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《基于总线技术的无功补偿复合开关设计及应用》

郝伟康,王硕禾,李梦醒,陈祖成,刘治聪

石家庄铁道大学电气与电子工程学院


摘要:本文提出了一种基于STCl5W4085的无功补偿复合开关的控制方案,该方法采用过零投切方式,利用总线技术实现了对复合开关的控制,在实现电容器投切控制时具有接线简单、冲击电流小、功耗低、响应快等特点。试验表明,该方案可实现电容器的高效频繁投切控制。

关键词:无功补偿;复合开关;总线控制


0 引言

电力系统的负荷主要是感性的,这些负荷会大量吸收系统的无功功率,导致系统出现无功缺额、电压下降甚至崩溃等严重后果=但是若大量的无功功率在电力系统中经高低压供电系统流入用电设备,则会引起有功损耗的增大,造成电网电压降落,影响电能质量,对发电、供电、配电三方都会产生不良影响,从而影响系统运行的稳定性、经济性。为了在进行无功补偿的同时,降低系统的有功损耗,提高功率因数,应大力推广就地无功补偿装置,而就地无功补偿通常采用在电路中并联电容器组的方式。

长期以来,无功补偿装置是通过采用机械开关(如断路 器、真空接触器等)来实现电容器组的投切。这种装置最致命的弱点是机械触头的动作速度与工频电压和电流的变化速度不相匹配,在投切过程中还会造成比较大的涌流和操作过电压,这样他不仅难以满足动态补偿以及改善电能质量的要求.而且会成为影响系统稳定运行的一大隐患。而后,无功补偿装置普遍采用晶闸管投切触发电路来投切,在一定程度上可以缓解采用机械开关投切存在的问题,但在投切电容时,没有考虑到三相电过零点的问题,会容易烧毁电容。后来提出采用由晶闸管与常规接触器开关组成的复合开关进行投切.可以使电容在电压过零时投入,在电流过零时切除,实现一种响应速度快、可频繁投切、运行损耗小的电容器的投切方法。

基于此,为了满足电容器的投切控制过程中冲击电流小、功耗低、响应快等要求,本文提出把磁保持继电器与可控硅并联到一起,并与单片机相结合,利用总线控制的方法实现对复合开关的控制。


1 复合开关的原理和组成

所谓复合开关,是指可以在正常导电回路的前提下闭合、承载与断开电流的开关装置.主要用于投入和切除无功补偿装置中的电容器。复合开关一般采用小功率晶闸管与磁保持继电器并联运行,他在投入或切除的一瞬间能够使可控硅过零投切,而且在正常运行工作的时候有磁保持继电器零功耗的优点。

复合开关投切电容器组的技术关键在于何时投切电容器最为恰当。若投切的时机选择不恰当,电网将会出现很大的涌流,从而就会影响电网质量甚至有可能损坏电容器蚓。复合开关主要根据过零检测电路检测出电压过零点,在过零点进行电容器组的投入或者切除。

复合开关的主回路原理如图1所示。合闸过程是在开关两端电压为零时由过零检测电路检测到过零点,继而触发导通晶闸管V1,接着吸合磁保持继电器,磁保持继电器触头S1闭合后撤除晶闸管触发信号,从而完成无涌流电容投入;分闸过程则是首先给晶闸管施加触发信号,然后分断磁保持继电器,最后撤除晶闸管触发信号,晶闸管在电流过零时完成分闸过程,从而切除电容。

 

1  复合开关主回路原理图


由于电容器接线方式的不同,通过复合开关投切电容器组对电网进行补偿的方式可以分为三相共补与单相分补。三相共补采用的是电容器三角形连接方法。一般三相负荷较平衡时采用这种方式,其优点是防止中性电流的出现,减小了流过可控硅的电流,在中性点无电压漂移。单相分补采用的是电容器星形连接方法,这种方式适用于三相不平衡的系统,优点是补偿方式简单,操作简便。

共补与分补的区别在于共补采用的是2个磁保持继电器分别控制AC两相,这两相的磁保持继电器串接在线路中,且由同一控制信号控制,B相则直接连接至电容;而分补开关三相分别由3个控制信号控制,每个磁保持继电器均串接在线路中


2 基于总线技术的复合开关硬件电路设计

基于总线技术的复合开关硬件电路主要包括:总线控制电路、驱动电路、电源电路和过零检测电路等。以下是对这些电路的设计,必须保证各个电路的正确以及精确才能使得复合开关正常运行。

2.1 复合开关电路的总体结构

本设计中的复合开关使用的是并联可控硅与磁保持继电器。复合开关的电路结构如图2所示.包括可控硅控制电路、电源电路、过零检测电路、通信模块、按键模块、状态显示模块等。

 

2  复合开关结构图


复合开关采用的控制逻辑是:收到投切信号之后,执行相应操作;在掉电后,全部执行切除指令。

2.2 复合开关主要电路的设计

1)过零检测电路。在此设计中,过零检测电路的实现过程是先降压,再整流为双半波,通过稳压管与开关管检测出电网电压1个周波内的2个过零点脉冲,用于作为磁保持继电器闭合时的基准时间。继电器的闭合是需要时间的,即:当驱动模块电源为20 V5 v时,磁保持继电器的动作时间分别为4 ms100 ms。实验证明,无论何时切除磁保持继电器,继电器都是在电流过零点切除的,因此只需要根据电力系统的实际情况切除即可。过零检测电路的硬件设计图如图3所示。

 

3  过零检测电路设计图


此过零检测电路由整流桥MB2S、稳压管lN47401N4749、光耦PC817、三极管9013以及电阻电容组成。通过光耦PC817实现单片机与模拟电路的隔离,这样可以减少对单片机的干扰。

将过零检测电路与施密特触发器CD40106连接,最终输出了脉冲信号,输出波形如图4所示.实验结果证明过零检测电路可以检测过零点.达到了预期效果。

 

4  过零检测示波器中的波形


2) 驱动模块。驱动电路是用来触发磁保持继电器的闭合和断开,当收到单片机投切的信号时,驱动电路就会运行。该电路由光耦M0C3083、光耦PC817、双向可控硅BAT80800、磁保持继电器与驱动芯片XC2023等元件组成。光耦MOC3083输出端经电阻,稳压管二极管与双向可控硅的门级相连.可控硅的另外两端和磁保持继电器HFE1990的触点并联,连接到补偿回路中。

3) RS485通讯控制电路。设计中的关键点是采用。RS485串行通信控制代替传统的电平控制方式,其最大控制路数为32路。故复合开关上需保留1485通讯接口用来连接到一伪485 Hub,用于智能电容器自组网或与控制器通讯中介。

RS485控制采用的是ADM2483芯片与单片机之间进行通信,ADM2483是带隔离的增强型RS485收发器,他包括1个三通道隔离器、1个带三态输出的差分驱动器和1个带三态输入的差分接收器。其1/8单位负载的接收器输入阻抗可允许多达256个收发器接人总线,最高传输速率可达500 Kbps。该方法与传统电平控制相比具有接线大大简化、使用方便、可实现电容器的高效频繁投切等优点。


3 基于总线技术的复合开关软件设计

复合开关的软件设计,主要包括各部分电路的仿真和对应程序的设计。其中处理好磁保持继电器与可控硅的时序控制是实现电容器组在过零点进行投入和切除的关键。

3.1 主电路的流程图

在主程序中,单片机通过过零检测电路、可控硅驱动电路控制磁保持继电器投切电容来达到补偿电路的目的。复合开关的整体设计流程图如图5所示。一旦上电,电路就进入正常工作状态,交流电通过过零检测电路最终输出脉冲信号,单片机则一直处在检测脉冲信号的状态,若在此时控制器给单片机投切信号,即单片机同时接收到控制器的投切信号和检测到脉冲信号的下降沿,才会给磁保持继电器投切指令。这样做的好处是既实现了磁保持继电器的智能投切,又避免了投切电容器产生冲击电流的问题。

 

5复合开关整体流程图


3.2 可控硅和磁保持继电器的时序控制

电容在投入与切除时,为了防止有涌流以及谐波生成,必须以程序来实现对电容器投切时机的确定,满足磁保持继电器与可控硅的开闭顺序的严格要求。

图6可控硅和磁保持继电器的时序控制


磁保持继电器与可控硅时序控制的流程图如图6所示。上电后,单片机就一直在检测过零检测电路输出的脉冲信号,当单片机检测出输出端有下降沿后,并且收到投切指令后,就会发出指令触发双向可控硅导通;可控硅导通一定的时间后(此时间受程序控制),再使磁保持继电器导通即触点闭合,把电容器组接入电路;在经过一定的时间,消除可控硅的控制指令,让可控硅在过零点自动关断。当复合开关接收到单片机的切除指令时,首先使可控硅导通;经过一定的时间确定可控硅导通以后,再给磁保持继电器输入负脉冲,断开其触点,切除电容器组,延时一定时间后消除控制指令,使可控硅在过零点时自动断开。

在切入电容器组时,必须让双向可控硅在电压过零点的一瞬间导通,这样才能保证投入瞬间不会产生涌流;当电路处于正常状态的时候,磁保持继电器就会替代双向可控硅投入电路当中,磁保持继电器闭合导通时没有谐波产生,同时也不需电的维持。磁保持继电器的接触电阻小,不会产生热量,因此就不用添加散热装置.既节约了能源又减少了成本。


4 复合开关投切电容器试验结果

为验证基于总线技术的复合开关控制方式的有效性及可靠性,对其进行了反复投切电容器试验。试验中以单相分补的方式对星形连接的电容器组进行投切试验,电容器的容量为20 kvar。三相的分补开关由3个控制信号分别控制,每个复合开关的主回路串接在线路中。功率因数补偿控制器发出控制信号,通过RS485总线传送指令到复合开关控制器,控制复合开关的投切。试验中以5s左右投切1次的时间间隔,连续进行10多个小时的投切试验,实现了预期的各项指标。试验中选用的磁保持继电器为HFE1990型磁保持继电器,其在20 v的供电电源下动态响应时间由5 V供电时的100 ms可缩短为4 ms。由于100 ms已符合当下投切要求,故试验选用统一的5 V供电。

此复合开关所具有的频繁投切能力符合无功补偿需求,并且由于控制方式优化为RS485总线控制,使得复合开关具有使用方便、接线简单等优点。


5  结束语

本文针对现有的电容器投切控制方法的不足,提出了基于总线控制的复合开关设计方法,用于控制复合开关进行投切。该设计方案采用了RS485通讯控制,具有传输距离较远、接线简单、控制较为方便等优点。提高了复合开关的智能化水平,解决了投切电容器时容易产生冲击电流的问题。同时防止电压谐波的出现。

试验表明,该方案接线简单、运行稳定、电路性价比较高,实现了预期目的。