一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置及實驗方法，該實驗裝置包括自動功率補償控制器，自動功率補償控制器的電源端口通過空氣開關(guān)、螺旋保險以及電壓表與市電電連接，自動功率補償控制器的電流端口連接有輸入電流表，輸入電流表連接有相互并聯(lián)的容性電流表和感性電流表，容性電流表通過可調(diào)電阻連接有補償電容電路，補償電容電路是由電阻、電容以及繼電器連接形成的多級并聯(lián)補償電路；感性電流表通過可調(diào)電阻連接有負(fù)載電路，負(fù)載電路是由按鈕開關(guān)和電感串聯(lián)后形成的多級并聯(lián)負(fù)載電路；繼電器同時與自動功率補償控制器連接。本實用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)緊湊，將教學(xué)和實驗結(jié)合在一起，從而使學(xué)生更容易掌握教學(xué)內(nèi)容。
【專利說明】一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種教學(xué)實驗裝置，具體涉及一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與 實驗裝置及實驗方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 電力能源是發(fā)展社會生產(chǎn)和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在國民經(jīng)濟中 占有重要的地位，鑒于電力生產(chǎn)的特點，用戶用電功率因數(shù)的高低，對發(fā)、供、用電設(shè)備的 充分利用，節(jié)約電能和改善電壓質(zhì)量有著重要的影響。供電設(shè)備主要以整流裝置為主，其屬 于非正弦受電設(shè)備，即使供電系統(tǒng)的電壓為實際正弦波，整流裝置從供電系統(tǒng)中取用的電 流也是非正弦波形且具有很大程度的畸變，并出現(xiàn)諧波分量。該分量不能增加有功功率視 在功率，而且整流裝置配有飽和電抗器，屬感性負(fù)載，其自然功率因數(shù)不高。而其他許多用 電設(shè)備大多為異步電動機等感性負(fù)載，其主變自然功率因數(shù)要低，不能充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備 的出力，而且無功分量在受電設(shè)備與發(fā)電機組之間在線路上作無用功，造成能源浪費，企業(yè) 電費成本增加。
[0003] 在正弦交流電路中，負(fù)載消耗的有功功率P與功率因數(shù)COSCj5有關(guān)，而COSCj5又取 決于負(fù)載的性質(zhì)和參數(shù)。只有在負(fù)載為純電阻性負(fù)載（如白熾燈）的情況下，COSCj5 = 1， 電源供給負(fù)載的能量才能全部利用。當(dāng)大量使用感性負(fù)載時，整個供電線路的功率因數(shù)總 是小于1的，電源供給的能量沒有得到全部利用，這是因為電路中發(fā)生能量互換，出現(xiàn)了無 功功率Q=UIsinΦ，較低的功率因數(shù)將會引起以下問題：
[0004] 1、發(fā)電設(shè)備的容量不能被充分利用
[0005] 因為電源設(shè)備如發(fā)電機或變壓器等的容量都是根據(jù)額定電壓U和額定電流I設(shè)計 的，其容量S=UI,表示允許發(fā)出或通過的最大功率。而有功功率P=UIcos(J) =Scos(J), 顯然，如果是電阻性負(fù)載，cosΦ= 1，則發(fā)電機或變壓器所能發(fā)出的或傳輸?shù)挠泄β蔖= Ulcoscji=Π=S，電源設(shè)備的容量得到了充分的利用。如果是感性負(fù)載，Coscj5〈1，則發(fā)電 機或變壓器輸出的有功功率P=UIc〇S(j5〈S。在S-定的情況下，功率因數(shù)愈低，發(fā)電機發(fā) 出的P就愈小，無功功率Q就愈大，則發(fā)電機的能量不能充分利用。例如，S= 1000KVA的 變壓器，在cosΦ= 1時，就能發(fā)出1000KW的有功功率，而在負(fù)載cosΦ= 0. 6時，只能有 600KW的有功功率供負(fù)載消耗，而有800Kvar的無功功率給感性材料進行能量的相互轉(zhuǎn)換。
[0006] 2、增加線路的損耗
[0007] 當(dāng)發(fā)電機的電壓U和輸出功率P-定時，由/ = 可知功率因數(shù)愈低，線路電 (7cos^ 流I愈大，輸電線路的功率損耗愈大。所以，功率因數(shù)的提高，能使發(fā)電設(shè)備得到充分利用， 同時也能使電能得到大量節(jié)約。
[0008] 提高功率因數(shù)主要有兩種方法：
[0009] 1.提高自然功率因數(shù)，合理選擇電氣設(shè)備的容量并減少所取用的無功功率，是改 善功率因數(shù)的基本措施，這樣可以提高自然功率因數(shù)。因為電動機、變壓器等感性負(fù)荷是 取用無功功率最多的用電設(shè)備，選用的容量大，功率因數(shù)和設(shè)備效率都會很低，這是不經(jīng)濟 的。
[0010] 2.提高功率因數(shù)，采用人工補償法，采用供應(yīng)無功功率的設(shè)備（并聯(lián)電容器），對 用電設(shè)備所需的無功功率進行人工補償，以提高功率因數(shù)。
[0011] 功率因數(shù)的改善是企業(yè)用電中較為關(guān)注的問題，也是學(xué)生學(xué)習(xí)中較難掌握的內(nèi) 容，總之，了解功率因數(shù)自動補償?shù)谋匾杂腥?br> [0012] 1、教學(xué)與實驗的需要：
[0013] 在電路理論中，電路功率因數(shù)問題是涉及知識較多、較為抽象的內(nèi)容，同時改善功 率因數(shù)又是實際供電系統(tǒng)中較為實用的方法，要將該問題講清楚，讓學(xué)生搞明白，只有將課 堂教學(xué)與實驗教學(xué)結(jié)合起來，應(yīng)有實驗課交叉進行，才能取得較為理想的教學(xué)效果，并讓學(xué) 生真正掌握這一知識和運用這一技術(shù)。在課堂教學(xué)進行了視在功率、有功功率、無功功率和 復(fù)功率等概念的教學(xué)后，用功率因數(shù)問題將以上諸多功率概念有機地結(jié)合起來，選用供電 系統(tǒng)中最實際的改善功率因數(shù)的問題，采用多種思路進行分析計算，使學(xué)生全面地理解功 率因數(shù)問題，所以開發(fā)一套模擬工廠企業(yè)實際運行的改善功率因數(shù)的裝置是教學(xué)和實驗的 必然需要。
[0014] 2、培養(yǎng)學(xué)生實際操作技能的需要：
[0015]目前，在工廠企業(yè)中，改善功率因數(shù)的裝置有幾種，但掌握其一種裝置的工作原 理、工作方式、操作應(yīng)用等就可以在工廠實際操作中得心應(yīng)手了，也為就業(yè)增加了一種技 能，尤其對電專業(yè)的學(xué)生，還是就業(yè)的需要。
[0016] 3、企業(yè)的實際需要：
[0017]目前，有些企業(yè)用電的功率因數(shù)嚴(yán)重偏低，且其選用的發(fā)電設(shè)備、變電設(shè)備、用電 設(shè)備都幾乎為感性負(fù)載，都是取用無功功率較高的設(shè)備，選用容量均偏大，因此必須采用人 工補償法，采用供應(yīng)無功功率的設(shè)備（并聯(lián)電容器），用以提高功率因數(shù)。企業(yè)的需要也就 使學(xué)生必需掌握這一技術(shù)。 實用新型內(nèi)容
[0018] 實用新型目的：本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu) 設(shè)計合理、將教學(xué)與實驗結(jié)合在一起的電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置及實驗方 法。
[0019] 技術(shù)方案：本實用新型所述的一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置，包括 自動功率補償控制器，所述自動功率補償控制器的電源端口通過空氣開關(guān)、螺旋保險以及 電壓表與市電電連接，所述自動功率補償控制器的電流端口連接有輸入電流表，所述輸入 電流表連接有相互并聯(lián)的容性電流表和感性電流表，所述容性電流表通過可調(diào)電阻連接有 補償電容電路，所述補償電容電路是由電阻、電容以及繼電器連接形成的多級并聯(lián)補償電 路；所述感性電流表通過可調(diào)電阻連接有負(fù)載電路，所述負(fù)載電路是由按鈕開關(guān)和電感串 聯(lián)后形成的多級并聯(lián)負(fù)載電路；所述繼電器同時與自動功率補償控制器連接。
[0020] 作為優(yōu)化，所述自動功率補償控制器采用JKG2C型無功功率自動補償控制器。
[0021] 作為優(yōu)化，所述自動功率補償控制器由中央處理單元、存儲器、輸入接口電路、輸 出接口電路、電源、鍵盤開關(guān)以及旋鈕組成。
[0022] 作為優(yōu)化，所述繼電器采用JZ7-44型中間繼電器。
[0023] 作為優(yōu)化，所述電容采用CZJ型風(fēng)扇電容，該電容的大小為2uf，額定電壓為630V。
[0024] 作為優(yōu)化，所述電感采用額定功率為20W的電感式鎮(zhèn)流器。
[0025] 作為優(yōu)化，所述電阻的大小為IKΩ。
[0026] 上述一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置的試驗方法，包括如下步驟：
[0027] (1)將負(fù)載電路中的各按鈕開關(guān)斷開，將自動功率補償控制器上的鍵盤開關(guān)撥至 "自動"位置，再合上空氣開關(guān)觀察各儀表讀數(shù)及指示情況；
[0028] (2)將與負(fù)載電路連接的可調(diào)電阻旋至合適中間值合適位置，并陸續(xù)投入各按鈕 開關(guān)，其余同步驟（1);
[0029] (3)將鍵盤開關(guān)撥至"手動"位置和"投"位置，其余同步驟⑵；
[0030] (4)將鍵盤開關(guān)撥至"手動"位置和"切"位置，其余同步驟⑵；
[0031] (5)將鍵盤開關(guān)撥至"試驗"位置，觀看電容投入指示燈的亮熄情況。
[0032] 有益效果：本實用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)緊湊，將教學(xué)和實驗結(jié)合在一起，從而 使學(xué)生更容易掌握教學(xué)內(nèi)容。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1為本實用新型的實驗裝置內(nèi)部電路原理結(jié)構(gòu)圖。
[0034] 圖2為本實用新型的實驗裝置的操作面板示意圖。
[0035] 圖3為本實用新型的自動功率補償控制器的原理框圖。
[0036] 圖4為本實用新型的自動功率補償控制器的工作過程示意圖。
[0037] 圖5為日光燈實驗電路的等效電路。
[0038] 圖6為負(fù)載選擇可行性分析電路圖。
[0039] 圖7為日光燈鎮(zhèn)流器中電感量與電阻值的測定實驗電路圖。
[0040]圖8為補償電容實驗電路圖。

【具體實施方式】
[0041] 為了更好的理解本實用新型，下面對本實用新型的技術(shù)方案做進一步闡述。
[0042] 如圖1和圖2所示一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置，包括自動功率補 償控制器，所述自動功率補償控制器的電源端口（US1、US2)通過空氣開關(guān)K1、螺旋保險RU 以及電壓表V與市電電連接，所述自動功率補償控制器的電流端口（IS1、IS2)連接有輸入 電流表Al，所述輸入電流表Al連接有相互并聯(lián)的容性電流表A2和感性電流表A3,所述容 性電流表A2通過可調(diào)電阻Wl連接有補償電容電路，所述補償電容電路是由電阻（Rl-RlO)、 電容（Cl-ClO)以及繼電器（KMl-KMlO)連接形成的多級并聯(lián)補償電路；所述感性電流表A3 通過可調(diào)電阻W2連接有負(fù)載電路，所述負(fù)載電路是由按鈕開關(guān)（K2-K5)和電感（T1-T4) 串聯(lián)后形成的多級并聯(lián)負(fù)載電路；所述繼電器（KMl-KMlO)同時與自動功率補償控制器連 接。
[0043] 本實用新型的實驗裝置主要包括自動功率補償控制器、負(fù)載電路和補償電容電 路，下面對上述主要部件的選擇以及可行性作進一步分析說明：
[0044] (1)自動功率補償控制器的選擇
[0045] 本實用新型的自動功率補償器的控制器核心元件由單片機構(gòu)成，優(yōu)選采用JKG2C 型無功功率自動補償控制器。自動功率補償控制器中的功率因數(shù)補償演示屏主要組成部分 有中央處理單元、存儲單元、輸入接口電路、輸出接口電路（A/D、D/A)電路、電源等部分組 成。根據(jù)鍵盤開關(guān)等發(fā)出的指令順序執(zhí)行存儲在它的存儲器中的程序來完成其控制功能。 其具體工作原理框圖如圖3所示，工作過程如圖4所示。
[0046] 無功補償控制是依據(jù)設(shè)置的功率因數(shù)高低變化情況（自動地控制）補償電容的投 切。我國供電系統(tǒng)均為50HZ的三相交流電，因此只要測得負(fù)載相電壓與相電流的過零時間 差，即可求得功率因數(shù)角度的值，S卩Φ=2π(t/T)
[0047] 式中：Φ 功率因數(shù)角度值，t電壓電流過零時間差，
[0048]T50HZ交流電周期
[0049] 相位采樣是相位處理硬件電路與軟件結(jié)合完成的，相位處理電路功能是根據(jù)電 壓與電流的相位系統(tǒng)產(chǎn)生與電壓、電流的相位差角成比例關(guān)系的方波信號K。具體產(chǎn)生辦法 是：當(dāng)電壓信號由正過零時，方波信號由低電平變?yōu)楦唠娖剑寒?dāng)電流信號由正過零時，方波 號由1?電平變?yōu)榈碗娖健?br> [0050] 利用微處理器產(chǎn)生的定時間隔Λt對方波信號K的正電平的寬度進行計數(shù)，測得 計數(shù)值n，那么相位差X為X= 2πn/N，式中N=T/Λt.
[0051] 由電路原理可知，當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時，電流滯后電壓，滯后愈多X愈大，X恒小于 π/2;當(dāng)負(fù)載為容性負(fù)載時，電流超前電壓，X恒大于3π/2。由此可見X不僅可以反映功率 因數(shù)角的大小，而且還可判斷無功的負(fù)載是容性還是感性的，即可判斷是欠補還是過補。也 可根據(jù)相位角的大小決定投切電容的量值。以上為控制原理簡述。
[0052] 兩相比較，由單片機組成的外加了許多的硬件和軟件及抗干擾措施，使其組成的 功率因數(shù)補償控制器具有工作更加穩(wěn)定、性能可靠、靈敏度高、抗干擾能力強、體積更小、消 耗功率低的優(yōu)點，且工作方式采用循環(huán)投切控制，可保證接觸器、電容器的操作次數(shù)相同， 延長接觸器、電容器的使用壽命，所以優(yōu)選單片機控制的功率因素補償控制儀。
[0053] 該自動功率補償控制器的操作與技術(shù)性能指標(biāo)：
[0054] 1.簡介：本機具有體積小、重量輕、功能完善、抗干攏能力強、運行穩(wěn)定可靠、補償 精確等特點。
[0055] 2.功能特點介紹：
[0056] 1)存儲芯片具有斷電記憶功能。即該補償器電源斷電后，參數(shù)及程序自動記憶，永 不丟失；再送電時，該補償器仍按原用戶自行設(shè)定的參數(shù)及程序運行控制；
[0057] 2)LED數(shù)字顯示電網(wǎng)功率因數(shù)，顯示范圍：滯后（0.00?0.99)，超前（0.00? 0. 99)〇
[0058] 3)通過面板按鈕設(shè)定cosC>值，延時設(shè)定值，過壓設(shè)定值的設(shè)定。簡明的人機對 話，使操作極為方便。
[0059] 4)當(dāng)電網(wǎng)電壓超過本機過壓設(shè)定值時，數(shù)字C〇Sc5自動轉(zhuǎn)換顯示為電網(wǎng)當(dāng)前的電 壓值，同時自動快速逐級切除已投入的電容值。
[0060] 5)判別取樣電流極性（即自動識別極性），并自動切換。給安裝、調(diào)試及使用帶來 極大的方便。
[0061] 6)當(dāng)取樣信號線開路或無輸入取樣電流信號時，本機數(shù)字COSC^自動顯示0.CC。
[0062] 7)輸出動作程序為先接通的先分?jǐn)?，先分?jǐn)嗟南冉油ǖ难h(huán)工作方式。
[0063] 8)具有手動/自動切換，置自動時，本機自動跟蹤電網(wǎng)功率因數(shù)及無功電流，控制 電容器自動投入或切除，置手動時，在本機上能實現(xiàn)手投或手切。
[0064] 9)有超前、滯后、過壓、欠流LED指示燈指示。
[0065] 10)抗干擾能力強，能抵御從電網(wǎng)直接輸入的幅值2000V的干擾脈沖。
[0066] 3.使用條件
[0067]1)周圍環(huán)境溫度不超過+40°C，24小時內(nèi)平均溫度不超過+35°C，最低環(huán)境溫度 不低于-KTC。
[0068] 2)空氣相對濕度不大于85% (在25°C時）。
[0069] 3)周圍環(huán)境，無易燃易爆的介質(zhì)存在，無異電塵埃及腐蝕性氣體存在。
[0070] 4)電網(wǎng)電壓波動范圍不大于本機額定電壓±10%。
[0071] 4.主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)：
[0072] 1)JKG2C輸出點數(shù)（4?20)，可控制電容器組數(shù)（4?10)路，循環(huán)工作方式。
[0073] 2)補償器整定值及可調(diào)節(jié)范圍：
[0074] 功率因數(shù)cosΦ值0· 97:0. 7?0· 98連續(xù)旋鈕調(diào)節(jié)設(shè)定
[0075] 過電壓保護值430V:400?440V連續(xù)旋鈕調(diào)節(jié)設(shè)定
[0076] 每路投切延時5S: 1?IOS連續(xù)旋鈕調(diào)節(jié)設(shè)定
[0077] 3)基本參數(shù)：
[0078]額定工作電壓：220VAC±10%，50HZ
[0079] 電流取樣：交流0?5A
[0080] 輸出觸點容量：交流220VX5A或380VX3A
[0081] 介電強度：交流3000V
[0082] 工作制：連續(xù)工作制
[0083] 重量：約I. 0公斤
[0084] (2)被控對象（負(fù)載）的選擇及可行性分析
[0085]日光燈（含鎮(zhèn)流器）電路就是一個典型的RL串聯(lián)電路，它是由鎮(zhèn)流器與燈管串聯(lián) 而成。鎮(zhèn)流器的電流與流過燈管的電流（此時啟輝器中電容不接）相同，圖5為等效電路 圖，鎮(zhèn)流器是一個實際電感，相當(dāng)于一個電阻R'和理想電感L(純電感）的串聯(lián)，燈管是一 個電阻性負(fù)載R。在電壓U穩(wěn)定情況下，可用萬用表分別測得{>、{>丨、處的有效值。
[0086] 即可用余弦定理求出日光燈的功率因數(shù)。下面為220V、8W日光燈實 驗中測得的數(shù)據(jù)U= 220V，Ul= 65V，U2 = 207V，則該日光燈的功率因數(shù)為：

【權(quán)利要求】
1. 一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置，包括自動功率補償控制器，其特征在 于：所述自動功率補償控制器的電源端口通過空氣開關(guān)、螺旋保險以及電壓表與市電電連 接，所述自動功率補償控制器的電流端口連接有輸入電流表，所述輸入電流表連接有相互 并聯(lián)的容性電流表和感性電流表，所述容性電流表通過可調(diào)電阻連接有補償電容電路，所 述補償電容電路是由電阻、電容以及繼電器連接形成的多級并聯(lián)補償電路；所述感性電流 表通過可調(diào)電阻連接有負(fù)載電路，所述負(fù)載電路是由按鈕開關(guān)和電感串聯(lián)后形成的多級并 聯(lián)負(fù)載電路；所述繼電器同時與自動功率補償控制器連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置，其特征在于： 所述自動功率補償控制器采用JKG2C型無功功率自動補償控制器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置，其特征 在于：所述自動功率補償控制器由中央處理單元、存儲器、輸入接口電路、輸出接口電路、電 源、鍵盤開關(guān)以及旋鈕組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置，其特征在于： 所述繼電器采用JZ7-44型中間繼電器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置，其特征在于： 所述電容采用CZJ型風(fēng)扇電容，該電容的大小為2uf，額定電壓為630V。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置，其特征在于： 所述電感采用額定功率為20W的電感式鎮(zhèn)流器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電腦控制功率因數(shù)補償演示與實驗裝置，其特征在于： 所述電阻的大小為1KQ。
【文檔編號】G09B23/18GK204178607SQ201420653524
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月4日
【發(fā)明者】顧子明 申請人:江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院