一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置及实验方法，该实验装置包括自动功率补偿控制器，自动功率补偿控制器的电源端口通过空气开关、螺旋保险以及电压表与市电电连接，自动功率补偿控制器的电流端口连接有输入电流表，输入电流表连接有相互并联的容性电流表和感性电流表，容性电流表通过可调电阻连接有补偿电容电路，补偿电容电路是由电阻、电容以及继电器连接形成的多级并联补偿电路；感性电流表通过可调电阻连接有负载电路，负载电路是由按钮开关和电感串联后形成的多级并联负载电路；继电器同时与自动功率补偿控制器连接。本实用新型结构设计合理，结构紧凑，将教学和实验结合在一起，从而使学生更容易掌握教学内容。
【专利说明】一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种教学实验装置，具体涉及一种电脑控制功率因数补偿演示与 实验装置及实验方法。
【背景技术】
[0002] 电力能源是发展社会生产和提高人民生活水平的重要物质基础，在国民经济中 占有重要的地位，鉴于电力生产的特点，用户用电功率因数的高低，对发、供、用电设备的 充分利用，节约电能和改善电压质量有着重要的影响。供电设备主要以整流装置为主，其属 于非正弦受电设备，即使供电系统的电压为实际正弦波，整流装置从供电系统中取用的电 流也是非正弦波形且具有很大程度的畸变，并出现谐波分量。该分量不能增加有功功率视 在功率，而且整流装置配有饱和电抗器，属感性负载，其自然功率因数不高。而其他许多用 电设备大多为异步电动机等感性负载，其主变自然功率因数要低，不能充分发挥现有设备 的出力，而且无功分量在受电设备与发电机组之间在线路上作无用功，造成能源浪费，企业 电费成本增加。
[0003] 在正弦交流电路中，负载消耗的有功功率P与功率因数COSCj5有关，而COSCj5又取 决于负载的性质和参数。只有在负载为纯电阻性负载（如白炽灯）的情况下，COSCj5 = 1， 电源供给负载的能量才能全部利用。当大量使用感性负载时，整个供电线路的功率因数总 是小于1的，电源供给的能量没有得到全部利用，这是因为电路中发生能量互换，出现了无 功功率Q=UIsinΦ，较低的功率因数将会引起以下问题：
[0004] 1、发电设备的容量不能被充分利用
[0005] 因为电源设备如发电机或变压器等的容量都是根据额定电压U和额定电流I设计 的，其容量S=UI,表示允许发出或通过的最大功率。而有功功率P=UIcos(J) =Scos(J), 显然，如果是电阻性负载，cosΦ= 1，则发电机或变压器所能发出的或传输的有功功率P= Ulcoscji=Π=S，电源设备的容量得到了充分的利用。如果是感性负载，Coscj5〈1，则发电 机或变压器输出的有功功率P=UIc〇S(j5〈S。在S-定的情况下，功率因数愈低，发电机发 出的P就愈小，无功功率Q就愈大，则发电机的能量不能充分利用。例如，S= 1000KVA的 变压器，在cosΦ= 1时，就能发出1000KW的有功功率，而在负载cosΦ= 0. 6时，只能有 600KW的有功功率供负载消耗，而有800Kvar的无功功率给感性材料进行能量的相互转换。
[0006] 2、增加线路的损耗
[0007] 当发电机的电压U和输出功率P-定时，由/ = 可知功率因数愈低，线路电 (7cos^ 流I愈大，输电线路的功率损耗愈大。所以，功率因数的提高，能使发电设备得到充分利用， 同时也能使电能得到大量节约。
[0008] 提高功率因数主要有两种方法：
[0009] 1.提高自然功率因数，合理选择电气设备的容量并减少所取用的无功功率，是改 善功率因数的基本措施，这样可以提高自然功率因数。因为电动机、变压器等感性负荷是 取用无功功率最多的用电设备，选用的容量大，功率因数和设备效率都会很低，这是不经济 的。
[0010] 2.提高功率因数，采用人工补偿法，采用供应无功功率的设备（并联电容器），对 用电设备所需的无功功率进行人工补偿，以提高功率因数。
[0011] 功率因数的改善是企业用电中较为关注的问题，也是学生学习中较难掌握的内 容，总之，了解功率因数自动补偿的必要性有三：
[0012] 1、教学与实验的需要：
[0013] 在电路理论中，电路功率因数问题是涉及知识较多、较为抽象的内容，同时改善功 率因数又是实际供电系统中较为实用的方法，要将该问题讲清楚，让学生搞明白，只有将课 堂教学与实验教学结合起来，应有实验课交叉进行，才能取得较为理想的教学效果，并让学 生真正掌握这一知识和运用这一技术。在课堂教学进行了视在功率、有功功率、无功功率和 复功率等概念的教学后，用功率因数问题将以上诸多功率概念有机地结合起来，选用供电 系统中最实际的改善功率因数的问题，采用多种思路进行分析计算，使学生全面地理解功 率因数问题，所以开发一套模拟工厂企业实际运行的改善功率因数的装置是教学和实验的 必然需要。
[0014] 2、培养学生实际操作技能的需要：
[0015]目前，在工厂企业中，改善功率因数的装置有几种，但掌握其一种装置的工作原 理、工作方式、操作应用等就可以在工厂实际操作中得心应手了，也为就业增加了一种技 能，尤其对电专业的学生，还是就业的需要。
[0016] 3、企业的实际需要：
[0017]目前，有些企业用电的功率因数严重偏低，且其选用的发电设备、变电设备、用电 设备都几乎为感性负载，都是取用无功功率较高的设备，选用容量均偏大，因此必须采用人 工补偿法，采用供应无功功率的设备（并联电容器），用以提高功率因数。企业的需要也就 使学生必需掌握这一技术。 实用新型内容
[0018] 实用新型目的：本实用新型的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种结构 设计合理、将教学与实验结合在一起的电脑控制功率因数补偿演示与实验装置及实验方 法。
[0019] 技术方案：本实用新型所述的一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置，包括 自动功率补偿控制器，所述自动功率补偿控制器的电源端口通过空气开关、螺旋保险以及 电压表与市电电连接，所述自动功率补偿控制器的电流端口连接有输入电流表，所述输入 电流表连接有相互并联的容性电流表和感性电流表，所述容性电流表通过可调电阻连接有 补偿电容电路，所述补偿电容电路是由电阻、电容以及继电器连接形成的多级并联补偿电 路；所述感性电流表通过可调电阻连接有负载电路，所述负载电路是由按钮开关和电感串 联后形成的多级并联负载电路；所述继电器同时与自动功率补偿控制器连接。
[0020] 作为优化，所述自动功率补偿控制器采用JKG2C型无功功率自动补偿控制器。
[0021] 作为优化，所述自动功率补偿控制器由中央处理单元、存储器、输入接口电路、输 出接口电路、电源、键盘开关以及旋钮组成。
[0022] 作为优化，所述继电器采用JZ7-44型中间继电器。
[0023] 作为优化，所述电容采用CZJ型风扇电容，该电容的大小为2uf，额定电压为630V。
[0024] 作为优化，所述电感采用额定功率为20W的电感式镇流器。
[0025] 作为优化，所述电阻的大小为IKΩ。
[0026] 上述一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置的试验方法，包括如下步骤：
[0027] (1)将负载电路中的各按钮开关断开，将自动功率补偿控制器上的键盘开关拨至 "自动"位置，再合上空气开关观察各仪表读数及指示情况；
[0028] (2)将与负载电路连接的可调电阻旋至合适中间值合适位置，并陆续投入各按钮 开关，其余同步骤（1);
[0029] (3)将键盘开关拨至"手动"位置和"投"位置，其余同步骤⑵；
[0030] (4)将键盘开关拨至"手动"位置和"切"位置，其余同步骤⑵；
[0031] (5)将键盘开关拨至"试验"位置，观看电容投入指示灯的亮熄情况。
[0032] 有益效果：本实用新型结构设计合理，结构紧凑，将教学和实验结合在一起，从而 使学生更容易掌握教学内容。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 图1为本实用新型的实验装置内部电路原理结构图。
[0034] 图2为本实用新型的实验装置的操作面板示意图。
[0035] 图3为本实用新型的自动功率补偿控制器的原理框图。
[0036] 图4为本实用新型的自动功率补偿控制器的工作过程示意图。
[0037] 图5为日光灯实验电路的等效电路。
[0038] 图6为负载选择可行性分析电路图。
[0039] 图7为日光灯镇流器中电感量与电阻值的测定实验电路图。
[0040]图8为补偿电容实验电路图。
【具体实施方式】
[0041] 为了更好的理解本实用新型，下面对本实用新型的技术方案做进一步阐述。
[0042] 如图1和图2所示一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置，包括自动功率补 偿控制器，所述自动功率补偿控制器的电源端口（US1、US2)通过空气开关K1、螺旋保险RU 以及电压表V与市电电连接，所述自动功率补偿控制器的电流端口（IS1、IS2)连接有输入 电流表Al，所述输入电流表Al连接有相互并联的容性电流表A2和感性电流表A3,所述容 性电流表A2通过可调电阻Wl连接有补偿电容电路，所述补偿电容电路是由电阻（Rl-RlO)、 电容（Cl-ClO)以及继电器（KMl-KMlO)连接形成的多级并联补偿电路；所述感性电流表A3 通过可调电阻W2连接有负载电路，所述负载电路是由按钮开关（K2-K5)和电感（T1-T4) 串联后形成的多级并联负载电路；所述继电器（KMl-KMlO)同时与自动功率补偿控制器连 接。
[0043] 本实用新型的实验装置主要包括自动功率补偿控制器、负载电路和补偿电容电 路，下面对上述主要部件的选择以及可行性作进一步分析说明：
[0044] (1)自动功率补偿控制器的选择
[0045] 本实用新型的自动功率补偿器的控制器核心元件由单片机构成，优选采用JKG2C 型无功功率自动补偿控制器。自动功率补偿控制器中的功率因数补偿演示屏主要组成部分 有中央处理单元、存储单元、输入接口电路、输出接口电路（A/D、D/A)电路、电源等部分组 成。根据键盘开关等发出的指令顺序执行存储在它的存储器中的程序来完成其控制功能。 其具体工作原理框图如图3所示，工作过程如图4所示。
[0046] 无功补偿控制是依据设置的功率因数高低变化情况（自动地控制）补偿电容的投 切。我国供电系统均为50HZ的三相交流电，因此只要测得负载相电压与相电流的过零时间 差，即可求得功率因数角度的值，S卩Φ=2π(t/T)
[0047] 式中：Φ 功率因数角度值，t电压电流过零时间差，
[0048]T50HZ交流电周期
[0049] 相位采样是相位处理硬件电路与软件结合完成的，相位处理电路功能是根据电 压与电流的相位系统产生与电压、电流的相位差角成比例关系的方波信号K。具体产生办法 是：当电压信号由正过零时，方波信号由低电平变为高电平：当电流信号由正过零时，方波 号由1?电平变为低电平。
[0050] 利用微处理器产生的定时间隔Λt对方波信号K的正电平的宽度进行计数，测得 计数值n，那么相位差X为X= 2πn/N，式中N=T/Λt.
[0051] 由电路原理可知，当负载为感性负载时，电流滞后电压，滞后愈多X愈大，X恒小于 π/2;当负载为容性负载时，电流超前电压，X恒大于3π/2。由此可见X不仅可以反映功率 因数角的大小，而且还可判断无功的负载是容性还是感性的，即可判断是欠补还是过补。也 可根据相位角的大小决定投切电容的量值。以上为控制原理简述。
[0052] 两相比较，由单片机组成的外加了许多的硬件和软件及抗干扰措施，使其组成的 功率因数补偿控制器具有工作更加稳定、性能可靠、灵敏度高、抗干扰能力强、体积更小、消 耗功率低的优点，且工作方式采用循环投切控制，可保证接触器、电容器的操作次数相同， 延长接触器、电容器的使用寿命，所以优选单片机控制的功率因素补偿控制仪。
[0053] 该自动功率补偿控制器的操作与技术性能指标：
[0054] 1.简介：本机具有体积小、重量轻、功能完善、抗干拢能力强、运行稳定可靠、补偿 精确等特点。
[0055] 2.功能特点介绍：
[0056] 1)存储芯片具有断电记忆功能。即该补偿器电源断电后，参数及程序自动记忆，永 不丢失；再送电时，该补偿器仍按原用户自行设定的参数及程序运行控制；
[0057] 2)LED数字显示电网功率因数，显示范围：滞后（0.00?0.99)，超前（0.00? 0. 99)〇
[0058] 3)通过面板按钮设定cosC>值，延时设定值，过压设定值的设定。简明的人机对 话，使操作极为方便。
[0059] 4)当电网电压超过本机过压设定值时，数字C〇Sc5自动转换显示为电网当前的电 压值，同时自动快速逐级切除已投入的电容值。
[0060] 5)判别取样电流极性（即自动识别极性），并自动切换。给安装、调试及使用带来 极大的方便。
[0061] 6)当取样信号线开路或无输入取样电流信号时，本机数字COSC^自动显示0.CC。
[0062] 7)输出动作程序为先接通的先分断，先分断的先接通的循环工作方式。
[0063] 8)具有手动/自动切换，置自动时，本机自动跟踪电网功率因数及无功电流，控制 电容器自动投入或切除，置手动时，在本机上能实现手投或手切。
[0064] 9)有超前、滞后、过压、欠流LED指示灯指示。
[0065] 10)抗干扰能力强，能抵御从电网直接输入的幅值2000V的干扰脉冲。
[0066] 3.使用条件
[0067]1)周围环境温度不超过+40°C，24小时内平均温度不超过+35°C，最低环境温度 不低于-KTC。
[0068] 2)空气相对湿度不大于85% (在25°C时）。
[0069] 3)周围环境，无易燃易爆的介质存在，无异电尘埃及腐蚀性气体存在。
[0070] 4)电网电压波动范围不大于本机额定电压±10%。
[0071] 4.主要规格及技术参数：
[0072] 1)JKG2C输出点数（4?20)，可控制电容器组数（4?10)路，循环工作方式。
[0073] 2)补偿器整定值及可调节范围：
[0074] 功率因数cosΦ值0· 97:0. 7?0· 98连续旋钮调节设定
[0075] 过电压保护值430V:400?440V连续旋钮调节设定
[0076] 每路投切延时5S: 1?IOS连续旋钮调节设定
[0077] 3)基本参数：
[0078]额定工作电压：220VAC±10%，50HZ
[0079] 电流取样：交流0?5A
[0080] 输出触点容量：交流220VX5A或380VX3A
[0081] 介电强度：交流3000V
[0082] 工作制：连续工作制
[0083] 重量：约I. 0公斤
[0084] (2)被控对象（负载）的选择及可行性分析
[0085]日光灯（含镇流器）电路就是一个典型的RL串联电路，它是由镇流器与灯管串联 而成。镇流器的电流与流过灯管的电流（此时启辉器中电容不接）相同，图5为等效电路 图，镇流器是一个实际电感，相当于一个电阻R'和理想电感L(纯电感）的串联，灯管是一 个电阻性负载R。在电压U稳定情况下，可用万用表分别测得{>、{>丨、处的有效值。
[0086] 即可用余弦定理求出日光灯的功率因数。下面为220V、8W日光灯实 验中测得的数据U= 220V，Ul= 65V，U2 = 207V，则该日光灯的功率因数为：
【权利要求】
1. 一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置，包括自动功率补偿控制器，其特征在 于：所述自动功率补偿控制器的电源端口通过空气开关、螺旋保险以及电压表与市电电连 接，所述自动功率补偿控制器的电流端口连接有输入电流表，所述输入电流表连接有相互 并联的容性电流表和感性电流表，所述容性电流表通过可调电阻连接有补偿电容电路，所 述补偿电容电路是由电阻、电容以及继电器连接形成的多级并联补偿电路；所述感性电流 表通过可调电阻连接有负载电路，所述负载电路是由按钮开关和电感串联后形成的多级并 联负载电路；所述继电器同时与自动功率补偿控制器连接。
2. 根据权利要求1所述的一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置，其特征在于： 所述自动功率补偿控制器采用JKG2C型无功功率自动补偿控制器。
3. 根据权利要求1或2所述的一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置，其特征 在于：所述自动功率补偿控制器由中央处理单元、存储器、输入接口电路、输出接口电路、电 源、键盘开关以及旋钮组成。
4. 根据权利要求1所述的一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置，其特征在于： 所述继电器采用JZ7-44型中间继电器。
5. 根据权利要求1所述的一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置，其特征在于： 所述电容采用CZJ型风扇电容，该电容的大小为2uf，额定电压为630V。
6. 根据权利要求1所述的一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置，其特征在于： 所述电感采用额定功率为20W的电感式镇流器。
7. 根据权利要求1所述的一种电脑控制功率因数补偿演示与实验装置，其特征在于： 所述电阻的大小为1KQ。
【文档编号】G09B23/18GK204178607SQ201420653524
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】顾子明 申请人:江苏工程职业技术学院