專利名稱：自適應可控電抗功率因數動態補償裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力系統補償與控制技術，一種電抗功率因數補償裝置。
背景技術：
功率因數補償裝置是電力系統必須使用的裝置，功率因數補償有兩種方式，一種是電容補償方式，另一種是電容+電抗補償方式。電容補償方式的實現原理比較簡單，實現容易，缺點是補償的反應比較慢，主要用于功率因數變化比較慢的場合，目前應用比較多。電容+電抗補償方式的實現原理比較復雜，瞬態反應比較好，主要應用于功率因數波動比較大的場合，自適應可控電抗功率因數動態補償裝置屬于可控并聯電抗器控制裝置。該控制裝置與可控并聯電抗器配套使用，一起構成電力產品的一個應用組件。
發明內容
本實用新型的目的是為電功率因數波動大的應用場合提供一種自適應可控電抗功率因數動態補償裝置，應用于地鐵、電氣化鐵路干線。
本設計的自適應可控電抗功率因數動態補償裝置，包括有前、后面板的殼體、分擔操縱功能的遙控器，其特征在于電路由如下相互連接部分組成采用DSP數據信號處理器為主處理器，與液晶顯示屏相連、與其余功能電路保持連通；LATTCE MACH器件用于周波測量、采樣點分配、采樣結束中斷信號生成，還有輸出端與AD采樣電路相連；交流采樣輸入接口接入的交流采樣輸入回路接口器件分別有輸出端連接周波測量和采樣電路；為調整電路提供同步電壓的交流電壓輸入回路電路分別連接正、負半周處理電路的輸入端；正、負半周處理電路還有輸出端連接光纖調整輸出。
本設計的積極效果從可控并聯電抗器的典型原理模型圖中可以看出就是一個回路的并聯負載，它自身呈現感性，不管是否受到調整，它都有感量存在，因此在設計回路圖7中P1，P2，P3，P4，P5，P6是可控并聯電抗器的外引線節點。通過這P1，P2，P3，P4節點，可控并聯電抗器與補償裝置連接，在補償裝置內部這些信號是經過隔離變壓器隔離的。P5，P6是可控并聯電抗器的電力回路并連接點，直接反映電力回路的電壓值，采用能耐大電流的同排結構。P1，P2是正半周調整節點。P3，P4是負半周調整節點。補償裝置的控制輸出部分采用獨立的驅動電源，并且在與P1，P2，P3，P4節點互聯時采用隔離變壓器方式，完全可以滿足絕緣耐壓要求，安全性能可靠。補償裝置信息共享，裝置采用標準232通訊方式和LAN方式與其它設備通訊。具體的協議可以根據用戶的要求開發(針對有信息共享的客戶)。
補償裝置的工作條件(1)運行溫度-20C+55C(2)相能濕度＜40％-95％(3)大氣壓力86-106KPa
附圖1是本補償裝置整體電路框圖；附圖2是本補償裝置主處理器電路示意圖；附圖3交流采樣電路工作原理示意圖；附圖4是本補償裝置功率因數調整原理示意圖；附圖5是正負半周功率因數調整和交流采樣電路示意圖；附圖6是操縱本補償裝置的遙控器外殼及主面板圖；附圖7是現有技術的可控并聯電抗器模型圖；具體實施方式
本新型的自適應可控電抗功率因數動態補償裝置，包括有前、后面板的殼體、分擔操縱功能的遙控器，其特征在于電路由如下九部分相互連接的電路組成PART1主處理器部分，由于系統中涉及交流采樣數學運算，因此采用DSP數據信號處理器，增強系統的處理性能。圖2中J9是主處理器的總線擴展插座，U3是功能擴展的譯碼部分，主處理器通過U3控制框圖中所有其它功能部分，U3采用CPLD門陣列ISP器件，達到最佳的功能組合。
PART2采用LATTICE MACH器件，主要實現周波的測量，采樣點的分配，采樣結束中斷信號生成。PART3部分處理的輸入交流電壓波形對應的方波信號連接到U3的輸入引腳HZINO和HZIN1，通過U3對方波進行周波的測量，然后通過數據線提交給主處理器。另外，U3內部具備交流采樣時序生成電路，U3的125CONST信號和125CSO是交流采樣的控制信號，控制PART4部分的AD轉換，DZINTO信號是交流采樣結束信號，AD轉換后DZINTO信號向主處理器中斷，由主處理器通過總線接口讀取采樣值。
PART3交流采集的接口器件，包括PT，CT，電流電壓轉換器件，正弦波方波轉換電路等，然后將這些信號提供給PART4AD采樣電路和PART2周波測量部分，見圖2。本補償裝置的電抗調整精度是一個關鍵指標，在一個電壓周波內正半周和負半周是分別調整的，圖4中只給出了正半周的調整時序，負半周的調整時序與正半周的調整時序大致相同。在一個電壓周波周期內，T1的大小由當前的功率因數指標決定，當功率因數變化時T1相應變化。T1是采用脈沖調制的方式調整電抗器的電抗值。
圖5中J4是交流信號的輸入端子，G1，G2，G3，G4是PT和CT，PT和CT是電流型的器件，輸入的交流信號，通過匹配電阻連接到PT和CT，PT和CT輸出的是3ma的交流信號PTO-3，D20是電流電壓轉換器件，將PT和CT的PTO-3電流信號轉成電壓輸出5Vpp，提交給PART4部分。兩外，D21是正弦波方波轉換電路，D21將PTO對應的電壓信號轉換成方波DZINO，轉換后的方波信號DZINO，提交給PART2，用于測量周波，并同步調整時序。
PART4交流采樣AD電路，采用MAX125芯片，14位精度。圖5中D22是MAX125模數轉換芯片。V19提供給D22工作用的-5V電壓，G5提供給MAX125工作用的基頻輸入。裝置的功率因數測量精度是另一個關鍵的指標，圖4中正弦波波形為交流電壓或交流電流信號T，方波描述的是交流采樣點，每個周波采樣32點T1。為了保證采集的精度要求，采樣的時序電流采用獨立的CPLD器件，以16M基準時鐘作為時鐘輸入，根據主處理器設定的T1參量產生穩定的采樣脈沖和采樣結束中斷請求。CPLD器件可以實時地根據周波頻率T的變化修改采樣時序T1。
補償裝置正負半周獨立的調整方式見圖4調整時嚴格要求正負半周相位差180度，裝置中D2負責調整正半周，D6負責調整負半周。補償裝置針對正負半周有獨立的硬件調節電路，滿足P1，P2，P3，P4的電氣連接和功能要求。硬件調節電路主要完成如下功能(僅以正半周調節電路說明，負半周調節電路與正半周調節電路功能及原理相同)*識別周波的輸入*接收主處理器發來的調整參數。
*向主處理器提供調整參數(返校)。
*計算脈沖調整偏移，當符合便宜條件時，調整信號輸出有效。
*接收主處理器的禁止調整命令，可以禁止《可控并聯電抗器》調整。
*半周周期結束時，調整功能失效控制。
PART5液晶顯示單元PART6正半周調整電路，主要用于生成正半周的功率因數調整波形。U1采用CPLD門陣列ISP器件，完成正半周的調整，U1根據主處理器通過總線設置的調整偏差值來進行調整，調整的時序嚴格同步輸入的交流信號對應的方波信號，由于功率因數調整有嚴格的要求，裝置中由硬件來調整，會使調整后的功率因數變得穩定。另外主處理器可以對U1發送指令允許調整或禁止調整。
PART7負半周調整電路，主要用于生成負半周的功率因數調整波形。U2采用CPLD門陣列ISP器件，完成負半周的調整，功能同PART6，不再詳細描述。
PART8為PART6和PART7提供調整同步的條件，功率因數調整波形必須嚴格同步電壓輸入。這部分在其他部分已經涉及到了，單獨提出來是因為硬件調整的重要性。
PART9預留的通訊擴展接口和遙信輸入接口及報警電路。
光纖輸出驅動接口調整輸出信號經過光纖輸出接口到達光纖接收端，然后再驅動隔離變壓器，經過隔離變壓器提供給可控并聯電抗器。
補償裝置檢測信號量描述補償裝置作為功率因數的調整裝置，必須檢測如下信號量*回路電壓量0-120VAC(滿程)*回路電流量0-6AAC (滿程)*電抗器電流量0-6AAC(滿程)這些信號的檢測是通過交流算法實現的。
注意針對現場各種電壓等級的工程信號，必須提供相應的電壓互感器和電流互感器，互感器的變比滿程值要小于并且接近檢測信號量的滿城值。選擇變比太小會應將采集的精度，變比太大會超出檢測信號的范圍。
通過檢測，補償裝置可以給出如下數據量*回路電壓值*回路電流值*回路周波值*回路有功功率值*回路無功功率值*回路功率因數值*回路負載類型(是感性負載還是容性負載)另外補償裝置還可以給出如下曲線*回路電流曲線*回路電壓曲線*回路功率因數變化曲線補償裝置電抗參數調整實時性補償裝置的測控流程采用流水線的方式采集數據——計算——調整——采集數據——計算——調整——。
在這一過程中采集數據占用了一個周波的20毫秒的時間，這個時間一般是固定的，因此補償裝置的響應時間不可能小于這個時間。
計算部分采用交流算法，由于采用了高性能的數據信號處理器，這一過程將變得特別快速，計算時間3-4毫秒。
調整部分的下發和驅動環節的真實響應，應當以半個周期計算或小于半個周期計算，這是因為驅動調整回路采用正負半周分開調整的。因此調整部分的響應時間是10-15毫秒。
根據以上的說明，裝置的響應時間是30毫秒-35毫秒。
補償裝置針對電抗器的過流保護及自恢復功能*過流保護是針對流過電抗器的電流進行檢測，一旦發現超過設定的值，立刻關斷電抗器的調整輸出，電抗器的感性負載增大，流過電抗器的電流減小，達到保護電抗器的目的。參見下式RL＝1/(2*PAI*F*L)---RL感抗PAI3.14F網頻L電抗器的電感量裝置的過流保護的響應時間設計成80毫秒，保證濾出采集量的突變。
保護后裝置進入10秒的關斷周期，然后進入自恢復狀態。
*自恢復功能是指可調電抗器由非工作狀態(關斷狀態)轉到工作狀態時裝置采取的一個動作。自恢復功能在補償裝置中體現在兩個地方，一個是裝置上點時，另一個是電抗器保護后自動重新啟動時。本裝置簡單地采用慢恢復方式，確保恢復的可靠性。本裝置的恢復時間一般在30秒左右。
本補償裝置的控制技術參數交流模擬量(1)準確度全部測量內容＜0.5％(2)輸入范圍電壓0-100V，可擴至115V電流0-5A，可擴至5.5A(3)過量輸入電壓2UH 10S電流3IH 10S(4)耐壓強度端子間與端子對地2KV 50HZ Lmin(5)絕緣強度＞20MΩ開入量輸入(1)輸入電壓12-24V(2)隔離電壓1500V(3)事件分辨率(SOE)＜4MS控制量可控硅獨立控制單元，脈沖觸發方式。
脈沖變壓器和光纖隔離方式。
通訊接口RS-232三線雙工 隔離傳輸電平0-5V傳輸距離15米LAN接口報警輸出220VAC交流輸出，輸出電流1A，可以驅動各種指示燈具。
鍵盤采用遙控器方式，36個按鍵。鍵位分布如圖5鍵盤可以輸入數字，字符和控制命令。
數字的輸入方法直接按0-9就可以輸入數字。
字母的輸入方法數字鍵0-9和SHIFT1，SHIFT2，SHIFT3配合使用就可以輸入字母，例如輸入a要按照下列順序輸入SHIFT1----1----SHIFT1.
輸入e要按照下列順序輸入SHIFT2----2----SHIFT2.
液晶背光顯示切換鍵LIGHT顯示或不顯示液晶背光功能鍵F1-F10。
權利要求1.自適應可控電抗功率因數動態補償裝置，包括有前、后面板的殼體、分擔操縱功能的遙控器，其特征在于電路由如下相互連接部分組成采用DSP數據信號處理器為主處理器，與液晶顯示屏相連、與其余功能電路保持連通；用作采樣電路的LATTCE MACH器件用于周波測量、采樣點分配、采樣結束中斷信號生成，還有輸出端與AD采樣電路相連；交流采樣輸入接口接入的交流采樣輸入回路接口器件，分別有輸出端連接周波測量和采樣電路；為調整電路提供同步電壓的交流電壓輸入回路電路分別連接正、負半周處理電路的輸入端；正、負半周處理電路還有輸出端連接光纖調整輸出；調整輸出部分采用獨立的驅動電源，并且在與互聯節點連接時采用隔離變壓器。
2.根據權利要求1所述的自適應可控電抗功率因數動態補償裝置，其特征在于采樣電路CPLD器件及M1基準時鐘執行主處理器設定的電抗值T1參量，對每個正弦波采樣32點T1，生成采樣時序電流、采樣脈沖和采樣中斷請求信號。
3.根據權利要求1所述的自適應可控電抗功率因數動態補償裝置，其特征在于交流采樣輸入回路采用MAX125芯片作為交流采集的接口器件，與主處理器PART1相互連通，包括PT、CT、電流電壓轉換器件、正弦波方波轉換電路；交流信號的輸入端子J4，通過匹配電阻連接到G1，G2，G3，G4，即電流型的器件PT和CT；PT和CT輸出端PT0-3連接電流電壓轉換器件D20，其輸出端連接交流采樣AD電路；另外，正弦波方波轉換電路D21與PT0組對應連接，將電壓信號轉換成方波DZINO，并輸出連接PART2測量周波并同步調整時序的LATTIC MACH器件。
4.根據權利要求1所述的自適應可控電抗功率因數動態補償裝置，其特征在于交流采樣AD電路D22，采用MAX125芯片，14位精度，與主處理器PART1和電流電壓轉換器件D20相連；V19輸入端連接D22，提供工作用的-5V電壓，時鐘電路G5連接MAX125，提供工作用的基頻輸入。
5.根據權利要求1所述的自適應可控電抗功率因數動態補償裝置，其特征在于遙控器內設電路與主處理器相通，遙控器正面控制鍵采用遙控器方式，鍵盤可以輸入數字、字符和控制命令數字鍵(0-9)就可以輸入數字，數字鍵(0-9)和SHIFT1、SHIFT2、SHIFT3配合使用輸入字母，CAPS鍵改變字母的大、小寫，向上翻頁PGUP、向下翻頁PGDOWN、向上移動光標UP、向下移動光標DOWN、向左移動光標LEFT、向右移動光標RIGHT、液晶背光顯示切換鍵LIGHT顯示或不顯示液晶背光。
專利摘要自適應可控電抗功率因數動態補償裝置，用于可控并聯電抗器，其特征在于電路由如下相互連接部分組成DSP數據信號處理器為主處理器，與液晶顯示屏相連、與其余功能電路保持連通；采樣電路的LATTCE MACH器件用于周波測量、采樣點分配、采樣結束中斷信號生成，其輸出端與AD采樣電路相連；交流采樣輸入接口接入的交流采樣輸入回路接口器件，分別有輸出端連接周波測量和采樣電路；交流電壓輸入回路電路分別連接正、負半周處理電路的輸入端，還有輸出端連接光纖調整輸出。由于裝置的控制輸出有驅動電源，與主設備節點互聯時采用隔離變壓器方式，完全可以滿足絕緣耐壓要求，安全性能可靠。補償裝置信息共享，可以根據用戶的要求開發。
文檔編號H02J3/18GK2891440SQ20052009391
公開日2007年4月18日 申請日期2005年11月29日 優先權日2005年11月29日
發明者宋力, 王旭 申請人:沈陽東宇集團股份有限公司