專利名稱：全自動(dòng)數(shù)字功率因數(shù)補(bǔ)償儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種全自動(dòng)數(shù)字功率因數(shù)補(bǔ)償儀，它屬于電量的控制或調(diào)節(jié)裝置。它由電源單元、過(guò)壓保護(hù)電路、循環(huán)計(jì)數(shù)器、輸出驅(qū)動(dòng)電路及置零和置位電路組成。
在電力電網(wǎng)運(yùn)行中，由于負(fù)載存在電抗元件，帶來(lái)電網(wǎng)的無(wú)功損耗，造成極大的能源浪費(fèi)，為此設(shè)計(jì)了不同模式的功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備。目前的功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備存在著不完善之處，如工作不穩(wěn)定、效率低、自動(dòng)化程度不高等。還有一些采用模擬鑒相，繼電器邏輯輸出的功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備，這類(lèi)設(shè)備可靠性差、壽命低和工作不穩(wěn)定。在中國(guó)專利CN2036711U中記載的《高效功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制器》，它由采樣電路、相位控制、運(yùn)算計(jì)數(shù)、譯碼鎖存及驅(qū)動(dòng)電路組成，采用了運(yùn)算和逼近相結(jié)合的控制方式用電流向量I、
代替I、Sin
作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但其鑒相器當(dāng)I滯后時(shí)輸出為“1”，I超前時(shí)輸出為“0”，不知I為零和功率因數(shù)為1時(shí)又該輸出什么電平，而出現(xiàn)不確定的因數(shù)，其控制器鎖存器采用了R－S觸發(fā)器，眾所之知，R－S觸發(fā)器的R、S兩端是不能同時(shí)為“0”的，這樣將出現(xiàn)一個(gè)不穩(wěn)定的輸出數(shù)據(jù)，勢(shì)必造成錯(cuò)誤的投入和切除，該設(shè)備在輸出驅(qū)動(dòng)電路中采用R－S觸發(fā)器直接驅(qū)動(dòng)BCR雙向可控硅，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備帶電，帶來(lái)不安全因素，另外由于標(biāo)準(zhǔn)的電力電容器YY系列4～10千乏，容量大，切除后應(yīng)有30秒以上的放電時(shí)間，電力電容器的快速投入和切除，將造成電容器兩端電壓成倍增長(zhǎng)，致使損壞電力電容器。
本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一種安全可靠，能準(zhǔn)確檢測(cè)功率因數(shù)變化情況，直接輸出其相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，投入和切除時(shí)間隨機(jī)設(shè)定，保證電力電容器的安全，投入、切除時(shí)間準(zhǔn)確無(wú)誤，投切周期終點(diǎn)記憶，無(wú)限循環(huán)，使每一組補(bǔ)償電容器都有相等工作機(jī)會(huì)，功耗低，工作穩(wěn)定的全自動(dòng)數(shù)字功率因數(shù)補(bǔ)償儀。
本實(shí)用新型一種全自動(dòng)數(shù)字功率因數(shù)補(bǔ)償儀，由電源單元、過(guò)壓保護(hù)電路、投、切循環(huán)計(jì)數(shù)器、輸出驅(qū)動(dòng)電路及置零和置位電路組成，其特征在于，數(shù)字鑒相器由同相線的電壓UA和電流IA構(gòu)成基準(zhǔn)相位信號(hào)和采樣信號(hào)，由基準(zhǔn)相位信號(hào)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于0～8°和172°～180°的兩個(gè)脈沖信號(hào)，再對(duì)IA進(jìn)行連續(xù)鑒相，直接輸出投入脈沖UF和切除脈沖UG，分別使投時(shí)鐘產(chǎn)生器和切時(shí)鐘產(chǎn)生器輸出投時(shí)鐘UT和切時(shí)鐘UQ。有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，由工頻50HZ信號(hào)經(jīng)過(guò)212次分頻得到40.96秒／步的正常時(shí)鐘信號(hào)，過(guò)壓時(shí)產(chǎn)生5.12秒／步的時(shí)鐘脈沖以快速切除補(bǔ)償電壓的時(shí)鐘信號(hào)，電壓恢復(fù)正常后自動(dòng)投入正常運(yùn)行。鎖存器采用J－K觸發(fā)器形式與由二－－十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成投入循環(huán)計(jì)數(shù)器和切除循環(huán)計(jì)數(shù)器連接，產(chǎn)生先投先切、止點(diǎn)記憶、無(wú)限循環(huán)的邏輯功能，保證每組補(bǔ)償電容器有相等的工作機(jī)會(huì)，它的輸入端J端1－8和K端1－8分別接到投入循環(huán)計(jì)數(shù)器和切除循環(huán)計(jì)數(shù)器的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸出線，其輸出Q端A－K分別連接至投入檢測(cè)電路和切除檢測(cè)電路的輸入端，由時(shí)鐘延遲器將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)形成一個(gè)滯后0.1秒的導(dǎo)引脈沖提供給鎖存器。
本實(shí)用新型全自動(dòng)數(shù)字功率因數(shù)補(bǔ)償儀，為隔離電網(wǎng)電壓，確保安全，在輸出驅(qū)動(dòng)電路與鎖存器之間有光電藕合單元。
按本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的全自動(dòng)數(shù)字功率因數(shù)補(bǔ)償儀，能準(zhǔn)確地測(cè)出功率因數(shù)變化情況，直接輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，適用范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，投入和切除時(shí)間隨機(jī)設(shè)定，保證電力電容器的安全，每一組補(bǔ)償電容器都有相等工作機(jī)會(huì)，投入和切除時(shí)間準(zhǔn)確，不會(huì)出現(xiàn)反復(fù)投切現(xiàn)象，工作安全可靠、壽命長(zhǎng)、功耗低，不會(huì)造成電網(wǎng)電壓的大幅度波動(dòng)。
本實(shí)用新型有如下附圖圖1全自動(dòng)數(shù)字功率因數(shù)補(bǔ)償儀的方框圖。
圖2全自動(dòng)數(shù)字功率因數(shù)補(bǔ)償儀的邏輯圖。
圖3全自動(dòng)數(shù)字功率因數(shù)補(bǔ)償儀的數(shù)字鑒相器各信號(hào)對(duì)應(yīng)波形圖。
下面參照
本實(shí)用新型的實(shí)施方案。按圖1所示的方框圖，采用CMOS集成電路組成圖2所示的邏輯形式。數(shù)字鑒相器1由IC1～I(xiàn)C11組成，其中IC1～I(xiàn)C3采用LM324、IC4、IC6、IC7、IC10、IC11采用CD4050、IC5采用CD4069、IC8采用CD4073，IC9采用CD4081集成電路，基準(zhǔn)信號(hào)取自相線和零線之間(220V)，從a接入，檢測(cè)信號(hào)由電流互感器取自和基準(zhǔn)信號(hào)同一相線上的電流，從b接入，兩個(gè)信號(hào)的相位情況直接反映電網(wǎng)的功率因數(shù)情況，基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器IC1、IC2整形后形成脈沖信號(hào)，脈寬為10ms，占空比11，經(jīng)微分整形取前、后沿，分別從IC4、IC5輸出對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)相位信號(hào)的0～8°之間的脈沖信號(hào)UF和對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)相位信號(hào)的172°～180°之間的UG脈沖信號(hào)，通過(guò)調(diào)整電位器W2、W3可調(diào)整UF、UG對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)電壓相位的角度，UF、UG信號(hào)作為數(shù)字鑒相器的取樣脈沖信號(hào)。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)IC3、IC6整形后從IC6輸出和由電流信號(hào)一致的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)與門(mén)IC8、IC9和UF、UG對(duì)照檢測(cè)，由IC10、IC11分別送出投入(滯后)信號(hào)UT和切除(超前)信號(hào)UQ。數(shù)字鑒相器1的輸出關(guān)系為IA滯后UA時(shí)UT＝1UQ＝0IA超前UA時(shí)UT＝0UQ＝1IA與UA同相時(shí)UT＝0UQ＝0IA為零時(shí)(IA＜10％)UT＝0UQ＝0因數(shù)值≥0.95時(shí)UT＝0UQ＝0過(guò)壓時(shí)(UA≥240V)UT＝0UQ＝1當(dāng)UT輸出為1時(shí)表示此時(shí)電網(wǎng)功率因數(shù)降低需投入補(bǔ)償電容器。如在安裝時(shí)將檢測(cè)輸入信號(hào)接反(不能滿足和基準(zhǔn)相位信號(hào)相差180°)時(shí)，將出現(xiàn)VT＝VQ＝1，此時(shí)后面的邏輯電路將自行封鎖，不能投入運(yùn)行。數(shù)字鑒相器各信號(hào)對(duì)應(yīng)波形如圖3所示。圖3中(1)為基準(zhǔn)相位信號(hào)，(2)為UF，(3)為UG，(4)為檢測(cè)信號(hào)并被入為反向180°，……為超前時(shí)的信號(hào)，－·－為滯后時(shí)的信號(hào)，(5)為檢測(cè)信號(hào)整形后的波形，(6)為滯后時(shí)的整形波形，(7)為投入信號(hào)UT，(8)為超前時(shí)整形波形，(9)為切除信號(hào)UQ。
投時(shí)鐘產(chǎn)生器2和切時(shí)鐘產(chǎn)生器3分別由IC12、IC13組成，采用集成電路CD4081，它由投切信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器6輸出的時(shí)鐘信號(hào)構(gòu)成“與”的關(guān)系，直接產(chǎn)生投入或切除時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的投切循環(huán)計(jì)數(shù)器10、12工作。時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器6由IC14～I(xiàn)C16、IC20組成，IC14采用CD4020、IC15、IC16采用CD4050、IC20采用CD4081，將工頻50HZ信號(hào)經(jīng)分頻212次得到40.96秒／步的正常投切時(shí)鐘信號(hào)從IC16輸出，經(jīng)29次分頻后，通過(guò)IC20與過(guò)壓保護(hù)電路7的輸出相與得到5.12秒／步的過(guò)壓時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)IC20輸出。
時(shí)鐘延遲器8由IC21～I(xiàn)C24組成，其中IC21、IC23采用與門(mén)電路CD4069、IC22、IC24采用CD4050電路，將時(shí)鐘信號(hào)、過(guò)壓信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲處理后產(chǎn)生滯后0.1秒的延遲脈沖輸出，經(jīng)投入檢測(cè)器4和切除檢測(cè)器5向鎖存器13提供導(dǎo)引脈沖信號(hào)，保證鎖存器的J、K端狀態(tài)確定以后再觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，克服錯(cuò)誤翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。投入檢測(cè)器4由三與門(mén)IC33和八或門(mén)IC31組成，切除檢測(cè)器5由三與門(mén)IC32和八與門(mén)IC30組成，IC30、IC31的輸入A→K端分別接到鎖存器13的Q端，全部為“0”時(shí)表示切完，全部為“1”時(shí)表示投完，出現(xiàn)上述情況時(shí)，鎖存器的時(shí)鐘信號(hào)將被封鎖。
鎖存器企13由IC34～I(xiàn)C37組成，采用四片CD4027八單元J－K觸發(fā)器，J、K輸入端分別接投入循環(huán)計(jì)數(shù)器10和切除循環(huán)計(jì)數(shù)器12，J端1－8作為投數(shù)據(jù)寄存的信號(hào)端，K端1－8作為切數(shù)據(jù)寄存的信號(hào)端，在投切時(shí)鐘信號(hào)導(dǎo)引下使輸出端Q發(fā)生翻轉(zhuǎn)K＝0 J＝1 CP＝1Q＝1K＝1 J＝0 CP＝1Q＝0K＝1J＝1CP＝1此時(shí)只翻轉(zhuǎn)一次，靠檢測(cè)器封鎖時(shí)鐘信號(hào)。
K＝0 J＝0 CP＝1Q維持原狀態(tài)時(shí)鐘CP為0時(shí)，原來(lái)存入的數(shù)據(jù)將長(zhǎng)期保存，記憶和存貯了投入、切除的數(shù)據(jù)信號(hào)，由IC27置位電路17，保證開(kāi)始時(shí)Q＝0。其八位輸出作為光電耦合器14的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和送入投入檢測(cè)器4，切除檢測(cè)器5的IC31、IC30的輸入端，當(dāng)八步全部投完時(shí)，投檢測(cè)器4便產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，高電平封鎖投入循環(huán)計(jì)數(shù)器10，低電平封鎖J－K觸發(fā)器的CP時(shí)鐘信號(hào)，防止周期空翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，當(dāng)八步全部切完時(shí)，切除檢測(cè)器5產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，高電平封鎖切除循環(huán)計(jì)數(shù)器12，低電平封鎖J－K觸發(fā)器的CP時(shí)鐘信號(hào)，防止錯(cuò)誤的投切出現(xiàn)。
投入循環(huán)計(jì)數(shù)器10和切除循環(huán)計(jì)數(shù)器12由IC28、IC29組成，采用二片二－十進(jìn)制的CD4017計(jì)數(shù)器，只用其八位，分別由置零電路9、10的IC25、IC26工作前置零，預(yù)設(shè)的投切步數(shù)從BT、BQ送入，可預(yù)設(shè)1－8步中的任意步數(shù)。投入循環(huán)計(jì)數(shù)器10的禁止端由過(guò)壓信號(hào)，投入檢測(cè)信號(hào)和切除信號(hào)控制。切除循環(huán)計(jì)數(shù)器的12的禁止端由切除檢測(cè)信號(hào)控制，切除完八步時(shí)自動(dòng)封鎖計(jì)數(shù)器，它們的時(shí)鐘信號(hào)分別來(lái)自投時(shí)鐘發(fā)生器2和切時(shí)鐘發(fā)生器3，實(shí)現(xiàn)投在先，切在后，沒(méi)有投入就沒(méi)有切除，根據(jù)數(shù)字鑒相器1的輸出UF、UQ狀態(tài)執(zhí)行投入和切除的邏輯控制，始終保持電網(wǎng)功率因數(shù)值為0.95左右，處于臨界最佳功率因數(shù)值。
過(guò)壓保護(hù)電路7由運(yùn)算放大器LM324IC17和非門(mén)IC18及驅(qū)動(dòng)電路IC19組成，正常時(shí)檢測(cè)輸出為“0”，過(guò)壓時(shí)檢測(cè)輸出為“1”。當(dāng)過(guò)壓時(shí)，不論數(shù)字鑒相器1輸出什么信號(hào)，此時(shí)的邏輯控制表現(xiàn)出切除優(yōu)先的狀態(tài)，時(shí)鐘信號(hào)由正常值40.96秒／步，變?yōu)?.12秒／步快速切除，所以過(guò)壓出現(xiàn)后，已投入的N步將依次快速切除(5.12秒／步)，直到所有的投入步數(shù)都切完后，切除檢測(cè)器5封鎖J－K觸發(fā)器的CP時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)電壓恢復(fù)正常后，電路將自動(dòng)轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。
光電隔離單元14采用八只光耦器IC38～I(xiàn)C45 4N25接于鎖存器13輸出與輸出驅(qū)動(dòng)電路15之間，有效的隔離市電，使市電和數(shù)字電路隔離，避免不安全因素，且光耦器的驅(qū)動(dòng)電流不大，和對(duì)應(yīng)的1－8步的發(fā)光二極管串聯(lián)，可以直觀反映該步的運(yùn)行狀態(tài)。
輸出驅(qū)動(dòng)電路15采用八只雙向可控硅BCR1－BCR8為輸出器件，控制信號(hào)由光耦直接送出，1－8步可控硅的共陰線為火線(相線)，輸出端的接觸器接于零線上時(shí)，接觸器工作電壓為220V，接另外一相線時(shí)，接觸器工作電壓為380V，只需改變接線點(diǎn)，就可適應(yīng)不同接觸器的工作電壓。
電源單元16輸出兩組直流電壓，IC47采用7809輸出VDD為9V，供電路器件工作，IC46采用7805輸出5V電源供光電隔離單元14的光耦器和驅(qū)動(dòng)電路15可控硅的控制電源。
本實(shí)施方案輸入電壓220V，輸出電壓220V／380V，輸出電流2A，控制1－8路，也可根據(jù)用戶需要選擇8步以內(nèi)的任何步數(shù)，投入時(shí)間40.96秒／步，切除時(shí)間40.96秒／步，過(guò)壓切除5.12秒／步，過(guò)壓電壓250V(可設(shè)定)，功率因數(shù)穩(wěn)定值≥0.95，全自動(dòng)無(wú)人值守，設(shè)定投切順序?yàn)橄韧断惹?，終點(diǎn)記憶，無(wú)限循環(huán)。
權(quán)利要求1.一種全自動(dòng)數(shù)字功率因數(shù)補(bǔ)償儀，由電源單元16、過(guò)壓保護(hù)電路7、投入循環(huán)計(jì)數(shù)器10、切除循環(huán)計(jì)數(shù)器12、輸除驅(qū)動(dòng)電路15及置零電路9、11、和置位電路17組成，其特征在于a)有一個(gè)由同相線的電壓UA和電流IA構(gòu)成基準(zhǔn)相位信號(hào)和采樣信號(hào)，由基準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于0～8°和172°～180°的兩個(gè)脈沖信號(hào)，再對(duì)IA進(jìn)行連續(xù)鑒相，直接輸出投入脈沖UF和切除脈沖UG，分別使投時(shí)鐘產(chǎn)生器2和切時(shí)鐘產(chǎn)生器3輸出投時(shí)鐘UT和切時(shí)鐘UQ的數(shù)字鑒相器1；b)有一個(gè)由工頻50HZ信號(hào)經(jīng)過(guò)212次分頻得到40.96秒/步的正常時(shí)鐘信號(hào)，過(guò)壓時(shí)產(chǎn)生5.12秒/步的過(guò)壓時(shí)鐘信號(hào)以快速切除，電壓恢復(fù)正常后自動(dòng)投入正常運(yùn)行的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器6；c)有一個(gè)由J-K觸發(fā)器構(gòu)成，其J端1-8和K端1-8分別接到投入循環(huán)計(jì)數(shù)器10和切除循環(huán)計(jì)數(shù)器12對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸出線，其Q端A-K分別連接至投入檢測(cè)電路4和切除檢測(cè)電路5的輸入端A-K，并由時(shí)鐘延遲電路8形成滯后0.1秒的時(shí)鐘脈沖導(dǎo)引的鎖存器13。
2.按權(quán)利要求1所述的全自動(dòng)數(shù)字功率因數(shù)補(bǔ)償儀，其特征在于有一個(gè)為隔離電網(wǎng)電壓，連接于輸出驅(qū)動(dòng)電路15和鎖存器13之間的光電隔離單元14。
專利摘要本實(shí)用新型屬于電量的控制或調(diào)節(jié)設(shè)備，由電源單元、過(guò)壓保護(hù)、循環(huán)計(jì)數(shù)器、數(shù)字鑒相器、鎖存器、投切時(shí)鐘產(chǎn)生器、投切檢測(cè)、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、時(shí)鐘延遲器、光電隔離、輸出驅(qū)動(dòng)電路及置零、置位電路組成，采用同相線的電壓和電流構(gòu)成基準(zhǔn)相位信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)，投切時(shí)間40.96秒/步，過(guò)壓切除時(shí)間5.12秒/步，鎖存器采用J-K觸發(fā)器，帶有光電隔離，設(shè)定投切1-8步內(nèi)任意選擇，功率因數(shù)穩(wěn)定值≥0.95，功耗＜12W。
文檔編號(hào)G05F1/70GK2080190SQ9021517
公開(kāi)日1991年7月3日 申請(qǐng)日期1990年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1990年12月9日
發(fā)明者劉寧庶, 李渝明 申請(qǐng)人:劉寧庶, 李渝明