河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书
?l——三相线路的线电压 U22.4.2总的补偿电容量的计算
根据常规电压220V及电流100A，当需要把功率因数从确定的最小值cos?0.5补偿到cos?21??0.90
时，应该补偿的电容量为：
?tanQ?Ptan??1???UIcos?21?tan?1?tan?2?=13.2Kvar
根据如上的计算结果及常规要求，此设计选择了8组电容的组合作为投切装置。
下表提供了每千瓦有功功率所需补偿的电容值及此设计中速需电容补偿电容的参考表2.1
表 2.1
补偿前cos?
1为得到所需的cos?2?0.95每在此设计中（x 13KW后）的补偿电容值（单位
Kvar） 13.52 11.83 10.27 8.71 7.28 5.98 4.55 3.25 2.47
千瓦有功功率所需的补偿电容
值（单位Kvar）
0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90
1.04 0.91 0.79 0.67 0.56 0.46 0.35 0.25 0.19
因此这10组电容的容量分别选择为0.1Kvar、0.2Kvar、0.5Kvar、1.0Kvar、2.0Kvar、5.0Kvar、10.0Kvar。
投切中为保证各电容的平均寿命，采取循环投切的方式。
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2.5投切方式分类
2.5.1延时投切方式
延时投切方式即人们熟称的\静态\补偿方式。这种投切依靠于传统的接触器的动作，当然用于投切电容的接触器专用的，它具有抑制电容的涌流作用，延时投切的目的在于防止接触器过于频繁的动作时，电容器造成损坏，更重要的是防备电容不停的投切导致供电系统振荡，这是很危险的。当电网的负荷呈感性时，如电动机、电焊机等负载，这时电网的电流滞带后电压一个角度，当负荷呈容性时，如过量的补偿装置的控制器，这是电网的电流超前于电压的一个角度，即功率因数超前或滞后是指电流与电压的相位关系。通过补偿装置的控制器检测供电系统的物理量，来决定电容器的投切，这个物理量可以是功率因数或无功电流或无功功率。
下面就功率因数型举例说明。当这个物理量满足要求时，如cosφ超前且>0.98，滞后且>0.95，在这个范围内，此时控制器没有控制信号发出，这时已投入的电容器组不退出，没投入的电容器组也不投入。当检测到cosφ不满足要求时，如cosφ滞后且<0.95，那么将一组电容器投入，并继续监测cosφ如还不满足要求，控制器则延时一段时间（延时时间可整定），再投入一组电容器，直到全部投入为止。当检测到超前信号如cosφ<0.98,即呈容性载荷时，那么控制器就逐一切除电容器组。要遵循的原则就是：先投入的那组电容器组在切除时就要先切除。如果把延时时间整定为300s，而这套补偿装置有十路电容器组，那么全部投入的时间就为30分钟，切除也这样。在这段时间内无功损失补只能是逐步到位。如果将延时时间整定的很短，或没有设定延时时间，就可能会出现这样的情况。当控制器监测到cosφ<0.95，迅速将电容器组逐一投入，而在投入期间，此时电网可能已是容性负载即过补偿了，控制器则控制电容器组逐一切除，周而复始，形成震荡，导致系统崩溃。是否能形成振荡与负载的性质有密切关系，所以说这个参数需要根据现场情况整定，要在保证系统安全的情况下，再考虑补偿效果。
2.5.2瞬时投切方式
瞬时投切方式即人们熟称的\动态\补偿方式，应该说它是半导体电力器件与数
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字技术综合的技术结晶，实际就是一套快速随动系统，控制器一般能在半个周波至1个周波内完成采样、计算，在2个周期到来时，控制器已经发出控制信号了。通过脉冲信号使晶闸管导通，投切电容器组大约20-30毫秒内就完成一个全部动作，这种控制方式是机械动作的接触器类无法实现的。动态补偿方式作为新一代的补偿装置有着广泛的应用前景。现在很多开关行业厂都试图生产、制造这类装置且有的生产厂已经生产出很不错的装置。
这种方式采用电感与电容的串联接法，调节电抗以达到补偿无功损耗的目的。从原理上分析，这种方式响应速度快，闭环使用时，可做到无差调节，使无功损耗降为零。从元件的选择上来说，根据补偿量选择1组电容器即可，不需要再分成多路。既然有这么多的优点，应该是非常理想的补偿装置了。但由于要求选用的电感量值大，要在很大的动态范围内调节，所以体积也相对较大，价格也要高一些，再加一些技术的原因，这项技术到目前来说还没有被广泛采用或使用者很少。
作为补偿装置所采用的半导体器件一般都采用晶闸管，其优点是选材方便，电路成熟又很经济。其不足之处是元件本身不能快速关断，在意外情况下容易烧毁，所以保护措施要完善。当解决了保护问题，作为电容器组投切开关应该是较理想的器件。动态补偿的补偿效果还要看控制器是否有较高的性能及参数。很重要的一项就是要求控制器要有良好的动态响应时间，准确的投切功率，还要有较高的自识别能力，这样才能达到最佳的补偿效果。
当控制器采集到需要补偿的信号发出一个指令（投入一组或多组电容器的指令），此时由触发脉冲去触发晶闸管导通，相应的电容器组也就并人线路运行。需要强调的是晶闸管导通的条件必须满足其所在相的电容器的端电压为零，以避免涌流造成元件的损坏，半导体器件应该是无涌流投切。当控制指令撤消时，触发脉冲随即消失，晶闸管零电流自然关断。关断后的电容器电压为线路电压交流峰值，必须由放电电阻尽快放电，以备电容器再次投入。
元器件可以选单项晶闸管反并联或是双向晶闸管，也可选适合容性负载的固态接触器，这样可以省去过零触发的脉冲电路，从而简化线路，元件的耐压及电流要合理选择，散热器及冷却方式也要考虑周全。
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2.5.3混合投切方式
实际上就是静态与动态补偿的混合，一部分电容器组使用接触器投切，而另一部分电容器组使用电力半导体器件。这种方式在一定程度上可做到优势互补，但就其控制技术，目前还见到完善的控制软件，该方式用于通常的网络如工矿、小区、域网改造，比起单一的投切方式拓宽了应用范围，节能效果更好。补偿装置选择非等容电容器组，这种方式补偿效果更加细致，更为理想。还可采用分相补偿方式，可以解决由于线路三相不平行造成的损失。
在无功功率补偿装置的应用方面，选择那一种补偿方式，还要依电网的状况而定，首先对所补偿的线路要有所了解，对于负荷较大且变化较快的工况，电焊机、电动机的线路采用动态补偿，节能效果明显。对于负荷相对平稳的线路应采用静态补偿方式，也可使用动态补偿装置。
2.6无功功率补偿器设计的总体框图
如图2-4是该系统硬件结构框图，单片机AT89S52是本系统的核心，实现数据处理、输入、输出控制等功能。通过计数器8254计算出系统功率因数，并通过LED显示电路显示出来。把计算出的功率因数与规定的因数比较看看是否符合要求，当功率因数低于要求时，通过控制补偿电路实现对检测电路的补偿。功率补偿器的外围电路还包括电压、电流相位差检测电路，此部分电路主要用来检测电路现在的功率因数，通过比较器和由D触发电路鉴相电路把电压信号转化为数字信号；三相功率因数显示电路，主要用到LED数码管。显示采用LED数码管显示，尽量采用静态显示，以减轻CPU的负担；投切电容电路中用过零固态继电器来作为控制开关来实现柔性投切；还接上RS—232C接口，向上位机传递系统运行状态信息，以适应将来配电网控制发展趋势。为了减少外围芯片的数量，本系统也可采用一块CPLD芯片—ispLSI1048E，把74LS373、D触发器、与门、非门等外围器件写入其中。
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A相电压互感器A相电流互感器B相电压互感器B相电流互感器C相电压互感器C相电流互感器A相位差检测A相功率因数显示相位差数值计算B相功率因数显示C相功率因数显示单片机RS-232串行通信口B相位差检测 AT89S52投切控制电路C相位差检测
图 2-4 系统硬件结构框图
A相电容B相电容C相电容
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