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無功補償控製器的選擇
日期：2025-05-06 13:16
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摘要：
無功補償控製器是無功補償裝置的核心部件，具有舉足輕重的地位，大部分無功補償裝置的生產廠家都是買來控製器然後自行裝配整機，具有設計製造控製器能力的廠家不多，能夠設計製造出性能優異的控製器的廠家更是鳳毛麟角。
現有的低端控製器都是以功率因數為依據進行控製的，這種控製器雖然價格低廉、性能很差，已屬於淘汰之列，因此這裡不做介紹。
現有的**控製器都是以無功功率為依據進行控製的，但除此之外，往往將設計重點放在漢字顯示以及數據通訊等方麵。其實要真正實現**的無功補償控製是一件相當複雜的事情，實現**的無功補償控製是無功補償控製器的主要功能，隻有在主要功能相當完善的情況下，才能考慮附加功能。下麵詳細介紹一下對控製器的設計要求以及一些基本的設計方法。
1、對測量精度的要求
要實現**的無功補償就必須對無功電流進行準確的測量。
因為電壓的變化範圍較小，因此對電壓的測量精度要求不高，通常有1%的測量精度就足夠了。通常的情況下，不測量電壓也可以實現很好的無功補償控製，對電壓的測量主要是為了實現過壓、欠壓、以及缺相等保護功能。
對電流的測量靈敏度要求要高一些。對於使用8位單片機的低檔控製器，測量靈敏度要達到1%以上。注意這裡強調的是“測量靈敏度”而不是“測量精度”，1%的電流測量靈敏度即相當於可以區分1%的電流變化，例如電流互感器的一次電流為500A，則意味著可以區分從100A到105A的電流變化，並不要求100A的電流測量值**準確。對於使用32位單片機的**控製器，測量靈敏度要達到0.1%以上，否則就談不到**了。同樣的道理，測量的靈敏度要達到0.1%，意味著測量值應該有4位有效數字，但同樣並不要求**準確。對無功補償控製器要求0.1%的測量精度是不現實的，也冇有實際意義。但是控製器的測量值*好能在現場進行校正。
對功率因數測量的靈敏度要達到0.001。準確地說，應該是對相位差的測量要求，因為測量無功功率並不需要使用功率因數值。這裡要強調一點，對無功電流的計算應該使用Iq=I×sinφ的公式來進行計算，而sinφ的值應該根據相位差的值直接進行計算，不能使用sinφ=(1-cosφ2)1/2的公式計算，否則當相位差在0度附近時，cosφ的微小變化會導致sinφ的很大變化，導致sinφ的值誤差太大。例如cosφ=0.99時，對應的相位差是8.1度，對應的sinφ值為0.14，意味著0—0.14之間其他sinφ值檢測不到。
對相位差的測量要求達到整個-180—+180度範圍。有一些控製器具有電流互感器接反的自動識彆功能，這種控製器以有功必須為正值來判斷互感器的正反，相當於-90—+90度範圍，這就可能以下的問題：
(1)當負荷處於發電狀態時會出現檢測錯誤。
(2)當負荷為純電感或純電容時，由於有功電流約等於零，可能會將電感誤判斷為電容或者將電容誤判斷為電感。而負荷為純電容的狀態經常會出現，例如負荷為單一大負荷而負荷停機時，無功補償電容器尚在運行，於是變壓器二次電流就變為純電容電流，如果將這個電流誤判為電感電流，控製器就會繼續投入電容器，直至將所有的電容器全部投入運行，造成嚴重的過補償現象。
2、顯示器的選擇
*常用的顯示器件就是LED數碼管，LED數碼管價格低廉、可靠性高。但是顯示複雜操作麻煩。所以現在大部分**控製器都使用液晶顯示器，液晶顯示器可以顯示漢字，圖形等，使用時候更加方便，在有照明的情況下也比較省電，而且隨著近年來技術的發展，液晶顯示器的可靠性也得到了保障。
3、參數設定功能
對於以無功功率為依據進行控製的無功補償控製器，參數設定功能是必備的。在控製器製造的時候，電容器的額定容量，電流互感器的變比等參數無法事先確定，隻能根據無功補償裝置的實際情況及現場情況進行設定，因此控製器必須具備參數設定功能。設定的參數應保證不會因掉電而丟失。
*直接的保存設定參數的方法就是使用EEPROM器件，如24C02等。有一些單片機具有片內EEPROM，這樣就可以減少外圍器件數量。還有一些32位單片機具有在應用編程功能，也就是說，可以在程序運行過程中修改片內FLASH程序存儲器的內容。對於32位單片機也可以將設定參數保存在FLASH程序存儲器中，不過在應用編程的程序設計比較複雜一些。
4、保護功能的設計
電容器的過載無非是由於電壓過高或者是諧波過大而引起，因此在控製器中設計過電壓保護功能是必要的。在能力允許的情況下，應該在控製器中設計電壓諧波檢測功能，因為導致電容器諧波過載的根本原因是電壓畸變，檢測電壓諧波就可以實現對電容器的諧波過載保護。有了過電壓保護和諧波過載保護則熱繼電器就可以取消。既節省了體積與成本又減少了故障點。
5、電容器的投入與切除控製策略
電容器的投入與切除應該分步進行，不應在一步操作中同時投入或者切除多台電容器。否則過大的電流突變會對係統造成比較大的影響，也不利於實現**的補償效果。
同時，對於安裝有不同規格電容器的補償裝置，電容器的投切應該儘量簡潔，以便儘量減少電容器的投切次數，並且可以*快的滿足補償要求。不應按*小步進台階一步一步遞增或遞減。
例如補償裝置**有三種規格的電容器，分彆為10Kvar、20Kvar、40Kvar，如果測量出所需要的無功補償量為40var以上，則應該直接投入一台40var的電容器。同樣的道理，當測量出多餘的無功補償量為30var以上，則應該直接切除一台40var的電容器。
6、輸出電路的設計
通常控製器的輸出都是用於控製交流接觸器或複合開關，*常見的就是220V交流輸出。輸出的路數視要求而定，通常10路就可以了。
*常見的輸出元件是電磁繼電器，選用電磁繼電器的*重要的原則是繼電器銜鐵本身不能與接點有電連接，不少繼電器的銜鐵本身就是動接點的一部分，於是繼電器鐵芯帶電，當線圈絕緣出現問題時，強電就會竄入控製部分造成嚴重損壞。而對於銜鐵與接點冇有電連接的繼電器，則不會出現強電竄入控製部分的現象。
當電磁繼電器接點斷開時，由於接觸器線圈是大電感電流不能瞬變，會產生很高的電弧電壓，因此必須連接阻容吸收元件，否則會產生嚴重的乾擾。
輸出元件也可以使用電子繼電器，電子繼電器的內部是晶閘管，由於晶閘管可以電流過零關斷，因此不需要使用阻容吸收元件，並且驅動電壓電流都很小,比較容易實現控製。質量好的電子繼電器價格較高。質量不好的電子繼電器容易產生誤觸發，造成上電時接觸器抖動。
輸出電路也可以使用雙向晶閘管，這時晶閘管的驅動電路稍微複雜一些，但是成本很低,可靠性也可以做得很好。
現有的低端控製器都是以功率因數為依據進行控製的，這種控製器雖然價格低廉、性能很差，已屬於淘汰之列，因此這裡不做介紹。
現有的**控製器都是以無功功率為依據進行控製的，但除此之外，往往將設計重點放在漢字顯示以及數據通訊等方麵。其實要真正實現**的無功補償控製是一件相當複雜的事情，實現**的無功補償控製是無功補償控製器的主要功能，隻有在主要功能相當完善的情況下，才能考慮附加功能。下麵詳細介紹一下對控製器的設計要求以及一些基本的設計方法。
1、對測量精度的要求
要實現**的無功補償就必須對無功電流進行準確的測量。
因為電壓的變化範圍較小，因此對電壓的測量精度要求不高，通常有1%的測量精度就足夠了。通常的情況下，不測量電壓也可以實現很好的無功補償控製，對電壓的測量主要是為了實現過壓、欠壓、以及缺相等保護功能。
對電流的測量靈敏度要求要高一些。對於使用8位單片機的低檔控製器，測量靈敏度要達到1%以上。注意這裡強調的是“測量靈敏度”而不是“測量精度”，1%的電流測量靈敏度即相當於可以區分1%的電流變化，例如電流互感器的一次電流為500A，則意味著可以區分從100A到105A的電流變化，並不要求100A的電流測量值**準確。對於使用32位單片機的**控製器，測量靈敏度要達到0.1%以上，否則就談不到**了。同樣的道理，測量的靈敏度要達到0.1%，意味著測量值應該有4位有效數字，但同樣並不要求**準確。對無功補償控製器要求0.1%的測量精度是不現實的，也冇有實際意義。但是控製器的測量值*好能在現場進行校正。
對功率因數測量的靈敏度要達到0.001。準確地說，應該是對相位差的測量要求，因為測量無功功率並不需要使用功率因數值。這裡要強調一點，對無功電流的計算應該使用Iq=I×sinφ的公式來進行計算，而sinφ的值應該根據相位差的值直接進行計算，不能使用sinφ=(1-cosφ2)1/2的公式計算，否則當相位差在0度附近時，cosφ的微小變化會導致sinφ的很大變化，導致sinφ的值誤差太大。例如cosφ=0.99時，對應的相位差是8.1度，對應的sinφ值為0.14，意味著0—0.14之間其他sinφ值檢測不到。
對相位差的測量要求達到整個-180—+180度範圍。有一些控製器具有電流互感器接反的自動識彆功能，這種控製器以有功必須為正值來判斷互感器的正反，相當於-90—+90度範圍，這就可能以下的問題：
(1)當負荷處於發電狀態時會出現檢測錯誤。
(2)當負荷為純電感或純電容時，由於有功電流約等於零，可能會將電感誤判斷為電容或者將電容誤判斷為電感。而負荷為純電容的狀態經常會出現，例如負荷為單一大負荷而負荷停機時，無功補償電容器尚在運行，於是變壓器二次電流就變為純電容電流，如果將這個電流誤判為電感電流，控製器就會繼續投入電容器，直至將所有的電容器全部投入運行，造成嚴重的過補償現象。
2、顯示器的選擇
*常用的顯示器件就是LED數碼管，LED數碼管價格低廉、可靠性高。但是顯示複雜操作麻煩。所以現在大部分**控製器都使用液晶顯示器，液晶顯示器可以顯示漢字，圖形等，使用時候更加方便，在有照明的情況下也比較省電，而且隨著近年來技術的發展，液晶顯示器的可靠性也得到了保障。
3、參數設定功能
對於以無功功率為依據進行控製的無功補償控製器，參數設定功能是必備的。在控製器製造的時候，電容器的額定容量，電流互感器的變比等參數無法事先確定，隻能根據無功補償裝置的實際情況及現場情況進行設定，因此控製器必須具備參數設定功能。設定的參數應保證不會因掉電而丟失。
*直接的保存設定參數的方法就是使用EEPROM器件，如24C02等。有一些單片機具有片內EEPROM，這樣就可以減少外圍器件數量。還有一些32位單片機具有在應用編程功能，也就是說，可以在程序運行過程中修改片內FLASH程序存儲器的內容。對於32位單片機也可以將設定參數保存在FLASH程序存儲器中，不過在應用編程的程序設計比較複雜一些。
4、保護功能的設計
電容器的過載無非是由於電壓過高或者是諧波過大而引起，因此在控製器中設計過電壓保護功能是必要的。在能力允許的情況下，應該在控製器中設計電壓諧波檢測功能，因為導致電容器諧波過載的根本原因是電壓畸變，檢測電壓諧波就可以實現對電容器的諧波過載保護。有了過電壓保護和諧波過載保護則熱繼電器就可以取消。既節省了體積與成本又減少了故障點。
5、電容器的投入與切除控製策略
電容器的投入與切除應該分步進行，不應在一步操作中同時投入或者切除多台電容器。否則過大的電流突變會對係統造成比較大的影響，也不利於實現**的補償效果。
同時，對於安裝有不同規格電容器的補償裝置，電容器的投切應該儘量簡潔，以便儘量減少電容器的投切次數，並且可以*快的滿足補償要求。不應按*小步進台階一步一步遞增或遞減。
例如補償裝置**有三種規格的電容器，分彆為10Kvar、20Kvar、40Kvar，如果測量出所需要的無功補償量為40var以上，則應該直接投入一台40var的電容器。同樣的道理，當測量出多餘的無功補償量為30var以上，則應該直接切除一台40var的電容器。
6、輸出電路的設計
通常控製器的輸出都是用於控製交流接觸器或複合開關，*常見的就是220V交流輸出。輸出的路數視要求而定，通常10路就可以了。
*常見的輸出元件是電磁繼電器，選用電磁繼電器的*重要的原則是繼電器銜鐵本身不能與接點有電連接，不少繼電器的銜鐵本身就是動接點的一部分，於是繼電器鐵芯帶電，當線圈絕緣出現問題時，強電就會竄入控製部分造成嚴重損壞。而對於銜鐵與接點冇有電連接的繼電器，則不會出現強電竄入控製部分的現象。
當電磁繼電器接點斷開時，由於接觸器線圈是大電感電流不能瞬變，會產生很高的電弧電壓，因此必須連接阻容吸收元件，否則會產生嚴重的乾擾。
輸出元件也可以使用電子繼電器，電子繼電器的內部是晶閘管，由於晶閘管可以電流過零關斷，因此不需要使用阻容吸收元件，並且驅動電壓電流都很小,比較容易實現控製。質量好的電子繼電器價格較高。質量不好的電子繼電器容易產生誤觸發，造成上電時接觸器抖動。
輸出電路也可以使用雙向晶閘管，這時晶閘管的驅動電路稍微複雜一些，但是成本很低,可靠性也可以做得很好。
