单相功率因数检测电路设计

仪器科学与电气工程学院

本科毕业论文（设计）开题报告

题目：单相功率因数检测电路设计

学生姓名：学号：

专业：电气工程及其自动化

指导教师：

2013年12月20日

1. 选题依据

1.1 选题背景

功率因数是指电力网中线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中功率因数越大则电路中的视在功率供给有功功率就越大，无功功率的消耗就越少。用户功率因数的高低对电力系统发、供、用电设备的充分利用有着显著的影响。无功补偿可以降低电能损耗、挖掘发供电设备潜力、改善供电电压质量。

对运行中的发电设备来讲，负载的功率因数越低，则由电源输出并被负载所吸收的有功功率也越小，这说明发电设备的容量仅有一小部分被有效利用，其余部分只是在电源与负载之间进行无用的功率交换。这样实质上等于发电设备的潜力未能得到充分的发挥。为了提高发电设备的利用率，所以必须提高负载的功率因数。

近年来，随着我国国民经济GDP（国民生产总值）的不断增长，我国的电力工业也有了长足的发展，同时电力网中的无功问题也逐渐引起人们的广泛关注，这是由于随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。而大多数电力电子的装置的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。同时使功率因数偏低、系统电压下降。无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设备不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故，这对我们日常生活造成了很大影响。

然而,我国和世界上的发达国家(美国、日本)相比,无论从电网功率因

数还是补偿深度来看,都有较大的差距。目前,美国、日本等发达国家补偿度达0.5以上,电网功率因数接近1.0,而我国补偿度仅为0.45。我国的电网,特别是广大农村电网,普遍存在功率因数低,电网损耗较大的情况。

适当提高用户的功率因数，不但可以充分发挥发、供电设备的生产能力，减少线路损耗，改善供电质量，而且可以提高用户用电设备的工作效率和为用户本身节能。对于广大供电企业，特别是电动机负载波动大，负载比较多的地方，若能有效搞好无功功率补偿，可以减轻上一级电网供电压力。若提高用户的功率因数，能有效的降低电能损失，减少用户电费，其社会效益及经济效益都非常显著。

因此研究无功功率补偿、改善功率因数对电网的安全经济运行有很重要的意义:

（1）解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列新的技术问题。（2）通过研究无功功率测量,掌握无功功率的经济规律。通过统计、理论分析和各项技术措施来达到经济运行的目的。

（3）保证电能质量,促使电力系统安全运行。

1.2 国内外研究概况

（１）国内外技术概况

电能质量的标准和技术是随着电力系统的发展和用户需求的变化而变化和发展的。近几十年来全球范围内因电能质量而引起的重大电力事故己达20多起，每年电能质量扰动和电力环境污引起的国民经济损失高达300亿美元。

国外对电能质量研究起步较早，目前有关电能质量控制的研究正掀起高潮，从所使用的理论到电能质量评价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义，各种电能质量问题分析方法的提出，以及“用户电力技术”等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。1996年，IEEE将每年召开一次的电力谐波国际学术会议

（ICHPS）更名为电力谐波与电能质量学术会议（ICHAP），把电能质量提高到一个新的认识高度。在从事电能质量产品的企业中，美国的FLUKE 公司和瑞士的LEM公司的产品在全球都有广泛的应用。

国内致力于电能质量产品研究的企业很多。总体来看，国内广泛采用统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率，需要人工抄表，缺乏统计分析功能，而谐波和电压波动、闪变的测量则用便携式测量仪器，分别对变电所的各级母线电压、主变电器各侧的谐波电流、电容器组的谐波电流进行测量、对大、中型非线性负荷用户和电厂以及低压配电网电流进行测量，然后根据测量数据进行汇总、统计分析，对电网的电能质量水平进行评估。

（２）项目组研究概况或导师研究基础

课题导师之前做过无功功率补偿研究与装置，可用于检测功率因数高低，提出功率因数的改善方法。

（3）发展趋势或当前存在的问题

随着电力电子技术的日新月异以及各们学科的交叉影响，无功补偿呈献出新的发展趋势。

A、在电网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪一体化的问题。

B、快速准确的检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况（如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合）。

C、由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用，供电系统成负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有

效手段。

由于矿山企业采用大量的感应电动机和变压器等用电设备,特别是在近年来大功率可控硅的应用,供电系统除供给有功功率外,还需供给大量的无功功率,使发电和输配电设备的能力不能充分利用。

（1）功率因数低,在发电和输电设备的安装容量一定,负荷一定时,供给网络就要供较大的视在功率,变压器的占有容量就要增大,电力系统输出的无功功率就要增多。

（2）功率因数低,由输电线路中的功率损耗

10

p3-

2

2

r

cos2

⨯

=

∆

U N

P

ϕ

可知，

当线路额定电压Un和输送的有功功率P均保持恒定时,供电网络中的功率损耗△P与功率因数cosφ的平方成反比,功率因数低,功率损耗将增大很多。

（3）功率因数低,输送一定的有功功率,由I= 可知,电路中的电流增大,使线路电压损失增大,使供电质量得不到保证。

2．课题基本内容

2.1 课题目标

（1）设计一套单相功率因数检测电路，包括电压和电流检测电路，经过信号调理电路。

（2）由控制器进行采样、滤波之后计算，有显示屏显示功率因数。

2.2 研究内容

（1）研究无功功率的产生原理、电压、电流信号处理以及传感器的选择；