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无功补偿控制器的设计要求

无功补偿控制器是无功补偿装置的核心部件,具有举足轻重的地位,大部分无功补偿装置的生产厂家都是买来控制器然后自行装配整机,具有设计制造控制器能力的厂家不多,能够设计制造出性能优异的控制器的厂家更是凤毛麟角。

现有的低端控制器都是以功率因数为依据进行控制的,这种控制器虽然价格低廉、性能很差,已属于淘汰之列,因此这里不做介绍。

现有的高端控制器都是以无功功率为依据进行控制的,但除此之外,往往将设计重点放在汉字显示以及数据通讯等方面。其实要真正实现完美的无功补偿控制是一件相当复杂的事情,实现完美的无功补偿控制是无功补偿控制器的主要功能,只有在主要功能相当完善的情况下,才能考虑附加功能。下面详细介绍一下对控制器的设计要求以及一些基本的设计方法。

1、对测量精度的要求

要实现精确的无功补偿就必须对无功电流进行准确的测量。

因为电压的变化范围较小,因此对电压的测量精度要求不高,通常有1%的测量精度就足够了。通常的情况下,不测量电压也可以实现很好的无功补偿控制,对电压的测量主要是为了实现过压、欠压、以及缺相等保护功能。

对电流的测量灵敏度要求要高一些。对于使用8位单片机的低档控制器,测量灵敏度要达到1%以上。注意这里强调的是“测量灵敏度”而不是“测量精度”,1%的电流测量灵敏度即相当于可以区分1%的电流变化,例如电流互感器的一次电流为500A,则意味着可以区分从100A到105A的电流变化,并不要求100A的电流测量值绝对准确。对于使用DSP或32位单片机的高档控制器,测量灵敏度要达到0.1%以上,否则就谈不到高档了。同样的道理,测量的灵敏度要达到0.1%,意味着测量值应该有4位有效数字,但同样并不要求绝对准确。对无功补偿控制器要求0.1%的测量精度是不现实的,也没有实际意义。但是控制器的测量值较好能在现场进行校正。

对功率因数测量的灵敏度较好要达到0.001。准确地说,应该是对相位差的测量要求,因为测量无功功率并不需要使用功率因数值。这里要强调一点,对无功电流的计算应该使用Iq=I×sinφ的公式来进行计算,而sinφ的值应该根据相位差的值直接进行计算,不能使用sinφ=(1-cosφ2)1/2的公式计算,否则当相位差在0度附近时,cosφ的微小变化会导致sinφ的很大变化,导致sinφ的值误差太大。例如cosφ=0.99时,对应的相位差是8.1度,对应的sinφ值为0.14,意味着0—0.14之间其他sinφ值检测不到。

对相位差的测量要求达到整个-180—+180度范围。有一些控制器具有电流互感器接反的自动识别功能,这种控制器以有功必须为正值来判断互感器的正反,相当于-90—+90度范围,这就可能以下的问题:

(1)当负荷处于发电状态时会出现检测错误。

(2)当负荷为纯电感或纯电容时,由于有功电流约等于零,可能会将电感误判断为电容或者将电容误判断为电感。而负荷为纯电容的状态经常会出现,例如负荷为单一大负荷而负荷停机时,无功补偿电容器尚在运行,于是变压器二次电流就变为纯电容电流,如果将这个电流误判为电感电流,控制器就会继续投入电容器,直至将所有的电容器全部投入运行,造成严重的过补偿现象。

2、显示器的选择

较常用的显示器件就是LED数码管,LED数码管价格低廉、可靠性高。较好使用多位组合的LED数码管,这样可以大量减少线路板连线并且减少焊接安装工作量。

很多人比较热衷于使用液晶显示器,液晶显示器可以显示汉字,在有照明的情况下也比较省电,但是液晶显示器的较大问题是低温性能不好,通常在-10℃以下不能正常显示。所以除非能够确定控制器的使用环境温度在-10℃以上,否则不要使用液晶显示器。

3、参数设定功能

对于以无功电流或无功功率为依据进行控制的无功补偿控制器,参数设定功能是必备的。

在控制器制造的时候,电容器的额定容量,电流互感器的变比等参数无法事先确定,只能根据无功补偿装置的实际情况及现场情况进行设定,因此控制器必须具备参数设定功能。设定的参数应保证不会因掉电而丢失。

较直接的保存设定参数的方法就是使用EEPROM器件,如24C02等。有一些单片机具有片内EEPROM,这样就可以减少外围器件数量。还有一些单片机具有在应用编程功能,也就是说,可以在程序运行过程中修改片内FLASH程序存储器的内容。对于这类单片机也可以将设定参数保存在FLASH程序存储器中,不过在应用编程的程序设计比较复杂一些。

4、保护功能的设计

电容器的过载无非是由于电压过高或者是谐波过大而引起,因此在控制器中设计过电压保护功能是必要的。在能力允许的情况下,应该在控制器中设计电压谐波检测功能,因为导致电容器谐波过载的根本原因是电压畸变,检测电压谐波就可以实现对电容器的谐波过载保护。有了过电压保护和谐波过载保护则热继电器就可以取消。既节省了体积与成本又减少了故障点。

5、电容器的投入与切除控制策略

电容器的投入与切除应该分步进行,不应在一步操作中同时投入或者切除多台电容器。否则过大的电流突变会对系统造成比较大的影响,也不利于实现精确的补偿效果。

同时,对于安装有不同规格电容器的补偿装置,电容器的投切应该尽量简洁,以便尽量减少电容器的投切次数,并且可以较快的满足补偿要求。不应按较小步进台阶一步一步递增或递减。

例如补偿装置中共有三种规格的电容器,分别为10Kvar、20Kvar、40Kvar,如果测量出所需要的无功补偿量为40var以上,则应该直接投入一台40var的电容器。同样的道理,当测量出多余的无功补偿量为30var以上,则应该直接切除一台40var的电容器。

6、输出电路的设计

通常控制器的输出都是用于控制交流接触器或复合开关,较常见的就是220V交流输出。输出的路数视要求而定,通常10路就可以了。

较常见的输出元件是电磁继电器,选用电磁继电器的较重要的原则是继电器衔铁本身不能与接点有电连接,不少继电器的衔铁本身就是动接点的一部分,于是继电器铁芯带电,当线圈绝缘出现问题时,强电就会窜入控制部分造成严重损坏。而对于衔铁与接点没有电连接的继电器,则不会出现强电窜入控制部分的现象。

当电磁继电器接点断开时,由于接触器线圈是大电感电流不能瞬变,会产生很高的电弧电压,因此必须连接阻容吸收元件,否则会产生严重的干扰。

输出元件也可以使用电子继电器,电子继电器的内部是晶闸管,由于晶闸管可以电流过零关断,因此不需要使用阻容吸收元件,并且驱动电压电流都很小,比较容易实现控制。质量好的电子继电器价格较高。质量不好的电子继电器容易产生误触发,造成上电时接触器抖动。

输出电路也可以使用双向晶闸管,这时晶闸管的驱动电路稍微复杂一些,但是成本很低,可靠性也可以做得很好。


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