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《基于總線技術的無功補償復合開關設計及應用》
郝偉康，王碩禾，李夢醒，陳祖成，劉治聰 石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院
摘要：本文提出了一種基于STCl5W4085的無功補償復合開關的控制方案，該方法采用過零投切方式，利用總線技術實現了對復合開關的控制，在實現電容器投切控制時具有接線簡單、沖擊電流小、功耗低、響應快等特點。試驗表明，該方案可實現電容器的高效頻繁投切控制。 關鍵詞：無功補償；復合開關；總線控制
0 引言 電力系統的負荷主要是感性的，這些負荷會大量吸收系統的無功功率，導致系統出現無功缺額、電壓下降甚至崩潰等嚴重后果=但是若大量的無功功率在電力系統中經高低壓供電系統流入用電設備，則會引起有功損耗的增大，造成電網電壓降落，影響電能質量，對發電、供電、配電三方都會產生不良影響，從而影響系統運行的穩定性、經濟性。為了在進行無功補償的同時，降低系統的有功損耗，提高功率因數，應大力推廣就地無功補償裝置,而就地無功補償通常采用在電路中并聯電容器組的方式。 長期以來，無功補償裝置是通過采用機械開關(如斷路 器、真空接觸器等)來實現電容器組的投切。這種裝置最致命的弱點是機械觸頭的動作速度與工頻電壓和電流的變化速度不相匹配，在投切過程中還會造成比較大的涌流和操作過電壓，這樣他不僅難以滿足動態補償以及改善電能質量的要求．而且會成為影響系統穩定運行的一大隱患。而后，無功補償裝置普遍采用晶閘管投切觸發電路來投切,在一定程度上可以緩解采用機械開關投切存在的問題，但在投切電容時，沒有考慮到三相電過零點的問題，會容易燒毀電容。后來提出采用由晶閘管與常規接觸器開關組成的復合開關進行投切．可以使電容在電壓過零時投入，在電流過零時切除，實現一種響應速度快、可頻繁投切、運行損耗小的電容器的投切方法。 基于此，為了滿足電容器的投切控制過程中沖擊電流小、功耗低、響應快等要求，本文提出把磁保持繼電器與可控硅并聯到一起，并與單片機相結合，利用總線控制的方法實現對復合開關的控制。
1 復合開關的原理和組成 所謂復合開關，是指可以在正常導電回路的前提下閉合、承載與斷開電流的開關裝置．主要用于投入和切除無功補償裝置中的電容器。復合開關一般采用小功率晶閘管與磁保持繼電器并聯運行，他在投入或切除的一瞬間能夠使可控硅過零投切，而且在正常運行工作的時候有磁保持繼電器零功耗的優點。 復合開關投切電容器組的技術關鍵在于何時投切電容器最為恰當。若投切的時機選擇不恰當，電網將會出現很大的涌流，從而就會影響電網質量甚至有可能損壞電容器蚓。復合開關主要根據過零檢測電路檢測出電壓過零點，在過零點進行電容器組的投入或者切除。 復合開關的主回路原理如圖1所示。合閘過程是在開關兩端電壓為零時由過零檢測電路檢測到過零點，繼而觸發導通晶閘管V1，接著吸合磁保持繼電器，磁保持繼電器觸頭S1閉合后撤除晶閘管觸發信號，從而完成無涌流電容投入；分閘過程則是首先給晶閘管施加觸發信號，然后分斷磁保持繼電器，最后撤除晶閘管觸發信號，晶閘管在電流過零時完成分閘過程，從而切除電容。
圖1 復合開關主回路原理圖
由于電容器接線方式的不同，通過復合開關投切電容器組對電網進行補償的方式可以分為三相共補與單相分補。三相共補采用的是電容器三角形連接方法。一般三相負荷較平衡時采用這種方式，其優點是防止中性電流的出現，減小了流過可控硅的電流，在中性點無電壓漂移。單相分補采用的是電容器星形連接方法，這種方式適用于三相不平衡的系統，優點是補償方式簡單，操作簡便。 共補與分補的區別在于共補采用的是2個磁保持繼電器分別控制A、C兩相，這兩相的磁保持繼電器串接在線路中，且由同一控制信號控制，B相則直接連接至電容；而分補開關三相分別由3個控制信號控制，每個磁保持繼電器均串接在線路中。
2 基于總線技術的復合開關硬件電路設計 基于總線技術的復合開關硬件電路主要包括：總線控制電路、驅動電路、電源電路和過零檢測電路等。以下是對這些電路的設計，必須保證各個電路的正確以及精確才能使得復合開關正常運行。 2.1 復合開關電路的總體結構 本設計中的復合開關使用的是并聯可控硅與磁保持繼電器。復合開關的電路結構如圖2所示．包括可控硅控制電路、電源電路、過零檢測電路、通信模塊、按鍵模塊、狀態顯示模塊等。
圖2 復合開關結構圖
復合開關采用的控制邏輯是：收到投切信號之后，執行相應操作；在掉電后，全部執行切除指令。 2.2 復合開關主要電路的設計 1)過零檢測電路。在此設計中，過零檢測電路的實現過程是先降壓，再整流為雙半波，通過穩壓管與開關管檢測出電網電壓1個周波內的2個過零點脈沖，用于作為磁保持繼電器閉合時的基準時間。繼電器的閉合是需要時間的，即：當驅動模塊電源為20 V或5 v時，磁保持繼電器的動作時間分別為4 ms或100 ms。實驗證明，無論何時切除磁保持繼電器，繼電器都是在電流過零點切除的，因此只需要根據電力系統的實際情況切除即可。過零檢測電路的硬件設計圖如圖3所示。
圖3 過零檢測電路設計圖
此過零檢測電路由整流橋MB2S、穩壓管lN4740和1N4749、光耦PC817、三極管9013以及電阻電容組成。通過光耦PC817實現單片機與模擬電路的隔離，這樣可以減少對單片機的干擾。 將過零檢測電路與施密特觸發器CD40106連接，最終輸出了脈沖信號，輸出波形如圖4所示．實驗結果證明過零檢測電路可以檢測過零點．達到了預期效果。
圖4 過零檢測示波器中的波形
2) 驅動模塊。驅動電路是用來觸發磁保持繼電器的閉合和斷開，當收到單片機投切的信號時，驅動電路就會運行。該電路由光耦M0C3083、光耦PC817、雙向可控硅BAT80—800、磁保持繼電器與驅動芯片XC2023等元件組成。光耦MOC3083輸出端經電阻，穩壓管二極管與雙向可控硅的門級相連．可控硅的另外兩端和磁保持繼電器HFE19—90的觸點并聯，連接到補償回路中。 3) RS485通訊控制電路。設計中的關鍵點是采用。RS485串行通信控制代替傳統的電平控制方式，其最大控制路數為32路。故復合開關上需保留1個485通訊接口用來連接到一偽485 Hub上，用于智能電容器自組網或與控制器通訊中介。 RS485控制采用的是ADM2483芯片與單片機之間進行通信，ADM2483是帶隔離的增強型RS485收發器，他包括1個三通道隔離器、1個帶三態輸出的差分驅動器和1個帶三態輸入的差分接收器。其1/8單位負載的接收器輸入阻抗可允許多達256個收發器接人總線，最高傳輸速率可達500 Kbps。該方法與傳統電平控制相比具有接線大大簡化、使用方便、可實現電容器的高效頻繁投切等優點。
3 基于總線技術的復合開關軟件設計 復合開關的軟件設計，主要包括各部分電路的仿真和對應程序的設計。其中處理好磁保持繼電器與可控硅的時序控制是實現電容器組在過零點進行投入和切除的關鍵。 3.1 主電路的流程圖 在主程序中，單片機通過過零檢測電路、可控硅驅動電路控制磁保持繼電器投切電容來達到補償電路的目的。復合開關的整體設計流程圖如圖5所示。一旦上電，電路就進入正常工作狀態，交流電通過過零檢測電路最終輸出脈沖信號，單片機則一直處在檢測脈沖信號的狀態，若在此時控制器給單片機投切信號，即單片機同時接收到控制器的投切信號和檢測到脈沖信號的下降沿，才會給磁保持繼電器投切指令。這樣做的好處是既實現了磁保持繼電器的智能投切，又避免了投切電容器產生沖擊電流的問題。
圖5復合開關整體流程圖
3.2 可控硅和磁保持繼電器的時序控制 電容在投入與切除時，為了防止有涌流以及諧波生成，必須以程序來實現對電容器投切時機的確定，滿足磁保持繼電器與可控硅的開閉順序的嚴格要求。
圖6可控硅和磁保持繼電器的時序控制 磁保持繼電器與可控硅時序控制的流程圖如圖6所示。上電后，單片機就一直在檢測過零檢測電路輸出的脈沖信號，當單片機檢測出輸出端有下降沿后，并且收到投切指令后，就會發出指令觸發雙向可控硅導通；可控硅導通一定的時間后(此時間受程序控制)，再使磁保持繼電器導通即觸點閉合，把電容器組接入電路；在經過一定的時間，消除可控硅的控制指令，讓可控硅在過零點自動關斷。當復合開關接收到單片機的切除指令時，首先使可控硅導通；經過一定的時間確定可控硅導通以后，再給磁保持繼電器輸入負脈沖，斷開其觸點，切除電容器組，延時一定時間后消除控制指令，使可控硅在過零點時自動斷開。 在切入電容器組時，必須讓雙向可控硅在電壓過零點的一瞬間導通，這樣才能保證投入瞬間不會產生涌流；當電路處于正常狀態的時候，磁保持繼電器就會替代雙向可控硅投入電路當中，磁保持繼電器閉合導通時沒有諧波產生，同時也不需電的維持。磁保持繼電器的接觸電阻小，不會產生熱量，因此就不用添加散熱裝置．既節約了能源又減少了成本。
4 復合開關投切電容器試驗結果 為驗證基于總線技術的復合開關控制方式的有效性及可靠性，對其進行了反復投切電容器試驗。試驗中以單相分補的方式對星形連接的電容器組進行投切試驗，電容器的容量為20 kvar。三相的分補開關由3個控制信號分別控制，每個復合開關的主回路串接在線路中。功率因數補償控制器發出控制信號，通過RS485總線傳送指令到復合開關控制器，控制復合開關的投切。試驗中以5s左右投切1次的時間間隔，連續進行10多個小時的投切試驗，實現了預期的各項指標。試驗中選用的磁保持繼電器為HFE19—90型磁保持繼電器，其在20 v的供電電源下，動態響應時間由5 V供電時的100 ms可縮短為4 ms。由于100 ms已符合當下投切要求，故試驗選用統一的5 V供電。 此復合開關所具有的頻繁投切能力符合無功補償需求，并且由于控制方式優化為RS485總線控制，使得復合開關具有使用方便、接線簡單等優點。
5 結束語 本文針對現有的電容器投切控制方法的不足，提出了基于總線控制的復合開關設計方法，用于控制復合開關進行投切。該設計方案采用了RS485通訊控制，具有傳輸距離較遠、接線簡單、控制較為方便等優點。提高了復合開關的智能化水平，解決了投切電容器時容易產生沖擊電流的問題。同時防止電壓諧波的出現。 試驗表明，該方案接線簡單、運行穩定、電路性價比較高，實現了預期目的。 |
