交流容性负载功率因数的有级补偿电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种交流容性负载功率因数的有级补偿电路，包括负载电压电流信号处理电路、补偿控制与稳压电源电路，具体包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、处理器IC1、A三极管Q1、B三极管Q2、C三极管Q3、稳压电源模块U0、A固态继电器U1、B固态继电器U2、C固态继电器U3、电抗器L1、基准管D1、上稳压管D2、下稳压管D3、负载电阻R1等。本实用新型利用基于三只过零型交流固态继电器与一只三抽头的补偿电抗器进行对电网无扰动的投切控制，以实现对容性负载功率因数的三级补偿控制，能满足多数容性负载对功率因数补偿控制的要求，该方法性价比高、通用性好、安全可靠。
【专利说明】交流容性负载功率因数的有级补偿电路
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种交流容性负载功率 因数的有级补偿电路，适用于对交流容性负载自动进行功率因数补偿控制的应用场合，以 提1?供电、用电效能。
【背景技术】
[0002] 容性负载也是交流用电负载中的一种，其电流相位超前于电压相位，而供电、用电 系统的功率因数是电能运行质量中的重要指标。目前，在提高交流用电负载功率因数的研 究与技术应用方面，主要是针对感性负载。而在提高容性负载功率因数方面的主要方案为： 一是基于旋转电机的同步调相机，二是基于晶闸管控制的电抗器。现有方案的不足之处在 于：一是因同步调相机的核心是旋转电机，功耗大、噪声大、维护难度高、代价大，二是现有 的一只电抗器只能对一点实现较理想的补偿效果，利用率低。
【发明内容】
[0003] 本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足，针对交流容性负载，提出一种交 流容性负载功率因数的三级补偿电路。该电路集功率因数检测与三级补偿控制方案于一 体，采用基于多三个电压过零型交流固态继电器对三抽头的补偿电抗器进行有级判别式切 换，以实现对容性负载功率因数的有级补偿控制。
[0004] 本实用新型包括负载电压电流信号处理电路、补偿控制与稳压电源电路。
[0005] 负载相电压电流信号处理电路包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、容性负载 、负载电阻R1、偏压电阻R3、电压滤波电阻R4、电压滤波电容C1、上稳压管D2、偏流电阻 R5、电流滤波电阻R6、电流滤波电容C2、下稳压管D3,电压互感器VS1的相检测端L端与电 网相电压端L端连接，电压互感器VS1的零线端N端与电网零线端N端连接，电压互感器 VS1的正输出端0UT1端与电压滤波电阻R4的一端连接，电压互感器VS1的负输出端0UT2 端接地，电压滤波电阻R4的另一端与处理器IC1的上A/D转换接口端ADC1端、偏压电阻R3 的一端、上稳压管D2的阴极、电压滤波电容C1的一端连接，偏压电阻R3的另一端与电压基 准端VZ端连接，电压滤波电容C1的另一端接地，上稳压管D2的阳极接地，容性负载PU1的 相供电端L端经连线穿过电流互感器CS1的检测孔后与电网相电压端L端连接，容性负载 PU1的零线端N端与电网零线端N端连接，电流互感器CS1的负输出端A2接地，电流互感 器CS1的正输出端A1与负载电阻R1的一端、电流滤波电阻R6的一端连接，负载电阻R1的 另一端接地，电流滤波电阻R6的另一端与处理器IC1的下A/D转换接口端ADC2端、偏流电 阻R5的一端、下稳压管D3的阴极、电流滤波电容C4的一端连接，偏流电阻R5的另一端与 电压基准端VZ端连接，电流滤波电容C4的另一端接地，下稳压管D3的阳极接地；
[0006] 补偿控制与稳压电源电路包括处理器IC1、钟振U4、电抗器L1、A固态继电器U1、B 固态继电器U2、C固态继电器U3、A三极管Ql、B三极管Q2、C三极管Q3、A基极电阻R7、B 基极电阻R8、C基极电阻R9、稳压电源模块U0、电源电容C0、稳压电阻R2、基准管D1，处理 器IC1的电源端VCC端与稳压电源正端VCC端连接，处理器IC1的地端GND端接地，处理器 IC1的时钟端XT端与钟振U4的输出端OUT端连接，钟振U4的电源端+V端与稳压电源正端 VCC端连接，钟振U4的地端GND端接地，处理器IC1的第1输出端01端与A基极电阻R7的 一端连接，A基极电阻R7的另一端与A三极管Q1的基极b端连接，处理器IC1的第2输出 端02端与B基极电阻R8的一端连接，B基极电阻R8的另一端与B三极管Q2的基极b端 连接，处理器IC1的第3输出端02端与C基极电阻R9的一端连接，C基极电阻R9的另一 端与C三极管Q3的基极b端连接，A三极管Q1的射极e端接地，A三极管Q1的集电极c端 与A固态继电器U1的负输入端-IN端连接，B三极管Q2的射极e端接地，B三极管Q2的集 电极c端与B固态继电器U2的负输入端-IN端连接，C三极管Q3的射极e端接地，C三极 管Q3的集电极c端与C固态继电器U3的负输入端-IN端连接，A固态继电器U1的正输入 端+IN端、B固态继电器U2的正输入端+IN端、C固态继电器U3的正输入端+IN端均与稳 压电源正端VCC端连接，A固态继电器U1的第1交流端AC1端、B固态继电器U2的第1交 流端AC1端、C固态继电器U3的第1交流端AC1端均与电网相电压端L端连接，A固态继电 器U1的第2交流端AC2端与电抗器L1的第1抽头端1端连接，B固态继电器U2的第2交 流端AC2端与电抗器L1的第2抽头端2端连接，C固态继电器U3的第2交流端AC2端与 电抗器L1的第3抽头端3端连接，电抗器L1的0抽头端0端与电网零线端N端连接。稳 压电源模块U0的相供电端L端与电网相电压端L端连接，稳压电源模块U0的零线端N端 与电网零线端N端连接，稳压电源模块U0的输出电源端+V端与稳压电源正端VCC端、电源 电容C0的一端、稳压电阻R2的一端连接，电源电容C0的另一端接地，稳压电阻R2的另一 端与基准管D1的阴极、基准电压端VZ端连接，基准管D1的阳极接地。
[0007] 本实用新型的有益效果如下：
[0008] 本实用新型利用易于制作的多抽头电抗器及过零型交流固态继电器，对容性负载 功率因数进行有级补偿控制，该方法能满足多数交流容性负载对功率因数补偿控制的要 求，该方法性价比高、通用性好、安全可靠。
[0009] 该电路方法容易扩展应用于三相交流容性负载的功率因数补偿控制中。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为本实用新型的电路图。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0012] 如图1所示，交流容性负载功率因数的有级补偿电路，包括负载电压电流信号处 理电路、补偿控制与稳压电源电路。
[0013] 负载相电压电流信号处理电路包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、容性负载 roi、负载电阻R1、偏压电阻R3、电压滤波电阻R4、电压滤波电容C1、上稳压管D2、偏流电阻 R5、电流滤波电阻R6、电流滤波电容C2、下稳压管D3,电压互感器VS1的相检测端L端与电 网相电压端L端连接，电压互感器VS1的零线端N端与电网零线端N端连接，电压互感器 VS1的正输出端0UT1端与电压滤波电阻R4的一端连接，电压互感器VS1的负输出端0UT2 端接地，电压滤波电阻R4的另一端与处理器IC1的上A/D转换接口端ADC1端、偏压电阻R3 的一端、上稳压管D2的阴极、电压滤波电容Cl的一端连接，偏压电阻R3的另一端与电压基 准端VZ端连接，电压滤波电容C1的另一端接地，上稳压管D2的阳极接地，容性负载PU1的 相供电端L端经连线穿过电流互感器CS1的检测孔后与电网相电压端L端连接，容性负载 PU1的零线端N端与电网零线端N端连接，电流互感器CS1的负输出端A2接地，电流互感 器CS1的正输出端A1与负载电阻R1的一端、电流滤波电阻R6的一端连接，负载电阻R1的 另一端接地，电流滤波电阻R6的另一端与处理器IC1的下A/D转换接口端ADC2端、偏流电 阻R5的一端、下稳压管D3的阴极、电流滤波电容C4的一端连接，偏流电阻R5的另一端与 电压基准端VZ端连接，电流滤波电容C4的另一端接地，下稳压管D3的阳极接地；
[0014] 补偿控制与稳压电源电路包括处理器IC1、钟振U4、电抗器L1、A固态继电器U1、B 固态继电器U2、C固态继电器U3、A三极管Ql、B三极管Q2、C三极管Q3、A基极电阻R7、B 基极电阻R8、C基极电阻R9、稳压电源模块U0、电源电容C0、稳压电阻R2、基准管D1，处理 器IC1的电源端VCC端与稳压电源正端VCC端连接，处理器IC1的地端GND端接地，处理器 IC1的时钟端XT端与钟振U4的输出端OUT端连接，钟振U4的电源端+V端与稳压电源正端 VCC端连接，钟振U4的地端GND端接地，处理器IC1的第1输出端01端与A基极电阻R7的 一端连接，A基极电阻R7的另一端与A三极管Q1的基极b端连接，处理器IC1的第2输出 端02端与B基极电阻R8的一端连接，B基极电阻R8的另一端与B三极管Q2的基极b端 连接，处理器IC1的第3输出端02端与C基极电阻R9的一端连接，C基极电阻R9的另一 端与C三极管Q3的基极b端连接，A三极管Q1的射极e端接地，A三极管Q1的集电极c端 与A固态继电器U1的负输入端-IN端连接，B三极管Q2的射极e端接地，B三极管Q2的集 电极c端与B固态继电器U2的负输入端-IN端连接，C三极管Q3的射极e端接地，C三极 管Q3的集电极c端与C固态继电器U3的负输入端-IN端连接，A固态继电器U1的正输入 端+IN端、B固态继电器U2的正输入端+IN端、C固态继电器U3的正输入端+IN端均与稳 压电源正端VCC端连接，A固态继电器U1的第1交流端AC1端、B固态继电器U2的第1交 流端AC1端、C固态继电器U3的第1交流端AC1端均与电网相电压端L端连接，A固态继电 器U1的第2交流端AC2端与电抗器L1的第1抽头端1端连接，B固态继电器U2的第2交 流端AC2端与电抗器L1的第2抽头端2端连接，C固态继电器U3的第2交流端AC2端与 电抗器L1的第3抽头端3端连接，电抗器L1的0抽头端0端与电网零线端N端连接。稳 压电源模块U0的相供电端L端与电网相电压端L端连接，稳压电源模块U0的零线端N端 与电网零线端N端连接，稳压电源模块U0的输出电源端+V端与稳压电源正端VCC端、电源 电容C0的一端、稳压电阻R2的一端连接，电源电容C0的另一端接地，稳压电阻R2的另一 端与基准管D1的阴极、基准电压端VZ端连接，基准管D1的阳极接地。
[0015] 本实用新型所使用的包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、稳压电源模块U0、A固 态继电器U1、B固态继电器U2、C固态继电器U3、处理器IC1、A三极管Q1、B三极管Q2、C三 极管Q3、基准管D1、上稳压管D2、下稳压管D3等在内的主要器件均采用现有的成熟产品，可 以通过市场取得。例如：电压互感器采用JDZX10系列产品，电压流互感器采用ΒΗ-0. 66系 列产品，稳压电源模块采用WAN2. 5-3. 3,固态继电器采用SSR-H380D过零型系列产品，处理 器采用STM32F103,三极管采用C8050,基准管、稳压管均采用BZX84-B3等。
[0016] 本实用新型中的主要电路参数及输入输出关系如下：
[0017] 图1中的电压互感器VS1的输出信号uv(l与电网相电压113间的关系如式⑴所示， 其中的kv为变压系数；电流互感器CS1的输出信号ui(l与电网相电流ia间的关系如式（2) 所示，其中的h为变流系数。
[0018] uvo = kvua (1)
[0019] ui0 = R1 · kiia (2)
【权利要求】
1.交流容性负载功率因数的有级补偿电路，包括负载电压电流信号处理电路、补偿控 制与稳压电源电路，其特征在于： 负载相电压电流信号处理电路包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、容性负载PU1、负 载电阻R1、偏压电阻R3、电压滤波电阻R4、电压滤波电容C1、上稳压管D2、偏流电阻R5、电 流滤波电阻R6、电流滤波电容C2、下稳压管D3,电压互感器VS1的相检测端L端与电网相电 压端L端连接，电压互感器VS1的零线端N端与电网零线端N端连接，电压互感器VS1的正 输出端0UT1端与电压滤波电阻R4的一端连接，电压互感器VS1的负输出端0UT2端接地，电 压滤波电阻R4的另一端与处理器IC1的上A/D转换接口端ADC1端、偏压电阻R3的一端、 上稳压管D2的阴极、电压滤波电容C1的一端连接，偏压电阻R3的另一端与电压基准端VZ 端连接，电压滤波电容C1的另一端接地，上稳压管D2的阳极接地，容性负载PU1的相供电 端L端经连线穿过电流互感器CS1的检测孔后与电网相电压端L端连接，容性负载PU1的零 线端N端与电网零线端N端连接，电流互感器CS1的负输出端A2接地，电流互感器CS1的 正输出端A1与负载电阻R1的一端、电流滤波电阻R6的一端连接，负载电阻R1的另一端接 地，电流滤波电阻R6的另一端与处理器IC1的下A/D转换接口端ADC2端、偏流电阻R5的 一端、下稳压管D3的阴极、电流滤波电容C4的一端连接，偏流电阻R5的另一端与电压基准 端VZ端连接，电流滤波电容C4的另一端接地，下稳压管D3的阳极接地； 补偿控制与稳压电源电路包括处理器IC1、钟振U4、电抗器L1、A固态继电器U1、B固态 继电器U2、C固态继电器U3、A三极管Ql、B三极管Q2、C三极管Q3、A基极电阻R7、B基极 电阻R8、C基极电阻R9、稳压电源模块U0、电源电容C0、稳压电阻R2、基准管D1，处理器IC1 的电源端VCC端与稳压电源正端VCC端连接，处理器IC1的地端GND端接地，处理器IC1的 时钟端XT端与钟振U4的输出端OUT端连接，钟振U4的电源端+V端与稳压电源正端VCC 端连接，钟振U4的地端GND端接地，处理器IC1的第1输出端01端与A基极电阻R7的一 端连接，A基极电阻R7的另一端与A三极管Q1的基极b端连接，处理器IC1的第2输出端 02端与B基极电阻R8的一端连接，B基极电阻R8的另一端与B三极管Q2的基极b端连 接，处理器IC1的第3输出端02端与C基极电阻R9的一端连接，C基极电阻R9的另一端 与C三极管Q3的基极b端连接，A三极管Q1的射极e端接地，A三极管Q1的集电极c端与 A固态继电器U1的负输入端-IN端连接，B三极管Q2的射极e端接地，B三极管Q2的集电 极c端与B固态继电器U2的负输入端-IN端连接，C三极管Q3的射极e端接地，C三极管 Q3的集电极c端与C固态继电器U3的负输入端-IN端连接，A固态继电器U1的正输入端 +IN端、B固态继电器U2的正输入端+IN端、C固态继电器U3的正输入端+IN端均与稳压 电源正端VCC端连接，A固态继电器U1的第1交流端AC1端、B固态继电器U2的第1交流 端AC1端、C固态继电器U3的第1交流端AC1端均与电网相电压端L端连接，A固态继电 器U1的第2交流端AC2端与电抗器L1的第1抽头端1端连接，B固态继电器U2的第2交 流端AC2端与电抗器L1的第2抽头端2端连接，C固态继电器U3的第2交流端AC2端与 电抗器L1的第3抽头端3端连接，电抗器L1的0抽头端0端与电网零线端N端连接；稳压 电源模块U0的相供电端L端与电网相电压端L端连接，稳压电源模块U0的零线端N端与 电网零线端N端连接，稳压电源模块U0的输出电源端+V端与稳压电源正端VCC端、电源电 容C0的一端、稳压电阻R2的一端连接，电源电容C0的另一端接地，稳压电阻R2的另一端 与基准管D1的阴极、基准电压端VZ端连接，基准管D1的阳极接地。
2. 如权利要求1所述的交流容性负载功率因数的有级补偿电路，其特征在于： 电压互感器VS1的输出信号uv(l与电网相电压ua间的关系如式（1)所示，其中的 <为 变压系数；电流互感器CS1的输出信号ui(l与电网相电流ia间的关系如式（2)所示，其中的 h为变流系数： uv〇 = kvua ⑴ ui0 = R1 · kiia (2)
上述的uv(l、ui(l信号经电平迁移及阻抗变换跟随后即成为单极性信号uv、 Ui，经阻容滤 波后，分别如式（3)、式（4)所示，式（5)是确保电压信号、电流信号进行电路同步滤波的条 件： (3) (4) (5) 。
3. 如权利要求1所述的交流容性负载功率因数的有级补偿电路，其特征在于： 所述的电压互感器VS1、电流互感器CS1、稳压电源模块UO、A固态继电器Ul、B固态 继电器U2、C固态继电器U3、处理器IC1、A三极管Ql、B三极管Q2、C三极管Q3、基准管 D1、上稳压管D2、下稳压管D3均采用现有的成熟产品，电压互感器采用JDZX10系列产品， 电压流互感器采用ΒΗ-0. 66系列产品，稳压电源模块采用WAN2. 5-3. 3,固态继电器采用 SSR-H380D过零型系列产品，处理器采用STM32F103,三极管采用C8050,基准管、稳压管均 采用 BZX84-B3。
【文档编号】H02J3/18GK203839965SQ201420250694
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】陈德传, 卢玲 申请人:杭州电子科技大学