专利名称：功率因数-电压变换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率因数的测量，尤其涉及一种可以应用于功率因数的测量、控制和调节系统的功率因数-电压变换装置。
传统的功率因数测量方法之一是采用功率因数表，如国产1L1-COSφ、6L2-COSφ、16L8-COSφ等型变换器式三相功率因数表和6L2-COSφ型变换器式单相功率因数表。《常用电工仪表与测量(修订本)》P206-210(机械工业出版社1985年4月版，统一书号15033·4254)介绍了这类变换器式功率因数表的工作原理，它是利用变换电路将被测的两个电压、电流交变量之间的相位角转换为一定大小的直流电流，然后用磁电系表头进行测量。实践表明，这种变换器式功率因数表存在线路复杂，使用元器件多，调整困难和降压电阻功率损耗大等缺陷。
本发明基于可控硅整流器的输出电压平均值UL或有效值UL都是可控硅元件的控制角φ’，即电路电压与电流之间的相位差角φ＝φ’的单值函数，同时又是电路电压与电流之间相位差角余弦COSφ即功率因数的单值函数。例如，可控硅单相半波整流器的输出电压平均值ULb由公式(1)给出ULb=I/(2π)·∫φπ(2U2Sinω td(ω t)]]>=0.225U2(1+COSφ) (1)而输出电压有效值ULb由公式(2)给出ULb=I/(2π)·∫φπ(2U2Sinω t)2d(ω t)=U2I/(2π)·COSφI-COS2φ+(π-φ)/2π(2)]]>可控硅单相桥式整流器的输出电压平均值ULQ由公式(3)给出
ULQ=I/π·∫φπ2U2Sinω td(ω t)]]>＝0.45U2(I+COSφ)(3)而输出电压有效值ULQ由公式(4)给出ULQ=I/π·∫φπ(2U2Sinω t)2d(ω t)=U2I/π·COSφ1-COS2φ+(π-φ)/π(4)]]>公式(1)-(4)中的U2是提供交流输入电源的电压互感器副边电压有效值，从公式(1)-(4)中可以看出，UL和UL都反映了COSφ或φ的大小，测量可控硅整流器的输出电压平均值UL，就可以测定电路电压与电流之间的功率因数COSφ或相位差角φ，而用有效值UL，就可以实现对功率因数COSφ的控制与调节。
本发明的实质就是采用可控硅整流器作为转换组件，将采样部件电压互感器取出的被测电路电压作为可控硅整流器的交流电源，而将可以取出被测电路电流过零信号的电流互感器作为另一采样部件，将其取出的电流过零信号作为可控硅元件的导通触发信号，由于可控硅元件的控制角即为被测电路电压与电流之间的相位差角，从而将被测电路电压与电流之间的相位差角直接变换成与功率因数成比例的电压平均值或有效值，测量该电压平均值或有效值，即可测量出电网的功率因数或实现对电网功率因数的控制与调节。
本发明由采样部件电压互感器和可以取出被测电路电流过零信号的另一采样部件电流互感器及转换组件可控硅整流器组成。电压互感器输入端并联接至被测电网取出相电压作为其输入电压，电流互感器输入端串联接至被测电网相线中，电压互感器的输出电压是可控硅整流器的交流电源，电流互感器取出的电流过零信号是可控硅元件控制极的导通触发信号，可控硅整流器的输出端是本发明变换装置的输出端。
本发明应用于功率因数测量时，与直流电压表配套构成复合型功率因数表或相位表，取用变换装置输出的电压平均值，而应用于各种需要对功率因数或无功量进行测量、控制和调节系统中，就与执行元件如继电器线圈配套，取用变换装置输出的电压有效值。
设置采样部件电压互感器和电流互感器，既可以扩大本发明变换装置的电压、电流适用范围，还可以降低对转换组件中可控硅元件的技术要求。应用于500伏以下的低压电路中可以省去电压互感器，将转换组件可控硅整流器直接接入被测电路，被测电路电压即为其交流输入电压。
本发明的转换组件可控硅整流器，可以是可控硅单相半波整流器，也可以是可控硅单相全波整流器，还可以是可控硅单相桥式整流器。
本发明不仅可以用于单相供电线路中，也可以用于三相四线制供电线路中将一相功率因数变换为电压。在三相供电线路中，电压互感器原边跨接至被测电路的二相线，取出线电压作为其输入电压，此时的相位角为π/2+φ。
通过改进电压互感器的设计和对可控硅整流器输出电压进行削波等多种方法，可以有效地克服电网电压U1的波动对电压互感器副边电压有效值U2的影响，同时也可以有效地克服电网电压U1的波动对可控硅整流器输出电压平均值UL或有效值UL的影响。
本发明可以取出被测电路电流过零信号的电流互感器，可以是副边连接有电流过零信号产生电路的普通电流互感器，也可以是一种专门设计的可卸式电流互感器。
普通电流互感器副边连接的电流过零信号产生电路是一个Π型四端网络，其跨接在输入端的直臂可以是两只反向连接的稳压值低于副边电压峰值的稳压二极管串联支路即双向稳压二极管，也可以是两只反向连接的普通二极管并联支路，而横臂上的电容与跨接在输出端的直臂上的电阻组成微分电路，该电路输出的载有电流过零信息的脉冲信号即电流过零信号接至转换组件中可控硅元件的控制极。
本发明应用于10安以下负载电流的电路中可以省去电流互感器，将上述电流过零信号产生电路输入端直接串联接入被测电网的相线中。
专门设计的可卸式电流互感器包括原边、副边和铁心。铁心由可动铁心和固定铁心组成，取下可动铁心把作为电流互感器原边的载有负载电流的导线放入铁心中央，再将可动铁心复位并通过紧固件使其与固定铁心紧密接触以构成漏磁尽可能小的铁心，其重要技术特征是铁心截面积比同等容量的普通电流互感器小，且磁路平均长度也短，极易饱和。在原边通过正弦波负载电流时，在铁心中形成梯形变化磁通，在对应负载电流过零时副边绕组中会产生正、负尖脉冲作为转换组件中可控硅元件的导通触发信号。采用这种可卸式电流互感器就不需要在副边连接电流过零信号产生电路，尤其是不需要断开被测电路。
本发明与传统装置对比，具有线路简单，工作可靠，成本低廉，调试容易和使用方便等特点，尤其是不受被测电网频率、电压等级、电流等级和负载性质的限制，转换组件采用可控硅元件，不仅其输出响应快，可以同步跟踪电网无功量的变化，而且其输出功率大，不需要中间放大环节，就可以直接带动测量仪表或驱动执行元件，因此，可以广泛应用于功率因数的测量，包括在万用电表中附加本发明变换装置就可以增加测量负载功率因数的测量功能，还可以广泛应用于各种需要对功率因数或无功量进行测量、控制和调节的系统中，例如同步发电机的励磁调节系统和异步电动机的节电运行控制系统等等。
本发明有以下附图
图1是本发明的组成方框图;
图2是本发明转换组件采用可控硅单相半波整流器的电路原理图;图中的电流互感器是本发明专门设计的可卸式电流互感器。
图3是本发明转换组件采用可控硅单相桥式整流器的电路原理图;图中的电流互感器是普通电流互感器，其副边连接的电流过零信号产生电路略去未画出。
图4是图2电路的波形图;图中(a)是电压互感器副边电压U2和电流互感器副边电流过零信号加至可控硅元件控制极的电压U9的波形图，(b)是本发明输出电压UL的波形图。
图5是图3电路的波形图;图中(a)是电压互感器副边电压U2和电流互感器副边电流I2的波形图，(b)是本发明输出电压UL的波形图。
图6是本发明应用于三相四线制供电线路中电压、电流矢量图;
图7是副边带有采用两只反向连接的稳压二极管串联支路的电流过零信号产生电路的电流互感器电原理图;
图8是副边带有采用两只反向连接的晶体二极管并联支路的电流过零信号产生电路的电流互感器电原理图;
图9是图7、8电路的波形图;图中(a)是负载电流l1的波形图，(b)是电流互感器副边电压U2′的波形图，(c)是电流过零信号产生电路的输出电压U9的波形图;
图10是可卸式电流互感器实施例结构示意图;
图11是图10可卸式电流互感器的波形图;图中(a)是原边电流l1的波形图，(b)是铁心中磁通φ的变化曲线图，(c)是副边输出电压的波形图。
下面结合实施例对本发明作出说明实施例电路原理图见附图2。电压互感器l采用JDZJ6-10型，其变比为10000/100，电流互感器2是可卸式电流互感器，由可动铁心4和固定铁心5组成的铁心截面积为0.8平方厘米，磁路平均长度为10厘米，副边绕组6匝数为300T，用高强度漆包线绕制两个匝数相同的线圈，分别套装在固定铁心5的两个轭柱上，.两个线圈顺向串联后接至两个输出端，铁心中央穿过原边载流导线7，原边载流导线7与副边绕组6之间设有绝缘材料8，转换组件3是可控硅单相半波整流器，可控硅元件T采用3CTl型。转换组件3的输出电压UL接至磁电式直流电压表头，可以应用于10千伏电网中测量功率因数。
权利要求
1.一种由输入端并联接至被测电网取出相电压作为其输入电压的采样部件电压互感器和输入端串联接至被测电网相线中的另一采样部件电流互感器及转换组件组成的功率因数-电压变换装置，其特征是1.1输出端为变换装置输出端的转换组件是可控硅整流器，电压互感器的输出电压是其交流电源；1.2电流互感器是可以取出被测电路电流过零信号的电流互感器，其取出的电流过零信号是转换组件中可控硅元件控制极的导通触发信号。
2.如权利要求1所述的功率因数-电压变换装置，其特征是可以取出被测电路电流过零信号的电流互感器可以是副边连接有电流过零信号产生电路的普通电流互感器，也可以是一种专门设计的可卸式电流互感器。
3.如权利要求1、2所述的功率因数-电压变换装置，其特征是普通电流互感器副边连接的电流过零信号产生电路是一个Π型四端网络，其跨接在输入端的直臂可以是两只反向连接的稳压值低于副边电压峰值的稳压二极管串联支路即双向稳压二极管，也可以是两只反向连接的普通二极管并联支路，而横臂上的电容与跨接在输出端的直臂上的电阻组成微分电路，该电路输出的载有电流过零信息的脉冲信号即电流过零信号接至转换组件中可控硅元件的控制极。
4.如权利要求1、2所述的功率因数-电压变换装置，其特征是专门设计的可卸式电流互感器的铁心由可动铁心和固定铁心组成，铁心截面积比同等容量的普通电流互感器小，且磁路平均长度也短。
5.如权利要求1所述的功率因数-电压变换装置，其特征是应用于500伏以下的低压电路中可以省去电压互感器，将转换组件可控硅整流器直接接入被测电路，被测电路电压即为其交流输入电压。
6.如权利要求1所述的功率因数-电压变换装置，其特征是应用于10安以下负载电流的电路中可以省去电流互感器，将电流过零信号产生电路输入端直接串联接入被测电网的相线中。
全文摘要
一种由采样部件电压互感器和可以取出被测电路电流过零信号的另一采样部件电流互感器及转换组件可控硅整流器组成的功率因数-电压变换装置，具有线路简单，工作可靠，调试容易等特点，尤其是不受被测电网频率、电压等级、电流等级和负载性质的限制，可以同步跟踪电网无功量的变化，而且不需要中间放大环节就可以直接带动测量仪表或驱动执行元件，可以广泛应用于功率因数的测量、控制和调节的系统中。
文档编号G01R21/06GK1070485SQ92110590
公开日1993年3月31日 申请日期1992年9月10日 优先权日1992年9月10日
发明者李旺洋 申请人:江西工业大学