功率因數補償原理

功率因數自動補償器是提高電網系統中功率因數的全自動化電子裝置，通過它的調節作用，使電網中的無功消耗降到最小，達到充分利用電能、節約用電的目的。我站使用的GBK4-1C型控制器，是通過檢測系統中的負荷的功率因數自動投、切補償電容器使系統功率因數在規定的范圍內運行。

檢測功率因數投、切法的思想是，當一個系統功率因數下降至低于下限整定值時投入補償電容器，當功率因數超過上限整定值時切除補償電容器。圖一說明此控制方式的原理。

圖中OA為功率因數下限整定值COSj _A線，OB為功率因數上限整定值COSj _B線，假設負荷線沿OD直線增加，其功率因數為COSj ，當負荷增至臨界調節功率點M₁時，電容器C₁投入，這時補償的無功功率為M₁K₁，視在功率為OK₁，使功率因數在OA、OB兩直線限定的范圍內。若負荷繼續增至M₂點時，電容器C₂又投入運行，又將功率因數控制在規定的范圍內，負荷若再增至M₃點時，電容器C₃投入，使功率因數維持在規定的范圍內。當負荷減少時，如由K₃點減少至N₁點時，電容器C₁被切除，負荷若減少到N₂點時，電容器C₂又被切除，當負荷減少至臨界調節功率線左面時，電容器被全部切除。這里臨界調節線的位置取決于最小補償電容器組的容量，負荷的性質以及所規定的功率因數的調節范圍。圖二為自動補償控制器原理圖。

      圖中按虛線將控制器分成：、測量部分；、直流放大部分；、執行部分；、電源部分。工作如下：先將交流電壓與電流間的相位差，轉換成直流電壓信號，再將直流信號放大驅動執行部分動作，投入或切除補償電容器。

測量部分的交流信號取自電網系統中母線A、C相線電壓u_AC和B相電流i_B，由圖三知三相交流系統中，當B相電流i_B與B相電壓u_B同相，即COSj =1時，相電流i_B與線電壓u_AC相差為p /2，當i_B超前或滯后u_B時，i_B、u_AC相位差就會小于或大于p /2，為了測出這種相位關系的變化，測量部分采用半波相敏差分放大線路，u₁、u₂分別反映交流側u_AC及i_B相位的兩個交流電壓值。由圖知，只有當u₂處于負半周時T₁、T₂的發射結正向偏置，才有可能導通。根據u₁的極性決定是否產生集電極電流i₁、i₂。圖四、圖五、圖六是反映u₁與u₂的相位關系與檢測回路中T₁、T₂集電極電流流通的情況。圖四為u₁、u₂同相在一周內只有T₁導通，由于發射極與集電極所加的電壓u₁、u₂的平均值最大，集電極電流i₁最大而T₂不會導通，故一周內a、b間的直流輸出電壓U_ab=i₁R₁>0并為最大。圖五為u₁超前、u₂相位p /2，由圖可見，在0~p /2時，u₁處于正半周，u₂處于負半周，T₂發射結正向偏置而導通，集電極電流i₂經過二極管D₂流達電阻R₂，在3p /2~2p 期間，u₁、u₂均處于負半周，T₁發射結正向偏置導通，集電極電流i₁經二極管D₁流過電阻R₁，這樣在一個周期內，T₁、T₂均導通p /2，而且導通期間兩只三極管基極電壓和集電極電壓平均值相同，故i₁=i₂，選擇R₁=R₂，則此時在一周內直流輸出電壓U_ab=i₁R₁-i₂R₂=0。圖六為u₁與u₂相差小于p /2，顯而易見，T₂導通時間比T₁導通時間短，此時一周內i₁平均值大于i₂平均值，故U_ab=i₁R₁-i₂R₂>0，此時U_ab小于u₁與u₂同相位時的直流輸出值，如果u₁與u₂相位差大于p /2時，同樣可得U_ab=i₁R₁-i₂R₂<0，因此可根據交流側電壓u_AC與電流i_B的相位差使相敏放大線路輸出不同的直流電壓去控制直流放大部分，在U_ab<0時，U_ab經D₄、R₄加到T₃、T₅的發射結，再由T₃、T₅放大后驅動繼電器J₁動作，反之U_ab>0時，U_ab經D₃、R₃加到T₄、T₆發射結，由T₄、T₆放大后驅動J₂動作。當J₁動作后，J₁常閉觸點打開，C₅經R₇由負電源充電，使T₇基極電位不斷下降，經過一段時間（延時）后T₇、T₉導通，繼電器J₃動作，使第一組電容器投入系統運行，同時控制第二組電容器投入的J₃的常閉觸點打開，第二組開始延時，如果第一組電容器投入系統運行后系統功率因數仍達不到要求，測量回路的直流輸出U_ab仍小于零，那么第二組的延時結束后，繼電器J₅動作，將第二組電容器投入運行；反之若U_ab大于零，則T₄、T₆導通J₂動作，經過延時后J₄動作，將第一組電容器從系統中切除，如Uab仍大于零，則又經過延時后，切除第二組電容器，從而達到自動調控系統功率因數的效果。