功率因数补偿原理

功率因数自动补偿器是提高电网系统中功率因数的全自动化电子装置，通过它的调节作用，使电网中的无功消耗降到最小，达到充分利用电能、节约用电的目的。我站使用的GBK4-1C型控制器，是通过检测系统中的负荷的功率因数自动投、切补偿电容器使系统功率因数在规定的范围内运行。

检测功率因数投、切法的思想是，当一个系统功率因数下降至低于下限整定值时投入补偿电容器，当功率因数超过上限整定值时切除补偿电容器。图一说明此控制方式的原理。

图中OA为功率因数下限整定值COSj _A线，OB为功率因数上限整定值COSj _B线，假设负荷线沿OD直线增加，其功率因数为COSj ，当负荷增至临界调节功率点M₁时，电容器C₁投入，这时补偿的无功功率为M₁K₁，视在功率为OK₁，使功率因数在OA、OB两直线限定的范围内。若负荷继续增至M₂点时，电容器C₂又投入运行，又将功率因数控制在规定的范围内，负荷若再增至M₃点时，电容器C₃投入，使功率因数维持在规定的范围内。当负荷减少时，如由K₃点减少至N₁点时，电容器C₁被切除，负荷若减少到N₂点时，电容器C₂又被切除，当负荷减少至临界调节功率线左面时，电容器被全部切除。这里临界调节线的位置取决于最小补偿电容器组的容量，负荷的性质以及所规定的功率因数的调节范围。图二为自动补偿控制器原理图。

      图中按虚线将控制器分成：、测量部分；、直流放大部分；、执行部分；、电源部分。工作如下：先将交流电压与电流间的相位差，转换成直流电压信号，再将直流信号放大驱动执行部分动作，投入或切除补偿电容器。

测量部分的交流信号取自电网系统中母线A、C相线电压u_AC和B相电流i_B，由图三知三相交流系统中，当B相电流i_B与B相电压u_B同相，即COSj =1时，相电流i_B与线电压u_AC相差为p /2，当i_B超前或滞后u_B时，i_B、u_AC相位差就会小于或大于p /2，为了测出这种相位关系的变化，测量部分采用半波相敏差分放大线路，u₁、u₂分别反映交流侧u_AC及i_B相位的两个交流电压值。由图知，只有当u₂处于负半周时T₁、T₂的发射结正向偏置，才有可能导通。根据u₁的极性决定是否产生集电极电流i₁、i₂。图四、图五、图六是反映u₁与u₂的相位关系与检测回路中T₁、T₂集电极电流流通的情况。图四为u₁、u₂同相在一周内只有T₁导通，由于发射极与集电极所加的电压u₁、u₂的平均值最大，集电极电流i₁最大而T₂不会导通，故一周内a、b间的直流输出电压U_ab=i₁R₁>0并为最大。图五为u₁超前、u₂相位p /2，由图可见，在0~p /2时，u₁处于正半周，u₂处于负半周，T₂发射结正向偏置而导通，集电极电流i₂经过二极管D₂流达电阻R₂，在3p /2~2p 期间，u₁、u₂均处于负半周，T₁发射结正向偏置导通，集电极电流i₁经二极管D₁流过电阻R₁，这样在一个周期内，T₁、T₂均导通p /2，而且导通期间两只三极管基极电压和集电极电压平均值相同，故i₁=i₂，选择R₁=R₂，则此时在一周内直流输出电压U_ab=i₁R₁-i₂R₂=0。图六为u₁与u₂相差小于p /2，显而易见，T₂导通时间比T₁导通时间短，此时一周内i₁平均值大于i₂平均值，故U_ab=i₁R₁-i₂R₂>0，此时U_ab小于u₁与u₂同相位时的直流输出值，如果u₁与u₂相位差大于p /2时，同样可得U_ab=i₁R₁-i₂R₂<0，因此可根据交流侧电压u_AC与电流i_B的相位差使相敏放大线路输出不同的直流电压去控制直流放大部分，在U_ab<0时，U_ab经D₄、R₄加到T₃、T₅的发射结，再由T₃、T₅放大后驱动继电器J₁动作，反之U_ab>0时，U_ab经D₃、R₃加到T₄、T₆发射结，由T₄、T₆放大后驱动J₂动作。当J₁动作后，J₁常闭触点打开，C₅经R₇由负电源充电，使T₇基极电位不断下降，经过一段时间（延时）后T₇、T₉导通，继电器J₃动作，使第一组电容器投入系统运行，同时控制第二组电容器投入的J₃的常闭触点打开，第二组开始延时，如果第一组电容器投入系统运行后系统功率因数仍达不到要求，测量回路的直流输出U_ab仍小于零，那么第二组的延时结束后，继电器J₅动作，将第二组电容器投入运行；反之若U_ab大于零，则T₄、T₆导通J₂动作，经过延时后J₄动作，将第一组电容器从系统中切除，如Uab仍大于零，则又经过延时后，切除第二组电容器，从而达到自动调控系统功率因数的效果。