新型無功補償復(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）股份有限公司，丹東 118003）

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

0 引言

傳統(tǒng)的無功補償設(shè)備通過控制交流接觸器或者晶閘管開關(guān)來實現(xiàn)電容器的投切，但是交流接觸器難以保證過零投切。在投切過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)沖擊電流嚴重的時候，電弧重燃，會導(dǎo)致過電流和過電壓的產(chǎn)生，損壞補償裝置。之后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，晶閘管開關(guān)在無功補償中得到廣泛使用。由半導(dǎo)體為主要原料制成的晶閘管開關(guān)解決了過零問題。然而，由于晶閘管開關(guān)在導(dǎo)通時兩端會有電壓差，不僅會造成功率損耗而且會使補償裝置產(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結(jié)合在一起，投切瞬間由晶閘管開關(guān)導(dǎo)通，以保證過零投切；穩(wěn)定運行時晶閘管關(guān)斷，接通交流接觸器，以降低損耗。這種開關(guān)具有損耗低，壽命長等優(yōu)點，是具有廣闊應(yīng)用前景的無功補償裝置。

1 開關(guān)模型的建立

復(fù)合開關(guān)投時刻應(yīng)盡量保證投入過程沒有沖擊電流，也就是導(dǎo)通晶閘管的導(dǎo)通的時電網(wǎng)電壓和被投切電容器兩端電壓相等，否則就會產(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，為簡化起見模型忽略了電阻，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，通過拉普拉斯反變換，可知電容器兩端瞬時電流，電壓的表達式如下：

圖1

在表達式中，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)且不會引起過大沖擊電流的條件是：

因此在實際工程中電容器應(yīng)該在晶閘管兩端電壓為零的時候投入，在電流過零點的時候切斷。

2 無功補償開關(guān)的投切過程分析

2.1 投入電容器的工作過程 當(dāng)單片機接收到上級控制器的投入命令后，系統(tǒng)過零檢測電路檢測到電壓過零時，單片機發(fā)出導(dǎo)通信號，晶閘管導(dǎo)通，投入電容器，延時2-3個周期后，單片機發(fā)出信號，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，關(guān)斷晶閘管。這樣大部分導(dǎo)通時間是由交流接觸器承擔(dān)的。

2.2 切除電容器的工作過程 當(dāng)單片機接到上級控制器的切除指令后，由單片機發(fā)出晶閘管的導(dǎo)通觸發(fā)信號和交流接觸器的關(guān)斷信號，因為晶閘管擁有承受正向電壓和觸發(fā)脈沖的兩個條件才能導(dǎo)通當(dāng)交流接觸器關(guān)斷的過程中，兩端電壓逐漸升高，當(dāng)達到特定值時，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。延時一定時間，待接觸器完全關(guān)斷，停止發(fā)出晶閘管觸發(fā)信號，晶閘管在電流過零點自動關(guān)斷。圖2為復(fù)合開關(guān)開關(guān)時序圖。

圖2 復(fù)合開關(guān)動作時序圖

3 復(fù)合開關(guān)軟硬件設(shè)計

3.1 復(fù)合開關(guān)的硬件電路 為了實現(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)計一種以單片機AT89S51為核心的復(fù)合開關(guān)，開關(guān)包括以AT89S51單片機為核心的控制電路，負責(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

其中過零檢測電路將晶閘管兩端的交流正弦電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C可以接受的方波信號，傳送給以單片機為核心的控制電路，單片機通過內(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，并可以通過LCD顯示在開關(guān)裝置上。

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

復(fù)合開關(guān)投切要講求時序，當(dāng)開關(guān)接收到投入命令時，讓晶閘管先過零導(dǎo)通，延時2周期后，繼電器閉合，這時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，在下一個電流過零點晶閘管自行關(guān)斷。這樣，負載電流只由交流接觸器分流。在接收到切除命令后，應(yīng)該同時發(fā)出晶閘管觸發(fā)信號和繼電器關(guān)斷信號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，晶閘管在下一個電流過零點自行關(guān)斷。

圖4

4 總結(jié)

本復(fù)合開關(guān)通過吸收了晶閘管過零觸發(fā)的技巧來解決了晶閘管切斷時遇到的觸發(fā)問題，通過晶閘管與交流接觸器的相互切換實現(xiàn)了開關(guān)運行時低功率損耗，大幅度提高了電容器的使用壽命，有顯著的節(jié)能功效，并且在低壓無功補償中有廣泛的應(yīng)用前景。

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