新型無(wú)功補(bǔ)償復(fù)合開關(guān)的研究

吳玲玲 WU Ling-ling；荊元明 JING Yuan-ming

（丹東東發(fā)（集團(tuán)）股份有限公司，丹東 118003）

（Dandong Dongfa（Group）Co.，Ltd.，Dandong 118003，China）

0 引言

傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備通過(guò)控制交流接觸器或者晶閘管開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)電容器的投切，但是交流接觸器難以保證過(guò)零投切。在投切過(guò)程中由于電容器兩端電壓的存在必然產(chǎn)生沖擊電流，當(dāng)沖擊電流嚴(yán)重的時(shí)候，電弧重燃，會(huì)導(dǎo)致過(guò)電流和過(guò)電壓的產(chǎn)生，損壞補(bǔ)償裝置。之后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，晶閘管開關(guān)在無(wú)功補(bǔ)償中得到廣泛使用。由半導(dǎo)體為主要原料制成的晶閘管開關(guān)解決了過(guò)零問(wèn)題。然而，由于晶閘管開關(guān)在導(dǎo)通時(shí)兩端會(huì)有電壓差，不僅會(huì)造成功率損耗而且會(huì)使補(bǔ)償裝置產(chǎn)生較高的溫升，影響裝置的使用壽命。復(fù)合開關(guān)是將交流接觸器與晶閘管有機(jī)結(jié)合在一起，投切瞬間由晶閘管開關(guān)導(dǎo)通，以保證過(guò)零投切；穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)晶閘管關(guān)斷，接通交流接觸器，以降低損耗。這種開關(guān)具有損耗低，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是具有廣闊應(yīng)用前景的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

1 開關(guān)模型的建立

復(fù)合開關(guān)投時(shí)刻應(yīng)盡量保證投入過(guò)程沒(méi)有沖擊電流，也就是導(dǎo)通晶閘管的導(dǎo)通的時(shí)電網(wǎng)電壓和被投切電容器兩端電壓相等，否則就會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。

晶閘管投切電容器的數(shù)學(xué)模型如圖1所示：L是系統(tǒng)總的等效電感，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)模型忽略了電阻，拉普拉斯電壓變換方程如下：電源電壓設(shè)為：u=Umsin（ω0t+

α），電容初始電壓設(shè)為U0，系統(tǒng)等效電感L的初始電流設(shè)為0，通過(guò)拉普拉斯反變換，可知電容器兩端瞬時(shí)電流，電壓的表達(dá)式如下：

圖1

在表達(dá)式中，Ac是電路的放大系數(shù)，ω0是工頻角頻率，ωn是自然角頻率，Um是峰值電壓。滿足晶閘管能再次觸發(fā)且不會(huì)引起過(guò)大沖擊電流的條件是：

因此在實(shí)際工程中電容器應(yīng)該在晶閘管兩端電壓為零的時(shí)候投入，在電流過(guò)零點(diǎn)的時(shí)候切斷。

2 無(wú)功補(bǔ)償開關(guān)的投切過(guò)程分析

2.1 投入電容器的工作過(guò)程 當(dāng)單片機(jī)接收到上級(jí)控制器的投入命令后，系統(tǒng)過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)到電壓過(guò)零時(shí)，單片機(jī)發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)，晶閘管導(dǎo)通，投入電容器，延時(shí)2-3個(gè)周期后，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，使交流接觸器導(dǎo)通，等交流接觸器穩(wěn)定工作后，停止發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，關(guān)斷晶閘管。這樣大部分導(dǎo)通時(shí)間是由交流接觸器承擔(dān)的。

2.2 切除電容器的工作過(guò)程 當(dāng)單片機(jī)接到上級(jí)控制器的切除指令后，由單片機(jī)發(fā)出晶閘管的導(dǎo)通觸發(fā)信號(hào)和交流接觸器的關(guān)斷信號(hào)，因?yàn)榫чl管擁有承受正向電壓和觸發(fā)脈沖的兩個(gè)條件才能導(dǎo)通當(dāng)交流接觸器關(guān)斷的過(guò)程中，兩端電壓逐漸升高，當(dāng)達(dá)到特定值時(shí)，晶閘管瞬間導(dǎo)通，兩端電壓又降為很低的值，有利于交流接觸器的關(guān)斷。延時(shí)一定時(shí)間，待接觸器完全關(guān)斷，停止發(fā)出晶閘管觸發(fā)信號(hào)，晶閘管在電流過(guò)零點(diǎn)自動(dòng)關(guān)斷。圖2為復(fù)合開關(guān)開關(guān)時(shí)序圖。

圖2 復(fù)合開關(guān)動(dòng)作時(shí)序圖

3 復(fù)合開關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)合開關(guān)的硬件電路 為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合開關(guān)的導(dǎo)通和切斷，使其可與多種交流接觸器和大功率繼電器配合使用，本文旨在設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)AT89S51為核心的復(fù)合開關(guān)，開關(guān)包括以AT89S51單片機(jī)為核心的控制電路，負(fù)責(zé)系統(tǒng)供電的電源電路，晶閘管觸發(fā)電路，接觸器觸發(fā)電路，安全保護(hù)電路以及顯示通訊電路等，其整體結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 硬件電路圖

其中過(guò)零檢測(cè)電路將晶閘管兩端的交流正弦電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)可以接受的方波信號(hào)，傳送給以單片機(jī)為核心的控制電路，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部程序控制晶閘管觸發(fā)電路和接觸器觸發(fā)電路控制開關(guān)的投切，電源電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電給整個(gè)開關(guān)系統(tǒng)供電，通訊顯示電路可以將一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，并可以通過(guò)LCD顯示在開關(guān)裝置上。

3.2 復(fù)合開關(guān)的軟件設(shè)計(jì) 復(fù)合開關(guān)的單片機(jī)程序如圖4所示：

復(fù)合開關(guān)投切要講求時(shí)序，當(dāng)開關(guān)接收到投入命令時(shí)，讓晶閘管先過(guò)零導(dǎo)通，延時(shí)2周期后，繼電器閉合，這時(shí)為保證晶閘管可靠關(guān)閉，應(yīng)當(dāng)停止晶閘管觸發(fā)脈沖，在下一個(gè)電流過(guò)零點(diǎn)晶閘管自行關(guān)斷。這樣，負(fù)載電流只由交流接觸器分流。在接收到切除命令后，應(yīng)該同時(shí)發(fā)出晶閘管觸發(fā)信號(hào)和繼電器關(guān)斷信號(hào)這樣繼電器在低壓情況下關(guān)斷后，延遲40ms，停止發(fā)出晶閘管觸發(fā)脈沖，晶閘管在下一個(gè)電流過(guò)零點(diǎn)自行關(guān)斷。

圖4

4 總結(jié)

本復(fù)合開關(guān)通過(guò)吸收了晶閘管過(guò)零觸發(fā)的技巧來(lái)解決了晶閘管切斷時(shí)遇到的觸發(fā)問(wèn)題，通過(guò)晶閘管與交流接觸器的相互切換實(shí)現(xiàn)了開關(guān)運(yùn)行時(shí)低功率損耗，大幅度提高了電容器的使用壽命，有顯著的節(jié)能功效，并且在低壓無(wú)功補(bǔ)償中有廣泛的應(yīng)用前景。

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