專利名稱：高效功率因數(shù)自動補償控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電量的控制或調節(jié)系統(tǒng)。
眾所周知，在電網(wǎng)中由于非電阻性元件的存在，致使電力不能充分利用，造成功率因數(shù)降低。形成一定的無功損耗。在我國發(fā)電能力尚不高的今天，采用有效地補償措施以提高功率因數(shù)，是節(jié)電、挖潛的重要途徑。目前國內外的功率因數(shù)補償控制器存在著兩個致命的缺點，即弱電流時頻繁投切產(chǎn)生振蕩，而在強電流時又呈現(xiàn)補償效益不高，致使平均功率因數(shù)只達到90～95％。這是因它們只根據(jù)單一變量Cosφ控制投切。另外，有采用微機運算型的控制器，雖有些問題得以解決，但對空載補償未做處理，故總的效益仍受影響，加之結構復雜、成本高，且抗干擾性差，目前難以推廣。
本實用新型的目的為解決上述技術問題提供一種高效功率因數(shù)自動補償控制器，擬采用雙變量采樣控制，用I·φ代替I·Sinφ可簡化電路結構，采用運算和逼近相結合的控制方式，能實現(xiàn)既工作穩(wěn)定性高并有投切速度快的特點。
按如上構思，本實用新型所提供的高效功率因數(shù)自動補償控制器是由控制電路和被控制投切的多組相同數(shù)值的電容所組成的，其具體的特征是它的控制電路是采取運算和逼近相結合的控制型式的、采用電流相量代替無功電流為驅動信號、以相電流和相電壓方波的后沿進行比較的、帶有將同步訊號引入時基控制端的同步壓控振蕩器的微電子控制電路，該電路由以下幾個部分組成(1)由IC1、IC2電壓比較器，IC3移相電壓比較器，IC4、IC7電流電壓數(shù)值放大器三部分構成的采樣電路；(2)IC11和IC15組成的分時管理和相位鑒別電路；(3)由IC5、IC9組成的完成VFC轉換的壓控振蕩器；(4)由IC7、IC8、IC10組成的過壓和弱流切除的保護電路；(5)由IC12、IC13、譯碼器、鎖存器組成的相量運算和循環(huán)計數(shù)電路；(6)由IC6組成的超前和滯后的指示電路；(7)由多支雙相可控硅組成的輸出的驅動電路；(8)由開機清零、保護清零、同比較器IC14、最大值保護組成的其它支持電路。
其電路的工作原理如下電壓電流信號經(jīng)PT、CT加至采樣電路，其中IC1、IC2相位采樣是將交流電的正弦波變?yōu)?0HZ的方波，IC3是移相電壓比較器，輸出一個與電壓方波相位差90°的鑒別信號。IC11為計數(shù)分頻器CD4020，輸入20毫秒的方波，輸出為分時管理信號TM。將電流及電壓的方波、移相電壓方波及分時管理信號送至相位鑒別電路IC15與或非門74LS55，在TM＝1時輸出滯后角檢測信號φ，在TM＝0時輸出超前角信號φ′。
IC4、IC7分別為電流、電壓數(shù)值放大器，接有反饋電阻Rf，其增益可調。
IC4輸出與電流成比例的直流信號，送至一雙積分器IC5以及時基時電路IC9，完成同步電壓頻率轉換，IC9的輸出即為與電流強度成比例的脈沖數(shù)字量I，將它與φ信號一同送至IC12完成電流相量I·φ的信號處理，IC12的輸出即為電流相量I·φ的數(shù)字量。
IC4、IC7的電流電壓量值信號經(jīng)比較電路后形成觸發(fā)電平，控制時基電路IC10的輸出，并由它控制計數(shù)、譯碼、鎖存的清零端，當電網(wǎng)電壓過高或電流過小時，則進入過壓保護和弱流切除的工作狀態(tài)，以保證系統(tǒng)的正常工作。
IC6為超前、滯后指示燈LED的驅動電路，當I·φ量值超過一定限值時，IC6輸出高電平，它與兩個LED的陽極相聯(lián)，兩個陰極分別接在分時管理信號TM和TM上，在TM分別取高、低電平時只能有一支LED亮。
IC13為一分頻計數(shù)器，設采樣周期TM／2為N個交流電周期，則IC13為一N分頻計數(shù)器，這樣就完成了I·φ數(shù)字量N個周期內取平均值的計數(shù)運算。
計數(shù)、循環(huán)投切采用通用計數(shù)、譯碼、鎖存器，計數(shù)器為雙BCD碼CD4520計數(shù)器，除開機清零外，不設清零信號，實際完成加、減信號的累計作用。配合譯碼器74LS138可將通用計數(shù)譯碼器組成循環(huán)計數(shù)器。在TM＝1時，滯后計數(shù)、譯碼器工作，并依次將RS觸發(fā)器置1，驅動相應雙向可控硅導通。在TM＝0時，超前計數(shù)、譯碼器工作，滯后計數(shù)被封鎖，此時只能計量超前相量I·φ數(shù)值，并據(jù)此將相應的RS觸發(fā)器置O，即達到光投入的電容先切除的要求，此即循環(huán)投切。
要保證系統(tǒng)的正常工作，必須在每次使用前先將系統(tǒng)清零，因而清零脈沖在本系統(tǒng)中起著重要作用，為此設計了開機清零、保護切除清零等支持系統(tǒng)。
在超前、滯后計數(shù)器記錄數(shù)值相同時，則TM＝1時投入，TM＝0時切除，循環(huán)往復，形成“振蕩”。為此在電路中設置了“同比較器”，當兩個計數(shù)器狀態(tài)相同時，指定保持一種狀態(tài)，本設計中指定投入指令有效，切除指令無效。此者即為臨界投切判定。同比較器IC15為異或門。
本方案在運行上的特點1、把IC1、IC3輸出的相電壓、相電流的方波送入IC15，用它們的后沿進行相位比較，輸出φ角信號。
2、把IC9輸出的I、IC15輸出的φ送至與門，其輸出即為電流相量，以它作為驅動信號送至IC13完成平均運算。
3、用IC5組成積分電路，通過時基電路IC9，組成同步VFC，作為A／D模數(shù)轉換。
4、用IC13和計數(shù)器CD4020完成對電流相量的計數(shù)，按計數(shù)量值進行投切電容，這屬于運算型。投切結果將使無功功率逐漸減少，此時IC1、IC3輸出信號的相位差減小，IC15輸出的φ值減小，驅動投切速度變緩，或在下個周期再進行細補，屬于逼近型工作原理。因此，本設計采用運算與逐次逼近相結合的方式，使之既有高穩(wěn)定度又有速投功能。
5、當電網(wǎng)負荷電流過小時，IC9控制IC10輸出低電平，使自動計數(shù)停止工作，但保證BCR1觸發(fā)，接入一組適配電容，對變壓器空載進行補償。IC10為555時基電路，組成具有回差電壓的恢復電路，以防止臨界振蕩。
6、用IC11分頻計數(shù)器將50HZ方波分頻作為分時管理信號，IC12、IC13、IC15均接受分時管理，IC13為系統(tǒng)平均電路，對采樣信號取平均值，以增加其抗干擾能力。
采用本設計方案與已有技術中的型式相比較能體現(xiàn)如下的優(yōu)越性(1)本方案采用了電流相量I·φ代替無功電流I·Sinφ，使得結構簡化；(2)采用了運算與逼近相結合的邏輯運算方式，使本自動補償控制器獲得高穩(wěn)定度并具有速投功能；(3)工作效率高，工作效果好，一般補償器工作結果使功率因數(shù)為92％左右，本方案的樣機經(jīng)運行試驗兩個月，工作平穩(wěn)可靠，月平均功率因數(shù)可達98～99％，超過了現(xiàn)行的國家標準，也超過國外80年代同類產(chǎn)品的水平，經(jīng)濟效益極為可觀，以天津市為例，功率因數(shù)每提高1％，全市全年無功損耗可減少1億度，增創(chuàng)工業(yè)產(chǎn)值4.7億元；(4)設計合理，結構簡單，體積小，成本低易于推廣。


圖1是高效功率因數(shù)自動補償控制器的原理框圖。
圖2是本方案的結構示意圖。
實施例本方案中IC1～IC8采用了兩片運算放大器LM324。IC9、IC10采用時基電路555。IC11～IC13采用計數(shù)器CD4020。IC14四異或門。IC15與或非門74LS55。本自動補償控制器的工作電壓為220V±10％；輸出接口容量為220V3A及8A兩種；功率因數(shù)調節(jié)范圍0.7～0.99；平均補償效率Cosφ≥96％；外型尺寸150×150×200mm。
權利要求1.一種高效功率因數(shù)自動補償控制器，它是由控制電路及被控制投切的多組相同數(shù)值的電容所組成的，其特征是，它的控制電路是采取運算和逼近相結合型式的、采用電流相量代替無功電流為驅動信號、以相電流相電壓的后沿進行比較的、帶有將同步訊號引入時基控制端的同步壓控振蕩器的微電子控制電路，該電路由以下幾部分組成(1)由IC1、IC2電壓比較器，IC3移相電壓比較器，IC4、IC7電流電壓數(shù)值放大器構成的采樣電路；(2)由IC11和IC15組成的分時管理和相位鑒別電路；(3)由IC5、IC9組成的完成同步VFC轉換的壓控振蕩器；(4)由IC7、IC3、IC10組成的過壓和弱流切除保護電路；(5)由IC12、IC13、譯碼器、鎖存器組成的相量運算和循環(huán)計數(shù)電路；(6)由IC6組成的超前和滯后的指示電路；(7)由多支雙相可控硅組成的輸出的驅動電路；(8)由開機清零、保護清零、同比較器IC14、最大值保護組成的其它支持電路。
專利摘要本實用新型屬于電量的控制或調節(jié)系統(tǒng)。為克服已有技術中功率因數(shù)補償器工作不穩(wěn)定、補償效率不高的問題。特提出該高效功率因數(shù)自動補償控制器。它由采樣電路、相位鑒別、運算計數(shù)、譯碼、鎖存及驅動電路所組成。本方案采用了運算和逼近相結合的控制方式，用電流向量I·φ代替I·sinφ作為驅動信號，使得本方案獲得高穩(wěn)定性及高效率補償控制，使功率因數(shù)接近于1，它體積小，成本低易于推廣。
文檔編號H02J3/18GK2036711SQ8820751
公開日1989年4月26日 申請日期1988年6月27日 優(yōu)先權日1988年6月27日
發(fā)明者饒孝樞 申請人:天津市職業(yè)技術師范學院