 果。
圖1為實施例1的主機結構圖。 圖2為實施例1的分^L結構圖。
圖3為實施例1的可控矽與磁保持繼電器並聯電路原理圖。
具體實施方式
見圖1、圖2和圖3，本實施例的複合型功率因數補償與消諧控制裝置， 包括主機和分機兩部分，主機包括電量採集電路、主機溫度釆集電路、鍵 盤電路、主機微處理器、主機485接口電路、顯示電路、風扇驅動電路、 主機電源電路；分機包括分機485接口電路、輸入信號控制電路、分機微 處理器、分機電源電路、磁保持繼電器控制電路、可控矽控制電路、磁保 持繼電器、可控矽、狀態檢測電路、分機溫度採集電路。
圖3中的可控矽控制採用脈衝變壓器T來實現，來自振蕩電路的IN頻 率信號通過脈衝變壓器T產生脈衝信號對雙向可控矽電路進行控制，圖3 中的Dl為可控石圭，可控矽選用雙向可控矽，KO為f茲保持繼電器，Rl和 Cl為可控矽阻容保護電路並聯在可控矽D1的兩端，用於保護可控矽，同時 又作為對開關交流電壓波形信號的釆集作用，可控矽和磁保持繼電器並聯 在一起，可控矽電路主要起到輔助作用，由於可控矽響應速度快，而磁保 持繼電器響應速度慢，所以開關閉合時先閉合可控矽然後在幾十毫秒或幾 秒種內再將磁保持繼電器閉合，這樣可以保證開關在過零點投切，開關閉 合後可控矽兩端電壓為零此時可控矽自動關斷，磁保持繼電器具有保持觸 點狀態的功能，觸發後不需要提供電能，可以保持觸點狀態，具有節能的 特點，圖3中IC1為過零點釆集用的光耦器件，其主要原理是將正弦波信 號轉化成方波信號送到單片機，同時光耦器件又起到隔離作用，電阻RO、 R2、 R3為限流電阻串聯在線路中，CO為外接補償電容器，E3接火線端， E4接三相公共端或接地，Va為直流電源的正極性端，D2為整流二極體，PBO 為送到分機微處理器的過零檢測信號端。
分機溫度採集電路溫度採集採用熱敏電阻組成(例如, 35 KQ ),也可以採用數字溫度傳感器AD590、 LM92，分機溫度採集電路貼在電容器表 面實時採集電容器表面溫度，分機將採集到的電容器溫度信號通過485接 口送到主機，當溫度超限時可以自動報警，同時開啟風扇進行降溫，這樣 可以延長電容器使用壽命。
輸入信號控制電路主要由1到3組光電耦合器件及電阻元件組成，用 於控制信號的輸入。
主機溫度採集電路和風扇驅動電路可以自成一體，根據溫度參數單獨 對風扇進行控制，也可以與主機構成一體，本實例中是與主機構成一體。
主機電源電i 各和分機電源電if各分別由變壓器降壓電路、整流電^各、濾 波電路和穩壓電路組成。
顯示電路採用LCD顯示電壓有效值、電流有效值、功率因數、無功功 率、諧波含量和諧波含量柱狀圖。
鍵盤電路用於檢測參數的設置，例如可以通過鍵盤設定目標功率因數 及司標諧波含量。
主機;錄處理器和分機孩t處理器採用PIC、 NSP430、 51或AVR系列等單 片機。
權利要求1、複合型功率因數補償與消諧控制裝置，其特徵在於包括主機和分機兩部分，主機包括電量採集電路(1)、主機溫度採集電路(2)、鍵盤電路(3)、主機微處理器(4)、主機485接口電路(5)、顯示電路(6)、風扇驅動電路(7)、主機電源電路(8)；分機包括分機485接口電路(9)、輸入信號控制電路(10)、分機微處理器(11)、分機電源電路(12)、磁保持繼電器控制電路(13)、可控矽控制電路(14)、磁保持繼電器(15)、可控矽(16)、狀態檢測電路(17)、分機溫度採集電路(18)；主機485接口電路(5)與分機485接口電路(9)由通信導線直接連接，實現主機和分機之間的通信；主機微處理器(4)分別與電量採集電路(1)、主機溫度採集電路(2)、鍵盤電路(3)、主機485接口電路(5)、顯示電路(6)、風扇驅動電路(7)、主機電源電路(8)連接；主機電源電路(8)分別與電量採集電路(1)、主機溫度採集電路(2)、主機微處理器(4)、主機485接口電路(4)、顯示電路(5)和風扇驅動電路(7)連接，為它們提供工作電源；分機微處理器(11)分別與分機485接口電路(9)、輸入信號控制電路(10)、分機電源電路(12)、磁保持繼電器控制電路(13)、可控矽控制電路(14)、狀態檢測電路(17)和分機溫度採集電路(18)連接；分機電源電路(12)分別與分機485接口電路(9)、分機微處理器(11)、磁保持繼電器控制電路(13)、可控矽控制電路(14)、狀態檢測電路(17)、分機溫度採集電路(18)連接，為它們提供工作電源；磁保持繼電器(15)和可控矽(16)並聯，狀態檢測電路(17)的輸入端分別並聯在磁保持繼電器(15)和可控矽(16)上，狀態檢測電路(17)的輸出端連接到分機微處理器(11)的I/O口上。
2、 如權利要求l所述的複合型功率因數補償與消諧控制裝置，其特徵 在於，電量釆集電路(l)由電能專用採集晶片ATT7022及外圍電路組成， 電量採集電路(1)也可以採用單片機及外圍電路組成，被測電網電壓量和 電流量分別由電壓互感器和電流互感器變為較小的電壓量和電流量後直接 送給ATT7022或送給單片機，電壓互感器一次端並聯在被測電網上取被測 電網電壓量，同時^f吏強電和弱電隔離，電流互感器一次端串聯在^^皮測電網 上取被測電網電流量，同時使強電和弱電隔離，電壓互感器二次端與晶片 ATT7022的電壓輸入口連接，也可以與單片才幾的A/D埠連接，電流互感器 二次端通過電阻將電流量轉換成電壓量後與晶片ATT7022的電流輸入口連 接，也可以與單片機的A/D埠連接。
3、 如權利要求l所述的複合型功率因數補償與消諧控制裝置，其特徵 在於，可控矽控制電路(14)由555振蕩電路、邏輯電路、三極體驅動電 路和脈衝變壓器組成，邏輯電路的輸入端分別與555振蕩電路的輸出端和 分機微處理器(11)輸出口連接，邏輯電路的輸出端與三極體驅動電路的 輸入端連接，三極體驅動電路的輸出端通過電阻與脈衝變壓器的輸入端連 接，電阻串聯在脈沖變壓器的輸入端迴路中，脈衝變壓器輸出端的一端與 可控矽(16 )的觸發極G連接，另一端與可控矽的T極連接。
4、 如權利要求l所述的複合型功率因數補償與消諧控制裝置，其特徵 在於，磁保持繼電器控制電路(13)由繼電器組成，繼電器線圈的兩端， 一端與電源正極連接， 一端與分機;欽處理器(11)的輸出口端連接，繼電 器的觸點兩端， 一端連接在電源上， 一端連接在磁保持繼電器(15)線圈 的一端，磁保持繼電器(15)線圈的另一端與電源的負極端連接。
5、 如權利要求l所述的複合型功率因數補償與消諧控制裝置，其特徵在於，狀態4企測電路(17)由二極體、電阻和光耦器件組成，光耦的輸入 端並聯一個二極體，再串聯一個電阻後並聯在磁保持繼電器(15)和可控 矽(16)上；光耦的輸出端一端接地，光耦的輸出端另一端串聯一電阻後 接電源的正極性端，同時將光耦的該輸出端連接到分機微處理器(11)的 輸入埠。
6、如權利要求l所述的複合型功率因數補償與消諧控制裝置，其特徵 在於，分才幾溫度採集電路(18)可以由熱敏電阻組成，也可以採用數字溫 度傳感器組成，分機溫度採集電路(18)貼在電容器表面採集電容器表面溫度。
專利摘要複合型功率因數補償與消諧控制裝置包括主機和分機兩部分，主機包括電量採集電路、主機溫度採集電路、鍵盤電路、主機微處理器、主機485接口電路、顯示電路、風扇驅動電路、主機電源電路；分機包括分機485接口電路、輸入信號控制電路、分機微處理器、分機電源電路、磁保持繼電器控制電路、可控矽控制電路、磁保持繼電器、可控矽、狀態檢測電路、分機溫度採集電路；智能功率因數補償與消諧節能型複合開關可以自動跟蹤電網諧波及功率因數，自動投切電容器和電抗器，達到消諧和補償功率因數的目的，可控矽與磁保持繼電器並接，投切時是在電壓過零瞬間將可控矽先過零觸發，穩定後再將磁保持繼電器吸合導通，而切出時是先將磁保持繼電器斷開，可控矽延時過零斷開，從而實現電流過零切除，電容器投切和切除時是在過零點完成，無湧流，可以廣泛應用於諧波治理與功率因數補償時作為投切電抗器和電容器的控制裝置。
文檔編號H02J3/01GK201312125SQ200820218000
公開日2009年9月16日 申請日期2008年11月18日 優先權日2008年11月18日
發明者周驍威, 張金波 申請人:常州帕斯菲克自動化技術有限公司