本发明涉及一种交流用电系统功率因数的无扰动多级补偿电路，包括稳压电源电路、相电压电流信号调理电路、补偿控制电路，具体包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、电压跟随器IC1、电流跟随器IC2、处理器IC3、驱动芯片IC4、稳压电源模块U0、大固态继电器U1、小固态继电器U2、中固态继电器U3、下固态继电器U4、大补偿电容C1、小补偿电容C2、基准管D1、上稳压管D2、下稳压管D3、负载电阻R1等。本发明利用基于四个过零型交流固态继电器对两只补偿电容器进行对电网无扰动的组合切换，以实现对功率因数的四级补偿控制，能满足多数交流负载对功率因数补偿控制的要求，该方法性价比高、通用性好、安全可靠。
1.交流用电系统功率因数的无扰动多级补偿电路，包括稳压电源电路、相电压电流信号调理电路、补偿控制电路，其特征在于：
稳压电源电路包括稳压电源模块U0、电源电容C0、稳压电阻R2、基准管D1，稳压电源模块U0的相供电端L端与电网相电压端L端连接，稳压电源模块U0的零线端N端与电网零线端N端连接，稳压电源模块U0的输出电源端+V端与稳压电源正端VCC端、电源电容C0的一端、稳压电阻R2的一端连接，电源电容C0的另一端接地，稳压电阻R2的另一端与基准管D1的阴极、电压基准端VZ端连接，基准管D1的阳极接地；
相电压电流信号调理电路包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、用电系统PU1、电压跟随器IC1、电流跟随器IC2、负载电阻R1、偏压电阻R3、电压滤波电阻R4、电压滤波电容C3、上稳压管D2、偏流电阻R5、电流滤波电阻R6、电流滤波电容C4、下稳压管D3，电压互感器VS1的相检测端L端与电网相电压端L端连接，电压互感器VS1的零线端N端与电网零线端N端连接，电压互感器VS1的正输出端OUT1端与电压滤波电阻R4的一端连接，电压互感器VS1的负输出端OUT2端接地，电压滤波电阻R4的另一端与电压跟随器IC1的正输入端+IN端、偏压电阻R3的一端、上稳压管D2的阴极、电压滤波电容C3的一端连接，偏压电阻R3的另一端与电压基准端VZ端连接，电压滤波电容C3的另一端接地，上稳压管D2的阳极接地，电压跟随器IC1的负输入端-IN端与电压跟随器IC1的输出端OUT端、处理器IC3的上A/D转换接口端ADC1端连接，电压跟随器IC1的正电源端+V端与稳压电源正端VCC端连接，电压跟随器IC1的负电源端-V端接地，用电系统PU1的相供电端L端经连线穿过电流互感器CS1的检测孔后与电网相电压端L端连接，用电系统PU1的零线端N端与电网零线端N端连接，电流互感器CS1的负输出端AC2接地，电流互感器CS1的正输出端AC1与负载电阻R1的一端、电流滤波电阻R6的一端连接，负载电阻R1的另一端接地，电流滤波电阻R6的另一端与电流跟随器IC2的正输入端+IN端、偏流电阻R5的一端、下稳压管D3的阴极、电流滤波电容C4的一端连接，偏流电阻R5的另一端与电压基准端VZ端连接，电流滤波电容C4的另一端接地，下稳压管D3的阳极接地，电流跟随器IC2的负输入端-IN端与电流跟随器IC2的输出端OUT端、处理器IC3的下A/D转换接口端ADC2端连接，电流跟随器IC2的正电源端+V端与稳压电源正端VCC端连接，电流跟随器IC2的负电源端-V端接地；
补偿控制电路包括处理器IC3、驱动芯片IC4、钟振U5、大补偿电容C1、小补偿电容C2、大固态继电器U1、小固态继电器U2、中固态继电器U3、下固态继电器U4，处理器IC3的电源端VCC端与稳压电源正端VCC端连接，处理器IC3的地端GND端接地，处理器IC3的时钟端XT端与钟振U5的输出端OUT连接，钟振U5的电源端+V端与稳压电源正端VCC端连接，钟振U5的地端GND端接地，处理器IC3的第1输出端O1端与驱动芯片IC4的第1通道输入端IN1连接，处理器IC3的第2输出端O2端与驱动芯片IC4的第2通道输入端IN2连接，处理器IC3的第3输出端O3端与驱动芯片IC4的第3通道输入端IN3连接，处理器IC3的第4输出端O4端与驱动芯片IC4的第4通道输入端IN4连接，驱动芯片IC4的电源端VCC端与稳压电源正端VCC端连接，驱动芯片IC4的地端GND端接地，驱动芯片IC4的第1输出端OUT1端与大固态继电器U1的负输入端-IN端连接，驱动芯片IC4的第2输出端OUT2端与小固态继电器U2的负输入端-IN端连接，驱动芯片IC4的第3输出端OUT3端与中固态继电器U3的负输入端-IN端连接，驱动芯片IC4的第4输出端OUT4端与下固态继电器U4的负输入端-IN端连接，大固态继电器U1的正输入端+IN端、小固态继电器U2的正输入端+IN端、中固态继电器U3的正输入端+IN端及下固态继电器U4的正输入端+IN端均与稳压电源正端VCC端连接，大固态继电器U1的第1交流端AC1端、小固态继电器U2的第1交流端AC1端均与电网相电压端L端连接，大固态继电器U1的第2交流端AC2端与大补偿电容C1的一端连接，小固态继电器U2的第2交流端AC2端与小补偿电容C2的一端、中固态继电器U3的第1交流端AC1端连接，大补偿电容C1的另一端、小补偿电容C2的另一端均与下固态继电器U4的第1交流端AC1端连接，中固态继电器U3的第2交流端AC2端、下固态继电器U4的第2交流端AC2端均与电网零线端N端连接。
2.如权利要求1所述的交流用电系统功率因数的无扰动多级补偿电路，其特征在于：
所述的电压互感器VS1的输出信号uvo与电网相电压ua间的关系如式(1)所示，其中的kv为变压系数；电流互感器CS1的输出信号uio与电网相电流ia间的关系如式(2)所示，其中的ki为变流系数：
上述的uvo、uio信号经电平迁移及阻抗变换跟随后即成为单极性信号uv、ui，经电阻R3、R4、R5、R6和电容C3、C4滤波后，分别如式(3)、式(4)所示，其中VZ为基准电压值；式(5)为确保电压信号、电流信号进行电路同步滤波的条件：
3.如权利要求1所述的交流用电系统功率因数的无扰动多级补偿电路，其特征在于：
所述的电压互感器VS1、电流互感器CS1、稳压电源模块U0、大固态继电器U1、小固态继电器U2、中固态继电器U3、下固态继电器U4、电压跟随器IC1、电流跟随器IC2、处理器IC3、驱动芯片IC4、基准管D1、上稳压管D2、下稳压管D3均采用现有的成熟产品，电压互感器VS1采用JDZX10系列产品，电压流互感器CS1采用BH-0.66系列产品，稳压电源模块U0采用WAN2.5-3.3，大固态继电器U1、小固态继电器U2、中固态继电器U3、下固态继电器U4均采用SSR-H380D过零型系列产品，电压跟随器IC1、电流跟随器IC2均用TLC2274，处理器IC3采用STM32F103，驱动芯片IC4采用反相型驱动芯片MC1413，基准管D1、上稳压管D2、下稳压管D3均采用BZX84-B3。
交流用电系统功率因数的无扰动多级补偿电路
技术领域
[0001] 本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种交流用电系统功率因数的无扰动多级补偿电路，适用于对交流感性负载自动进行功率因数补偿控制的应用场合，以提高供电、用电效能。
背景技术
[0002] 交流用电负载大多为感性负载，电流相位滞后于电压相位，而供电、用电系统的功率因数是电能运行质量中的重要指标。目前，用于提高功率因数的常用的方案是：一是当监测到功率因数低到一定程度是，每相并联上一只用于补偿感性负载功率因数的补偿电容器；二是采用基于移相控制的晶闸管投切的补偿电容器，即：每各补偿电容器采用两只反并联逆阻型晶闸管或一只双向晶闸管进行相控方式的投切控制。现有方案的不足之处在于：一是单电容只能对一点实现较理想的补偿效果；二是移相投切式将对电网产生附加的谐波污染。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种交流用电系统功率因数的无扰动多级补偿电路。该电路集功率因数检测与有级组合式过零补偿控制方案于一体，采用基于四个过零型交流固态继电器对两只补偿电容器进行电网无扰动的组合切换，以实现对功率因数的四级补偿控制。
[0004] 本发明包括稳压电源电路、相电压电流信号调理电路、补偿控制电路。
[0005] 稳压电源电路包括稳压电源模块U0、电源电容C0、稳压电阻R2、基准管D1，稳压电源模块U0的相供电端L端与电网相电压端L端连接，稳压电源模块U0的零线端N端与电网零线端N端连接，稳压电源模块U0的输出电源端+V端与稳压电源正端VCC端、电源电容C0的一端、稳压电阻R2的一端连接，电源电容C0的另一端接地，稳压电阻R2的另一端与基准管D1的阴极、基准电压端VZ端连接，基准管D1的阳极接地。
[0006] 相电压电流信号调理电路包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、用电系统PU1、电压跟随器IC1、电流跟随器IC2、负载电阻R1、偏压电阻R3、电压滤波电阻R4、电压滤波电容C3、上稳压管D2、偏流电阻R5、电流滤波电阻R6、电流滤波电容C4、下稳压管D3，电压互感器VS1的相检测端L端与电网相电压端L端连接，电压互感器VS1的零线端N端与电网零线端N端连接，电压互感器VS1的正输出端OUT1端与电压滤波电阻R4的一端连接，电压互感器VS1的负输出端OUT2端接地，电压滤波电阻R4的另一端与电压跟随器IC1的正输入端+IN端、偏压电阻R3的一端、上稳压管D2的阴极、电压滤波电容C3的一端连接，偏压电阻R3的另一端与电压基准端VZ端连接，电压滤波电容C3的另一端接地，上稳压管D2的阳极接地，电压跟随器IC1的负输入端-IN端与电压跟随器IC1的输出端OUT端、处理器IC3的上A/D转换接口端ADC1端连接，电压跟随器IC1的正电源端+V端与稳压电源正端VCC端连接，电压跟随器IC1的负电源端-V端接地，用电系统PU1的相供电端L端经连线穿过电流互感器CS1的检测孔后与电网相电压端L端连接，用电系统PU1的零线端N端与电网零线端N端连接，电流互感器CS1的负输出端AC2接地，电流互感器CS1的正输出端AC1与负载电阻R1的一端、电流滤波电阻R6的一端连接，负载电阻R1的另一端接地，电流滤波电阻R6的另一端与电流跟随器IC2的正输入端+IN端、偏流电阻R5的一端、下稳压管D3的阴极、电流滤波电容C4的一端连接，偏流电阻R5的另一端与电压基准端VZ端连接，电流滤波电容C4的另一端接地，下稳压管D3的阳极接地，电流跟随器IC2的负输入端-IN端与电流跟随器IC2的输出端OUT端、处理器IC3的下A/D转换接口端ADC2端连接，电流跟随器IC2的正电源端+V端与稳压电源正端VCC端连接，电流跟随器IC2的负电源端-V端接地。
[0007] 补偿控制电路包括处理器IC3、驱动芯片IC4、钟振U5、大补偿电容C1、小补偿电容C2、大固态继电器U1、小固态继电器U2、中固态继电器U3、下固态继电器U4，处理器IC3的电源端VCC端与稳压电源正端VCC端连接，处理器IC3的地端GND端接地，处理器IC3的时钟端XT端与钟振U5的输出端OUT连接，钟振U5的电源端+V端与稳压电源正端VCC端连接，钟振U5的地端GND端接地，处理器IC3的第1输出端O1端与驱动芯片IC4的第1通道输入端IN1连接，处理器IC3的第2输出端O2端与驱动芯片IC4的第2通道输入端IN2连接，处理器IC3的第3输出端O3端与驱动芯片IC4的第3通道输入端IN3连接，处理器IC3的第4输出端O4端与驱动芯片IC4的第4通道输入端IN4连接，驱动芯片IC4的电源端VCC端与稳压电源正端VCC端连接，驱动芯片IC4的地端GND端接地，驱动芯片IC4的第1输出端OUT1端与大固态继电器U1的负输入端-IN端连接，驱动芯片IC4的第2输出端OUT2端与小固态继电器U2的负输入端-IN端连接，驱动芯片IC4的第3输出端OUT3端与中固态继电器U3的负输入端-IN端连接，驱动芯片IC4的第4输出端OUT4端与下固态继电器U4的负输入端-IN端连接，大固态继电器U1的正输入端+IN端、小固态继电器U2的正输入端+IN端、中固态继电器U3的正输入端+IN端及下固态继电器U4的正输入端+IN端均与稳压电源正端VCC端连接，大固态继电器U1的第1交流端AC1端、小固态继电器U2的第1交流端AC1端均与电网相电压端L端连接，大固态继电器U1的第2交流端AC2端与大补偿电容C1的一端连接，小固态继电器U2的第2交流端AC2端与小补偿电容C2的一端、中固态继电器U3的第1交流端AC1端连接，大补偿电容C1的另一端、小补偿电容C2的另一端均与下固态继电器U4的第1交流端AC1端连接，中固态继电器U3的第2交流端AC2端、下固态继电器U4的第2交流端AC2端均与电网零线端N端连接。
[0008] 本发明的有益效果如下：
[0009] 本发明利用基于四个过零型交流固态继电器对两只补偿电容器进行对电网无扰动的组合切换，以实现对功率因数的四级补偿控制，能满足多数交流负载对功率因数补偿控制的要求，该方法性价比高、通用性好、安全可靠。
[0010] 该电路方法容易扩展应用于三相交流负载系统的功率因数补偿控制中。
附图说明
[0011] 图1为本发明的电路图。
具体实施方式
[0012] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0013] 如图1所示，交流用电系统功率因数的无扰动多级补偿电路，包括稳压电源电路、相电压电流信号调理电路、补偿控制电路。
[0014] 稳压电源电路包括稳压电源模块U0、电源电容C0、稳压电阻R2、基准管D1，稳压电源模块U0的相供电端L端与电网相电压端L端连接，稳压电源模块U0的零线端N端与电网零线端N端连接，稳压电源模块U0的输出电源端+V端与稳压电源正端VCC端、电源电容C0的一端、稳压电阻R2的一端连接，电源电容C0的另一端接地，稳压电阻R2的另一端与基准管D1的阴极、基准电压端VZ端连接，基准管D1的阳极接地。
[0015] 相电压电流信号调理电路包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、用电系统PU1、电压跟随器IC1、电流跟随器IC2、负载电阻R1、偏压电阻R3、电压滤波电阻R4、电压滤波电容C3、上稳压管D2、偏流电阻R5、电流滤波电阻R6、电流滤波电容C4、下稳压管D3，电压互感器VS1的相检测端L端与电网相电压端L端连接，电压互感器VS1的零线端N端与电网零线端N端连接，电压互感器VS1的正输出端OUT1端与电压滤波电阻R4的一端连接，电压互感器VS1的负输出端OUT2端接地，电压滤波电阻R4的另一端与电压跟随器IC1的正输入端+IN端、偏压电阻R3的一端、上稳压管D2的阴极、电压滤波电容C3的一端连接，偏压电阻R3的另一端与电压基准端VZ端连接，电压滤波电容C3的另一端接地，上稳压管D2的阳极接地，电压跟随器IC1的负输入端-IN端与电压跟随器IC1的输出端OUT端、处理器IC3的上A/D转换接口端ADC1端连接，电压跟随器IC1的正电源端+V端与稳压电源正端VCC端连接，电压跟随器IC1的负电源端-V端接地，用电系统PU1的相供电端L端经连线穿过电流互感器CS1的检测孔后与电网相电压端L端连接，用电系统PU1的零线端N端与电网零线端N端连接，电流互感器CS1的负输出端AC2接地，电流互感器CS1的正输出端AC1与负载电阻R1的一端、电流滤波电阻R6的一端连接，负载电阻R1的另一端接地，电流滤波电阻R6的另一端与电流跟随器IC2的正输入端+IN端、偏流电阻R5的一端、下稳压管D3的阴极、电流滤波电容C4的一端连接，偏流电阻R5的另一端与电压基准端VZ端连接，电流滤波电容C4的另一端接地，下稳压管D3的阳极接地，电流跟随器IC2的负输入端-IN端与电流跟随器IC2的输出端OUT端、处理器IC3的下A/D转换接口端ADC2端连接，电流跟随器IC2的正电源端+V端与稳压电源正端VCC端连接，电流跟随器IC2的负电源端-V端接地。
[0016] 补偿控制电路包括处理器IC3、驱动芯片IC4、钟振U5、大补偿电容C1、小补偿电容C2、大固态继电器U1、小固态继电器U2、中固态继电器U3、下固态继电器U4，处理器IC3的电源端VCC端与稳压电源正端VCC端连接，处理器IC3的地端GND端接地，处理器IC3的时钟端XT端与钟振U5的输出端OUT连接，钟振U5的电源端+V端与稳压电源正端VCC端连接，钟振U5的地端GND端接地，处理器IC3的第1输出端O1端与驱动芯片IC4的第1通道输入端IN1连接，处理器IC3的第2输出端O2端与驱动芯片IC4的第2通道输入端IN2连接，处理器IC3的第3输出端O3端与驱动芯片IC4的第3通道输入端IN3连接，处理器IC3的第4输出端O4端与驱动芯片IC4的第4通道输入端IN4连接，驱动芯片IC4的电源端VCC端与稳压电源正端VCC端连接，驱动芯片IC4的地端GND端接地，驱动芯片IC4的第1输出端OUT1端与大固态继电器U1的负输入端-IN端连接，驱动芯片IC4的第2输出端OUT2端与小固态继电器U2的负输入端-IN端连接，驱动芯片IC4的第3输出端OUT3端与中固态继电器U3的负输入端-IN端连接，驱动芯片IC4的第4输出端OUT4端与下固态继电器U4的负输入端-IN端连接，大固态继电器U1的正输入端+IN端、小固态继电器U2的正输入端+IN端、中固态继电器U3的正输入端+IN端及下固态继电器U4的正输入端+IN端均与稳压电源正端VCC端连接，大固态继电器U1的第1交流端AC1端、小固态继电器U2的第1交流端AC1端均与电网相电压端L端连接，大固态继电器U1的第2交流端AC2端与大补偿电容C1的一端连接，小固态继电器U2的第2交流端AC2端与小补偿电容C2的一端、中固态继电器U3的第1交流端AC1端连接，大补偿电容C1的另一端、小补偿电容C2的另一端均与下固态继电器U4的第1交流端AC1端连接，中固态继电器U3的第2交流端AC2端、下固态继电器U4的第2交流端AC2端均与电网零线端N端连接。
[0017] 本发明所使用的包括电压互感器VS1、电流互感器CS1、稳压电源模块U0、大固态继电器U1、小固态继电器U2、中固态继电器U3、下固态继电器U4、电压跟随器IC1、电流跟随器IC2、处理器IC3、驱动芯片IC4、基准管D1、上稳压管D2、下稳压管D3等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：电压互感器采用JDZX10系列产品，电压流互感器采用BH-0.66系列产品，稳压电源模块采用WAN2.5-3.3，固态继电器采用SSR-H380D过零型系列产品，电压跟随器、电流跟随器均用TLC2274，处理器采用STM32F103，驱动芯片采用反相型驱动芯片MC1413，基准管、稳压管均采用BZX84-B3等。
[0018] 本发明中的主要电路参数及输入输出关系如下：
[0019] 图1中的电压互感器VS1的输出信号uv0与电网相电压ua间的关系如式（1）所示，其中的kv为变压系数；电流互感器CS1的输出信号ui0与电网相电流ia间的关系如式（2）所示，其中的ki为变流系数。
[0020] uvo＝kvua （1）
[0021] uio＝R1·kiia （2）
[0022] 上述的uv0、ui0信号经电平迁移及阻抗变换跟随后即成为单极性信号uv、ui，经阻容滤波后，分别如式（3）、式（4）所示，式（5）是确保电压信号、电流信号进行电路同步滤波的条件。
[0023]
[0024]
[0025]
[0026] 本发明工作过程如下：
[0027] 电压互感器、电流互感器的输出信号uv0、ui0经阻容滤波、电平迁移、阻抗变换跟随后成为单极性且幅值符合处理器IC3的A/D转换接口要求的信号uv、ui，分别输入到处理器IC3的上A/D转换接口、下A/D转换接口，由内置于处理器的程序进行同步滤波后计算出电压、电流信号间的相位差φ与负载功率因数cosφ值，且程序中设置有四级功率因数阈值A、B、C、D，其中A>B>C>D>0，进而处理器依据下列判别式，经各输出端O1、O2、O3、O4端输出相应的高电平或低电平控制信号，经驱动芯片后控制各过零型固态继电器的导通与否，即控制所需投运的补偿电容，图1中的电容C1>C2。
[0028] （1）cosφ≥A：功率因数已符合要求，无需投运补偿电容器，则四个固态继电器均处于关断状态；
[0029] （2）A＞cosφ≥B：投运第四级（最小）补偿电容，此时处理器输出控制信号经驱动芯片使固态继电器U1、U3、U4导通，投运的电容值为C1×C2/(C1+C2);
[0030] （3）B＞cosφ≥C：投运第三级（次小）补偿电容，此时处理器输出控制信号经驱动芯片使固态继电器U2、U4导通，则投运的电容值为C2；
[0031] （4）C＞cosφ≥D：投运第二级（次大）补偿电容器，此时处理器输出控制信号经驱动芯片使固态继电器U1、U4导通，则投运的电容值为C1；
[0032] （5）cosφ＜D：投运第一级（最大）补偿电容器，此时处理器输出控制信号经驱动芯片使固态继电器U1、U2、U4导通，则投运的电容值为C1+C2。
[0033] 因此，用两只电容器即可实现四级功率因数的补偿控制，且采用过零式固态继电器，使得补偿电容器的投切过程对电网无扰动，不产生附加谐波。该电路方法可容易扩展应用于三相交流负载系统的功率因数补偿控制中。
