【文章內(nèi)容簡介】 功功率補(bǔ)償原理 有功電流，無功電流流，功率因數(shù)cos。又將切除門限設(shè)為。當(dāng)控制器檢測到當(dāng)前的無功電流小于零時(shí)，即得到超前的功率因數(shù)時(shí)，發(fā)出指令，切除一電容器組。，則保持不變。以功率因數(shù)作為控制量的控制器通過對電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采樣檢測，分析計(jì)算出當(dāng)前的功率因數(shù)值。用當(dāng)前的功率因數(shù)值與設(shè)定的投切門限值進(jìn)行比較，以確定是投入、切除、還是保持不變。，則不論實(shí)際的無功功率值是多少，都保持當(dāng)前的補(bǔ)償狀態(tài)不變。功率因數(shù)值是一個比例值，所以在重負(fù)荷時(shí)，雖然功率因數(shù)滿足了要求，但電網(wǎng)中的無功功率仍很大。圖24中，負(fù)載大于負(fù)載，無功也大于，而這時(shí)的功率因數(shù)卻是相同的。雖然與的差值大于一個或幾個電容器組的補(bǔ)償量，但卻由于此時(shí)的功率因數(shù)滿足要求而不會去投入。 0圖24 相同功率因數(shù)下無功電流與負(fù)載的關(guān)系功率因數(shù)控制的另一個問題是輕載下的投切振蕩。圖25說明了輕載時(shí)發(fā)生投切振蕩的情況。，是與之對應(yīng)的無功電流，并且較小，要小于一個電容器組的補(bǔ)償量。由于負(fù)載很輕，這時(shí)的功率因數(shù)較小。按照補(bǔ)償原理應(yīng)投入一個電容器組，用該組電容器的超前電流去進(jìn)行補(bǔ)，補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是得到了超前的功率因數(shù)。一旦功率因數(shù)超前，就要立即切除一電容器組，而切除一組功率因數(shù)又不夠，因此形成投切振蕩。 0圖25 功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)妮p載振蕩針對功率因數(shù)控制的問題，出現(xiàn)了以系統(tǒng)中的無功功率為被控制對象，即將無功功率作為無功補(bǔ)償?shù)目刂屏?。以無功功率作為投切判據(jù)，由于檢測量與控制目標(biāo)一致，能夠真正實(shí)現(xiàn)無功功率缺多少補(bǔ)多少，超多少切多少的目的，既可避免投切振蕩，又可實(shí)現(xiàn)電容器組的一次投切到位，避免了反復(fù)試投切對電網(wǎng)和電容器的影響。控制器對電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采樣檢測，計(jì)算出當(dāng)前的無功功率(無功電流)值。若當(dāng)前值大于一個電容器組的補(bǔ)償值，則投入一個電容器組。若當(dāng)前值超前，則切除一個電容器組。本方法補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是使電網(wǎng)中的無功功率始終保持在一個較低的水平上。圖26所示是無功功率控制的補(bǔ)償效果示意圖。由于本方法的控制對象是無功功率，而無功功率又始終保持在一個較低的水平上。因此，不會出現(xiàn)功率因數(shù)控制方式所出現(xiàn)的重載時(shí)功率因數(shù)滿足要求，但無功電流很大，而輕載時(shí)又容易產(chǎn)生投切振蕩的問題。，如果控制器的運(yùn)行環(huán)境對功率因數(shù)的要求并不高的話，就需要重新設(shè)置投入門限與切除門限，將其設(shè)定為較大的值，這樣不僅重新設(shè)定比較麻煩，而且將投入/切除門限增大后，投切精度與靈敏度就會降低。因此該系統(tǒng)中增加一參數(shù):目標(biāo)功率因數(shù)，將目標(biāo)無功功率與實(shí)際無功功率之差作為無功補(bǔ)償?shù)目刂屏縼磉M(jìn)行投切。這樣在不同的應(yīng)用環(huán)境下，就只需要改變目標(biāo)功率因數(shù)即可，在必要的情況下需要重新設(shè)置投入門限與切除門限。0圖26 無功功率補(bǔ)償示意圖第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)第 三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 電子式無功功率自動補(bǔ)償控制器電子式無功功率自動補(bǔ)償控制器原理圖如圖31所示。主要具有以下方面的功能和問題。電源定時(shí)脈沖無功值運(yùn)算無功顯示相位顯示cosφ額定調(diào)節(jié)相位檢測電流檢測電平比較投切控制供電系統(tǒng)電容器組過壓保護(hù)圖31 電子式無功功率自動補(bǔ)償控制原理圖主要由相位檢測電路和電流檢測電路組成。用于檢測電網(wǎng)中所減少的無功損耗，從而使系統(tǒng)決定無功補(bǔ)償量的大小。相位判別檢測電路：相位差就是電壓超前或滯后電流的差值，在本設(shè)計(jì)中我們不但要測量出相位差的大小還要判斷出電壓超前還是滯后了，首先對相位差進(jìn)行測量。輸入兩路同頻率的正弦波信號，當(dāng)兩路信號的頻率相同時(shí)，相角差θ=φ1—φ2是一個與時(shí)間無關(guān)的常數(shù),將此兩路正弦波信號經(jīng)過放大整形成兩路占空比為50%的正方波信號ff2，經(jīng)過異或門輸出一個脈沖序列A，與晶振產(chǎn)生的基準(zhǔn)脈沖波B進(jìn)行與操作得到調(diào)制后的波形C，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)對B、C中脈沖的個數(shù)進(jìn)行,計(jì)數(shù)得Nc、Nb，則其相位差計(jì)算公式為θ=180176。Nc/Nb，采用多個周期計(jì)數(shù)取平均值的方式以提高測相精度。波形如下圖所示:F1 F2 A B C 圖32 相位檢測波形圖相位極性判別電路:將波形整形電路的兩路輸出方波送入D觸發(fā)器中進(jìn)行相位極性判別，當(dāng)U0超前U1時(shí)，Q端輸出高電平，反之輸出低電平，極性判別的原理圖如33所示。D QCP OUTS“1”U0U1圖33 相位判別電路相位檢測和判別的接線圖如圖34所示：1amp。amp。1amp。1amp。UI觸發(fā)器信 號電壓超前時(shí)相 位 差電流超前時(shí)相 位 差圖34 相位檢測和判別的接線圖 無功功率單元與電平比較單元將檢測到的無功功率量的大小轉(zhuǎn)換為電壓值或電流值，該值與設(shè)定的參考值比較發(fā)出投入或切除電容器的控制信號。 投切控制部分由電平比較單元產(chǎn)生的投切控制信號通過光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)或其他控制器，啟動相應(yīng)的時(shí)序控制程序，控制器按照規(guī)定的程序步驟，發(fā)出晶閘管通斷指令和接觸器通斷指令，該指令通過功率放大和光電隔離后，驅(qū)動晶閘管和交流接觸器按預(yù)先設(shè)定的程序適時(shí)動作，確保安全可靠地對電容器進(jìn)行投切操作。當(dāng)電網(wǎng)某相電壓、欠壓、欠流及諧波超限或電壓不平穩(wěn)超限時(shí)，快速切除補(bǔ)償電容器、以免設(shè)備損壞。電子式無功功率自動補(bǔ)償控制器在實(shí)際應(yīng)用中存在不少問題，如容易受外界干擾及灰塵等因素影響出現(xiàn)故障；各部分控制功能因全由電子線路實(shí)現(xiàn)，器件多、過程復(fù)雜，難于快速準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)；當(dāng)檢測電路無功運(yùn)算等電路出現(xiàn)故障時(shí)，缺少投切保護(hù)功能；當(dāng)接觸器或繼電器粘連時(shí)，無法及時(shí)報(bào)警及保護(hù)等。 PLC選型及模擬量擴(kuò)展模塊的選擇設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用西門子s7200CPU226作為控制主機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)和性能如下所示:表31 西門子s7200CPU226技術(shù)參數(shù)描述 CPU 226 DC/DC/DC CPU 226 AC/DC/繼電器 物理特性 尺寸 (W X H X D) 重量 功耗 196 x 80 x 62 mm 550 g 11 W 196 x 80 x 62 mm 660 g 17 W 存儲器特性 程序存儲器 在線程序編輯時(shí) 非在線程序編輯時(shí) 數(shù)據(jù)存儲器 裝備(超級電容) (可選電池) 16384 bytes 24576 bytes 10240 bytes 100小時(shí)/典型值(40176。C時(shí)最少70小時(shí)) 200天/典型值 16384 bytes 24576 bytes 10240 bytes 100小時(shí)/典型值(40176。C時(shí)最少70小時(shí)) 200天/典型值 I/O特性 本機(jī)數(shù)字量輸入 本機(jī)數(shù)字量輸出 本機(jī)模擬量輸入 本機(jī)模擬量輸出 數(shù)字I/O映象區(qū) 模擬I/O映象區(qū) 允許最大的擴(kuò)展I/O模塊 允許最大的智能模塊 脈沖捕捉輸入 高速計(jì)數(shù)器 總數(shù) 單相計(jì)數(shù)器 兩相計(jì)數(shù)器 脈沖輸出 24 輸入 16 輸出 無 無 256 (128輸入/128輸出) 64(32輸入/32輸出) 7個模塊 7個模塊 24 6個 6，每個30KHz 4，每個20KHz 2個20KHz(僅限于DC輸出) 24 輸入 16 輸出 無 無 256 (128輸入/128輸出) 64(32輸入/32輸出) 7個模塊 7個模塊 24 6個 6，每個30KHz 4，每個20KHz 2個20KHz(僅限于DC輸出) 常規(guī)特性 定時(shí)器總數(shù) 1ms 10ms 100ms 計(jì)數(shù)器總數(shù) 內(nèi)部存儲器位掉電保持 時(shí)間中斷 邊沿中斷 模擬電位器 布爾量運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間 時(shí)鐘 卡件選項(xiàng) 256個 4個 16個 236個 256(由超級電容或電池備份) 256(由超級電容或電池備份) 112(存儲在EEPROM) 2個1ms分辨率 4個上升沿和/或4個下降沿 2個8位分辨率 內(nèi)置 存儲卡和電池卡 256個 4個 16個 236個 256(由超級電容或電池備份) 256(由超級電容或電池備份) 112(存儲在EEPROM) 2個1ms分辨率 4個上升沿和/或4個下降沿 2個8位分辨率 內(nèi)置 存儲卡和電池卡 集成的通信功能 圖35 S7200CPU226圖36 CPU226 CN DC/DC/DC端子連線圖用s7200CPU226PLC實(shí)現(xiàn)的投切電路結(jié)構(gòu)原理如圖37所示，利用這樣的線路結(jié)構(gòu)，無功補(bǔ)償補(bǔ)償裝置變得條理清晰，易于理解，并且在原自動投切、手動投切的基礎(chǔ)上，利用PLC中CPU內(nèi)部的日歷時(shí)鐘可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動投切控制。當(dāng)檢測電路或模擬單元出現(xiàn)故障時(shí)，可以按實(shí)時(shí)時(shí)間自動投切。如果用戶每天的工作大體一致，那么實(shí)測作出功率因數(shù)曲線后，可以不用模擬單元，只用圖中虛線內(nèi)的簡單結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)自動投切。同時(shí)可以通過檢測各接觸器的狀態(tài)作出相應(yīng)的保護(hù)和報(bào)警輸出。 PLC 模擬單元檢測電路過壓保護(hù)額定值調(diào)節(jié) S7200 PLC主機(jī) ~ ~ 投切接觸器 自動控制 報(bào)警 手 自 手動 各接 實(shí)時(shí) 觸器 自動 動 動 投切