智能电容器应用（精选9篇）
智能电容器应用 篇1
1 现状
对传统无功补偿而言, 一般有三角形电力电容器、投切电容器专用接触器、热继电器及保护熔断器, 低压无功补偿控制器等元件。在柜体内部零散组装而成。柜体体积庞大, 内部接线复杂, 安装接线耗时耗力、维护不方便, 同时不利于生产、运输、安装、调试和可靠运行。所有的电容器只能有一个控制器控制投切, 当这只控制器损坏时, 整个装置就会停止动作, 因此控制器的瓶颈效应隐患比较大。
2 新型智能电容器具有如下显著特点
2.1 既可单机独立补偿, 也可多机并联补偿
2.2 可供补、可分补, 也可混合补偿
2.3 补偿容量成倍增大
2.4 消除控制器瓶颈效应
2.5 过零投切开关技术先进
2.6 具有谐波抑制功能
3 结构简介
模块为上下分体式结构, 上面为智能测控、开关、保护等单元组成的模块, 下面为一台或两台 (三角形接) 或一台 (星接) 低压电力电容器构成的模块。上下模块可快速组装和拆卸, 维护极为方便。综合模块有共补、分补两种, 即可单台使用, 也可多台组网构成补偿系统使用, 无功补偿只要根据系统补充总容量选择若干模块进行组合即可。生产和使用极为简单。用“过零投切”技术, 确保电容器投切无涌流, 无电压, 无电弧, 而且能够满足三相不平衡场合的分补偿要求。
综合模块集成了现代测控、电力电子、网络通讯、自动化控制、电力电容器等先进技术。
4 功能简介
根据内部电容器不同, 对应设计不同的复合开关。电流、电压、动作速度等完全相互匹配。在满足功能性要求的基础上, 可降低原来设计的高成本。
根据内部不同的复合开关, 对应设计不同的驱动方式, 驱动功率, 最大限度的减少功率消耗根据配置电容器组数的多少, 内置的智能测控单元可对应设计不同的输出回路数, 减少体积。
电容单元可选择微型断路器或熔丝保护等形式, 适应不同的需求, 且更换方便因为综合模块单机里面集成了智能测控单元, 复合投切开关, 保护单元, 电力电容器等部件, 因此单只模块只要接入一次回路, 同时引入取样电流就可进行无功补偿。这种方式特别适合大功率用电设备就地补偿, 减少无功电流的传输距离, 降低损耗。 (按30%配比, 单机最大容量为40KVAR的综合模块可补偿120KW的电动机, 也可装设在电动机安装梁上, 放置好防护栏即可。)
若需要补偿的容量大于单机的容量, 可选用多台模块并联使用, 比如说补偿容量为140KVAR, 可选用 (20+20) 模块3台, (10+10) 模块1台即可, 总容量为140KVAR。安装使用时只需把各台模块的一次回路接线端子全部并联在母线上, 引入的同样电流通过二次电流互感器变换后也并联到每只模块的取样端子上, 同时把所有模块的通讯接口接到同一RS485总线上即可使用。一次回路接线简洁, 二次回路接线也方便简单。
可共补、可分补、也可混合补偿。从补偿方式上分, 综合模块可分为共补型及分补型模块, 如果三相平衡的标准场合, 可全部选用共补型综合模块 (即全共补) ;三相严重不平衡的场合, 可全部选用分补型综合模块 (即全分补) ;一般场合, 可部分选用共补, 部分选用分补型模块 (即混合补偿) 。所有综合模块的安装尺寸都一样, 接线使用均兼容。这样使无功补偿的设计, 安装, 运输, 调试, 使用都简单易行。
消除控制器瓶颈效应每一只综合模块内均集成了智能测控单元, 可独立采样电压、电流、功率因数、无功功率等参数, 因此可以独立进行无功补偿。当使用多台综合模块并联补偿时仅需把各台模块的BS485通讯接口连接在一起, 开机后会自动形成一个补偿系统。在同一补偿系统内, 综合模块会自动产生一个主机, 其余为从机, 主机模块收集各从机的信息, 根据功率因数的高低, 无功功率大小, 投切电容对电压的影响等因素综合判断后发出控制, 闭锁, 查询等命令, 指挥各台模块的投切电容器。
综合模块组成的补偿系统为主从结构, 因此补偿系统中任一只从机模块损坏后, 主机会放弃对这台从机的指挥, 也就是说只有这台从机会退出本系统, 而不会影响到其它从机模块和整个补偿系统。如果主机模块损坏后, 所有从机模块会放弃对它的臣服, 并在余下从机中再次产生一只主机模块, 损坏的那只原来的主机模块就会推出系统。以此类推, 只要补偿系统中只要有一台模块是正常工作的, 那么也就能进行本模块容量范围内的无功补偿, 最大限度的减少用户的损失。而整个无功补偿的所有模块全部损坏这种情况除非有不可抗力因素, 几乎不可能出现。因此综合模块的这种补偿方式完全打破了传统无功补偿系统控制器瓶颈效应, 使无功补偿更可靠。
过零投切开关技术先进。综合开关内部采用的是电子复合开关技术。投切瞬间利用可控硅快速导通特性进行过零动作, 减少涌流;正常运行时利用并联的大功率磁保持继电器触点接触电阻低来降低功耗, 减少发热。
复合开关投切技术保证了电容器投切涌流在2倍额定电流下, 减少了对电网的冲击, 同时也减小了对电容器的冲击, 延长电容器和开关的使用寿命。
现代电力电子技术的飞速发展, 保证了复合开关这种既能快速补偿又能降低损耗的方式得以大范围的使用。
5 发展及应用
在实际应用中, 成套的无功补偿装置设计时只需在标准柜体内 (GGD, MNS, GCS) 选用数台综合模块, 通过抑制隔离开关接入到母排上。每只综合模块均具有电压、电流、功率因数、无功功率、电容器温度、电容器状态等显示, 并可独立设置各种参数, 故补偿屏上不许再装配控制器、功率因数表、电压表、电容指示灯等元件, 简单可靠。
综合模块采用了紧奏型结构设计, 容量40KVAR (20KVAR*2组, 每组可单独投切) 的尺寸仅为长340mm*宽70mm*高300mm, 普通GGD柜体 (800*600*2200) 内部可装设三层, 每层装7只, 共可装设21台综合模块, 总容量最大可达840KVAR, 且补偿级数也为20KVAR一级, 如果配置几台小容量的综合模块 (10+10) , 那么补偿精度会更高。而传统无功功率补偿装置一台普通GGD柜体只能装设10组电容器, 按每组30KVAR算, 也只有300KVAR, 且补偿级数还是30KVAR一级, 精度差, 同时大容量电容器的投切会带来大电流冲击, 影响电网和电容器的安全运行。
如果系统补偿容量超过840KVAR, 就要选项用多台柜台, 也仅需把柜体之间的一、二次回路并联即可, 日后要增容的话还可以用这种方式简单的增加综合模块的数量。不受控制器输出回路的影响, 最大补偿系统可达2000KVAR。
谐波抑制功能。综合模块可选配纯电容补偿方式, 也可选配不同比例大小的串联谐波抑制电抗器, 使纯电容补偿变成串联电抗器的补偿模块, 降低了电容器与用电系统并联谐振放大电流谐波的风险, 同时不同比例的电抗电容组合也能吸收少量的电网高次谐波, 稳定电网。
摘要：近年来, 随着我国电力工业的不断发展, 大范围的高压输电网络逐渐形成, 同时对电网无功功率的要求也日渐严格。电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动, 严重时会导致用电设备的损坏。因此, 研究无功补偿及其部件的发展具有重要的社会和经济意义。
关键词：智能电容器,应用,结构,功能,电网
参考文献
[1]李岩, 杨民轩.电力电容器局部放电声电检测系统的应用[J].电气化铁道, 2008-02-15.
智能电容器应用 篇2
[论文摘要]介绍当前压力容器制造和使用过程中所采用的无损检测技术，包括射线、超声、磁粉、渗透等常规技术和声发射、磁记忆等新技术，并论述他们的工作原理、优缺点和应用范围。
[论文关键词]压力容器 无损检测 新技术
一、引言
随着现代工业的发展，对产品质量和结构安全性，使用可靠性提出越来越高的要求，由于无损检测技术具有不破坏试件，检测灵敏度高等优点，所以其应用日益广泛。目前对压力容器的检测方法有多种，本文主要介绍无损检测的常用技术如射线、超声、磁粉和渗透及新技术如声发射、磁记忆等。
二、无损检测方法
现代无损检测的定义是：在不损坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构，性质，状态进行检查和测试的方法。
（一）射线检测
射线检测技术一般用于检测焊缝和铸件中存在的气孔、密集气孔、夹渣和未融合、未焊透等缺陷。另外，对于人体不能进入的压力容器以及不能采用超声检测的多层包扎压力容器和球形压力容器多采用Ir或Se等同位素进行γ射线照相。但射线检测不适用于锻件、管材、棒材的检测。
射线检测方法可获得缺陷的直观图像，对长度、宽度尺寸的定量也比较准确，检测结果有直观纪录，可以长期保存。但该方法对体积型缺陷（气孔、夹渣）检出率高，对体积型缺陷（如裂纹未熔合类），如果照相角度不适当，容易漏检。另外该方法不适宜较厚的工件，且检测成本高、速度慢，同时对人体有害，需做特殊防护。
（二）超声波检测
超声检测（Ultrasonic Testing，UT）是利用超声波在介质中传播时产生衰减，遇到界面产生反射的性质来检测缺陷的无损检测方法。
超声检测既可用于检测焊缝内部埋藏缺陷和焊缝内表面裂纹，还用于压力容器锻件和高压螺栓可能出现裂纹的检测。
该方法具有灵敏度高、指向性好、穿透力强、检测速度快成本低等优点，且超声波探伤仪体积小、重量轻，便于携带和操作，对人体没有危害。但该方法无法检测表面和近表面的延伸方向平行于表面的缺陷，此外，该方法对缺陷的定性、定量表征不准确。
（三）磁粉检测
磁粉检测（Magnetic Testing，MT）是基于缺陷处漏磁场与磁粉相互作用而显示铁磁性材料表面和近表面缺陷的无损检测方法。
在以铁磁性材料为主的压力容器原材料验收、制造安装过程质量控制与产品质量验收以及使用中的定期检验与缺陷维修监测等及格阶段，磁粉检测技术用于检测铁磁性材料表面及近表面裂纹、折叠、夹层、夹渣等方面均得到广泛的应用。
磁粉检测的优点在于检测成本低、速度快，检测灵敏度高。缺点在于只适用于铁磁性材料，工件的形状和尺寸有时对探伤有影响。
（四）渗透检测
渗透检测（PenetrantTest，PT）是基于毛细管现象揭示非多孔性固体材料表面开口缺陷，其方法是将液体渗透液渗入工件表面开口缺陷中，用去除剂清除多余渗透液后，用显像剂表示出缺陷。
渗透检测可有效用于除疏松多孔性材料外的任何种类的材料，如钢铁材料、有色金属材料、陶瓷材料和塑料等材料的表面开口缺陷。随着渗透检测方法在压力容器检测中的广泛应用，必须合理选择渗透剂及检测工艺、标准试块及受检压力容器实际缺陷试块，使用可行的渗透检测方法标准等来提高渗透检测的可靠性 该方法操作简单成本低，缺陷显示直观，检测灵敏度高，可检测的材料和缺陷范围广，对形状复杂的部件一次操作就可大致做到全面检测。但只能检测出材料的表面开口缺陷且不适用于多孔性材料的检验，对工件和环境有污染。渗透检测方法在检测表面微细裂纹时往往比射线检测灵敏度高，还可用于磁粉检测无法应用到的部位。
（五）声发射检测
声发射（Acoustic Emission,AE）是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象。而弹性波可以反映出材料的一些性质。声发射检测就是通过探测受力时材料内部发出的应力波判断容器内部结构损伤程度的一种新的无损检测方法。
压力容器在高温高压下由于材料疲劳、腐蚀等产生裂纹。在裂纹形成、扩展直至开裂过程中会发射出能量大小不同的声发射信号，根据声发射信号的大小可判断是否有裂纹产生、及裂纹的扩展程度。
声发射与X射线、超声波等常规检测方法的主要区别在于它是一种动态无损检测方法。声发射信号是在外部条件作用下产生的，对缺陷的变化极为敏感，可以检测到微米数量级的显微裂纹产生、扩展的有关信息，检测灵敏度很高。此外，因为绝大多数材料都具有声发射特征，所以声发射检测不受材料限制，可以长期连续地监视缺陷的安全性和超限报警。
（六）磁记忆检测
磁记忆(Metal magnetic memory, MMM)检测方法就是通过测量构件磁化状态来推断其应力集中区的一种无损检测方法，其本质为漏磁检测方法。
压力容器在运行过程中受介质、压力和温度等因素的影响，易在应力集中较严重的部位产生应力腐蚀开裂、疲劳开裂和诱发裂纹，在高温设备上还容易产生蠕变损伤。磁记忆检测方法用于发现压力容器存在的高应力集中部位，它采用磁记忆检测仪对压力容器焊缝进行快速扫查，从而发现焊缝上存在的应力峰值部位，然后对这些部位进行表面磁粉检测、内部超声检测、硬度测试或金相组织分析，以发现可能存在的表面裂纹、内部裂纹或材料微观损伤。
磁记忆检测方法不要求对被检测对象表面做专门的准备，不要求专门的磁化装置，具有较高的灵敏度。金属磁记忆方法能够区分出弹性变形区和塑性变形区，能够确定金属层滑动面位置和产生疲劳裂纹的区域，能显示出裂纹在金属组织中的走向，确定裂纹是否继续发展。是继声发射后第二次利用结构自身发射信息进行检测的方法，除早期发现已发展的缺陷外，还能提供被检测对象实际应力---变形状况的信息，并找出应力集中区形成的原因。但此方法目前不能单独作为缺陷定性的无损检测方法，在实际应用中，必须辅助以其他的无损检测方法。
三、展望
作为一种综合性应用技术，无损检测技术经历了从无损探伤(NDI)，到无损检测(NDT)，再到无损评价(NDE)，并且向自动无损评价(ANDE)和定量无损评价(QNDE)发展。相信在不员的将来，新生的纳米材料、微机电器件等行业的无损检测技术将会得到迅速发展。在质量保证系统中发挥的作用越来越显示它的重要性和必要性，成为控制产品质量、保证在役设备安全运行的重要手段。它的重要作用有赖于无损检测方法选择的正确和检测结果是否可靠，从产品质量观点看这是重要的，从纯经济观点讲，为了减少总费用支出，可靠性亦是必要的。近年来，由于产品市场的相互竞争，高质量是提高竞争力的重要因素，因此不少部门和企业逐渐重视加强质量检验系统。对于负责质量检测人员来说，研究和认识影响无损检测结果可靠性的种种因素是很重要和必要的。
参考文献：
电容器无功功率补偿的应用 篇3
关键词：电容器 无功功率 补偿
0 引言
连接到电网中的大多数电器不仅需要有功功率，还需要一定的无功功率，电机和变压器中的磁场靠无功电流维持，输电线中的电感也消耗无功，电抗器、荧光灯等所有感性电路全部需要一定的无功功率。为减少电力输送中的损耗，提高电力输送的容量和质量，必须进行无功功率的补偿。
1 电力电容器的补偿功能
经电业部门调查，农网和城网输送功率潮流的功率因数大都在0.65-0.8左右，企业内部的配电网潮流的功率因数在0.65-0.7左右。低压用电设备由于动力设备实际作功比额定功率小及家用电器的作功特性，所以其自然功率因数大都偏低。供电系统除供给有功功率外，还供给大量无功功率，以至发电设备输送电能至配电设备不能有效利用。供电系统除供给有功功率外，还供给大量无功功率，以至发电设备输送电能至配电设备不能有效利用。
当功率因数偏低时，将造成下列不良影响：降低了发电设备的有功功率及发电设备效率，提高了发电成本。电容器在原理上相当于产生容性无功电流的发电机。将它连接到需要无功的补偿装置或设备上，变压器和输出线的负荷降低，从而输出有功能力增加。降低了输变配电设备的供电能力。在输出一定有功功率的情况下，供电系统的损耗降低。比较起来电容器是减轻变压器、供电系统和工业配电负荷的最简便、最经济的方法。使电网损耗增加(电网线路中的电能损失与功率因数值的平方成反比)功率因数愈低，线路中的电压损失也愈大，使用电设备的运行条件恶化。由此可见，提高功率因数对整个电力系统的经济运行有着重大意义，电容器作为电力系统的无功补偿势在必行。
2 自愈式低压并联电力电容器的结构特点
多年来，低压侧的无功补偿，大量采用油浸纸介电容器。这种电容器体积大、损耗高、成本高，而且爆炸、鼓肚、漏油现象严重，已远远不能适应电网发展的要求。
近年来发展起来的自愈式低压并联电力电容器，是以电工级的聚丙烯膜为介质，单面蒸镀一层金属膜为极板，采用无感卷绕法形成元件，在其两端面喷涂金属，将极板引出作为电极。电容器应当有放电器件，当电容器从电源脱开后，它能在规定的时间内把电容器上剩余电压降低到零，以保证维护人员的人身安全和防止重复投切时电压叠加造成电容器过电压。自愈式低压并联电力电容器尽管有自愈功能，比较安全可靠，但仍存在自愈失败的情况，造成元件绝缘水平降低，甚至短接，产生鼓肚、爆裂等个别情况。
2.1 压差防爆装置 当电容器的某一元件绝缘程度下降时，必然产生超常热量，内压增大，使电容器外壳变形，膨胀，机械位移把防爆片（线）拉断。由于电源通过防爆片与电容器元件相接，防爆片断开等于电源脱开，防爆效果决定于防爆片的设计、安装位置和电容器的密封性等。线路电压损失与线路电流成正比，提高功率因数减少线路无功电流，也就减少了线路电量损失，对于波动大和冲击性负荷无功动补装置做自动跟踪投切可以显著抑制电压闪变，对于谐波源负荷，选用抗谐波动态装置，可使公用母线电压正弦波形崎变率达到国家标准；对于不平衡负荷选用分相补偿的动补装置，则可使负序电压改善到达到电网负序电压国家标准。
2.2 安全膜 把金属化薄膜蒸镀成网状结构，即把电容器元件的容量划分成相当数量的小电容的并联。每个小电容蒸镀成具有电流保险的结构，在电容器元件的某一个小电容电弱处自愈失败时，该小电容电流保险熔断，推出运行，而整个元件容量下降甚微。
2.3 温度电流型保险 电容器由多个电容器元件组合而成，如果每个元件设置温度电流保险器件，当某一个元件由于自愈失败时绝缘下降，甚至短接时，会产生过热电流，促成温度电流保险动作，该元件即刻退出运行，而整台电容器仍可继续正常运行，只是电容量有少量下降而已。防爆预防措施是必要的，最重要的是提高电容器元件的可靠性。一般厂家都非常重视材料的选择和工艺条件的控制。缺乏优良的原材料和严格的工艺控制，是生产不出优良的成品电容器的。
金属化膜是电容器生产的关键原材料。目前一般生产自愈式低压并联电力电容器使用Al金属化聚丙烯膜、Zn-Al（或Ag-Zn）聚丙烯金属化膜。
3 铝金属化膜和锌铝金属化膜的区别
在镀膜技术中，因铝膜生产成本低，对环境的适应性强，常温常湿自然条件下，可以存放较长时间而保持导电性不变，自愈性能较好，便于保管和操作，因而得到广泛应用。
金属化电容器最突出的一个特点是具有良好的自愈性，就是说当其介质的电弱处被击穿后，由于短路产生的高能量使击穿附近的金属镀层迅速逸散形成空白区，重新恢复绝缘。这一特性要求金属化膜具有较薄的镀层。但在金属化的电容器中，金属镀层是作为极板使用的，从金属导电原理出发，又要求金属镀层越厚越好，这样电容器才能承受大电流的冲击。其喷金材料只能是Al、Zn或其合金，不同种类的金属在电场的作用下，接触面的电化学腐蚀是存在的，加上镀层，喷金面接触不良，造成耐电流冲击能力差。同时铝膜电容器在运行中由于热电效应，镀层极易腐蚀脱落，导致容量下降，损耗增大、发热等。
蒸镀采用边缘加厚技术，极板部分方阻比较大，喷金接触部分方阻小，这就解决了自愈性和抗大电流冲击的矛盾。而喷金材料采用和极板相同的Zn，不存在电化学腐蚀现象。真空镀膜的损伤程度也小。因而Zn-Al金属化膜电容器的性能稳定，具有容量下降率小，耐冲击能力强，使用寿命长等特性。但是Zn-Al膜允许在空气中暴露的时间短，镀层容易氧化，工艺要求比较严格，处理不当，会在电热的作用下，损耗增大，影响其使用寿命。
4 电容器的质量
合格的自愈式低压并联电力电容器应当符合GB12747-91标准，出厂前对电容器元件都经过检验、筛选，合格的元件才允许组装电容器。整台电容器的容量、损耗、耐压和绝缘等主要指标都经过测试，外观经过检查合格后才允许出厂。
5 使用注意事项
无功补偿装置安装后，试运行过程中，要对系统进行检测，发现过电压、过电流、振荡、谐波等要及时采取措施，这对于电容器的正常运行是非常必要的。值得一提的是，一般用户往往忽视使用说明书，使用注意事项安装时要仔细领会、照办。大家知道，电容器的阻抗是和频率成反比。随着频率的增高，损耗也增大。对于电路中的谐波和涌流要采取措施加以限制。电容器总是要产生热量的，要特别注意通风冷却。无功补偿装置安装后，试运行过程中，要对系统进行检测，发现过电压、过电流、振荡、谐波等要及时采取措施，这对于电容器的正常运行是非常必要的。
6 推广应用
无功功率自动补偿的先进性和实用性，通过实践证明，该装置能频繁快速投切、消除无功反送、提高配电设备的利用率、大幅度改善用户的功率因数、节省用户的扩容投资和电费的支出、显著改善配电质量，达到高效节能的效果；符合国家的节能政策，创造良好的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1]ZKP电机专用节电器使用手册[Z].北京中矿节能技术有限公司.2004.
[2]赵希正.中国电力负荷特性分析与预测[M].北京:中国电力出版社.2002.
智能电容器应用 篇4
解决好配电网的无功补偿问题,对网络降损节能极为重要。适当提高用户的功率因数,不但可以充分地发挥供电设备的生产能力、减少线路损失、减轻上一级电网补偿的压力、改善电压质量,而且可以提高用户用电设备的工作效率,有效地降低电能损失,减少用户电费。其社会效益及经济效益均非常显著。因此,开发和推广节能型的智能电力电容器对我国电力节能具有显著的作用。
1 智能集成电力电容器的结构设计
浙江昌泰科技股份有限公司与温州亿德科技有限公司联合研制的节能型智能集成电力电容器,是在智能电器总体发展框架上开发出来的全新一代低压无功补偿装置。它由智能测控模块 、晶闸管复合开关模块、线路保护模块及电力电容器等组成。智能集成电力电容器原理结构如图1所示。可替代原来由智能控制器、熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的成套自动无功补偿装置。改变了传统无功补偿装置的机械式接触器或机电一体化开关作为投切电容器的投切方式,改变了传统无功补偿装置体积庞大和笨重的结构模式,从而使新型低压无功补偿设备具有补偿效果好、功耗低、体积小、节约成本多、使用灵活、维护方便、使用寿命长、可靠性高的特点,适应现代电网对无功补偿的高要求。
2 节能型智能集成电力电容器的设计要点
2.1 智能全自动组合的控制模式,实现过零投切
智能集成电力电容的设计要点就在于采用了电子实时检测信号反馈、无触点光电触发技术、晶闸管及磁保持继电器复合开关技术,实现了等电压投切,实现真正“过零投切”(投切涌流几乎为零),免除了谐波注入。其智能全自动组合的控制模式,以无功功率、功率因数、无功电压等多种参数作为控制参数,实现了最佳的补偿组合。由于每台电容器都带有智能网络模块,可以形成主、从自动组合模式进行投切,相当于每台电容器都能充当控制器,实现了高可靠性。混合补偿是补偿效果最佳化的模式,智能集成电力电容器能够简单和高可靠性地实现分相补偿、混合补偿等复杂的最佳效果的补偿要求。由于智能集成化电力电容器具有目前国内最先进的 “过零投切”功能,确保电容投切过程中无涌流冲击、无操作过电压、无电弧重燃,提高控制的快速性,同时延长电容器的使用寿命。原传统的无功补偿装置使用交流接触器进行投切,交流接触器在分断电容器时,会产生很高操作过电压,是导致电容器损坏的重要因素。采用过零投切技术后,电容器的使用寿命延长了2～3倍以上。由此带来经济效益和社会效益无法估量。通过图2和图3可以明显地比较出过零投切与非过零投切对电容器寿命的影响。
2.2 智能网络采用分散控制模式,寿命周期成本成倍降低
智能集成电力电容器取消总控制器,采用分散控制模式,每组智能集成电力电容器都有控制单元。使多组电容器的自动投切摆脱了全部依靠一个控制器的情况,杜绝因控制器故障导致整个系统瘫痪。另外,多台智能集成电力电容器联网使用时,会自动生成一个网络,其中地址码最小的一个为主机,其余为从机,构成低压无功自动控制系统。如果个别从机出现故障,自动退出,不影响其余工作;如果主机故障,也要退出,在其余从机中产生一个新的主机,组成一个新的系统。容量相同的电容器按循环投切原则,容量不同的电容器按适补原则投切。并且具有485通讯接口,可以接入后台计算机,进行配电综合管理。总之,该产品采用智能网络技术,大大提高了运行可靠性及电容的足量投入,延长了补偿装置的寿命。采用相同容量的无功补偿装置,尽管智能集成电力电容器的价格比相同容量的传统电容相近或要高些,但与整体的无功补偿装置相比及整个寿命周期相比,智能集成电容器的成本成倍降低。
2.3 模块化设计,扩容方便,维护简单
智能集成电力电容器实现了标准化、模块化,取代了传统的控制器、空气开关、交流接触器、热继电器、电容器,将其合为一个整体,组屏安装的时候采用积木堆积方式。多台电容器组屏安装,生产工时比传统模式减少60%以上,同时减少80%连接线,减少80%的节点,柜内简洁,使用现场快速组装。产品体积小,接线简单,随着用电用户电力负荷的增加,可以随时增加电容器的数量,改变了常规模式因接线复杂,一成不变的局限性,适应企业发展的需要,可以分期投资。产品本身高智能化,使用傻瓜化,安装非常简单,极易维护。若发现产品面板上故障指示灯亮,只要拆下电容器,换上新的,如同更换电池一样方便。不需要专业电工可及时维修,补偿效果大大提高,维护成本只有其他补偿装置的10%左右。据统计补偿装置维护的人工成本为5元/kvar,若更换成智成集成电力容器,全国每年可节约16.5亿元。
3 智能集成电力电容器的节能效果分析
常规补偿装置接通补偿电路需要交流接触器,交流接触器触点需要电磁线圈保持,每只交流接触器(按CJ19继电器吸持容量计算)需消耗15W,一般每一路可接通13kvar,相当于近1kvar电容补偿在开关上就要消耗1W多的电能。而智能集成电力电容器采用了磁保持继电器,磁保持继电器内,衔铁由永磁体吸持,电路接通后,不再消耗电能。因此,采用智能集成电力电容器后,电容接通后每kvar就比传统无功补偿装置减少损耗1W多。另外智能集成电力电容器体积比其他自动补偿装置缩小50%左右,因此减少了大量的导线、接点、器件等电能损耗,可降低此类损耗50%左右。
目前我国在用的配电变压器近500万台(数据来自中国国家电力监管委员会),平均容量为200kVA,总容量近10亿kVA,无功补偿按配电变压器平均的1/3计算,现有配电变压器需无功补偿容量3.3亿kvar。如果将现有传统配电变压器无功补偿装置换成智能集成电力电容器,按1kvar省1W算(还不计减少导线、接点的电损),则一年可节电28.91亿kWh,超过秦山核电站设计年发电量17亿kWh;可减少煤耗109.86万t,减少气体CO2排放量285.64万t,相当于增加净化空气的森林面积7616.94km2;可减少气体SO2排放量5.7万t,气体NO1、NO2排放量3.36万t,大量节约煤炭资源,减少环境污染。近来全国电力负荷年增长10%以上,配电变压器年增长容量为1亿kVA,相当于每年新增约37万台315kVA变压器。则低压电力电容器每年新增3333万kvar,可节电近3亿kWh。
智能集成电力电容器已通过了我国电力工业无功补偿成套装置质量检验测试中心的型式试验。多台产品经过温州电力局一年多的运行,各项性能指标均达到设计标准。经实践证明,智能集成电力电容器是传统低压无功补偿装置的替代产品。
4 结语
智能集成电力电容器实现过零投切,采用全自动组合控制模式,提高了可靠性,达到每kvar比传统补偿装置节省1W的节能效果,且具有小型化、性能优越、成本低等优势,是无功补偿的理想设备。
参考文献
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低压智能电力电容器实用技术 篇5
随着我国智能电气化电网的迅速发展,低压电器智能化也应运而生,低压智能电力电容器(以下简称“智能电容器”)就是其中的一个佼佼者。它以功能强大、体积小、重量轻、价格低、质量可靠等优势,迅速赢得了市场,取得了广大用户的信赖与好评。自智能电容器问世以来,庞大的常规型低压无功补偿装置就逐渐被其取代,迅速成为用户低压电网安全与经济运行的“保护神”。
1 智能电容器功能
智能电容器是一套微型化的低压智能无功补偿与调谐滤波装置。它以2台(△型)或1台(Y型)无油化低压电力电容器为主体,采用微型电子元件技术、微型传感技术、微型网络技术和电器制造技术,将智能组件、控制器、滤波器、电抗器、电流互感器、热继电器、熔断器、避雷器等元件微型化,全套装置安装在电容器的上方,用一个约7cm高的盖子覆盖着。由于整机体积很小,突出显示的是电容器,所以称之为低压智能电力电容器。
现场安装时,在低压进线柜的进线上加装3只小型CT,将二次线引入智能电容器,即可实现如下功能:
1)智能网络控制功能。
自动检测及跟踪系统无功功率的变化,自动投切电容器组。投切方法是:容量相同的电容器,按循环投切原则进行投切;容量不同的电容器,按适补原则进行投切;先投先切,先退先投;电容器运行温度低时先投,温度高时先退。补偿工况恒定时,电容器每15min循环投切一次,避免单只电容器长时间投运。
2)快速投切电容器功能。
动作开关选用无触点过零投切开关,配合专用的快速控制器,实现过零投切,动作时间缩短到1s,动态追踪补偿系统所缺少的无功功率,力争使线损降到最好水平。
3)测量功能。
可测量系统电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数;CT相位与变比自动测量和校正;各台电容器的三相电流和体内温度。
4)分相补偿功能。
分相补偿型智能电容器,可对各相上的电容器进行分别投切,提高对系统无功功率的补偿精度,使三相无功功率不平衡的系统得到最佳补偿。
5)保护功能。
电容器有过流速切保护,过压、欠压保护,过温、断相保护,三相电流不平衡保护。当电容器内部温度超过65℃时,电容器会整机退出运行,确保系统安全。
6)信号功能。
电容器具有投切状态,过补、欠补状态,过压、欠压状态,保护动作类型,自诊断故障类型等灯光信号。
7)通信功能。
电容器和控制器之间采用RS-485通信联接,便于大量采取数据,上传及与外设监控终端进行信息交换,构成系统工作。
8)显示功能。
电容器顶盖前方,有液晶显示屏,可以显示电容器投切状态及系统电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电容器内部温度等运行数据。
9)故障自诊断功能。
电容器智能控制元件,能对本体各项运行参数进行自诊断,一旦出现故障,整机快速响应,退出运行。
10)滤波功能。
能够有效抑制高次谐波和涌流。对高次谐波形成一个低阻抗通道,可吸收、泄放高次谐波,消除高次谐波对电容器的影响,防止电容器过热、绝缘介质老化、自愈性能下降等不利因素的发生。
对具有大型谐波源的用户,还要加装专用干式电抗器、温控风扇、人机联系面板等器件,整机装在一个370mm×280mm×280mm的小箱体内。
2 智能电容器实用技术
2.1 用电情况调查
在使用智能电容器之前,首先对用户进行用电情况调查,包括:供、用电电压;高压线路长度与导线型号;变压器台数、容量、负载损耗及运行方式;用电设备名称及用电性质;原有无功补偿装置的补偿容量、投切方式、功能及动作情况;有无调谐滤波措施;运行中经常出现的问题、平均电价等。
2.2 搜集用电系统运行数据
根据用户运行日志记录,取月典型日1～24h正点有功、无功负荷和正点电流,以及日有功、无功电量。如用户没有运行记录,可根据用户提供的代表日,使用便携式记录型电能质量分析仪进行现场测量。取3天数据,计算出对应时间平均值,作为计算典型日数据。日有功、无功电量也用3天的平均值,并计算出功率因数。
2.3 现场测量用电系统高次谐波
为全面了解系统高次谐波的大小,以便选择使用智能电容器的型号,需要现场测量用电系统高次谐波。必要时,还要加装专用干式电抗器。便携式记录型电能质量分析仪同时具有测量高次谐波的功能。
2.4 制定改造方案
根据调查、测量、计算结果,全面考虑改造方案,包括选用智能电容器的型号,计算补偿容量,是否加装专用干式电抗器,是否采用分相补偿等。
2.5 补偿容量计算
计算依据为:
式中:Q——补偿容量,kvar;
P——有功负荷(计算典型日中的最大值),kW;
cosφ1 ——补偿前功率因数(由计算典型日中的有功、无功电量计算得出);
cosφ2 ——补偿后功率因数(即功率因数目标值)。
2.6 节电价值计算
节电价值计算大体可分为4个部分,即:线路节电价值;变压器节电价值;免收功率因数调整电费;减收功率因数调整电费。
另外,在执行功率因数调整电费中,还有一些地区执行的是降低一级功率因数标准的管理办法。降低一级功率因数标准的用户,实际功率因数高于降低后功率因数标准时,不减收电费,低于降低后功率因数标准时,增收电费。这类地区的电力用户,只有增收电费,没有减收电费。在计算节电价值时,应根据当地实际情况,灵活掌握。
2.6.1 高压线路节电价值计算
1)补偿前高压线路日线损电量计算。
计算线损电量有:
ΔA=3IjfRt×10-3 (2)
式中:ΔA——线损电量,kWh;
Ijf——均方根电流,A;
R——线路导线电阻,Ω;
t——运行时间,取t=24h。
计算均方根电流有:
式中:It——流过导线的正点负荷电流,A。
计算线路导线电阻有:
R=rL (4)
式中:r——每公里导线电阻(根据导线型号查表得出),Ω;
L——线路长度(从用户购电量计量点到用户变电站的线路),km。
2)补偿前线路线损率计算。
线损率
3)补偿后降低线损率百分数计算。
式中:ΔP—降低线损率百分数,%;
cosφ1—补偿前功率因数;
cosφ2—补偿后功率因数。
4)补偿后线路线损率计算。
线损率=补偿前线损率×(1-ΔP) (7)
式中:ΔP—降低线损率百分数,%。
5)补偿后线路日线损电量计算。
日线损电量=日供电量×补偿后线损率 (8)
6)补偿后线路年节电价值计算。
年节电价值=(补偿前日线损电量-补偿后日线损电量)×365×平均电价 (9)
2.6.2 变压器节电价值计算
补偿前变压器绕组日损耗电量计算有:
式中:ΔAR—补偿前变压器绕组日损耗电量,kWh;
ΔPK—变压器满负载运行损耗功率(见变压器铭牌),kW;
Ijf—均方根电流,计算同式(3),A;
Ie—变压器高压侧额定电流(见变压器铭牌),A。
其他计算同式(5)～(9)。
2.6.3 增收和减收电费的计算
用户功率因数标准值,是根据水利电力部和国家物价局联合颁发的《功率因数调整电费办法》界定的。按照此规定,达不到标准的用户要增收电费,超过标准的用户要减收电费。因为不同用户有着不同的功率因数标准值,加收和减收电费的计算方法也不一样,需要计算时,参看《功率因数调整电费办法》。
2.6.4 年经济效益计算
年经济效益=线路年节电价值+变压器年节电价值+免收功率因数调整电费+减收功率因数调整电费。
3 应用实例
山东神力有限公司是一家制造索具、五金类产品的中型企业,2010年初,该公司因无功补偿容量不足,补偿设备经常出现故障,电费开支大,经济效益低。该公司决定安装低压智能电力电容器,并主动与生产厂家取得联系。供需双方目标一致,一拍即合。
3.1 用电情况调查
山东神力索具有限公司供电电压为10kV,高压线路2.5km,导线型号LGJ-50。 配电室有2500kVA变压器2台,型号S9-2500/10,负载损耗20.7kW,运行方式为1运1备。主要用电设备是中频加热炉(大型谐波源)、锻造机、冲床、行车、空压机等。配电室0.4kV母线上装有无功补偿设备,补偿电容器为普通油浸式,总容量590kvar。投切方式采用交流接触器,无任何调谐滤波措施。调查中用户反映:补偿电容器经常发生断保险、鼓肚、漏油、损坏现象。功率因数因达不到规定标准0.90,供电部门每月都要加收利率调整电费,使企业电费开支大,经济效益低(该用户平均电价为0.70元/ kWh)。
3.2 搜集用电系统运行数据
根据用户运行日志记录,取5月份典型日(5日、15日、25日)1～24h正点电流,日有功电量和无功电量。并对3组数据进行平均计算。1～24h电流为:40,40,41,40,45,60,65,75,75,76,74,60,50,50,65,68,70,70,78,76,73,70,50,42;平均日有功电量为21390kWh,无功电量为13260 kvar·h;功率因数为0.85;最大有功负荷为1160kW。
3.3 现场测量用电系统高次谐波
使用便携式记录型电能质量分析仪,现场测量2500kVA变压器低压侧高次谐波,测量结果如表1所示。
从表1可以看出,该系统5次、7次、11次谐波最大。对照国家标准GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》的规定,该系统电压、电流谐波严重超标,这是造成补偿电容器及其元器件损坏的主要原因。
3.4 改造方案制定
该公司用电设备多是高次谐波源,原无功补偿装置没有滤波功能,应更换为智能调谐滤波电容器。安装智能调谐滤波电容器后,功率因数目标值定为0.98。由系统运行数据得知,最大有功负荷为1160kW。使用式(1)计算补偿容量,有:
新装智能调谐滤波电容器容量为:590kvar(原补偿容量)+483kvar=1073kvar。需选用单组容量为20+20(kvar)的智能调谐滤波电容器,共计27组。
3.5 改造后经济效益计算
3.5.1 高压线路年节电价值计算
1)计算改造前高压线路损失电量。
使用式(3)计算均方根电流有:
已知线路导线型号LGJ-50,线路长度2.5km,查表得r=0.65Ω/km,运行时间t=24h,使用式(4)计算线路导线电阻有:R=rL=0.65×2.5=1.625Ω。
使用式(2)计算改造前高压线路损失电量有:ΔA=I
2)计算改造前高压线路线损率。
已知日供电量为21390kWh,使用式(5)计算改造前高压线路线损率
3)计算改造后高压线路降低线损率百分数。
使用式(6)计算改造后高压线路降低线损率百分数。
4)计算改造后高压线路线损率。
使用式(7)计算改造后高压线路线损率=改造前线损率×(1-ΔP)=2.11%×(1-24.8%) =1.59%。
5)计算改造后线路日线损电量。
使用式(8)计算改造后线路日线损电量=日供电量×改造后线损率=21390×1.59%=340.1kWh。
6)计算改造后线路年节电价值。
使用式(9)计算补偿后线路年节电价值=(改造前日线损电量-改造后日线损电量)×365×平均电价=(450.62-340.1)×365×0.70=28238元。
3.5.2 变压器年节电价值计算
1)计算改造前变压器绕组日线损电量。
使用式(10) 计算改造前变压器绕组日线损电量
2)计算改造前变压器绕组线损率。
使用式(5)计算改造前变压器绕组线损率
3)计算改造后变压器绕组降低线损率百分数。
使用式(6) 计算改造后变压器绕组降低线损率百分数
4)计算改造后变压器绕组线损率。
使用式(7) 计算改造后变压器绕组线损率=改造前线损率×(1-ΔP)=0.431%×(1-24.8%)=0.324%。
5)计算改造后变压器绕组日线损电量。
使用式(8) 计算改造后变压器绕组日线损电量=日供电量×改造后线损率=21390×0.324%=69.3kWh。
6)计算改造后变压器绕组年节电价值。
使用式(9) 计算改造后变压器绕组年节电价值=(改造前日线损电量-改造后日线损电量)×365×平均电价=(92.27-69.3)×365×0.7=5869元。
3.5.3 功率因数调整电费计算
根据电力部门使用的《功率因数调整电费办法》的规定:功率因数以0.90为标准的用户,每低于标准0.01,则增收应缴电费的0.5%;每高于标准0.01,则减收应缴电费的0.15%。当功率因数达到0.95～1.0时,则减收应缴电费的0.75%。
山东神力索具有限公司在安装智能电容器之前,由于功率因数低于标准规定值0.05,所以每月都要增收应缴电费的2.5%;在安装智能电容器之后,由于功率因数提高到0.98,所以不但不再增收电费,还要减收应缴电费的0.75%。其节电价值计算如下:
年免收电费=21390×365×0.7×2.5%=136628元;
年减收电费=21390×365×0.7×0.75%=40988元;
年节电价值=线路节电价值+变压器节电价值+免收电费+减收电费=28238+5869+136628+40988=211723元。
4 结论
低压智能电力电容器是当前比较理想的微型低压无功补偿和调谐滤波装置,它以功能强大、跟踪补偿灵活可靠、节能和抑制谐波效果明显为优势,赢得了用户的信赖和肯定。同时也是对多年来一直使用交流接触器投切电容器及庞大无功补偿装置的一次大突破。
该公司采用低压智能电力电容器进行无功补偿和调谐滤波后,每年可增加经济收入21.17万元。该项工程自2010年4月投运以来,运行情况良好。电容器没有出现断保险、发热、鼓肚、烧坏等现象,用户反映非常满意。
摘要：介绍低压智能电力电容器的强大功能,并通过在企业中的实际应用,证明其无功跟踪补偿与调谐滤波的效果,可为企业减少电能损耗和电费开支,提高企业的经济效益。
智能电容器应用 篇6
无功功率补偿是提高电网质量,节约电能的一种重要手段,广泛应用于输配电线路和各个用电行业。而电力电容器作为无功补偿的主要元件,其运行的稳定性直接关系到输配电线路运行和用电质量。电力电容器的投入、切除作为影响其稳定运行的重要环节,必然会成为一个热门课题。
目前电力电容器的投切器件主要有:切换电容器接触器、晶轧管投切开关和复合投切开关。切换电容器接触器作为早期的主要投切器件目前依然大量存在,其缺点在于动作相位是随机的,在投入和切除容性负载时,会产生较大涌流和过压,影响电容器寿命和供电线路安全。晶轧管投切开关很好地解决了交流接触器的缺点,在电压为零点时投入电容器,在电流为零点时切除电容器,可以将涌流限制在额定电流的1倍左右。但是晶轧管作为电力电子器件,存在发热大、体积大、过载能力小等缺点。使用在强电环境下,成本高,可靠性低,一般只适合使用在动态补偿场合下。复合投切开关则综合了交流接触器和晶轧管投切开关的优点,在投切瞬间利用晶轧管特性实现小涌流投切,长期投入时则利用交流接触器或继电器,从而实现低发热、低功耗。复合投切开关作为目前的主要投切器件被应用广泛。
但是复合投切开关并没有完全解决晶轧管的自身缺点,在使用中依然会存在可控硅击穿现象。由于成本限制,目前复合投切开关内的可控硅多为小功率晶轧管,从而进一步放大了电力电子器件过载能力小的缺点。尤其在谐波场合:当谐波较大时,电压、电流重复过零,晶轧管会重复截止和导通,由于容性负载电压和电流存在相位差所以会产生较大的电压、电流上升率,当上升率大于晶轧管极限值时,晶轧管会瞬间击穿。使用的可靠性比较差。并且由于晶轧管耐压的限制,对于像525V,660V这样的使用场合更是无法使用。
本论文所阐述智能同步开关产品,目的就是解决目前复合开关,接触器,晶轧管投切开关所存在的自身缺点,提高投切器件的可靠性,实现实时在线监控和传输功能,实现无功补偿真正智能化。
1 原理阐述
智能同步开关的工作原理就是在没有晶轧管的情况下,精准控制继电器触点在电压零点时刻同步闭合、在电流零点时刻同步分断,从而实现开关接点的无电弧分断。这样完全避免了晶轧管的缺点而继承了晶轧管的优点。其设计关键点在于能否实现同步闭合和分断。这需要考虑电压、电流的零点检测、触点动作时间、触点损耗等一些变量的影响。
1.1 同步闭合
触点在电压为零时同步闭合,可以有效防止触点预燃、减小瞬态涌流。控制过程如图1所示。
开关在T1时刻检测到闭合信号后开始检测电压零点,在T2时刻检测到电压零点,后根据触点行程时间在T3时刻释放驱动信号,触点在经过T5行程时间段后,最终在预计零点处T4闭合。
1.2 同步分断
触点在电流为零时同步分断,可以有效防止触点重燃、避免瞬态过压。控制过程如图2所示。
开关在T1时刻检测到分断信号后开始检测电流零点,在T2时刻检测到电流零点,后根据触点驱动延迟时间在T3时刻释放驱动信号,在经过T5延迟时间段后,最终在预计零点处T4分断。
2 智能同步开关的设计
2.1 总体结构
智能同步开关的功能框图如图3所示。
主要功能为:各个模拟量的实时采集计算;
实现自适应反馈同步控制;
实现通讯控制功能;
检测开关和电容的状态,及时保护。
2.2 硬件设计
智能同步开关以ST公司的32位arm微控器为核心,外围主要分为电源、信号采集处理和驱动控制三大部分。
2.2.1 微控器系统和电源的设计
微控器是智能同步开关的核心部件,担负着各个模拟量的采集、计算和精准控制继电器触点的任务。并且还要处理人机界面、外部通讯。ST公司的STM32采用32位cortex-m3内核,比普通微控器具有:运行速度快、实时运算能力强、片内外设功能丰富、完善的输入输出控制等优点,能够较好地满足系统设计需求。
微控器中已经集成了内部看门狗和复位电路,简化了设计复杂性,提高了微控器整体抗干扰能力。
图4是电源部分原理图,电源是电子系统的心脏,直接影响整个系统稳定性。电源部分的器件均为关键器件。
本系统中,微控器为3.3V供电,而有些外围器件需要5V供电。在这种混合电压系统中需要注意逻辑接口的电平匹配问题。本系统中使用1117-3.3为微控器供电,使用7805为外围器件供电。
2.2.2 信号采集电路的设计
电压、电流信号经过传感器转换为相应的模拟电压信号,这些信号需经过一定的比例放大才能为微控器所用。
2.2.3 驱动控制电路的设计
本系统使用了专用芯片BL3083作为继电器驱动,具有电路简单、体积小、故障率低等特点。
3 软件设计
本系统要求软件完成以下主要功能:实时采集电压、电流信号;实时检测零点相位;在得到投切指令时,控制继电器触点状态;在投切过程中实时检测触点的动作时刻;在检测到过流、掉电等情况时,实时切除电容器。可见本系统对于实时性要求比较高,这也是软件设计重点。
本系统使用多任务实时操作系统作为软件框架,基于多任务实时操作系统的嵌入式软件设计可以将各个功能模块作为独立任务运行,并且可分优先级,优先级高的任务可以打断优先级低的任务,优先级相同的任务可以分时运行,这样就可以及时运行重要功能,在宏观上各个功能处于并发运行。从而达到系统对于实时性的要求。
4 结束语
本文设计的智能同步开关可通过12V直流电平或RS485总线通讯控制,最大控制容量共补30kvar电容器、分补3×10kvar电容器。开关内部拥有检测模块来监测开关内部元件的工作情况,当发现开关内部元件异常的时候,开关自动退投。其中RS485总线通讯控制可实现最多64路电容器控制运行,并可与控制器实现485接口联网,实现实时在线监控和传输功能,实现无功补偿真正智能化。
摘要：本文在对现有的复合投切开关进行了简要介绍,分析出复合投切开关的自身缺点,引出了设计新产品——智能同步开关的必要性。首先对智能同步开关的工作原理进行了简要介绍,提出其设计的关键点在于能否实现同步闭合和分断。通过对同步闭合和同步分断的深入分析之后,系统阐述了智能同步开关的总体结构设计、硬件及软件设计。解决了目前复合开关,接触器,晶闸管投切开关所存在的自身缺点,提高投切器件的可靠性,实现实时在线监控和传输功能,实现无功补偿真正智能化。
智能电阻、电容、电感测试仪设计 篇7
1 系统硬件设计
1.1 电路方框图及说明
系统分三大部分, 即测量电路、通道选择和控制电路, 系统电路方框图如图1所示。
1.2 各部分测试电路
1.2.1 电阻测量电路
电阻的测量采用“脉冲计数法”, 由555电路构成的多谐振荡电路, 555接成多谐振荡器的形式[1], 其振荡周期为:
1.2.2 电容测量电路
电容的测量同样采用“脉冲计数法”, 由555电路构成的多谐振荡电路, 通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小[1]。555接成多谐振荡器的形式, 其振荡周期为
我们设置R1=R2, 得出
1.2.3 电感测量电路
电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。LC回路中与发射极相连的两个电抗元件是同性质的, 另外一个电抗元件为异性质的, 而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路, 成为电容三点式电路[2]。
2 系统软件设计
2.1 主程序流程图
本系统是通过定时器定时并在定时期间对RLC电路所产生的脉冲进行统计, 通过内部程序计算出相应的值并在LCD上显示。主程序流程图如图2所示。
2.2 中断服务程序流程
我们这里采用Timer的T0接口, T0定时3s时间, 3s时间到则产生中断[3], 具体中断服务程序如图3所示。
3 系统测量误差分析
电阻、电容、电感测量数据对照如表1、表2、表3所示。
4 结语
51单片机是很常用的单片机, 其功能满足我们设计的需要, 其32路I/O口为我们硬件设计提供了便利的条件, 其常用性为我们设计过程中查阅资料提供了很大的方便, 加之其价格便宜为我们的设计减少了元器件上的开销。LCD更直观的查看和切换模式, 使现代化的测试工具更加智能化。
摘要：本设计是利用51单片机测量电阻、电容和电感对应振荡电路所产生的频率, 从而实现各个参数的测量。一方面测量精度较高, 另一方面便于使仪表实现智能化。
关键词：单片机,多谐振荡电路,电容三点式振荡
参考文献
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基于电容探测的智能液面探测技术 篇8
关键词：智能液面探测技术,电容探测,单片机,单针探头,比较输出,探测灵敏度
0前言
液面探测系统是自动化学发光免疫分析测控系统的重要组成部分[1], 用于控制采样针探入液体的深度, 从而最大限度减少挂滴, 使自动加样过程稳定可靠。电容式液面探测技术[2]原理简单、成本低、易于实现, 是应用最为广泛的液面探测方法。本文主要通过对电容式液面探测技术进行改进, 阐述提高液面探测系统灵敏度、降低最少探液量以保持系统长期稳定工作, 降低其维护成本的方法。
1 电容式液面探测原理
金属采样针通过空间环境与电路系统形成空间分布电容, 利用时基电路产生脉宽调制输出[3,4], 当采样针与导电溶液接触时增加了空间分布电容, 输出脉宽变大, 检出此事件就可探测到液面接触信息。基本原理, 见图1。R1、R2、采样针与时基电路构成单稳态触发电路, 当外部触发时开始充电, 输出高电平, 当充电到VCC/3输出反转为低电平。脉冲周期由外部触发控制, 触发频率一般在20~100k Hz, 触发周期以略大于探测到液面最大空间分布电容情况时的最大脉宽为佳, 由最大探液量及应用环境决定。
2 检测方法
脉宽调制信息经二阶低通滤波器转化为准直流电平, 当探测到液面时电平跃变升高, 跃变电平与参考电平输入比较器得到液面探测脉冲信息图。具体电路, 见图2。由U2A线性放大提供略大于本底电平的参考电平, 由于迟滞电路有一定的延时和带宽, 使得比较电路在未探测到液面时输出低电平, 探测到液面时在一段时间内输出高电平。
3 智能化设计
用时基电路提供触发源, 结合上述电路可以实现全硬件电路的液面探测系统, 但液面探测脉冲在小液量时不易被捕获, 易受干扰, 不能实现稳定可靠的探测。图2中由迟滞电路提供的参考电平在实际应用中需要反复调试, 且由于季节、气候变化, 可调电阻触点老化等原因参考电平不能一直保持稳定, 往往每隔两三个月需要人工调节一次, 这无形中增加了维护成本。
引入单片机控制液面探测[5,6]可以有效提高探测质量。原理框图, 见图3。由单片机输出一路PWM信号提供稳定的触发频率, 触发信号自图1中2脚输入, 当低于VCC/3时, 触发器置位, 3脚输出高电平, 同时放电开关管关闭, 单稳态触发器进入充电过程。为不影响脉宽调制, 选取低电平时短PWM信号作为触发信号。
根据检测原理, 稳定的参考电平不应因是否探测到液面而发生变化。可通过单片机输出另一路PWM信号经二阶低通滤波器生成直流参考电平, 并经A/D转换对其进行实时监测, 通过自适应算法自动调节占宽比使其输出与设定值一致的稳定参考电平, 探测精度要求高时需要经D/A转换来提供稳定可控的参考电平。液面探测模拟电路, 见图4。
由外部控制本底信息采集, 本底采集时间为0.2 s, 经A/D转换 (ADC) 、256个数据循环池滑动平均得到平均值, 在此基础上加一个增量作为参考电平值, 此增量的大小决定了探测的灵敏度, 通过2个单片机引脚调节该增量并自动存储到单片机EEPROM中。系统中A/D、D/A转换分别为10位精度IC。表1为在测量点AINF处本底和各种液体容量的模数转换值与数字万用表实测电压值的关系。
注:表中电压数据由于人工介入测量引入一定环境电容改变, 其测量值仅作参考。
探测到液面时的比较输出是一个稳定的高电平。为提高探测的抗干扰能力, 单片机实时跟踪比较输出:当跟踪到持续的高电平信号时输出信号;当跟踪到脉冲干扰信号时单片机通过判断持续时间予以删除, 这是提高小液量探测灵敏度的关键。100μL液面探测示波器检测结果, 见图5。
4 结论
依据电容式探测原理, 经智能化处理后的液面探测系统的灵敏度得到了大幅度提高, 最小探液量可达100μL, 优于预期最小探液量 (150μL) , 有效提高了试剂最大使用量, 降低了样本的需求量。此设计方案已应用于临床检测的某自动化学发光免疫分析仪中。
参考文献
[1]朱险峰, 张阔, 曾思思, 等.全自动临床检验仪器中液面探测技术的进展[J].生物医学工程学杂志, 2010, (4) :949-952.
[2]纪国伟.AU5400生化仪液面探测原理分析[J].中国医学装备, 2010, (7) :52-54.
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[4]招惠玲, 周美娟, 胡远忠.电容式液位测量系统的设计[J].传感器技术, 2004, 23 (3) :40-42.
[5]程剑锋.基于单片机的接触式液面检测系统[J].机械工程与自动化, 2009, (6) :48-49.
智能电容器应用 篇9
1—顶盖2—消毒除异味装置3—内置痰盂芯桶4—红外传感器5—广告薄壁桶6—外桶壁7—广告薄壁桶8—广告照明灯9—广告旋转托体10—广告旋转电机11—侧盖开闭驱动电机12—红外传感器13—侧盖铰链14—侧盖15—侧盖曲柄16—消毒除异味装置17—内置垃圾芯桶18—侧门19—支点20—滚轮21—电源、电路板22—电磁铁23—伸缩拉杆24—扬声器
1 系统工作原理
系统工作原理如图1所示, 当红外传感器4接收人体接近而触发的信号后, 驱动装置进行开顶盖动作与广告旋转动作, 广告灯打开, 发声装置同时发出“XX (厂家) 提醒您文明举止从身边做起, 谢谢您的合作”的声音。当顶盖打开状态延续一段时间 (约30秒) 后, 断电闭合, 消毒除异味装置开始工作, 广告体旋转装置旋转一段时间 (约60秒) 后停止工作。同样当红外传感器12接收到信号后侧盖打开, 广告旋转、广告灯同时打开, 消毒除异味装置开始工作, 发声装置同时发出声音。
2 系统设计
2.1 硬件实现
硬件实现框图如图2所示, 单片机是控制系统的核心部分, 综合考虑系统扩展的方便性、系统工作的可靠性、性价比等因素, 控制系统采用ATMEL公司生产的, 具有功耗低、速度快、抗干扰能力强的89C51芯片。单片机根据所采集到的不同传感器的信号, 对应驱电路输出相应的控制信号, 驱动各机构运动, 达到对各个执行机构动作的控制的目的。顶盖驱动执行机构、侧盖驱动执行机构、消毒除味装置以及旋转广告执行机构用220V电源直供电, 单片机89C51采用电源变换模块变换后的5V直流供电, 声音模块靠单片机直接驱动。
2.2软件设计
控制系统软件采用模块化设计, 软件模块包括系统初始化、系统自检、信号采集与处理以及各装置控制子程序模块。系统中将红外传感器4和红外传感器8的输出信号分别输入单片机P1口的P1.0、P1.1。一般在日常生活中P1.0、P1.1不会同时出现高电平, 机构设计中已经消除了红外传感器4和红外传感器8同时触发的可能情况。为此程序中单片机反复查询P1.0和P1.1的状态, 当P1.0为高电平时, 启动定时器T0并调用相关子程序, 同样当P1.1为高电平时, 启动定时器T1并调用相关子程序。其程序流程参见图3。
3结束语
MSC-1型多功用智能环卫容器, 为实用新型专利设计, 目前已在一些医院、高档场所试用。实践证明该控制系统工作可靠, 性能稳定, 达到了设计的要求, 并取得了良好的社会效益。
参考文献
[1]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].2004, 327～363
[2]马明建等.数据处理采集与处理技术[M].2000, 156～172