同步開關(guān)過零投切精度分析

王子博，王道順，柳光偉，李宇宙

(1.路易斯安那理工大學(xué) 工程與科學(xué)學(xué)院,美國 LA 71270; 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 遼寧 大連 116028)

0　引言

功率因數(shù)對高效用電有十分重要的作用.用并聯(lián)電容器的方式提高功率因數(shù)，是目前在企業(yè)中普遍應(yīng)用的一種節(jié)電方式.因其價格低廉、操作簡單、效果明顯而得到廣泛應(yīng)用[1].將電容器接入或斷開電網(wǎng)的操作中，由于可能存在大電流與強電弧造成對電網(wǎng)的污染以及設(shè)備的損害，因此必須采用專業(yè)的電容器投切開關(guān)才能避免.投切電容器的技術(shù)要求是：要在觸點兩端電壓為零時接通，使電容器無涌流投入；在流過觸點的電流為零時斷開，使觸點無電弧分離[2].常見電容器投切開關(guān)有四種形式：交流接觸器、晶閘管開關(guān)、交流接觸器與晶閘管復(fù)合開關(guān)，以及同步開關(guān).同步開關(guān)也稱選相開關(guān)，可以說是機(jī)械開關(guān)與微處理器技術(shù)的復(fù)合開關(guān).既保持了機(jī)械開關(guān)的可靠，又克服了晶閘管易損壞的缺點，還有微處理器控制精準(zhǔn)的優(yōu)點，因此正得到越來越廣泛的使用[3].

同步開關(guān)的工作原理與實現(xiàn)方法，理論上講并不難，但實際上要設(shè)計出一臺高技術(shù)指標(biāo)的同步開關(guān)卻并非易事.如果設(shè)計考慮不周，就達(dá)不到預(yù)期的效果.因此就有人提出了永磁真空開關(guān)與磁保持繼電器的復(fù)合開關(guān)方案[4]，來提高投切開關(guān)壽命.同步開關(guān)的設(shè)計難度，主要是投切動作時間控制精度較難把握.針對這一問題，本文從同步開關(guān)的工作原理入手，深度分析影響過零投切精度的諸多因素，并提出高性能技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)品的解決方案.

1　過零投切工作原理與精度要求

按投切要求，要在繼電器觸點兩端電壓為零時接通；要在流過觸點的電流為零時斷開.以接通為例，如圖1所示，圖中的正弦波表示待投切交流電.如果有投切指令，微處理器從過零檢測電路得到的零點A開始，延時T1時間再發(fā)出繼電器動作指令.繼電器經(jīng)過T2時長的動作時間后， 在下一個電壓過零點B處接通觸點.在過零點B處接通，是理想狀態(tài)，但實際動作肯定會有誤差.下面就分析一下誤差會帶來多大影響.

圖1　過零投切原理示意圖

50 Hz的交流電，周期為20 ms.每個周期內(nèi)有上下2個波峰，每個波峰寬度時間為10 ms.就是說，從過零點時刻開始，5 ms后就會到達(dá)峰值.因此，必須嚴(yán)格控制時間，才能保證繼電器觸點在過零時切換[5].以接通來說，即使有0.1 ms的誤差，那么繼電器觸點兩端的電壓也有：

式中，T為交流電周期，t為偏離零點的時間值.

對于380 V的交流電，其峰值電壓≈537 V，17 V的電壓約占峰值電壓的3%.即使將這17 V的電壓稱作是“零點”，那也要保證繼電器接通時間誤差在±0.1 ms之內(nèi).

±0.1 ms的接通時間誤差，從技術(shù)上來講，要求是相當(dāng)高的.例如，文獻(xiàn)[1]設(shè)計的同步開關(guān)指標(biāo)是：繼電器觸點可在電壓過零點±0.5 ms內(nèi)接通，可在電流過零點±1 ms內(nèi)斷開.0.5 ms的誤差,實際接通電壓高達(dá)84V，已達(dá)峰值電壓的15.6%，實在是不該稱之為零點了.

理論上講，同步開關(guān)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，只要解決了高精度控制的問題，應(yīng)用效果就能大幅度提高.目前，許多同步開關(guān)效果不理想，其中一個原因是對影響同步開關(guān)投切精度的因素分析不到位、不細(xì)致.因此本文特別以μs為時間單位，以±100 μs的時間誤差為目標(biāo)，在深入分析影響精度因素之后，提出達(dá)到這一技術(shù)指標(biāo)的解決方案.

實際工程中通常是三相投切，但大多采用3臺單極同步開關(guān)來實現(xiàn)三相電容器的投切[6].本文主要內(nèi)容是精度分析，為了討論問題方便，因此也將分析對象簡化為一路開關(guān).繼電器在電壓零點時接通，在電流零點時斷開，這兩個問題在技術(shù)上具有相似性，因此，本文以“繼電器在電壓零點時接通”為主題展開討論.磁保持繼電器是同步開關(guān)中最常用的繼電器，有單線圈雙向驅(qū)動，與雙線圈單向驅(qū)動兩種形式.本文中采用雙線圈驅(qū)動形式.

2　過零投切精密時序分析

圖1只是大概說明過零投切的工作原理.如果要從技術(shù)角度深入分析，就要用到圖2的投切動作時序圖.圖2中共有5個時間坐標(biāo)軸，下面分別予以說明.

(1) 電壓波形：待投切的交流電壓波形;

(2) 過零方波：由電壓過零檢測電路得到的波形.其上升與下降沿分別比實際交流電壓零點有ta與tb的延遲;

(3) 繼電器動作指令：高電平表示接通.微處理器得到此信號后開始準(zhǔn)備發(fā)出操作指令;

(4) 繼電器線圈通電狀態(tài)：此圖為磁保持繼電器的 “接通線圈”通電狀態(tài);

(5) 繼電器觸點狀態(tài)：高電平表示接通.

圖2　投切動作時序圖

微處理器接到投切的指令后，從下一個電壓零點(圖2中是從10 ms坐標(biāo)處過零點方波的下降沿，即實際零點延遲tb時間后)開始，延遲t1時間后，給繼電器線圈通電.t2是繼電器的動作時間，即線圈通電t2時間后，繼電器觸點才閉合.t1是微處理器的延遲時間，計算公式為：

t1=10-tb-t2

(1)

式(1)對應(yīng)的是過零點方波取下跳沿時的情形.如果是上跳沿，則式(1)中的tb用ta代替即可.

3　影響投切精度的因素分析

由圖2及式(1)可知，微處理器從收到過零信號開始，要延時t1時間再驅(qū)動繼電器動作.而t1的計算公式中有3個變量會影響其精度.一是過零方波的延遲時間ta與tb，二是繼電器的動作響應(yīng)時間t2，三是交流電的半周期10 ms.這三個變量值本身并不重要，而重要的是其重復(fù)誤差.變量值本身是系統(tǒng)誤差，可以通過計算來補償，但重復(fù)誤差卻無法補償.因此，下面重點分析這三個變量的重復(fù)誤差對總精度的影響程度.

3.1　過零信號的精度分析

過零檢測電路有多種形式，從波形的角度來講，大致有兩種形式.一種是圖2所示的，由交流電壓波形經(jīng)電壓比較器直接生成過零方波.交流電壓正半周對應(yīng)高電平，負(fù)半周對應(yīng)低電平.第二種是先將交流電整流為單向脈動波，再用電壓比較器生成過零脈沖.第二種形式，額外增加了一個整流環(huán)節(jié)，理論上只能增大誤差.因此設(shè)計時，不建議用這種形式.

過零檢測電路的構(gòu)成通常有二極管、光電耦合器、電壓比較器、運算放大器等各種元器件的組合.電路方案決定了選用的器件，對檢測精度有很重要影響.最后的輸出波形無論是過零方波，還是過零脈沖，總要產(chǎn)生一定延遲誤差.以圖2中的ta與tb來講，其值的大小并不重要，只要重復(fù)誤差小，對計算t1的精度影響就小.所以說，過零檢測電路的設(shè)計要以盡量減小重復(fù)誤差為設(shè)計原則.或者說，以過零方波的穩(wěn)定性為主要考慮指標(biāo).

經(jīng)實驗驗證，如果用普通整流二極管構(gòu)成的整流橋來整流，重復(fù)誤差會明顯增大.如果電路中采用了普通光電耦合器，會產(chǎn)生較大的隨機(jī)重復(fù)誤差.這兩類器件的重復(fù)誤差許多情況下會超過100μs.僅這一處誤差，就會使時間綜合誤差控制在100 μs之內(nèi)的指標(biāo)無法實現(xiàn).就是說，過零檢測電路不應(yīng)采用有普通二極管或光電耦合器的設(shè)計.當(dāng)然，用二極管做鉗位保護(hù)不算.一些相關(guān)文獻(xiàn)中的過零檢測電路，都采用了普通二極管或光電耦合器，例如文獻(xiàn)[3]與[4]，其過零信號精度實際上就不能得到保障.即使采用運算放大器或電壓比較器，不同型號、不同廠家的產(chǎn)品效果也各不相同.圖3為采用特別選擇的LM311電壓比較器設(shè)計的過零檢測電路，經(jīng)實驗測試，其過零方波對應(yīng)圖2中的兩個延遲時間分別為：ta=20 μs，tb=5 μs.重復(fù)誤差可控制在1 μs之內(nèi)[7]，相對于100 μs的誤差指標(biāo)來講，此誤差基本可以忽略不計.

圖3　典型過零檢測電路

由圖3的例子可見，過零脈沖的兩個延遲時間ta與tb差距還是挺大的.如果采用過零脈沖的信號形式，即使整流電路采用了運放組成的絕對值電路，要保證交流電正負(fù)兩個半波對應(yīng)的信號脈沖的時間對稱性，設(shè)計難度會提高很多.如果保證不了脈沖的時間對稱性，就相當(dāng)于把ta與tb當(dāng)做同一個參數(shù)來處理，肯定會帶來一定誤差.

有些電路比圖3電路的延遲誤差可能更小，但如果重復(fù)誤差較大的話，也不行.設(shè)計電路時要充分注意這一點，控制重復(fù)誤差才是關(guān)鍵.

3.2　繼電器動作時間精度分析

磁保持繼電器的動作時間穩(wěn)定性相對普通繼電器要更好.動作速度比較快的，動作時間一般在3～6ms之間.例如，雙線圈的HFE22型磁保持繼電器，觸點容量440VAC/100A.其接通時間約為4 ms.

要保證最終控制精度，重要的是動作時間的重復(fù)誤差.影響動作時間重復(fù)誤差的因素，除了繼電器本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性之外，驅(qū)動電壓、驅(qū)動時間都有影響.通過對HFE22型磁保持繼電器用不同的驅(qū)動時間，得到了表1的實驗結(jié)果.實驗條件為：驅(qū)動電壓：24 V；動作間隔時間：1 s；環(huán)境溫度：20℃；閉合/斷開次數(shù)：每種動作50次.

表1　不同驅(qū)動脈沖寬度繼電器動作時間實驗結(jié)果

由表1可見，當(dāng)驅(qū)動脈沖寬度為50 ms時，動作重復(fù)誤差最小.在此條件下，記錄的閉合最慢動作時間為3 994 μs，最快為3 968 μs，閉合最大誤差時間為26 μs.斷開最慢動作時間為2648 μs，最快為2627 μs，斷開最大誤差時間為21 μs.

影響動作時間的另一個因素是驅(qū)動電壓.例如當(dāng)供電電壓為23.5 V時，50次閉合時間平均值為4 014 μs.當(dāng)供電電壓為24.5 V時，50次閉合時間平均值為3 923 μs.時間差為91 μs.可見電壓影響相當(dāng)大，因此，必須用穩(wěn)定的直流電源來驅(qū)動，使電壓的影響減到最小.

影響動作時間的還有溫飄與時飄等因素，雖然變化緩慢，但影響卻不能忽略，計算最終精度時必須考慮進(jìn)去.

3.3　交流電周期時間誤差分析

發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，行業(yè)規(guī)定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差必須小于±2 r/min，由此可知，發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)在2 998～3 002 r/min之間.相當(dāng)于49.967～50.033 r/s之間，對應(yīng)的交流電頻率在49.967～50.033 Hz之間.由此可得，其周期為19.987～20.013 ms，最大誤差為±13 μs.因此半周期10 ms的最大誤差為±6.5 μs.

由于發(fā)電機(jī)的運轉(zhuǎn)有較大的機(jī)械慣性，因此其轉(zhuǎn)速即使有變化也是緩慢的，±6.5 μs 的誤差也較小，因此可將其影響歸于溫飄與時飄一類來考慮.

4　投切精度綜合分析

由式(1)引出的對過零檢測延遲誤差、繼電器動作時間誤差、交流電周期時間誤差等三個變量誤差的分析可見，主要誤差是繼電器的動作時間誤差.但最大26 μs的動作時間誤差似乎很小，比前面提出的綜合誤差控制在100 μs內(nèi)的要求相對照，似乎很容易滿足.但事實并非這么簡單.

通過對繼電器動作時間的進(jìn)一步實驗分析發(fā)現(xiàn)，表1的實驗數(shù)據(jù)并不能真實反映繼電器的動作時間誤差.原因是之前提到的溫飄與時飄因素影響其實相當(dāng)大.表1的實驗是按每秒一次的穩(wěn)定速度連續(xù)動作的結(jié)果.如果將動作間隔時間隨機(jī)化，特別是間隔24 h之后再動作，會發(fā)現(xiàn)動作時間變化相當(dāng)大，有幾十甚至?xí)^100 μs，或者更大.圖4所示是這種變化特點的示意圖.

圖4　繼電器動作時間漂移性變化示意圖

這種變化，具有溫飄與時飄的特點，變化比較緩慢，而隨機(jī)重復(fù)誤差并未產(chǎn)生多少變化.因此，這類漂移誤差是可以通過補償算法予以修正的.但前提是必須有實際動作時間的測量反饋電路，來獲得繼電器的實際動作時間.

考慮到實際工況的復(fù)雜性，春夏秋冬溫度、濕度的不同，交流電壓、頻率的變化，繼電器觸點的逐漸損耗，溫飄時飄等諸多因素影響，要保證長期工作的投切時間誤差控制在100 μs之內(nèi)，實屬不易.如果不增加動作時間反饋，可以說是幾乎是不可能的.

增加過零投切誤差時間測量反饋之后，可以利用軟件技術(shù)，補償絕大部分由溫飄、時飄，以及繼電器動作時間的不確定性漸變漂移.最終投切時間誤差基本可以控制在100 μs之內(nèi)，效果相當(dāng)不錯.要保證測量反饋的準(zhǔn)確度，反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計也有一定難度，但限于篇幅與文章主題，此處不再贅述.

5　結(jié)論

為提高同步開關(guān)的設(shè)計精度，本文給出以下設(shè)計建議：

(1)過零檢測電路盡量采用過零方波輸出形式，減少整流環(huán)節(jié).如果要整流，要采用運放組成的絕對值電路來實現(xiàn).避免使用普通二極管與光電耦合器等重復(fù)誤差大的器件;

(2)選擇動作時間重復(fù)誤差小的磁保持繼電器，選擇合適的驅(qū)動電壓，并嚴(yán)格保證電壓的穩(wěn)定.還要選擇合適的驅(qū)動時間，保證驅(qū)動時間的一致;

(3)增加繼電器過零動作時間誤差反饋環(huán)節(jié)，用于補償控制系統(tǒng)，特別是磁保持繼電器的溫度漂移、時間漂移等.短時間內(nèi)的精度要靠電路與軟件保證，反饋環(huán)節(jié)提供的投切誤差信息，用于調(diào)節(jié)控制參數(shù)，補償修正漂移性漸變導(dǎo)致的投切誤差.

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