智能復合開關在航天地面供電設備中的應用分析*

董琳琳 杜 鵬

(91550部隊91分隊 大連 116023)

1 引言

航天系統試驗中的設備用電通常采用交流220V、交流380V和開關電源等幾種形式。在各種電源供電形式中均存在干擾,尤其是在電源開關機的瞬間存在的沖擊負荷,容易引起電壓的閃變、網損增加、功率因素降低等各種問題。如某試驗中,曾出現56V電源開機瞬間造成另一28V電源的浮動,從而影響到遙測數據的采集,最終導致部分數字量信號丟幀的情況。用數字示波器監測在56V電源空載啟動過程中,另一28V地線的電壓波動。可以看到,在56V電源空載開機過程中,在另一電源28V地上產生了一連串的干擾波形。將此干擾波形放大,其寬度約為 12μ S、峰值約為20V,如圖1所示。此干擾電壓經遙測的隔離電阻,傳導到遙測二次電源地上,影響了遙測對綜控機、慣導數字量的采集,造成了綜控機、慣導數字量信號丟幀。

圖1 56V電源開機瞬間,產生干擾的相關波形

對于這種干擾,如不采取有效措施,不僅不能保證供電系統的可靠性,還會影響到試驗現場測試設備的正常工作,嚴重時會造成設備的損傷。

2 無功補償方法的應用

無功補償是解決這一問題的有效措施。無功補償常用的投切開關有三種[1]:1)普通接觸器,用這種方式最大缺點是浪涌電流大,還有其它危害如在接觸器觸點上產生“火花”,燒毀接觸器;縮短電容器的使用壽命;巨大沖擊帶來的干擾可能使其他電子設備無法正常工作等[2]。2)帶預投電阻的專用接觸器,這類接觸器整體體積較大,事實上在工作時也沒有徹底解決浪涌電流問題,同樣易被燒毀,另外因電阻發熱而造成損傷的現象也時有發生。3)純可控硅固態繼電器。這種方式可以實現過零投切,是電容投切比較理想的器件。但它也存在缺陷:可控硅會受到電網諧波干擾,影響電容器的正常投切;導通功率較大,長期運行會因溫升影響其正常工作[3]。

近幾年來,大量的研究表明,在供電設備中采用復合開關是解決電容投切的理想方法[4]。復合開關是采用可控硅與繼電器并聯工作的方式實現電容器的投切。既有可控硅過零投切的優點,又有繼電器閉合時無功損的優點,而且容易實現小型化,便于搬運,這無疑可以縮短試驗設備的準備時間。

3 復合開關的工作原理[5]

3.1 結構框圖

如圖2所示,這種基于單片機的智能復合開關,控制電路主要由兩部分組成,一部分控制觸發可控硅,另一部分控制使磁保持繼電器觸頭閉合或斷開。單片機在本系統中完成電壓檢測、相序檢測、過零檢測、運行狀態指示以及對磁保持繼電器和可控硅的控制。

圖2 電路結構框圖

3.2 控制原理

當單片機接受到投合信號時,通過觸點電壓過零檢測,由單片機控制脈沖并經隔離放大后,再過零觸發可控硅導通,然后通過智能判斷讓磁保持繼電器閉合實現電容器的正確投合,在電容投合后,大部分電流流經磁保持繼電器觸點,實現零功耗(純可控硅導通時損耗達幾十瓦);當單片機接收到投合信號撤銷時,先發出觸發脈沖,導通可控硅,再斷開繼電器,然后停止脈沖的發出,使可控硅電流過零時自動切斷。

3.3 功能

1)投合

電路接收到控制信號后單片機首先在可控硅SCR電壓過零時刻發出脈沖信號,使可控硅SCR導通,將電容器C平穩可靠的接入電網,并維持導通狀態;緊接著單片機發出磁保持繼電器的控制信號,使其導通,此時,由于觸點接觸電阻極小,一般在2mΩ以下,主回路電流大部分由可控硅向繼電器觸點分流,使其同可控硅電子開關處于并聯工作的狀態;再撤去可控硅觸發信號,電流全部由磁保持繼電器獨立承擔,電路處于穩定工作狀態。

2)切除

CPU接到退切電容信號后,首先發出可控硅觸發脈沖,一部分電流由繼電器觸點分流經過可控硅,使可控硅SCR同磁保持繼電器處于并聯工作的狀態;接著斷開磁保持繼電器,此刻,電容器與電網的連通電流短時內由可控硅獨立承擔;再切出可控硅的觸發信號,使可控硅在電流過零時自然切斷。

4 應用分析

從智能復合開關的原理、功能上可以看出,無論磁保持繼電器是閉合時刻還是斷開時刻,可控硅SCR都是處于脈沖觸發導通狀態。因此,在開關的主觸點上基本不會產生電弧,從而使磁保持繼電器和電容的使用壽命得到了很大提高,同時消除了電路的電弧干擾。使整個系統更加安全可靠。

圖3是智能復合開關的時序波形圖,從圖中可知,應用了這種開關的供電設備,電壓平穩,能很好的消除干擾。實踐證明,智能復合開關的使用,使電源在基本安全、電源影響、保護功能,功耗等各方面,均有改善。在電力工業無功補償成套裝置的質量檢測中,均符合指標及功能要求。鑒于我們工作中,曾因電源開關機瞬間的干擾造成的影響,建議在航天測試系統的供電設備中選用這種智能復合開關。

圖3 時序波形圖

5 結語

在航天系統地面試驗中,地面測試設備較多,供電電源也相應較多。同時用電時,現場電磁環境十分惡劣。要很好地抑制開關電源在供電瞬間的干擾,就必須進行綜合考慮,逐一分析。往往單純采用一種措施不能提供完整的干擾防護,必須綜合考慮各種因素制定出有效的抑制干擾措施,保證試驗現場測試工作的安全性、可靠性。

[1]趙崇西,趙克明.DJ型電網監測無功補償裝置及新一代電容器投切器件—復合開關[J].電力設備,2005(6)

[2]趙金云,秦大為.機電一體復合開關的設計[J].電子技術,2006(11)

[3]陳懷忠.基于單片機無功補償復合開關的研制[J].廣西電力,2006(5)

[4]楊曉萍.復合開關投切電容器無功補償裝置的研究[J].現代電子技術,2005(11)

[5]沈金榮.基于PIC單片機的智能復合開關的設計[J].計算機測量與控制,2008(9)