一种智能电容补偿装置及电容投切方法与流程

本发明涉及电力电路领域，更具体地说设计一种智能电容补偿装置以及电容投切方法。

背景技术：

电学领域中功率因数这个参数用于衡量一个电气系统效率的高低，功率因数低证明系统中用于建立电场和磁场的能量高，即系统中的无功功率高。

电网系统中电动机和变压器等常规配备的装置属于感性负载，因此电网系统在运行过程中需要向这些感性负载提供无功功率。

本领域中补偿电网系统无功功率，提高系统功率因数的技术手段，从原理上来说主要是并联电容器，而实际操作中就是利用无功功率控制器控制电容补偿装置的投切数量，实现无功功率的补偿操作。但是现有的电容补偿装置的投切过程只依靠机械部件进行操作，因此现有的电容补偿装置及其外围组件所形成的补偿系统中存在接线复杂，占用空间大等缺点，同时更为严重的是电容补偿装置在投切过程中容易出现涌流和电弧现象，对装置带来较大的损害，装置容易失效，降低装置的使用寿命。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种智能电容补偿装置及其电容投切方法。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种智能电容补偿装置，包括：

智能测控单元：用于检测电网系统的电参数，计算电网系统功率因数的；

电容投切开关：用于执行补偿电容的投切操作；

控制器以及补偿电容；

所述智能测控单元与控制器通信连接，所述控制器输出端与电容投切开关相连，所述智能测控单元、电容投切开关以及补偿电容安装固定在绝缘箱内，所述电容投切开关包括检测电路以及用于控制补偿电容投切的磁保持继电器，所述检测电路串接在火线及零线之间，所述检测电路包括电压互感器、电流互感器以及防冲击电容，所述电压互感器输入端、电流互感器输入端以及防冲击电容相互串联，所述电压互感器的输出端以及电流互感器的输出端分别与控制器输入端相连，所述磁保持继电器输入端与控制器输出端相连。

作为上述技术方案的进一步改进，所述智能测控单元包括采集芯片，所述采集芯片型号是CS5460A。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括有保护单元，所述保护单元包括温度检测模块以及断相检测模块，所述温度检测模块输出端与控制器输入端相连，断相检测模块与磁保持继电器输入端相连。

作为上述技术方案的进一步改进，所述温度检测模块包括型号为STLM75温度传感器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述断相检测模块包括单相电源取样电路、基准电源、比较电路、放电电路以及触发电路，所述单相电源取样电路输入端与单相电源接口相连，所述单相电源取样电路输出端与比较电路的输入端相连，所述信号输入接口与基准电源输入端相连，所述基准电源的输出端分别与单相电源取样电路以及比较电路相连，所述比较电路的输出端分别与触发电路的输入端以及放电电路的输入端相连，所述电容投切开关分别与放电电路以及触发电路相连。

本发明的有益效果是：本发明通过智能测控单元对电网系统的电参数进行采集并计算功率因数，根据功率因数的实际值通过电容投切开关实现补偿电容过零投切，杜绝传统补偿装置在投切过程中出现的涌流拉弧现象，提高本装置使用寿命，另外本发明集成度高，便于接线安装，同时将智能测控单元、电容投切开关以及补偿电容都安装在一个绝缘箱内，减少占有空间。

一种智能电容补偿装置的电容投切方法，包括以下步骤：

步骤A：设定补偿电容的投入门限以及切除门限，所述投入门限小于切除门限，设定电网系统不同视在功率下无功功率极限值，设定检测周期；

步骤B：启动定时，定时时间与检测周期相对应；

步骤C：采集电网系统中的电参数，计算电网系统的功率因数、视在功率和无功功率，所述功率因数和无功功率由采集芯片CS5460A计算所得；

步骤D：判断电网系统功率因数是否大于0且小于投入门限，如果是，投入一组补偿电容，判断电网系统功率因数是否大于切除门限且小于0，如果是，切除一种补偿电容；若电网系统功率因数大于投入门限，判断电网系统无功功率是否大于当前视在功率条件下无功功率极限值，如果是，投入一组补偿电容，若电网系统功率因数小于切除门限，判断电网系统无功功率是否大于当前视在功率条件下无功功率极限值，如果是，切除一组补偿电容；

步骤E：等待定时结束，返回步骤B。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤A中，还需要设置补偿电容允许运行的最高温度极限值，过电压保护门限以及欠电流封锁门限。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括步骤F，电容补偿装置运行条件自检测，所述步骤F可设置在步骤A之后任何位置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤F包括：

F01：采集补偿电容当前温度，若补偿电容当前温度大于温度极限值，切除该补偿电容；

F02：判断电网系统是否出现断电现象，如果是，切除所有补偿电容；

F03：判断补偿电容两端电压是否大于过电压保护门限，如果是，切除该补偿电容；

F04：判断电网系统输入电流是否小于欠电流封锁门限，如果是，停止补偿电容的投切操作。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤D中，还包括采集电网系统输入端的电压电流瞬时值；若进行补偿电容投入操作，在输入电压瞬时值最高点处向磁保持继电器输入端加入第一脉冲电信号；若需要进行补偿电容切除操作，在输入电流瞬时值最高点处向磁保持继电器输入端加入第二脉冲电信号；所述第一脉冲电信号与第二脉冲电信号幅值相同，极性相反，所述第一脉冲电信号与第二脉冲电信的脉冲宽度大于输入电压和输入电流的1/4周期。

本发明补偿电容投切方法有益效果是：本方法同时根据电网系统的功率因数以及无功功率控制补偿电容的投切操作，改变现有技术中只针对功率因数或者无功功率进行投切，使电网系统运行得更加稳定，降低点亮损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明的电容补偿装置整体原理框图；

图2是本发明检测电路的原理图；

图3是本发明绝缘箱外观结构示意图；

图4是本发明断相检测模块的电路原理框图；

图5是本发明断相检测模块的电路图；

图6是本发明补偿电容投入波形图；

图7是本发明补偿电容切除波形图；

图8是本发明补偿电容投切方法实施例流程图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参照图1，针对现有电容补偿装置过于机械化，而导致补偿电容在投切过程中出现涌流或者电弧现象的技术问题，本发明创造提供一种智能电容补偿装置。

本发明创造一种智能电容补偿装置，包括智能测控单元、电容投切开关、控制器以及补偿电容，所述智能测控单元主要用于采集电网系统的电参数并由此计算该电网系统运行时的功率因数，所述电容投切开关用于检测电网系统输入电压电流过零点信号以及实现补偿电容的投切操作。本发明创造主要是根据电网系统的功率因数智能控制电网系统中补偿电容的投切数量，当智能测控单元检测到电网系统功率因数过低时，投入补偿电容，因此即使电网系统发生波动，本发明创造也能根据电网系统当前的运行情况作出调整；再者本发明创造中所述电容投切开关能够检测到电网系统输入电压电流的过零信号，可以使到补偿电容在电压电流的过零信号进行投切操作，避免像传统的电容补偿装置一样出现电弧和涌流现象，提高装置的使用寿命。

参照图3，本发明创造中所述智能测控单元与控制器通信连接，所述控制器输出端与电容投切开关相连，所述智能测控单元、电容投切开关以及补偿电容安装固定在一个绝缘箱1内，改变了传统电容补偿装置的分离式的结构，便于安装维护，所述绝缘箱1顶部设置有多个散热孔2，有利于补偿电容的散热，提高补偿电容的使用寿命，绝缘箱1顶部同时设置有空气断路器3，当发生事故时可迅速切除本装置与电网系统的连接，以防装置损坏。

参照图2，具体地，本发明创造中所述电容投切开关包括检测电路以及实现补偿电容投切操作的磁保持继电器，所述检测电路包括电压互感器、电流互感器以及防冲击电容，所述电压互感器输入端、电流互感器输入端以及防冲击电容相互串联，所述电压互感器的输出端以及电流互感器的输出端分别与控制器输入端相连，所述磁保持继电器输入端与控制器输出端相连，当然这里说的相连不是指直接的相连，而是可以通过模数转换电路、降压限流电路间接与控制器输入端相连。所述电压互感器和电流互感器分别用于检测电网系统输入的电压电流值，当电网系统出现过电压输入现象时，所述防冲击电容能够起到保护作用，这是利用了电容器本身两端电压不能突变的性质；所述磁保持继电器与一般继电器工作原理一致，但是磁保持继电器在其开关状态转换时需要在输入端加入一定宽度的脉冲电信号，而且磁保持继电器载流能力比一般继电器强，体积又较小，节省占用空间。

进一步作为优选的实施方式，所述智能测控单元包括采集芯片，所述采集芯片型号是CS5460A。具体地所述型号为CS5460A的采集芯片主要用于采集电网系统的电参数，主要包括电网系统各相输入的电压电流有效值，所述采集芯片兼有测量以及计算功能，其内部配置有模数转换器以及运算器，因此本发明创造中所述智能测控单元无需使用控制器等智能芯片，有效降低成本，同时简化设计。

进一步作为优选的实施方式，本发明创造配置有故障保护机制，本装置包括有保护单元，所述保护单元包括温度检测模块以及断相检测模块，所述温度检测模块输出端与控制器输入端相连，所述断相检测模块与磁保持继电器输入端相连；所述温度检测模块用于采集以投入的补偿电容当前温度，当补偿电容温度过高时，控制器控制磁保持继电器切除该补偿电容，防止补偿电容因温度过高而发生爆炸现象；所述断相检测模块用于检测电网系统是否出现断电缺相情况，当电网系统出现断电缺相情况，直接控制磁保持继电器切除所有补偿继电器，现有的电容补偿装置缺少缺相检测功能，导致其应用的电网系统中即使出现缺相情况也会继续进行补偿电容的投切，导致电网系统出现不可预测的波动，对电网系统内各个用电设备带来各种不可估计的后果。

进一步作为优选的实施方式，所述温度检测模块包括型号为STLM75温度传感器，所述温度传感器能够直接将温度信号以数字信号的形式输出到控制器输入端，便于控制器处理，所述温度传感器与控制器之间通过I2C（集成电路总线）连接，减少温度传感器与控制器的接线数目，同时该型号的温度传感器检测分辨率高，检测范围广。

参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述断相检测模块包括单相电源取样电路、基准电源、比较电路、放电电路以及触发电路，所述单相电源取样电路输入端与单相电源接口相连，所述单相电源取样电路输出端与比较电路的输入端相连，所述信号输入接口与基准电源输入端相连，所述基准电源的输出端分别与单相电源取样电路以及比较电路相连，所述比较电路的输出端分别与触发电路的输入端以及放电电路的输入端相连，所述电容投切开关分别与放电电路以及触发电路相连。其中所述信号输入接口包括有火线零线以及供电端，所述供电端电压通过基准电源转换为适合为电路各模块供电的电压。具体工作原理如下：单相电源取样电路用于对单相电源的电参数取样，作为判断单相电源是否出现故障的依据，之后将取样得到的电参数输入到比较电路，与预设的参数进行比较，根据得出的结果，能够在单相电源发生故障时及时控制触发电路和放电电路的工作，并切断电容投切电路的连接，本发明创造所述的断相检测模块结构简单，无需使用数字控制芯片，成本低，易于推广实现。

参照图5，具体地所述的单相电源取样电路包括整流桥U1以及第一光耦器B1，所述整流桥U1输入端与单相电源接口相连，所述整流桥U1输出端并联有电解电容C3以及第一稳压管ZD1，所述整流桥U1输出端与第一光耦器B1的输入端相连，所述第一光耦器B1的输出端与比较电路输入端相连。所述整流桥U1用于将交流电转换为直流电，电解电容C3起到滤波作用，而第一稳压管ZD1则能够起到电压的嵌位作用，当输入电压过高时，第一稳压管ZD1反向击穿，将两端电位限定在一个固定值，防止后续电路损坏，所述第一光耦器B1主要起到隔离和采样作用，由于第一光耦器B1输入端两端电压过高，不适合后续电路的处理，因此所述单相电源取样电路利用第一光耦器B1对输入的电信号进行隔离并转换，便于后续电路处理。

进一步，所述基准电源包括三端稳压器U2，所述三端稳压器U2输入端与接地端、输出端与接地端之间分别并接有电容，所述三端稳压器U2输入端与信号输入接口相连，所述三段稳压器输出端分别与单相电源取样电路和比较电路相连。本发明创造中所述三端稳压器U2型号为78L05，所述三端稳压器U2能够将输入端电压转换为另一个稳定的电压值并输出，三端稳压器U2输入端与接地端之间、输出端与接地端之间分别并接有第一电容C1以及第二电容C2，目的在于将输入端和输出端的高频电信号滤掉。

进一步，所述比较电路包括比较器集成芯片U3和NPN型三极管Q1，所述比较器集成芯片U3内部集成有第一比较器和第二比较器，所述第一比较器的输出端与第二比较器的输出端分别连接到第一二极管D1以及第二二极管D2的负极，所述第一二极管D1和第二二极管D2的正极相连并通过第二稳压管ZD2与三极管Q1的基极相连，所述三极管Q1的集电极与触发电路的输入端相连，所述第二比较器的输出端还与发电电路的输入端相连。所述比较电路是断相检测模块中最为关键的部分，主要起到判断以及控制的作用，比较电路以单相电源取样电路输入的电信号为依据，与预设的参数进行比较，得出的结果用于控制放电电路以及触发电路的工作，并且根据比较的结构控制电容投切电路的连接与否。

进一步，所述比较电路还包括有第一发光二极管LED1和第二发光二极管LED2，所述第一发光二极管LED1的负极与第一比较器的输出端相连，所述第二发光二极管LED2的负极与三极管Q1的集电极相连。本发明创造断相检测模块还配置有对外的提示功能，利用所述第一发光二极管LED1和第二发光二极管LED2实现提示功能，在单相电源正常和故障的情况下，可相应点亮不同的发光二极管以表征单相电源是否正常。

进一步，所述比较器集成芯片U3的型号是LM393。所述型号的比较器集成芯片U3内部集成有两个比较器，集成度高，有效简化电路结构。

进一步，所述放电电路包括多个第二光耦器B2，所述触发电路包括多个第三光耦器B3，所述第二比较器的输出端与放电电路第二光耦器B2的输入端相连，所述三极管Q1的集电极与触发电路第三光耦器B3输入端相连，所述第二光耦器B2以及第三光耦器B3同样起到隔离作用。

参照图8，一种上述智能电容补偿装置的电容投切方法，包括一下步骤：

步骤A：设定补偿电容的投入门限以及切除门限，所述投入门限小于切除门限，设定电网系统不同视在功率下无功功率极限值，设定检测周期；

步骤B：启动定时，定时时间与检测周期相对应；

步骤C：采集电网系统中的电参数，计算电网系统的功率因数、视在功率和无功功率，所述功率因数和无功功率由采集芯片CS5460A计算所得；

步骤D：判断电网系统功率因数是否大于0且小于投入门限，如果是，投入一组补偿电容，判断电网系统功率因数是否大于切除门限且小于0，如果是，切除一种补偿电容；若电网系统功率因数大于投入门限，判断电网系统无功功率是否大于当前视在功率条件下无功功率极限值，如果是，投入一组补偿电容，若电网系统功率因数小于切除门限，判断电网系统无功功率是否大于当前视在功率条件下无功功率极限值，如果是，切除一组补偿电容；

步骤E：等待定时结束，返回步骤B。

本电容投切方法在总体上来说是周期性地反复对电网系统的功率因数和无功功率进行检测计算，再根据功率因数和无功功率的具体值控制补偿电容的投切数量，进而调整电网系统的功率因数，降低电网系统的无功功率。步骤A中首先需要对基本的参数进行设定，包括投入门限、切除门限、电网系统不同视在功率下无功功率极限值以及检测周期，所述投入门限小于切除门限，投入门限和切除门限将系统功率因数分成3段，需要说明的是，本发明中所述功率因数在-1到1之间，当功率因数大于0，表示电压超前电流，电路负载呈感性，当功率因数小于0，表示电流超前电压，电路负载呈容性。

本发明补偿电容投切方法根据电网系统的功率因数和无功功率大小控制补偿电容的投切操作，当功率因数大于0且小于投入门限时，表示电网系统功率因数过低，不管无功功率值为多少，都需要投入补偿电容；当功率小于0且大于切除门限时，同样表示电网系统功率因数绝对值过低，不管无功功率为多少，都需要切除补偿电容；当功率因数大于投入门限时，就需要检测电网系统当前的视在功率以及无功功率，这是由于当电网系统视在功率较高时，尽管功率因数大于投入门限，电网系统的无功功率也会很大，同样会导致电网系统损耗过多电量，因此本发明需要检测电网系统的视在功率和无功功率，并判断无功功率是否大于设定的无功功率极限值，如果大于，则同样需要投入补偿电容，同理当功率因数小于切除门限时，若无功功率大于设定的无功功率极限值，则需要切除补偿电容。另外本控制方法折中，不同的在设定无功功率极限值时，需要根据不同的视在功率设定不同的无功功率极限值，所述无功功率极限值与视在功率呈正相关。

步骤A中所述检测周期是本装置的投切操作延时时间，主要是为了避免装置补偿电容的投切操作过于频繁，使电网系统产生较大的波动；步骤C和步骤D是补偿电容具体的投切控制过程，首先是采集电网系统中的电参数，将电参数输进采集芯片CS5460A以计算电网系统的功率因数，视在功率以及无功功率，如果电网系统是三相电源输入，则需要同时算出各相的功率因数，视在功率以及无功功率，再对各相输入进行对应的补偿电容投切操作。

进一步作为优选的实施方式，本发明创造电容投切控制过程中还包括步骤F，电容补偿装置运行条件自检测，所述步骤F可设置在步骤A之后任何位置，就是说本装置在运行过程中只要有一项运行条件不合格，就马上进行相关处理。本发明创造实施方式中电容补偿装置需要进行多个运行条件的检测，包括检测补偿电容温度，检测电网系统是否存在断电缺相现象，检测补偿电容两端电压，检测电网系统输入电流，因此需要在步骤A中另外设置多个基准参数，包括补偿电容允许运行的最高温度极限值，过电压保护门限以及欠电流封锁门限。所述步骤F包括一下步骤：

F01：采集补偿电容当前温度，若补偿电容当前温度大于温度极限值，切除该补偿电容；

F02：判断电网系统是否出现断电现象，如果是，切除所有补偿电容；

F03：判断补偿电容两端电压是否大于过电压保护门限，如果是，切除该补偿电容；

F04：判断电网系统输入电流是否小于欠电流封锁门限，如果是，停止补偿电容的投切操作。

当然上述步骤执行的先后顺序不只限于本实施例，本领域技术人员以上述步骤为基础作出相应的顺序上的变化均属于本发明的保护范围。

具体地，步骤F01中利用所述温度检测模块对已投入的补偿电容温度进行检测，温度是影响电容能否正常使用的一个重要的参数，若补偿电容温度过高，容易降低补偿电容的使用寿命，同时也提高了补偿电容在使用过程中出现爆炸的机率；步骤F02中利用断相检测模块可对电网系统的断电缺相现象进行检测，现有的电容补偿装置由于缺少对断电缺相现象的检测，致使其在出现断电缺相的情况时依然进行补偿电容的投切操作，导致电网系统出现不可估计的波动，对电网系统中用电设备影响较大；步骤F03中对已投入的补偿电容两端电压进行检测，当补偿电容两端电压过高时，同样有可能引起补偿电容爆炸；步骤F04中判断电网系统输入电流是否小于欠电流封锁门限目的在于当输入电流过低时，证明电网系统没有接入任何负载，因此就不需要进行补偿电容的投切操作。

进一步作为优选的实施方式，本发明创造所述步骤D中补偿电容具体的投入或切除操作如下：采集电网系统输入端的电压电流瞬时值；若进行补偿电容投入操作，在输入电压瞬时值最高点处向磁保持继电器输入端加入第一脉冲电信号，使到补偿电容可在输入电压过零点投入；若需要进行补偿电容切除操作，在输入电流瞬时值最高点处向磁保持继电器输入端加入第二脉冲电信号，使到补偿电容可知输入电流过零点切除；所述第一脉冲电信号与第二脉冲电信号幅值相同，极性相反，所述第一脉冲电信号与第二脉冲电信的脉冲宽度大于输入电压和输入电流的1/4周期。

基于上述步骤D，本装置可实现补偿电容过零投切功能，以避免出现电弧或涌流现象。参照图6图7，具体地在进行补偿电容投入操作时，电压互感器检测电网输入电压的瞬时值，在输入电压瞬时值最高点处向磁保持继电器输入端加入第一脉冲电信号，使到磁保持继电器输出端在输入电压过零点闭合，完成补偿电容投入操作，避免出现涌流现象；在进行补偿电容切除操作时电流互感器检测电网输入电流的瞬时值，再输入电流瞬时值最高点处向磁保持继电器输入端加入第二脉冲电信号，使到磁保持继电器输出端在输入电流过零点断开，完成补偿电容切除操作，避免出现拉弧现象。所述第一脉冲电信号与第二脉冲电信号幅值相同，极性相反，至于具体哪个信号是正，哪个信号是负，取决与外围的电路结构，所述第一脉冲电信号与第二脉冲电信的脉冲宽度大于输入电压和输入电流的1/4周期。

当然其他步骤中的补偿电容投入和切除操作类似。

参照图8，本发明一种智能电容补偿装置的电容投切方法的具体实施例，包括以下步骤：

S01：设定补偿电容的投入门限、切除门限以及检测周期；

S02：设定最高温度极限值、过电压保护门限及欠电流封锁门限；

S03：启动定时；

S04：判断已投入的补偿电容温度是否大于温度极限值，如果是，切除该补偿电容；

S05：判断电网系统是否出现断电缺相现象，如果是，切除所有补偿电容；

S06：判断已投入的补偿电容两端电压是否大于过电压保护门限，如果是，切除该补偿电容；

S07：判断电网系统输入电流是否小于欠电流封锁门限，如果是，停止补偿电容的投切操作；

S08：采集电网系统电参数，计算功率因数，采集电网系统输入电压电流瞬时值；

S09：如果功率因数大于0小于投入门限，在输入电压瞬时值最高点向磁保持继电器输入端加入第一脉冲电信号，若干功率因数小于0大于切除门限，在输入电流瞬时值最高点向磁保持继电器输入端加入第二脉冲电信号，其他情况无需任何操作；

S10：等待定时结束，跳转到步骤S03。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。