CN104122434A - 一种无功电流测量电路 - Google Patents

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Abstract

一种无功电流测量电路，通过线电压UBC的电压信号来控制光耦LED1和光耦LED2的导通与截止，在光耦特定的导通区间内采集线电流IA信号，从而得到导通区间内的线电流IA信号的平均值即无功电流信号；其有益效果是，1、由于采用了光耦器件使线电压UBC的电压信号与线电流IA信号无电接触，避免了两者之间的相互干扰，减小无功电流的测量误差；2、电路结构简单，容易调试，生产成本低；3、由于电路结构简单，在无功电流的形成过程中无积累误差，无功电流的测量精度较高。

Description

一种无功电流测量电路
技术领域
   本发明涉及一种无功电流测量电路，用于对三相交流电路的无功电流进行测量。
背景技术
   三相交流电路中的线电流如线电流IA中包含有功电流和无功电流，有功电流有电阻性负载形成，无功电流一般由感性负载形成；有功电流的数学表达式为IACosφ，无功电流的数学表达式为IASinφ，
式中的φ为线电流IA与有功电流之间的相位差；无功电流的存在不仅影响发电厂的出率还增加电路线路的线损，因此需要进行无功电流补偿（也称无功功率补偿）以减少电能的损耗；无功功率的补偿方法通常有两种，一种方法是检测出三相交流电路的功率因数cosφ或线电流与对应的有功电流之间的相位差φ，根据功率因数cosφ或相位差φ向三相交流电路中自动投切容性负载电力电容器，以使功率因数cosφ接近于1或相位差φ接近于0；根据功率因数cosφ或相位差φ的大小投切电力电容器存在缺陷是当三相交流电路中的电流较小时，容易出现过补偿即单个电力电容器的电流大于感性电流，这时会出现反复投、切电力电容器的现象，影响电力电容器的使用寿命。另一种方法是根据相位差φ和线电流计算出无功电流，根据无功电流的大小来投、切电力电容器，这样可避免反复投、切电力电容器的现象出现；但根据这种方法设计的无功电流测量电路的结构比较复杂，同时积累误差较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无功电流测量电路，该电路结构简单并且能准确地测量出三相交流电路中的无功电流。
本发明的技术方案是，一种无功电流测量电路包括控制光耦导通与截止的开关电路和无功电流形成电路，所述的开关电路包括对线电压UBC进行降压的变压器B1，变压器B1的初级线圈接线电压UBC，变压器B1的次级线圈一端通过电阻R1与光耦LED2的发光二极管阳极连接，光耦LED2的发光二极管阴极与光耦LED1的发光二极管阳极连接，光耦LED1的发光二极管阴极接变压器B1的次级线圈另一端，二极管D1的阳极与光耦LED1的发光二极管阴极连接，二极管D1的阴极与光耦LED2的发光二极管阳极连接；
所述的无功电流形成电路的构成是，光耦LED1的光敏三极管的集电极和发射极分别与光耦LED2的光敏三极管的发射极和集电极相连接，光耦LED1的光敏三极管的发射极通过电阻R3接地，光耦LED1的光敏三极管的发射极通过电阻R4和电容C1接地，一电流变换器B2的初级线圈接受线电流IA信号，电流变换器B2的次级线圈输出电压信号Ua，电流变换器的次级线圈一端接光耦LED1的集电极，电流变换器的次级线圈另一端接地；电阻R4与电容C1的连接点为无功电流信号的输出端。
作为一种改进，所述的变压器B1可以去掉，电阻R1的一端和光耦LED1的发光二极管阴极接线电压UBC。
本无功电流测量电路的特点是，通过线电压UBC的电压信号来控制光耦LED1和光耦LED2的导通与截止，在光耦特定的导通区间内采集线电流IA信号，从而得到导通区间内的线电流IA信号的平均值即无功电流信号；其有益效果是，1、由于采用了光耦器件使线电压UBC的电压信号与线电流IA信号无电接触，避免了两者之间的相互干扰，减小无功电流的测量误差；2、电路结构简单，容易调试，生产成本低；3，由于电路结构简单，在无功电流的形成过程中无积累误差，无功电流的测量精度较高。
附图说明
    图1为本发明的第一实施例的电路原理图。
    图2为本发明的第二实施例的电路原理图。
    图3为说明本发明测量原理的波形图。
    图3中的标志分别表示：1-电压信号Ubc的波形、2-光耦导通、截止状态的波形、3-线电流IA为纯电阻性电流时其电流信号Ua的波形、4-线电流IA为纯电感性电流时其电流信号Ua的波形。
具体实施方式
现对照附图说明本发明的第一实施例，一种无功电流测量电路包括控制光耦导通、截止的开关电路，在光耦导通区间对线电流IA信号进行采集的无功电流形成电路。
所述的开关电路以线电压UBC为输入信号来控制光耦导通、截止，它包括对线电压UBC进行降压的变压器B1、光耦LED1、光耦LED2、电阻R1、二极管D1，变压器B1的初级线圈接线电压UBC，变压器B1的次级线圈一端通过电阻R1与光耦LED2的发光二极管阳极连接，光耦LED2的发光二极管阴极与光耦LED1的发光二极管阳极连接，光耦LED1的发光二极管阴极接变压器B1的次级线圈另一端，二极管D1的阳极与光耦LED1的发光二极管阴极连接，二极管D1的阴极与光耦LED2的发光二极管阳极连接；当线电压UBC的波形在正半周时，光耦LED1、光耦LED2的发光二极管有电路通过，当线电压UBC的波形在负半周时，光耦LED1、光耦LED2的发光二极管无电流通过，电阻R1起限流作用，二极管D1用来防止光耦的发光二极管被反向电压击穿。
所述的无功电流形成电路包括，将线电流IA信号转换成电压信号Ua的电流变换器B2、光耦LED1、光耦LED2、电阻R3、电阻R4、电容C1，所述光耦LED1的集电极和发射极分别与光耦LED2的发射极和集电极相连接，光耦LED1的发射极通过电阻R3接地，光耦LED1的发射极通过电阻R4和电容C1接地，所述的电流变换器B2的初级与三相交流电路的A相电流互感器的次级线圈相连接接受线电流IA信号，电流变换器B2的次级线圈一端接光耦LED1的集电极，电流变换器B2的次级线圈另一端接地；电阻R4与电容C1的连接点为无功电流信号的输出端，电阻R4与电容C1用来对无功电流信号进行滤波，滤除无功电流信号中交流分量。
所述的电流变换器B2的铁芯为E型硅钢片，其中间铁芯的截面积为100平方毫米，初级线圈的匝数为10匝，次级线圈的匝数为100匝，其次级输出的电流信号Ua为0-6V与线电流IA信号无相位差。电阻R3的阻值为1K欧姆，电阻R4的阻值为10K欧姆，电容C1为两个100-330微法电解电容的负极连接串联形成；所述的光耦LED1、LED2的型号为TLP521。
第二实施例的电路原理图参见图2，与第一实施例的区别在于所述的开关电路中的变压器B1被去除，电阻R1的一端（即原与变压器B1次级线圈相连接的一端）和光耦LED1的发光二极管阴极直接接线电压UBC，电阻R1的阻值与功率应满足限流的要求。变压器B1可被去除的理由是光耦LED1、光耦LED2能隔离高电压对无功电流形成电路的影响。去除变压器B1可降低无功电流测量电路的制造成本。
现结合图3说明本发明的测量原理，线电压UBC的电压信号Ubc的波形1为正半周时，光耦LED1、LED2的光敏三极管处于导通，电压信号Ubc的波形1为负半周时，光耦LED1、LED2的光敏三极管处于截止；光耦导通、截止状态如波形2所示，波形2中的阴影部分为光耦的导通区间；
根据三相交流电路的特性可知当线电流IA为纯电阻性电流时，其相位超前线电压UBC90度，线电流IA的电流信号Ua波形如波形3所示；在光耦的导通区间内，有电流信号通过在电阻R3上形成平均值Up，如波形3中阴影部分所示。当线电流IA中有感性电流分量时其相位与纯电阻性线电流之间有一相位差φ；波形4所示为当线电流IA为纯电感性电流时的电流信号Ua波形；在光耦的导通区间内，有电流信号通过在电阻R3上形成平均值Up，如波形4中阴影部分所示；
电流信号Ua的表达式为：Ua=Uam（Sinωt－φ）；（式1）
式中Uam为电流信号Ua的最大值；
如图3和图4所示，当相位差φ变化时，无功电流也发生变化，相对应的在光耦的导通区间（见时间轴上的π/2至3π/2段）内的电流信号波形也发生变化其平均值Up也不同；所述的平均值Up可通过对在光耦的导通区间形成的电流信号Ua进行积分运算求出，积分运算结果的表达式为：
Up=（2/π）UamSinφ；（式2）
式中Uam为电流信号Ua的最大值，π为光耦的导通区的弧度值，φ为相位差其值在－π/2～π/2之间；
由于电流信号Ua与线电流IA成正比关系，所以从式2可看出平均值Up即为无功电流信号，它按正弦函数关系随相位差φ而变化。当平均值Up的数值为正时反应无功电流为感性，当平均值Up的数值为负时反应无功电流为容性。
需要说明的是式2中平均值Up是在光耦的导通（其导通区的弧度值为π）的情况下求出的以便于说明平均值Up与无功电流的关系，在实际应用中式2中平均值Up应减少一半。

Claims (3)

1.一种无功电流测量电路，包括控制光耦导通与截止的开关电路和无功电流形成电路，所述的开关电路包括对线电压UBC进行降压的变压器B1，变压器B1的初级线圈接线电压UBC，变压器B1的次级线圈一端通过电阻R1与光耦LED2的发光二极管阳极连接，光耦LED2的发光二极管阴极与光耦LED1的发光二极管阳极连接，光耦LED1的发光二极管阴极接变压器B1的次级线圈另一端，二极管D1的阳极与光耦LED1的发光二极管阴极连接，二极管D1的阴极与光耦LED2的发光二极管阳极连接；
所述的无功电流形成电路的构成是，光耦LED1的光敏三极管的集电极和发射极分别与光耦LED2的光敏三极管的发射极和集电极相连接，光耦LED1的光敏三极管的发射极通过电阻R3接地，光耦LED1的光敏三极管的发射极通过电阻R4和电容C1接地，一电流变换器B2的初级线圈接受线电流IA信号，电流变换器B2的次级线圈输出电流信号Ua，电流变换器的次级线圈一端接光耦LED1的集电极，电流变换器的次级线圈另一端接地；电阻R4与电容C1的连接点为无功电流信号的输出端。
2.根据权利要求1所述的无功电流测量电路，其特征是所述的变压器B1被去掉，电阻R1的一端和光耦LED1的发光二极管阴极接线电压UBC。
3.根据权利要求1或2所述的无功电流测量电路，其特征是所述的电流变换器B2的铁芯为E型硅钢片，其中间铁芯的截面积为100平方毫米，初级线圈的匝数为10匝，次级线圈的匝数为100匝。
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