（机械工程专业论文）低压侧无功功率自动补偿系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 无功功率补偿是供用电系统提高功率因数、减少电能损耗、改善电压质量、提高供 电系统设备利用率的一种常用措施。它不但影响整个供电系统的供电电压质量，还直接 关系着企业的能源消耗和生产成本。目前国内采用的无功功率补偿方式主要有二种：一 种是方法简单，但补偿效果不理想的固定补偿方式。另种是由微机控制的自动补偿方 式，虽然其补偿效率较高，但补偿装置较复杂，补偿效果受系统电压波动的影响较大。 低压侧无功功率自动补偿系统的研究，正是基于电力系统向着高电压、集成化、小 型化的发展方向，结合供电系统实际补偿的需要提出的。论文详细介绍了低压侧无功功 率自动补偿系统的设计过程：并对无功功率补偿信号的采样原理进行了分析，设计了无 功补偿信号的采样电路，通过数学模型和实验室实验详细分析了采样电路对无功电度表 计量精度的影响；对无功功率自动补偿中的补偿容量计算、补偿电容选择、补偿电容器 的控制等问题，从应用角度给出了工程计算方法和实用控制电路；给出了可供用户参考 的设计流程并根据该流程设计了无功功率自动补偿系统。 论文所设计的低压侧无功功率自动补偿系统，能根据供电系统运行方式的实际需 要自动选择补偿容量的大小，实现供电系统的最优化运行。系统本身具有防止过补偿的 能力，在系统运行方式改变或系统故障时，能正确判断并选择补偿电容器的投入和退出 方式。对补偿电容组的投入和切除顺序能实现合理的控制，以避免因某一组补偿电容的 短时反复投切造成系统过电压。该方法能有效地改善企事业单位的供电质量，减少电能 损耗，降低生产成本，具有简单，直观、方便等特点，可以很方便地在企事业单位推广 应用。 关键词：无功补偿信号采集功率因数损耗 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e r e dc o m p e n s a t i o ni sar e g u l a rm e a s u r eo fe l e c t r i c i t ys u p p l yw h i c ha p p l i e s t oi n c r e a s et h ep o w e rf a c t o r s ，r e d u c et h ew a s t a g eo fe n e r g y , i m p m v et h ev o l t a g eq u a l i t y , a n d a d v a n c et h eu t i l i z a t i o nr a t i oo ff a c i l i t y i tc a nn o to n l yw o r ko nt h ee l e c t r i c i t yv o l t a g eo ft h e w h o l es u p p l ys y s t e m ，b u ta l s ob ec o n c e r n e dw i t ht h ee n e m yc o n s u m ea n dt h ep r o d u c tc o s to f e n t e r p r i s e s a tp r e s e n t ，t h e m a i n t e c h n o l o g i e sd o m e s t i c a l l y i n c l u d et h ei m m o b i l e c o m p e n s a t i o na n da u t o m a t i co n e ；t h ef o r m e ri ss i m p l eb u ti n e f f i c i e n t ，a n dt h el a t e ri s w e l l c o n t r o l l e db yc o m p u t e r b u ti t si m p e r f e c t i o ni sc o m p l e xa n dc o m p e n s a t i o ne f f e c ti sr e f l e c t e d b yv o l t a g ef l u c t u a t i o n t h er e s e a r c ho ft h en e wa u t o m a t i cc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u eo fl o w - p r e s s u r eu n i l a t e r a l r e a c t i v ep o w e r , w h i c hi sb a s e do nt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mw h o s e c h a r a c t e r sa r eh i g hv o l t a g e ，i n t e g r a t i o na n dm i n i t y p e ，i sp r o p o s e di nt e r m so ft h ed e m a n d so f a c t u a lc o m p e n s a t i o no fs u p p l y i n ge l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h ep a p e re x p o u n d st h ed e s i g n p r o c e s so fr e a c t i v ep o w e r e dc o m p e n s a t i o na n da n a l y z e st h ea f f e c t i o no ft h es a m p l i n ge l e c t r i c c i r c u i to nt h em e t e rp r e c i s i o nb yu s i n gm a t hm o d e l sa n dd o i n ge x p e r i m e n t s a i m i n ga t s o l v i n gt h ep r o b l e m s s u c ha sc o m p e n s a t i o nc a p a c i t yc a l c u l a t i o n ，s e l e c t i o no fe l e c t r i c c a p a c i t y ，a n dt h ec o n t r o lo fc o m p e n s a t i o ne l e c t r i cc a p a c i t yd u r i n gt h ec o u r s eo f t h ea u t o m a t i c c o m p e n s a t i o n ，t h ep a p e rp r o p o s e st h ec a l c u l a t i o nm e t h o da n dc o n t r o l c i r c u i td i a g r a mi n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e s t os l i mu p ，i ts u p p l i e st h ed e s i g np r o c e s s i o nf o rc u s t o m e r st of r a m et h e r e a c t i v ep o w e ra u t o - c o m p e n s a t i o ns y s t e r n t h es y s t e mc a na d j n s tt h ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t ya n do p t i m i z et h ep o w e rs u p p l yb a s e d o nt h es y s t e mp e r f o r m a n c ea st oc o u n t e r c h e c kt h eo v e r d o n ea n dd i s t i n g u i s ht h ec u t i nm e t h o d w h e ns o m ea c c i d e n t sa n dm a l f u n c t i o n sh a p p e n i ta l s oc a r lr e a l i z et h ew e l l c o n t r o l l e d s e q u e n c eo ft h ec u t - i na n dc u t - o u tp e r f o r m a n c e ，a v o i d i n gt h eo v e r - v o l t a g eo ft h er e p e a t e d s h o r t - t e r mc u t i no p e r a t i o n t h a tn e wm e t h o dc a ni m p r o v et h ep o w e rs u p p l yo fe n t e r p r i s e s ， r e d u c et h ee l e c t r i cw a s t a g e ，a n dl o w e rt h ep r o d u c t i o nc o s t ，w h i c hi ss i m p l e ，i n t u i t i o n i s t i ca n d c o n v e n i e n tt ob ea p p l i e de x p e d i e n t l yi na l le n t e r p r i s e s k e yw o r d s ： r e a c t i v e p o w e r e dc o m p e n s a t i o n s i g n a l c o l l e c t i o n p o w e rf a c t o r w a s t a g e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：詹 日期：2 0 0 5 年妒月力叼日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 图家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科 技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在年解密后适用本授权数。 不保密日。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者躲孝甄指导教师签名 日期：2 0 0 5 年q 月加日 溯缓 日期：2 0 0 5 g 中月猡日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源、目的和意义。卜m 无功功率补偿是供用电系统提高供电系统功率因数、减少供电系统电能损耗、改善 供电系统的电压质量、提高供电系统设备利用率的一种常用措施。在工矿、企事业单位， 它不但影响整个供电系统的供电电压质量，还直接关系着企业的能源消耗和生产成本。 当用电单位的功率因数较低时，不但会造成用户电能的损耗增大，还会造成用户的供电 电压质量下降，直接影响到企业的正常生产过程；同时，也会是供电部门的供电成本加 大。因此，供电部门在计算各单位的供电成本时，不但要考虑用户的有功电度多少，还 要考察用户的功率因数，以此为考核指标，实行“高奖低罚”的原则【2 1 。所以，在电力 系统内各变电站以及各电力用户工矿企业、事业机关中，无功功率补偿系统有着广 泛的应用。 供电系统进行无功补偿的必要性体现在以下几点： 1 减少供电系统的电能损耗，降低生产成本。 2 提高供电系统的功率因数，改善供电系统的电能质量。 3 提高供电系统的设备利用率，减少供电系统的一次投资。 低压侧无功功率补偿系统的研究正是基于这种思考，结合电力系统向着高电压、集 成化、小型化的发展方向，在洛阳市科委前期科研项目智能型无功电度表的研究课题的 基础上，参考智能型i c 卡电度表的设计原理提出的，预期在不影响无功电度表正常记 度的功能之上，将无功电度表的输出量，这一供电系统无功功率缺额最直观的数据作为 供电系统无功功率自动补偿的依据，从而更直观、更方便地实现在电力用户低压侧对供 电系统进行无功功率的自动随机补偿。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 无功功率补偿原理 在交流电路中，当负载性质为纯电阻负载时，电流最与电压u 同相位：当负载性 质为纯电感负载，电流五滞后电压u 9 0 度相位角；当负载性质为纯电容负载，电流c 超前电压u 9 0 度相位角。如图1 1 中图( b ) 所示 s l 。 由图1 1 可以看出，电容中的电流与电感中的电流相位相差1 8 0 度，它们可以相互 抵消。 i z 。 如。 氏r 弋夕1 c o ，”、，、， ，7 、太岁 i c i r ( a ) 波形图 ( b ) 相量图 图1 - i 交流电路中电压和电流关系图 在工厂企业中，大部分是电感性和电阻性的负载。因此，总的电流，将滞后电压一 个角度西。如果装设电容器，并与负载并联，则电容器的容性电流，c 将抵消一部分电 f c 0 定 f l ( a ) 接线原理图 ( b ) 相量图 图1 - 2 并联电容器的补偿原理 华中科技大学硕士学位论文 感电流五，从而使电感电流由屯减少到，l ，总的电流由，减少到，功率因数则由c o s 毋2 提高到c o s 西l ，如图1 2 l 6 所示。 从相量图可以看出，电路中接入并联电容器后，使功率因数角痧发生了变化，既总 电流，的相位差发生了位移，所以该并联电容器又称移相电容器。如果电容器容量选择 得当，可把电流的无功分量岛减少到0 ，既将功率因数c o s 咖提高到1 。这就是并联补 偿电容的工作原理，并联补偿的主要目的是提高供电系统功率因数c o s 毋。 顺便指出，在电力系统中有时也采用串联补偿方式，其作用与并联补偿不同。串联 补偿主要用于送电线路。将电容器与线路串联，可以改变线路参数，从而减少线路的电 压损失，提高末端电压水平和线路输送能力，并减少网络功率损耗和电能损耗。 1 3 无功功率补偿的意义曲1 一 在工厂供电系统中，我们可以认为系统的有功功率是恒定的( 实际上是在一定时间 段恒定不变) 。那么，当有功功率恒定时，有功功率p 、无功功率q 、系统供电容量s 之间满足图1 - 3 所示的功率三角形关系嘲。 图l 一3 功率三角形 根据功率三角形，我们可对无功功率补偿的作用作出以下分析： 1 提高供电系统的设备利用率，减少供电系统的一次性投资。 由图1 3 功率三角形可以看出，在有功功率p 为常数时，用户所需无功功率q 愈小， 系统供电容量s 也愈小。因此，为该用户供电的供电线路的导线截面和变压器容量也可 以相应减小，从而减少供电系统的一次性设备投资，提高供电系统的设备利用率。 2 减少供电系统的电能损耗，降低生产成本。 由电路知识可知，供电线路和变压器的功率损耗与通过该电路的电流平方成正比。 华中科技大学硕士学位论文 电流越大，损耗也越大。当无功功率需求增大时，将增大线路和变压器的功率和电能损 耗，使年运行费用增加。如果供电系统的功率因数c o s 西变小，在有功功率p 一定时， 则供电电流，增大，将引起供电系统的功率损耗和电能损耗也随之增大。所以，功率因 数降低将使系统的损耗增大，直接影响工厂的经济效益。 3 提高供电系统的功率因数，改善供电系统的电能质量。 供电系统中，电压损失的计算公式f 7 】为： 皓p r + q x ( 1 - t ) 咖 其中 玑供电系统线路首端和末端的电压降落。单位k v j p ：供电线路传输负苟的有功功率。单位k w q ：供电线路传输负荷的无功功率。单位k v a r r ：供电线路的等效电阻。单位q x ：供电线路的等效电抗。单位 o ：供电线路的额定电压。单位k v 由公式1 - 1 可知，当无功功率q 增加时，会使线路和变压器的电压损失增大，供电 电压质量下降。严重时会造成供电线路末端的电压损失超过1 0 的正常范围。 在电网中，一般配电线路的电抗约是电阻的2 4 倍，变压器的电抗约为电阻为5 1 0 陪，所以无功功率的增大，对实际电网电压损失的影响将是明显的。供电系统的功率因 数，将直接决定着供电系统的电能质量。 由以上分析可以看出，无功功率的增大会使功率因数c o s 毋降低，无论对供电系统 还是工厂内部都是不利的。因此，改善功率因数，是电业部门和工厂企业都应重视的问 题。 1 4 无功功率补偿问题的国内外研究现状和趋势m h 根据目前国内外电网的运行数据，供电系统的供电损耗一般在1 0 - 2 0 左右，供 电设备的利用率远没有达到理想的状态。其中有相当一部分原因是由于无功功率的不当 4 华中科技大学硕士学位论文 传输造成的。无功功率补偿问题，一直是电力行业、用电部门所关注的问题。目前国内 外的大型供用电系统一般均要进行无功功率补偿。国内也有相应科研院所和企业在生产 相关的专用装置。如杭州时域电子科技有限公司生产的s c 系列低压无功功率自动补偿 控制器；无锡法兰克电气有限公司生产的气体填充型环保化低压自愈式并联电容器；杭 卅l 开普计算机控制设备有限公司生产的d k y - k b 智能型功率因数控制器；西安中冠电 控有限责任公司生产的高压电容无功自动补偿装置等。 虽然无功功率补偿装置种类繁多，但目前国内外采用的设计原理归纳起来主要有 二种：一种是固定补偿方式，即补偿容量的大小是一固定不变的值，不随系统供电方式 的改变而改变，这是一种方法简单、在电力用户3 8 0 v 侧经常采用的补偿方式，缺点是 补偿效果不理想，补偿效率不高。另一种是由微机控制的无功功率自动补偿方式。它可 以根据供电系统的功率因数变化来确定补偿容量的大小和补偿方式，是一种比较理想的 补偿方法。但该种无功补偿方式装置较复杂，补偿设备成本较高，同时对供电系统功率 因数的自动检测方式也较繁琐，补偿的精度受供电系统电压波动的影响教大，不易被大 量在3 8 0 v 低压侧补偿的用电单位所接受。 由于能源紧张已成为世界性的问题，提高供电效率，降低供电成本必将越来越受到 电力行业的重视。整个电力工业日益向着高电压、集成化、小型化的方向发展，必将促 进无功功率补偿技术的提高。无功功率补偿技术的发展趋势必将随着整个电力工业向着 高电压、集成化、小型化的方向发展： 1 补偿装置更趣专业化。既无功功率补偿装置将根据补偿对象、使用场合的不同 采用专业化的补偿装置。如变压器专用补偿装置；高压电动机专用补偿装置。 2 补偿装置功能更趣集成化。既无功功率补偿装置会和其他供用电设备结合起来， 具有设备集成化，功能多样化的特点。 3 补偿系统将向更高的精度发展。既更高精度的无功功率补偿装置会逐步取代现 有的补偿装置。补偿容量的级差会逐步缩小，供电系统将更接近于优化运行。 4 补偿装置的应用更趣普及。无功功率补偿将不再是仅仅在无功功率大户中采用， 无功功率补偿将由分散补偿和集中补偿相结合的方式取代现阶段主要以补偿功率因数 为目的的集中补偿方式。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 5 补偿系统研究的主要内容 低压侧无功功率自动补偿系统的研究，关键技术是要通过对无功电度表的改进，开 发一种既能对无功功率进行正常计量，又能输出无功功率大小信号的新型无功电度表， 并在此基础上开发出能广泛应用在低压3 8 0 v 侧的无功功率自动补偿系统。 为此，论文要解决的关键技术有： 1 实现无功电度表的正常计度功能与无功功率信号采集方法的集成。 2 实现供电系统无功功率补偿容量大小的自动判断。 3 实现对补偿电容的优化分组及投入、退出顺序的合理控制。 在解决以上关键技术的基础上，开发出能广泛应用于供电系统低压侧的无功功率自 动补偿系统。 该自动补偿系统应具有以下功能： 1 系统能根据供电系统的无功功率缺额大小，自动选择合适的补偿容量和补偿方 式，从而实现供电系统的最优运行。 2 系统本身具有防止过补偿的能力。在系统运行方式改变或系统故障时，能正确 判断并选择补偿电容的投切方式。 3 对补偿电容的投入和切除能实现顺序控制，以避免因某一组补偿电容的短时反 复投切造成系统过电压。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 概述 2 无功补偿采样电路的设计 低压侧无功功率自动补偿系统的研究，是要通过对无功电度表的改进，开发一种既 能对无功功率进行正常计量，又能输出包含无功功率大小信号的新型无功电度表，并在 此基础上开发出能广泛应用在3 8 0 v 低压侧的无功功率自动补偿系统。 l h c 图2 - 1 三相无功电度表接线图 1 为电度表的基本电流线圈 2 为电度表的附加电流线圈 图2 1 所示，是一实际电路中三相无功电度表的计量接线图j 。图中所示是经电压、 电流互感器将三相无功电度表接入需计量的电路。在低压3 8 0 v 侧测量时可以不经互感 器直接将三相无功电度表接入需计量的电路。 图2 - 1 中的虚线部分即为三相无功电度表。虚线中1 为电度表的基本电流线圈，2 为电度表的附加电流线圈，和基本电流线圈及附加电流线圈垂直的线圈为电压线圈，黑 点代表电压、电流接入方向的同名端。从图2 1 中可以看出，三相无功电度表在结构上 7 华中科技大学硕士学位论文 是将单相有功电度表( 如图2 - 2 ) 的两套机构( 电压、电流线圈) 集成为一体，共用一 套计量机构( 转动铝盘) 组成的。只是在计量时所接的电流、电压信号不同，原理和内 部电磁过程完全一样。 z 图2 2单相电表原理图 1 电流元件铁芯2 电压元件铁芯3 电度表转动铝盘 4 回磁极 三相无功电度表的接法： 从图2 - 1 中可以看出，三相无功电度表的基本电流线圈( 虚线中1 部分) 接入的分 别是a 相电流厶和c 相电流比，在三相三线制电路中，由于： i 什i b + i c 翊 所以，电度表的附加电流线圈接入的是a 相电流厶和c 相电流坛的和，即厶， 电压线圈分别跨接在c 、u n s 上。 三相无功电度表在计量的过程中，是将用电设备的无功功率大小转化为转动铝盘所 转的圈数来实现的。可以说无功电度表转动铝盘转动的快慢是最直接的系统无功功率大 小的直接反映。 2 2 采样电路设计m 卜圳 无功电度表的计量值是最直接的系统无功功率缺额的表现。而这一数值正是通过无 功电度表转盘铝盘的转动累加起来的。为了能计算出供电系统的无功功率缺额值， 可以采用如下方法进行。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 2 1 信号采集原理 = 、转 图2 - 4 透光槽放大等效位置图 9 华中科技大学硕士学位论文 在无功电度表铝盘的透光槽孔处，分别安装二个光电开关s l 、s 2 ，对其进行监控， 当表盘隔离光电开关时，s l 、s 2 处于无输出状态；当透光槽孔经过发光管时，则光电开 关导通。 2 2 2 采样电路设计 信号采集电路如图2 5 所示。 图中：s l 、s 2 为光电开关，v 1 、v 2 为输出信号。 2 - 5 信号采集电路 + 2 4 v v 1 v 2 电路输出为一数字方波信号，简单的说，即在光电开关s 1 、s 2 导通时，输出电压 v l 、v 2 为一高电平，反之，在光电开关s l 、s 2 截止时，输出电压v l 、v 2 为一低电平。 无功电度表的铝盘转动一个周期，输出电压v i 、v 2 也完成从高电平到低电平的一个周 期变化。 2 2 3 输出波形分析 为简便分析采样电路的输出波形，做出透光槽等效放大位置图如图2 - 4 所示。即相 当于假设把两个发光二极管的位置平移到电度表铝盘的相同位置，再做出各自相对应的 透光槽等效放大位置，k l 、k 2 的位置关系如图2 4 所示。 l o 华中科技大学硕士学位论文 当电度表以一定的转速n 旋转，根据s t 、s 2 的导通情况，分别做出表盘转动时s 1 、 s 2 的输出波形如图2 - 6 所示。 v z v 1 l 卜t 一 厂 广 ! 要茎! 厂 广 ! 垦茎! 广 广 图2 - 6 采样电路输出波形 假设以v 2 作为基准，首先v 2 是一由铝盘转动快慢所决定的方波信号。由于二个透 光槽孔k l 、k 2 的特出位置要求，此时，若无功电度表正转，由于槽孔k 1 位置在前， v 1 先于v 2 已经导通有信号输出。即若无功电度表正转，则在信号方波v 2 的上升沿， 对应的是方波v 1 的高电平；同理，即若无功电度表反转，则在方波v 2 的上升沿，对应 的是方波v 1 的低电平。 通过对波形图的分析，可得出以下结论： 1 输出方波的周期，代表了供电系统无功功率的大小。即方波的周期和电度表转 动的周期是一致的，该周期的大小和供电系统无功功率的大小一一对应。 2 光电开关s l 、s 2 的导通顺序表明了无功电度表是正转还是反转。无功电度表是 正转还是反转表示的是供电系统在该时刻是容性无功还是感性无功。正转说明此时负载 是感性的，供电系统在吸收无功功率；反转说明此时负载是容性的，供电系统在发出无 功功率，这个信号是供电系统防止过补偿的依据。即只要出现无功电度表反转现象，就 应该停止补偿电容的投入，并执行退出补偿电容器的操作。 3 光电开关s 1 的两次信号输出方波前沿之间的时间是电度表铝盘的转动周期t 。 根据这一周期可计算出供电系统的无功功率大小。 2 2 4 转动周期的计算 设无功电度表的系数为，2 转k v a r h ，即每千乏小时无功电度表要转动的圈数是，l 华中科技大学硕士学位论文 圈，电度表的转动周期为z 秒，则供电系统的无功功率q 为f 3 】： 形， 3 6 0 0 q2 芋2 百( k v a r ) ( 2 - 1 ) t：3600(2-2) a n l e o ：系统的无功功率缺额。单位：k v a r h t = 电度表的表盘系数。单位：转k v a r h r ：电度表的转动周期。单位：秒 q ：供电系统的无功功率。单位：k v a r 2 3 总结 在正常无功电度表上添加简单的采样电路后，无功电度表除了记度功能之外，将能 输出两个记载供电系统无功功率信息量的数字方波信号。这就将无功电度表的功能进一 步拓宽。 改进后的无功电度表在原有接线端子的基础上，增加了四个端子，即图2 - 5 采样电 路中的电源端、v 1 与v 2 输出端、公共接地端。在不需要进行无功功率补偿时，这些 端子可以不用，就是一块正常功能的无功电度表；在需要进行无功功率补偿时，将这些 端子正确连接，就可以输出记载供电系统无功功率信息量的数字方波信号。 华中科技大学顽士学住论文 3 信号采集电路对无功电度表记度功能的影响分析 一种无功功率补偿新方法的实现研究这一课题能否真正在实际中应用，在技术上应 该说是不难实现的。关键就是要看在设计过程中对无功电度表内部结构的改动，对无功 电度表正常计度功能有无影响，这是本系统能否走入实用的关键，也是论文要重点分析 和实验验证的。这一问题，在该系统的设计之初已经重点考虑，且己从设计上采取了一 些具体措施力图使无功电度表内部结构的改动对其正常计度功能的影响尽可能地减小。 加上无功电度表本身的误差调整机构对其计量误差有一定的调节能力，可以通过误差调 整将这一影响调整到正常的计量精度以内。 3 1 信号采集电路对无功电度表记度功能影响的理论分析 在电度表的铝盘之上开设透光槽，会不会对无功电度表的计量功能有影响，以及这 个影响到底有多大，是低压侧无功功率自动补偿系统能否走入实用的关键点。从理论上 分析，如果在电度表的铝盘之上开设透光槽的位置不合适，或者透光槽所占整个铝盘的 面积过大，都可能会对电度表的计量功能有一定的影响。关键是要保证在完成正常信号 采集功能的同时，将电度表的铝盘之上开设的透光槽对电度表记度功能( 即对记度误差 的影响) 的影响减到最小，控制在电度表可以调节的范围之内。本系统在设计之初已经 充分考虑到了这一问题，主要是通过三条途径来减小透光槽对电度表正常记度功能的影 响。 1 透光槽的位置避开了电压线圈和电流线圈的涡流回路。 2 透光槽开的很小。 3 通过无功电度表本身的计量精度调整机构对电度表进行调整。 3 1 1 转动铝盘的力矩分析嘲【l l 】 图3 - 1 是电度表的转动铝盘【2 1 。方块表示相对应的磁场位置，原点和差号分别表示磁 华中科技大学顽士学位论文 场方向进入和穿出铝盘。厶为电流线圈产生的涡流，由于电流线圈所形成的磁场，一半 穿出铝盘，一半进入铝盘，分别形成如图所示的以穿出和进入点为同心圆的涡流电流如。 l 。为电压线圈产生的涡流，妒z 为无功电度表的制动机构永久磁铁形成的磁场。 电压线圈、电流线圈在电度表铝盘上所形成的磁场是电度表产生驱动转距的前提。 制动转距蝇由永久磁铁产生，可通过调整其位置来调整制动转距的大小，从而调整无 功电度表的计量精度。 图3 - 1 铝盘磁通与涡流 正常计度时：电压线圈产生的涡流f 。处于电流磁场毋i 中，产生转距m l ，电流线 圈产生的涡流i e i 处于电压磁场毋u 中，产生转距尬。 3 1 2 电度表的记度原理 由于无功电度表在正常工作时接入的是正弦交流电，由其交变形成的磁场也是按正 弦规律变化，根据电磁场原理及电路知识，设以电流线圈形成的磁场西i 为参考向量， 并做以下假设川： 1 由于无功电度表的电压线圈在结构上导线细，匝数多，造成了其本身的电抗x 远远大于其电阻r ，即j ， r ，在忽略电阻的情况下，可以认为电压线圈的电流滞后电 1 4 华中科技大学硕士学位论文 压的相位为9 0 0 。 2 忽略铁芯的磁滞和涡流，认为曲i 和产生妒i 的电流，同相位。 3 涡流路径认为是纯电阻路径。 做出各相量的位置关系如图【2 i3 2 相量图所示。 图3 - 2 感性负载下电度表相量图 由图3 2 可以看出： 设毋i - 谚。s i nc o t 则 。= 中。s i n ( u 卜p ) f 。i = 厶i m s i nrc o t - 9 0 。， i 。= 厶。，s i nrc a t 9 0 0 - 夕 由于转距m l 和产生它的涡流k 和磁场j 产成正比，假设比例系数为k 1 ，则： m1 2k 1 s i n ( w t 9 0 0 p ) 中i m s i no o t m l 的平均转距为m y l ： g v l = 伊m l d t = k 1 c u 中i s i n 矿 ( 3 一1 ) 同理，涡流l 。c i 和磁场毋u 产生的转距肘2 ，假设比例系数为k 2 ，则m 2 的平均转距 m e 2 为： m t , 2 = k 2c u 口i s i n 扩 ( 3 - 2 ) 故驱动电度表转动的合成转距m p 为： m p = m z 2 - m v t = k 2 函u 中i s i n 扩- k 1 c u 驴i s i n ) = k c u 函i s i n 矿 ( 3 3 ) 由于扩= 9 0 0 西 华中科技大学硕士学位论文 故m p = kktk2uicos庐=cp(3-4) 其中：k lk 2kc 均为常数，c = k k u k i 制动转距m z 为一与转速n 成正比的量，m z = k n 。 电度表正常计度时： m z = m p k n = c p 刀= c p k = a p 其中，a 为电度表系数。说明电度表的转速和负载所接的功率成正比。那么： n t = a p t ( 3 - 5 ) 即电度表在f 时间内所转的圈数正好是其负载所消耗的电功率。电度表正是通过这 一原理来实现正常计度功能的。 三相无功电度表是将上述两套机构( 电压、电流线圈、转动铝盘) 集成在一起， 共用一套计量机构组成的。只是计量时所接的电流、电压信号不同，原理和内部电磁过 程完全一样。对单相表的解剖分析完全适用于三相无功电度表。 3 1 3 结论 根据以上分析可以看出，对电度表计度功能有影响的是电流线圈产生的驱动转距 m 1 ，电压线圈产生的驱动转距 疋和由永久磁铁产生的制动转距。从理论上看，只要 透光槽的位置避开了电压线圈和电流线圈的涡流回路，亦即对电压线圈和电流线圈的涡 流大小没有影响，则无功电度表内部结构的改动，对无功电度表正常计度功能有没有影 响的。 根据电磁场原理，涡流电流的分布总是以磁场的穿过点为圆心形成同心圆分布，电 流大小随半径增加而成反比例减小，故对电度表计度功能有影响的只是靠近涡流圆心的 有效涡流分布面积。 由于在设计开槽的位置时，已经充分考虑了这一因素，避开了电压线圈、电流线圈 的有效涡流回路，且槽也开的很小，对电压线圈、电流线圈的涡流不会造成影响，所以 对该回路的力矩影响也很小。由这两方面的原因可见，开槽对电度表计度功能的影响是 很小的。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 2 信号采集电路对无功电度表记度功能影响的实验验证2 叭川 为了进一步从实验上验证无功电度表和无功信号采集系统的集成对电度表正常计 度功能的影响，我们设计了以下的实验电路。由于有功电度功表和无功电度表在计度原 理和内部结构上完全相同( 见图2 - 2 ) ，只是外部接线形式不一样，我们需要验证的是 电度表铝盘的改动会不会影响电度表的计量精度，又由于研制经费的限制，实验用的电 度表用单相有功电度表代替。这一代替所得出的结论对感应系电度表是普遍适用的，具 有共同的代表性。实验电路如图3 3 所示。 l o 图3 3 电度表校验原理接线 实验所需的设备及仪表如下： w h o 为标准表，实验中用正常计量精度的电度表。 w h x 须校正的电度表，即改装后的电度表。 v 为电压表 a 为电流表。 秒表。 实验中所使用的电度表为d d 8 6 2 4 型单相电度表。计度系数为7 2 0 转k v a r h 。 计量精度2 5 一2 5 。电压表、，为检测供电系统的电源电压，保证在实验测试时供电系 统的电源电压在额定值以内。 为和工厂实际相同，实验时所接的是同一个感性负载( 电动机) 。为保证试验的准 1 7 华中科技大学硕士学位论文 确性和普遍性，实验电路选用标准校表实验电路。为保证实验的精确度，减少计量误差， 实验中计数时间f 取得较大。 实验原理：利用该实验电路分别求出电度表在改动前、改动后的计量误差。并做分 析比较。 3 2 1 校表实验 实验过程如下： 1 测量出t 时间内标准电度表表盘所转的圈数数值a 0 。 2 测量出电度表改动后在相同的t 时间内所转的圈数数值a l 。 3 重复以上实验，求出平均值。 实验记录及数据分析见表3 - i 表3 - i 电动机空载下实验数据 次数a 0 ( 圈)平均a 0 ( 圈) a l ( 圈) 平均a 1 ( 圈) 误差( )t ( s i n ) l2 4 52 4 3 8 52 4 32 4 3 6 30 3 51 0 2 2 4 32 4 3 8 52 4 52 4 3 6 3o 4 71 0 32 4 32 4 3 8 52 4 32 4 3 6 30 3 51 0 42 4 42 4 3 8 5 2 4 42 4 3 6 30 0 61 0 5 2 4 42 4 3 8 52 4 32 4 3 6 30 3 51 0 62 4 42 4 3 8 52 4 42 4 3 6 3 0 0 6l o 7 2 4 42 4 3 8 52 4 42 4 3 6 3o 0 61 0 其中： 平均凡一i ， a 0 f n 爿 平均a 。：三号4 f n 智 1 8 华中科技大学硕士学位论文 3 2 2 实验结果分析 误差：丛二鱼。1 0 0 4 在实验过程中，由于选用的对照表和实验电度表为同一厂家( 中国许继仪表厂) 同 一型号( d d 8 6 2 4 ) 的单相电度表，相对而言由实验样本造成的误差较小。在3 2 1 的 校表实验中，由于对电度表转动圈数的记数只能精确到整数位，所以造成了几次实验中 的误差相对较大。 从实验结果看，从实验中测出的电度表计量相对误差均在电度表的设计计量精度之 内，即使不做计量精度调整，也能保证电度表的计量精度在设计精度以内。本项目设计 过程中对无功电度表内部结构的改动，对无功电度表的计度精度基本没有影响。这就从 理论和实验两方面都证实了论文所研究的无功功率自动补偿系统是切实可行的。 华中科技大学硕士学位论文 4 基于无功电度表直接驱动的无功功率自动补偿系统设计 4 1 补偿容量的计算酬力”1 3 供电系统在正常运行时，系统的无功功率在供电系统和负载之间不断进行交换，从 而维持一种动态平衡。在这种不断的无功交换过程中，要消耗大量的有功功率，其值【刎 为： a p = k q ( 4 1 ) 其中：p 为由无功网流引起的有功损耗。单位：k w k 为无功经济当量，其值大小由供电系统的网络形式及参数决定。工厂供 电系统中一般在o 0 2 _ _ o 1 之间。 q 为系统的无功功率。单位：k v a r 系统无功功率补偿的任务就是要适时地检测出系统中无功功率q 值的大小。并通过 供电系统的无功补偿电容，将这部分无功功率补偿到供电网络中去，减少供电网络中的 无功网流，从而达到提高供电系统功率因数和节能的目的。 4 1 1 补偿容量的计算 供电系统在进行无功功率补偿设计时，总是先设定一个补偿目标，然后根据要达到 的目标，来计算系统需要补偿的电容量。 设要将某一供电系统的功率因数从系统本身固有的c o s 毋1 提高到一希望值c o s 毋2 。 由于在补偿前后系统需要的有功功率大小应该维持不变，则需补偿的无功功率值为： q = q l q 2 = p t g 驴l p 增口2 = p ( t 9 0 1 - - t g 驴j = q c p ( 4 2 ) 其中： q 为系统应补偿的容性无功功率。单位：k v a r qi 为系统补偿前的无功功率。单位：k v a r 华中科技大学硕士学位论文 q2 为系统补偿后的无功功率。单位：k v a r q c 为无功补偿系数。单位：k v a r k w p 为供电系统的有功功率。单位：k w 在实际计算中，c o s 多1 、c o s 庐2 一般取平均功率因数，系统有功功率p 一般取月平 均有功功率。其计算方法为： w e ,1 删。丽丽。丽 w e e1 咖加3 丽。藤v w ，2 j 。 坠 月实际工作小时数 其中：坼1 、矸包分别是无功补偿前、后的有功电度。 l 、讳乜分别是无功补偿前、后的无功电度。 月实际工作小时数按工作月计算。 故，在实际供电系统补偿计算中，补偿容量的计算方法为： a q = q cp ( 4 - - 3 ) 其中，q c 可通过在计算出c o s 妒1 、c o s 毋2 的情况下，查表4 - i 补偿率表得到。 华中科技大学硕士学位论文 表4 - 1 补偿率川q d o ( va l _ ，k w ) n s 毋z o 8o 8 20 8 4o 8 5 0 8 6 0 8 8 0 9 00 9 20 9 4o 9 60 9 81 0 0 c 。s 朱 0 4 01 5 41 6 0 1 6 5 1 6 5 1 7 01 7 51 8 71 8 71 9 32 0 02 0 92 2 9 0 4 21 4 11 4 71 5 21 5 41 5 71 6 21 6 81 7 41 8 01 8 71 9 62 1 6 0 “ 1 2 91 3 41 3 9l 4 11 4 41 5 01 5 51 6 11 6 81 7 51 8 42 0 4 0 4 61 1 81 2 31 2 81 3 11 3 41 t 3 9 1 4 4 1 5 01 5 7 1 6 4 1 7 3 1 9 3 0 4 8 1 0 81 1 21 1 81 2 11 2 3 1 2 9 1 3 41 4 0 1 4 6 1 5 41 6 21 8 3 0 5 00 9 81 0 41 0 91 1 11 1 41 1 9 1 2 51 3 1 1 3 7 1 _ 4 41 5 21 7 3 0 5 2 0 8 90 9 41 0 0l 0 21 0 51 0 21 1 61 2 11 2 81 3 5 1 “1 6 4 0 5 4o 8 10 8 60 9 10 9 40 9 70 9 4 1 0 71 j 1 31 - 2 01 2 71 3 61 5 6 o 5 60 7 30 7 80 8 30 8 6o 8 90 8 7 0 9 9 l 。0 51 1 2 1 1 91 2 81 4 8 o 5 80 6 6 0 7 1o 7 6o 7 9o 8 10 7 90 9 20 9 71 0 41 1 2 1 2 0 1 4 1 o 6 0o 5 8 0 6 40 6 90 7 10 7 40 7 8o 8 50 9 00 9 71 0 41 1 31 3 3 0 6 20 5 2o 5 7o 6 20 6 50 6 7 o 6 6o 7 6 0 8 4 0 9 00 9 81 0 61 2 7 0 6 40 4 50 5 00 5 6o ，5 80 6 4o 6 8 0 7 2 0 7 8 0 8 40 9 1