专利名称：高功率因数用户谐波治理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及高功率因数用户谐波治理装置。
背景技术：
随着全球工业化进程的加快，电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。电力电子装置是公用电网中最主要的、数量最大的谐波源，电力电子装置的应用日益广泛，电网中的谐波“污染”也日趋严重。电力系统谐波“污染”的治理已成为电工科学技术界所必须解决的问题。谐波的危害十分严重谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或者烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波给输电设备、配电设备和用电设备带来极大的危害。谐波使电能质量下降，使电能损耗增大。在低压侧，有的用户的谐波电压总畸变率高达10% (国家标准为5%)，甚至于20%，所带来的“污染”、危害和损耗是可想而知的。电力部门有明文规定电力高次谐波采取“谁干扰、谁污染、谁治理”的方式进行谐波治理。GB/T14M9-93《电能质量公用电网谐波》规定了国家谐波电压、谐波电流的标准。超过这个标准的用户必须治理谐波，否则电力部门有权停止用户用电。在谐波治理中发现，有的用户的自然功率因数很高，谐波电压、谐波电流严重超过国家标准，例如某陶瓷有限公司球磨车间姊变压器低压侧谐波电压总畸变率高达16. 3% (国家标准规定5%)，5次谐波电压含有率高达14. 2% (国家标准规定4%)，7次谐波电压含有率高达7. 6% (国家标准规定4%);在基波电流为1M6A时，5次谐波电流为316. 5A，7次谐波电流为128. 6A ；功率因数为0. 9701。对于这样的用户要把谐波抑制到国家标准以内，无功补偿一定过补，一定出现无功倒送。过补无功所造成的危害比欠补无功所造成的危害更大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种既能把谐波抑制到国家标准以内，又能把功率因数恒定在0. 90 0. 99之间，使基波无功既不“欠补”又不“过补”的更加合理的高功率因数用户谐波治理装置。本发明所采用的技术方案是一种高功率因数用户谐波治理装置，它包括单调谐谐波滤波器部分和磁阀式可控电抗器部分，所述单调谐谐波滤波器部分挂接在配电房内的母线上，所述磁阀式可控电抗器部分挂接于负载附近的母线上，所述单调谐谐波滤波器部分、所述磁阀式可控电抗器部分、所述负载三者实现并联连接，所述单调谐谐波滤波器部分和所述磁阀式可控电抗器部分所挂接的母线同相，所述单调谐谐波滤波器部分包括单调谐谐波滤波器控制器和由断路器、熔断器、交流开关模块、滤波电容、滤波电感串联组成的某一相的谐波滤波支路，所述单调谐谐波滤波器部分谐振于欲要滤除的谐波次数，所述磁阀式可控电抗器部分包括无功补偿控制器和由断路器、熔断器、接触器、磁阀式可控电抗器串联组成的某一相的无功补偿支路。所述交流开关模块可以是IGBT类半导体开关器件，也可以是交流接触器类开关器件，所述IGBT类半导体开关器件的控制极或者交流接触器类开关器件的线圈连接所述单调谐谐波滤波器控制器的控制输出端，所述单调谐谐波滤波器控制器包括电压检测端和电流检测端，所述电压检测端和所述电流检测端分别与负载相线连接。所述无功补偿控制器包括依次对应电连接的单片机、功率因数检测电路、导纳计算电路、线性化电路、触发电路、驱动电路，所述磁阀式可控电抗器包括可控硅I、可控硅 II、续流二极管、第一阴极、第二阴极、第一控制极、第二控制极，所述功率因数检测电路与负载相线连接，所述驱动电路与所述接触器的线圈连接，所述触发电路各输出端分别与所述第一阴极、第二阴极、第一控制极、第二控制极对应电连接。所述磁阀式可控电抗器还包括两个铁芯和绕制在所述铁芯上的绕组，所述两个铁心上分别绕有总匝数为N的上、下两个绕组共组成四个绕组，所述四个绕组匝数均为N/2， 不同铁心上的上、下两个绕组交叉顺连后并联至电网，所述续流二极管跨接在两个绕组的交叉连接处，所述四个绕组均有抽头，所述抽头分别与所述可控硅I、可控硅II的阴极、阳极对应相连。A、B、C三相谐波滤波支路接成星形可以使基波无功补偿量最小，所述磁阀式可控电抗器KKL接成无零星形可以使3次谐波无通路。本发明的有益效果是由于本发明包括单调谐滤波器部分和磁阀式可控电抗器部分，所述单调谐谐波滤波器部分挂接在配电房内的母线上，所述磁阀式可控电抗器部分挂接于负载附近的母线上，所述单调谐谐波滤波器部分、所述磁阀式可控电抗器部分、所述负载三者实现并联连接，所述单调谐谐波滤波器部分和所述磁阀式可控电抗器部分所挂接的母线同相，所述单调谐谐波滤波器部分包括单调谐谐波滤波器控制器和由断路器、熔断器、 交流开关模块、滤波电容、滤波电感串联组成的某一相的谐波滤波支路，所述单调谐谐波滤波器部分谐振于欲要滤除的谐波次数，所述磁阀式可控电抗器部分包括无功补偿控制器和由断路器、熔断器、接触器、磁阀式可控电抗器串联组成的某一相的无功补偿支路；所以，本发明是一种把谐波滤波技术和静止无功补偿技术结合在一起的新的组合，起到了使用户的谐波达到国家标准而功率因数又恒定的新的技术效果的谐波治理装置。本发明利用无源滤波装置的单调谐滤波型式削除谐波并补偿基波无功；利用静止无功补偿装置的磁阀式可控电抗器型式吸收基波无功，把无源滤波装置对基波无功补偿的过补部分吸收掉，从而既把谐波削除到国家标准以内，又把功率因数恒定在0. 9 0. 99之间。
图1为高功率因数谐波滤波补偿装置单线示意图； 图2为谐波滤波补偿装置滤波支路系统原理图3为磁阀式可控电抗器原理图； 图4为磁阀式可控电抗器装置系统原理图。
具体实施例方式如图1、图2、图3、图4所示，本发明包括单调谐滤波器部分1和磁阀式可控电抗器部分2，所述单调谐谐波滤波器部分1挂接在配电房内的母线上，所述磁阀式可控电抗器部分2挂接于负载3附近的母线上。所述单调谐谐波滤波器部分1、所述磁阀式可控电抗器部分2、所述负载3三者实现并联连接。所述单调谐谐波滤波器部分1和所述磁阀式可控电抗器部分2所挂接的母线同相。所述单调谐谐波滤波器部分1包括单调谐谐波滤波器控制器LKZ和由断路器LQF、熔断器LRD、交流开关模块LKG、滤波电容LC、滤波电感LL串联组成的某一相的谐波滤波支路，所述单调谐谐波滤波器部分1谐振于欲要滤除的谐波次数。所述磁阀式可控电抗器部分2包括无功补偿控制器BKZ和由断路器BQF、熔断器BRD、接触器 BKM、磁阀式可控电抗器KKL串联组成的某一相的无功补偿支路。所述交流开关模块LKG可以是IGBT类半导体开关器件，也可以是交流接触器类开关器件，所述IGBT类半导体开关器件的控制极或者交流接触器类开关器件的线圈连接所述单调谐谐波滤波器控制器(LKZ)的控制输出端，所述单调谐谐波滤波器控制器LKZ包括电压检测端和电流检测端，所述电压检测端和所述电流检测端分别与负载相线连接。所述无功补偿控制器BKZ包括依次对应电连接的单片机、功率因数检测电路、导纳计算电路、线性化电路、触发电路、驱动电路，所述磁阀式可控电抗器KKL包括可控硅
IKG1、可控硅II KG2、续流二极管D、第一阴极K1、第二阴极K2、第一控制极G1、第二控制极 G2，所述功率因数检测电路与负载相线连接，所述驱动电路与所述接触器BKM的线圈连接， 所述触发电路各输出端分别与所述第一阴极K1、所述第二阴极K2、所述第一控制极G1、所述第二控制极G2对应电连接。所述磁阀式可控电抗器KKL还包括两个铁芯和绕制在所述铁芯上的绕组，所述两个铁心上分别绕有总匝数为N的上、下两个绕组共组成四个绕组，所述四个绕组匝数均为N/2，不同铁心上的上、下两个绕组交叉顺连后并联至电网，所述续流二极管D跨接在两个绕组的交叉连接处，所述四个绕组均有抽头，所述抽头分别与所述可控硅I KG1、可控硅
IIKG2的阴极、阳极对应相连。A、B、C三相谐波滤波支路接成星形可以使基波无功补偿量最小，所述磁阀式可控电抗器KKL接成无零星形可以使3次谐波无通路。所述的磁阀式可控电抗器KKL的投切元件为接触器BKM，调节元件为磁阀式可控电抗器KKL中的可控硅I KG1、可控硅II KG2。所述投切元件BKM使所述磁阀式可控电抗器 KKL在功率因数大于0. 99时投入，同时自动调节所述磁阀式可控电抗器KKL的容量使功率因数小于0. 99 ；所述投切元件BKM使磁阀式可控电抗器在功率因数小于0. 9时切除。所述投切元件BKM和所述磁阀式可控电抗器KKL的控制极分别接在所述无功补偿控制器BKZ的第一组输出端和第二组输出端。第一组输出的第一阴极、第一控制极分别接在所述磁阀式可控电抗器KKL的第一阴极K1、第一控制极Gl上，第二组输出的第二阴极、第二控制极分别接在所述磁阀式可控电抗器KKL的第二阴极K2、第二控制极G2上，见附图3和附图4。所述无功补偿控制器BKZ对负载3的运行情况进行电压、电流取样，经内部单片机处理，检测计算出功率因数值，发出对所述投切元件BKM的投入或者切除信号，使磁阀式可控电抗器KKL 接入或者退出用户的供电系统。当检测到功率因数小于0.9时，所述无功补偿控制器BKZ 发出信号令所述投切元件BKM切除磁阀式可控电抗器KKL ；当检测到功率因数大于0. 99时投入磁阀式可控电抗器KKL。当磁阀式可控电抗器KKL接入时，所述无功补偿控制器BKZ还发出一组触发脉冲，触发可控硅调节所述磁阀式可控电抗器KKL中的可控硅I KG1、可控硅 II KG2的导通角，改变电抗器中直流控制电流的大小，从而平滑地改变可控电抗器的感抗。本发明的优点主要体现在
1)采用高功率因数用户的谐波治理装置来解决用户自然功率因数很高，而谐波又严重超标的削谐问题。它利用无源滤波装置(PPF)的单调谐滤波器型式削除谐波，用静止无功补偿装置(SVC)的磁阀式可控电抗器型式(MCR)吸收无功。做到既把谐波削除到国家标准以内，又把功率因数恒定在0. 90 0. 99之间(大于国家标准，小于1)。2)磁阀式可控电抗器是基于磁放大器原理来工作的，它是一种交直流同时磁化的可控其饱和度的铁心电抗器，工作时，可以用极小的直流功率(约为磁控电抗器额定功率的0. 1% 0. 5%)来改变和控制铁心的饱和度(也就是改变铁心的导磁率μ )，改变其感抗值，从而达到调节电抗电流的大小并平滑调节无功功率的目的。在电力系统中，磁阀式可控电抗器是静止无功补偿装置的一种型式(MCR)，它的主要特点是稳定、可靠、体积小、成本低、控制灵活、维护管理简单。本装置利用了它吸收单调谐滤波器富裕的基波无功，把功率因数限制在0. 90 0. 99之间。市场上现有的无源滤波器一般是采用减少无源滤波器电容量的方法来限制功率因数的过补，但对高功率因数用户来讲，这一方法不实用。因为容量过小谐波削不到国家标准以内；容量大一点，谐波消除到国家标准以内，但无功又过补，出现无功倒送。这就是无源滤波器在高功率因数场合下，单调谐滤波器削谐和功率因数不可两全的问题。任何事物都具有两面性，而本发明在于把静止无功补偿装置和无源谐波滤波装置结合在一起，相互取长补短，达到既把谐波消除到国家标准以内，又把功率因数恒定在0. 90 至0. 99之间的目的。合理地采用磁控电抗器，调节电抗器的电感值，使感性电流可控，感性无功可控，输出基波感性无功与单调谐无源滤波器输出的基波容性无功相抵消，在用户高功率因数的情况下削谐不出现无功过补、不无功倒送。解决了单调谐无源滤波器和高通无源滤波器无法解决的难点滤波要求和无功补偿要求在某种场合下难以协调。3)自行针对性研制的智能控制器能够自动跟踪无功的变化，在功率因数小于0.90 时自动切除磁阀式可控电抗器；在功率因数大于0. 99时自动投入磁阀式可控电抗器，在投入磁阀式可控电抗器时，可自动调节磁阀式可控电抗器的直流，去控制磁阀式可控电抗器的感抗值，从而平滑地调节无功功率。智能控制器中采用内置功能极强的PIC单片机作为控制器的核心电路，改变了控制系统的结构，从一般的控制进入功能控制，简化了硬件电路。采用现场测得的无功或功率因数，经PIC单片机的运算控制磁阀式可控电抗器中可控硅的导通角。PIC单片机的运用使控制系统抗干扰能力、抗谐波能力、稳定性和工作可靠性大大提高。本发明属于电力系统设备建设领域，可广泛用于钢铁、冶炼、制糖等谐波含量大， 自然功率因数高的企业。
权利要求
1.一种高功率因数用户谐波治理装置，其特征在于它包括单调谐谐波滤波器部分 (1)和磁阀式可控电抗器部分(2)，所述单调谐谐波滤波器部分(1)挂接在配电房内的母线上，所述磁阀式可控电抗器部分(2)挂接于负载(3)附近的母线上，所述单调谐谐波滤波器部分(1)、所述磁阀式可控电抗器部分(2)、所述负载(3)三者实现并联连接，所述单调谐谐波滤波器部分(1)和所述磁阀式可控电抗器部分(2)所挂接的母线同相，所述单调谐谐波滤波器部分(1)包括单调谐谐波滤波器控制器(LKZ)和由断路器(LQF)、熔断器(LRD)、交流开关模块(LKG)、滤波电容(LC)、滤波电感(LL)串联组成的某一相的谐波滤波支路，所述单调谐谐波滤波器部分(1)谐振于欲要滤除的谐波次数，所述磁阀式可控电抗器部分(2)包括无功补偿控制器(BKZ)和由断路器(BQF)、熔断器(BRD)、接触器(BKM)、磁阀式可控电抗器(KKL)串联组成的某一相的无功补偿支路。
2.根据权利要求1所述的高功率因数用户谐波治理装置，其特征在于所述交流开关模块(LKG)可以是IGBT类半导体开关器件，也可以是交流接触器类开关器件，所述IGBT类半导体开关器件的控制极或者交流接触器类开关器件的线圈连接所述单调谐谐波滤波器控制器(LKZ)的控制输出端，所述单调谐谐波滤波器控制器(LKZ)包括电压检测端和电流检测端，所述电压检测端和所述电流检测端分别与负载相线连接。
3.根据权利要求1所述的高功率因数用户谐波治理装置，其特征在于所述无功补偿控制器(BKZ)包括依次对应电连接的单片机、功率因数检测电路、导纳计算电路、线性化电路、触发电路、驱动电路，所述磁阀式可控电抗器(KKL)包括可控硅I (KG1)、可控硅II (KG2)、续流二极管(D)、第一阴极(K1)、第二阴极(K2)、第一控制极(G1)、第二控制极(G2)， 所述功率因数检测电路与负载相线连接，所述驱动电路与所述接触器(BKM)的线圈连接， 所述触发电路各输出端分别与所述第一阴极(K1)、所述第二阴极(K2)、所述第一控制极 (G1)、所述第二控制极(G2 )对应电连接。
4.根据权利要求3所述的高功率因数用户谐波治理装置，其特征在于所述磁阀式可控电抗器(KKL)还包括两个铁芯和绕制在所述铁芯上的绕组，所述两个铁心上分别绕有总匝数为N的上、下两个绕组共组成四个绕组，所述四个绕组匝数均为N/2，不同铁心上的上、 下两个绕组交叉顺连后并联至电网，所述续流二极管(D)跨接在两个绕组的交叉连接处，所述四个绕组均有抽头，所述抽头分别与所述可控硅I (KG1)、可控硅II (KG2)的阴极、阳极对应相连。
5.根据权利要求1所述的高功率因数用户谐波治理装置，其特征在于A、B、C三相谐波滤波支路接成星形可以使基波无功补偿量最小，所述磁阀式可控电抗器KKL接成无零星形可以使3次谐波无通路。
全文摘要
本发明公开了一种高功率因数用户谐波治理装置，它包括单调谐滤波器部分(1)和磁阀式可控电抗器部分(2)。它是一种把谐波滤波技术和静止无功补偿技术结合在一起的新的组合，起到了使用户的谐波达到国家标准而功率因数又恒定的新的技术效果的谐波治理装置。它利用无源滤波装置的单调谐滤波型式削除谐波并补偿基波无功；利用静止无功补偿装置的磁阀式可控电抗器型式吸收基波无功，把无源滤波装置对基波无功补偿的过补部分吸收掉；从而既把谐波削除到国家标准以内，又把功率因数恒定在0.9～0.99之间。本发明适用于电力系统设备建设领域。
文档编号H02J3/01GK102270846SQ20111024094
公开日2011年12月7日 申请日期2011年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者杜春益, 魏风浪 申请人:珠海市汇通电气有限公司