專利名稱：可控硅電容器快速補償裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及供配電技術，是一種交流供電系統的無功功率補償裝置，具體地說，是一種采用可控硅的電容器快速補償裝置。
無功補償裝置具有改善電壓質量、降低電能損耗等特點，已被廣大用戶廣泛采用。但長期以來物功補償裝置均采用交流接觸器投切電容，由于電力電容器的本身特點，決定了它在接通瞬間相當于短路，造成了對電網和電容器的強大沖擊。因而使交流接觸器觸點因過載而燒損嚴重，同時對電容的頻繁沖擊而損壞電容器。可控硅作為一種無觸點開關早就被廣泛應用，但用可控硅代替交流接觸器投切電容存在諸多技術問題。
本實用新型的目的是提供一種能實現無噪聲、無觸點運行和無沖擊投入、安全可靠性高、性能穩定的可控硅電容器快速補償裝置。
本實用新型的技術解決方案是一種可控硅電容器快速補償裝置，其特征在于有一個外殼，外殼中有一個接受一相電流及電壓信號的函數運算電路，函數運算電路與控制邏輯產生電路相接，控制邏輯產生電路有多路輸出，各路輸出分別接一識別邏輯電子門，各識別邏輯電子門分別與一個觸發脈沖產生電路相連接，各觸發脈沖產生電路再接一組可控硅模塊，另有一三相同步電壓電路與過零電壓產生電路相連接，過零電壓產生電路再與前述各識別邏輯電子門相連接。
本實用新型中所述的函數運算電路中包括一個一相線電流互感器，電流互感器經降壓及穩壓電路分別接二個比較器的同相輸入端，另有比較電壓接上述比較器的反相輸入端，二個比較器的輸出分別接一門電路。
本實用新型中所述的控制邏輯產生電路中有二個分別與前述門電路相接的單穩態觸發器，單穩態觸發器經電子開關電路接與非門電路，另有一個脈沖產生電路與上述與非門電路相連接，與非門電路接循環邏輯電路，循環邏輯電路經多個放大器輸出多路控制電信號。
本實用新型中所述的過零電壓產生電路中有二個分別與三相同步電壓電路中的同步變壓器相連接的比較器，一個比較器經反相器接一RS微分電路送出正過零脈沖A，另一比較器接一單穩態觸發器并再經另一反相器后接另一微分電路送出換流脈沖A′。
本實用新型中所述的觸發脈沖產生電路中有分別輸入前述過零脈沖A、A′的二個與非門，與非門共同接一單穩態觸發器，單穩態觸發器輸出放大脈沖，同時反饋給一RS觸發器，RS觸發器的Q、Q端分別接上述與非門的輸入端。
本實用新型的優點是由于采用可控硅模塊作為交流開關，實現了無觸點運行，不對電網和電力電容器產生強大的沖擊，運行噪聲小，壽命長。由于采用了特殊的觸發電路，使可控硅在投入運行的瞬間無任何沖擊電流，避免了對交流供電系統和電力電容器的沖擊，實現了無沖擊投入，直接延長了電力電容器的壽命。同時延長了電力電力變壓器、開關等電網主接線的壽命。改善了電網的運行環境。提高了供用電質量。動作可靠，安裝調試均十分方便。具有故障率低運行可靠的特點。其電容器的無功補償量是目前電容器和可控硅星形接法無功補償量的三倍。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明
圖1為本實用新型的一種可控硅電容器快速補償裝置的原理框圖；圖2為本實用新型的可控硅電容器快速補償裝置的電原理圖中的無功檢測控制板電路之一；圖3為本實用新型的可控硅電容器快速補償裝置的電原理圖中的無功檢測控制板電路之二；圖4為本實用新型的可控硅電容器快速補償裝置的電原理圖中的電源、過零脈沖取樣板電路；圖5為本實用新型的可控硅電容器快速補償裝置的電原理圖中的觸發脈沖輸出板電路；圖6為iLlR與iLlQ相量關系圖；圖7為各參數瞬時值的波形圖；圖8(a)、(b)、(c)、(d)為無功檢測控制板電路波形圖；圖9為可控硅三相電力電容器開關的等效電路圖10為圖9電路的波形圖。
圖1描述了本實用新型的一個實施例。有一個外殼1，外殼1中有一個接受一相電流及電壓信號的函數運算電路2，函數運算電路2與控制邏輯產生電路3相接，控制邏輯產生電路3有多路輸出，各路輸出分別接一識別邏輯電子門4，各識別邏輯電子門4分別與一個觸發脈沖產生電路5相連接，各觸發脈沖產生電路5再接一組可控硅模塊，另有一三相同步電壓電路6與過零電壓產生電路7相連接，過零電壓產生電路7再與前述各識別邏輯電子門4相連接。圖2、圖3、圖4、圖5描述了本實用新型的一個具體電路。電路分布在三缺電路板上，包括集成電路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、晶體管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、二極管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、電阻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、電容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。
無功檢測控制板上電路簡介無功補償裝置性能優良的前提是控制目標參數--無功分量的檢測既正確又簡單。當負載所需的無功電流增量達到或超過一組電容器的電流值時，控制器做投入動作，以增加投入電容器的組數；當負載變化出現cosφ等于1(或微量超前)時，控制器做切除動作，以減少投入電容器的組數。這樣使受控對象始終運行于欠補狀態，欠補值為一組電容器的容量和零之間。
本裝置采用三角函數圖形本身具有的運算功能，不用微機手段，而只用一個比較器和與外門配合即達到此目的。
1、波形分解及函數關系設Ll相電流ILl滯后于Ll相電壓ULl一個相位角φ，其相量關系見圖6。電流ILl可分解為有功分量ILlR和無功分量ILlφ,ILlφ的函數表達式為ILlφ=ILlsinφ=1/2(2ILl)sinφ=1/2ILlmsinφ------(1)]]>各參數瞬時值的波形見圖7。令t=0時，相電壓ULl的瞬時值uLl過零點，那么相電流ILl的瞬時值iLl比uLl滯后tφ秒。tφ=φ/2πT(2)φ=2πtφ/T(3)iLl波形可分解為與uLl同相的iLlR和比uLl滯后π/2的iLlφ兩個波形分量。T/4時刻，這時iLl為最大值，iLlφ過零點，而T/2時刻狀態恰好相反；iLlR過零點，iLlφ為最大值并與iLl曲線相交于a點。此時iLl的瞬時值記為iLla，iLla=ILlmsin(π-tφ2π/T)(4)將(3)代入式(4)得iLla=ILlmsin(π-φ)=ILlmsinφ(5)比較式(1)式(5)可得ILlm=1/2iLla------(6)]]>因此得出結論Ll相電流有效值ILl中的無功分量有效值ILlQ，等于Ll相電壓瞬時值uLl由正趨負過零點時Ll相電流的瞬時值(iLla)除于 據此我們只要在L1相電壓由E趨負過零點(uLl=0)時對Ll相電流的瞬時值iLl進行測量，即可方便地將ILlQ分離出來，而無須依賴于微機進行函數運算。從而可大幅度簡化電路，又提高裝置的可靠性。
2、工作原理分析如下iLl由Ll相電流互感器提供，它比uLl滯后tφ秒，見圖8(a)，其中在T/2處的尖脈沖是判別脈沖。iLl在電阻R上產生的壓降uLlR，其波形與電流成正比例，相位角不變。該電壓由穩壓管削去負半波后，加在比較器的同相輸入端。同時比較電壓UK加在比較器的反相輸入端，當iLl(或iLlR)瞬時值大于IK(UK)時，比較器輸出U0′為1，反之為0。
見圖8(b)及(c)。輸出U0′的波形為方波，方波的上升沿和下降沿分別在UK與iLlR曲線相交點的時刻t1和t2，而且在時間軸的位置將隨著電流iLl的滯后角(tφ2π/T)而變化。
結論電壓uLl由正趨負過零時，若電流1Ll(或ILlR)的瞬時值等于或大于一組電容器的電流IK(或IKR)，也就是說ILl中的無功分量等于可大于一組電容器的電流值(有效值)，則比較器輸出1，門電路判別器輸出投入指令的負脈沖；反之則門電路無脈沖輸出。
3、無功檢測控制板。
該板電路原理見圖2、圖3所示當負載電流的功率因素等于或微量超前時，裝置輸出切換指令。這時只要將過零脈沖設置在L1相電壓由負趨正過零點的瞬間，其原理同前，不再贅述。
由以上原理可知，由于采用函數圖形法分離無功分量，電路簡單可靠，當欠補時只有投脈沖，過補時只有切脈沖，投切脈沖經過單穩態電路展寬，作為允許信號，經過電子開關電路轉換，送至與非門電路，由脈沖產生電路產生cp脈沖送到循環邏輯電路，輸出1-8路控制電信號，電子門電路由K1、 K2開關控制，主要用于調試機器而設立。
二、使用可控硅作為三相電力電容器開關的原理電力電容器是一種特殊的元件，在交流電源的作用下，對電容器交替地進行著充放電，電路中也就形成了交變電流，電容器的電流與電壓關系如圖6所示。
i=CΔu/Δt(7)式7表明，隨時間變化的電壓在電容器中引起了電流i，電流的大小取決于電容器C和電壓的變化率/Δu/Δt。電流超前電壓90°。
例如C≡320μf(xc=10Ω)R為導線電阻，R≤0.5Ω，可認為R≤Xc,VT1為可控硅，最壞的情況下，當uAC處于正峰值時觸發VT1，瞬間電位為uACM/2R=2×380V/2×0.5=537A，可以想象，在這種情況下對電網和電力電容器造成多么嚴重的沖擊。
以上說明，可控硅開通的合適時刻決定著開通電流的大小。
設觸發時刻t=0，電源電壓uAC=3UMsin(ωt+a)，電容器初始電壓為零，R≤Xc，并忽略可控硅正向壓降，則2Ri+(2/c)iat=3uMsin(ωt+α)作拉氏變換解出，并反變換得；i(t)=3(UM/2)[1/Zsin(ωt+α+φ)-cos(α+φ)/ZωtRe-t/RC]]]>式中Z=R2+(1/ωc)2]]>φ=tg-1(1/ωcR)(8)要VT1開通無躍變電流，對式(8)令i(t)。
解得α=0°，即當電壓uAC過零且為正的時刻(記作uAC=0+)觸發VT 1則電流從零開始變化而無躍變，且di/dt最小，i經過短暫的過渡過程進入穩態，i=(3uM/2Z)sin(ωt+φ),]]>如選取C=320μf Z=10ΩR=0.5ΩU=380V則IM=2×31A]]>。
如圖9、圖10所示當uab在ωt0時刻發出第一個觸發脈沖，則過渡過程平滑，幾乎沒有沖擊電流，T12導通，電容器充電。在ωtl時刻，發出笫二個觸發脈沖，T11導通，電容器放電，如此往復。
綜上所述，第一個觸發脈沖必須產生uab電壓過零且為正時刻，而第二、第三個觸發脈沖，應在電容器uab正負最大處產生。
圖4為過零脈沖取樣電路原理圖。當同步變壓器UAB電壓，送至IC1時，因ICl的反向端，輸出正半周方波，經反相器反相，RC微分電路送出正過零脈沖A。當同步電壓uAB送到IC2同相端對，每個過零點均送出過零脈沖，經單穩電路展寬π/2方波，經反相器反相微分，送出換流脈沖A
其余uAB、uCA兩相均相同。
圖5為觸發脈沖輸出板上電路電原理圖。
當過零脈沖A、A′分別送到IC1、IC2加電源瞬間，RS觸發器清零，Q端為0。Q端為1。
當K1即第一路投入電信號送來時，過零脈沖A經ICl送單穩展寬，輸出放大輸出脈沖，同時反饋給RS觸發器置I；Q端為1,Q端為0，關閉ICl、開放IC2,A′換流脈沖源源送出。當K1信號消失，也就是切除，則K1經反相微分，送出后沿微分脈沖，使RS觸發器復原，也就是置零。
其它二相也如此同時工作，同時關閉，只是過零時刻相差120°而已。
權利要求1.一種可控硅電容器快速補償裝置，其特征在于有一個外殼，外殼中有一個接受一相電流及電壓信號的函數運算電路，函數運算電路與控制邏輯產生電路相接，控制邏輯產生電路有多路輸出，各路輸出分別接一識別邏輯電子門，各識別邏輯電子門分別與一個觸發脈沖產生電路相連接，各觸發脈沖產生電路再接一組可控硅模塊，另有一三相同步電壓電路與過零電壓產生電路相連接，過零電壓產生電路再與前述各識別邏輯電子門相連接。
2.根據權利要求1所述的可控硅電容器快速補償裝置，其特征在于函數運算電路中包括一個一相線電流互感器，電流互感器經降壓及穩壓電路分別接二個比較器的同相輸入端；另有比較電壓接上述比較器的反相輸入端，二個比較器的輸出分別接一門電路。
3.根據權利要求2所述的可控硅電容器快速補償裝置，其特征在于控制邏輯產生電路中有二個分別與前述門電路相接的單穩態觸發器，單穩態觸發器經電子開關電路接與非門電路，另有一個脈沖產生電路與上述與非門電路相連接，與非門電路接循環邏輯電路，循環邏輯電路經多個放大器輸出多路控制電信號。
4.根據權利要求1或2、3所述的可控硅電容器快速補償裝置，其特征在于過零電壓產生電路中有二個分別與三相同步電壓電路中的同步變壓器相連接的比較器，一個比較器經反相器接一RS微分電路送出正過零脈沖A，另一比較器接一單穩態觸發器并再經另一反相器后接另一微分電路送出換流脈沖A′。
5.根據權利要求4所述的可控硅電容器快速補償裝置，其特征在于觸發脈沖產生電路中有分別輸入前述過零脈沖A、A′的二個與非門，與非門共同接一單穩態觸發器，單穩態觸發器輸出放大脈沖，同時反饋給一RS觸發器，RS觸發器的Q、Q端分別接上述與非門的輸入端。
專利摘要本實用新型公開了一種可控硅電容器快速補償裝置,其特征在于:有一個外殼,外殼中有一個接受一相電流及電壓信號的函數運算電路,函數運算電路與控制邏輯產生電路相接,控制邏輯產生電路有多路輸出,各路輸出分別接一識別邏輯電子門,各識別邏輯電子門分別與一個觸發脈沖產生電路相連接,各觸發脈沖產生電路再接一組可控硅模塊,另有一三相同步電壓電路與過零電壓產生電路相連接,過零電壓產生電路再與前述各識別邏輯電子門相連接。優點:實現了無觸點運行,不對電網和電力電容器產生強大的沖擊,運行噪聲小,壽命長,動作可靠,安裝調試方便,改善了電網的運行環境,提高了供用電質量。
文檔編號H02J3/18GK2456353SQ0026196
公開日2001年10月24日 申請日期2000年12月13日 優先權日2000年12月13日
發明者彭耀斌 申請人:彭耀斌