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基于無線控制技術的復合開關
陳祖成，王碩禾，劉治聰，王剛，趙紹策 (石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院,石家莊050043)
摘 要：本文提出了一種利用無線通信技術的復合開關的工作原理及實現方法，其硬件系統主要 包括過零檢測電路、無線通信模塊、單片機控制，顯示電路等幾部分。該復合開關解決了交流接觸 器投切電容過程中的涌流和過電壓問題，也解決了晶閘管投切電容出現的諧波和功耗大的問題，非 常適用于投切電容的場合。而且本設計采用了無線通信方式控制投切開關，增強了設備的可移動 性，使設備更加靈活。所以此復合開關投切功耗小、無諧波、無涌流、使用壽命長，在無功功率補償 中具有較高的使用價值和廣泛的應用前景。 關鍵詞：無功補償；復合開關；無線通信技術
0 引言隨著無功負荷的增加，無功損耗也越來越大。無功功率補償的重要性得到認可，在低壓側并聯電容器來提高功率因數得到廣泛應用。無功功率補償裝置一般由電容器、主控電路和投切電路組成。其中，投切電路是整個裝置的關鍵。 早期補償裝置采用交流接觸器作為投切器件，在其投切時容易產生涌流，還會沖擊電網，造成電網的不穩定。后期隨著電子器件技術的日益成熟，晶閘管作為投切器件，在電網電壓過零點時投切，能有效避免涌流。但在實際運行中，在晶閘管導通狀態會產生管壓降，存在0.7 V左右的管壓降，造成一定的功率損耗和溫升，還會產生諧波電流，干擾電容器正常工作3晶閘管是半控型器件，長時間承受反壓就會燒毀。 傳統的補償裝置靠導線進行通信，而在實際工程當中有線網絡的布線、改線的工程量大，線路容易出現故障，裝置不容易移動；有線網絡布線繁瑣，開關柜內電纜泛濫D無線通訊不需要布設電纜、安裝簡單、成本低廉、可移動性非常強，后期維護容易，可以在有線難以實現的情況下達到工程要求。 通過分析：交流接觸器不能在電壓過零及時閉合，也不能在電流過零時及時斷開，而晶閘管可以做到；相反，晶閘管在工作時會產生損耗和電壓諧波,交流接觸器可以避免。本設計采用磁保持繼電器和晶閘管并聯的復合開關，能夠有效解決以上投切器件的缺點。投切時首先晶閘管在過零點時導通，穩定時磁保持繼電器導通，然后再斷開晶閘管3。這種復合開關動作可靠、對電網沖擊小、使用壽命長。利用無線技術通信控制技術可以省去電纜布線，而且可移動性增強。因此，利用無線通信技術的復合開關對無功功率補償技術有著一定的實用價值。 本文研究的是基于無線控制技術的磁保持繼電器和晶閘管并聯的復合開關裝置，由于磁保持繼電器閉合或斷開具有磁保持的作用，所以復合開關功耗低，使用壽命長。控制技術是通過無線控制，他避免了有線控制的繁瑣性，增加了可移動性，他是口前有一定前景的投切開關 1 復合開關的基本原理圖1為利用無線通信技術的復合開關的結構 簡圖。
圖1 復合開關的結構簡圖
其工作原理是當無功補償控制器檢測到功率因數低于下限時，利用無線技術發出投切信號。單片機接收到無功補償控制器的投人命令后，首先單片機檢測電壓過零點，然后發出觸發脈沖，導通晶閘管，把電容器并人電網。經過2-3個周期后，再發出信號使磁保持繼電器導通。等磁保持繼電器穩定后，停止觸發信號使晶閘管自然關斷。大部分導通時間靠磁保持繼電器來承擔。當單片機收到切除命令后，立刻向晶閘管發出觸發信號，同時發出關斷磁保持繼電器的信號。因為晶閘管只有承受正壓和正門極電壓才能導通。 當電源電壓過零時，過零檢測電路給單片機信號，確認投切后首先給晶閘管觸發脈沖實現電壓過零導通，待運行穩定時閉合磁保持繼電器斷開晶閘管；當不需要補償時，先讓晶閘管導通再斷開磁保持繼電器，然后晶閘管自然關斷，實現電流過零斷開。可見，在復合開關投切過程中，晶閘管只是工作一瞬間，減小了功耗，而且可以過載運行,在選擇晶閘管容量時可以裕量小一點，進而降低成本。 因為可以精確地控制晶閘管的通斷，能夠達到較為理想的通斷狀態。磁保持繼電器只在動作時需要電能，不動作時靠磁場保持狀態，所以功耗較低。復合開關的主要電流由磁保持繼電器承擔，晶閘管只是短時間的過渡。 低壓無功補償控制器先在5相電源其中的一線電流進行釆樣，再與另外兩線的電壓相位作差運算，然后通過計算得出當前電網運行的實時功率數此時的功率因數應與設定好的功率因數作對比，若他小于設定的數值則投切電容器。在投切過程中，若發現檢測到的電壓高于額定電壓10%時，則一次性全部斷開正在工作的電容器，避免電容器被燒毀。在投切時如果出現電流小于設定電流時，無功補償控制器進行判斷，就不會再發出投切信號。 低壓無功補償控制器和復合開關配合使用，具有采集并顯示電測量數據，檢測和顯示復合投切開關運行工況、投切狀態，以及根據無功功率與目標功率因數自動控制投切電容的能力。低壓無功補償控制器通過無線模塊與復合開關進行通信；控制器采集電網電測數據，在顯示復合開關的運行情況的同時，可以直接根據當前的電測數據，對電容組進行智能投切控制，以達到無功補償的效果。 2 復合開關硬件電路設計本設計的復合開關采用的是晶閘管和磁保持繼電器并聯。磁保持繼電器在閉合或斷開后就不需要電壓來維持,能夠狀態保持。避免了產生電壓諧波和減少功率損耗。同時，晶閘管在電壓過零時導通，避免了涌流。把他們進行并聯，兩者優勢互補，取得了不錯的效果。 利用無線通信技術的復合開關電路結構主要包括無線通訊電路、顯示電路、電源電路、運算電路、驅動電路和過零檢測電路，如圖2所示。
圖2 復合開關結構圖
1)過零檢測電路。過零檢測電路：將220 V正弦交流電先通過電阻進行降壓，再經過MB2S整流橋整流為脈動的直流，通過穩壓管和三極管的開關狀態檢測出電網的過零點，用于投切磁保持繼電器的閉合，過零檢測模塊電路如圖3所示。
圖3 過零檢測電路圖
過零檢測電路主要由整流塊、穩壓二極管、三極管、光耦、電阻和電容的相互配合，由Zero輸出端輸出不規則脈沖波，該脈沖波即過零點，再將過零檢測電路的輸出端與施密特觸發器連接，進行整形，最終輸出標準的方波信號，該脈沖信號周期10ms,占空比10%,脈沖幅值5 V,輸出的脈沖信號正好在電網電壓過零點附近出現。將該脈沖信號作為驅動單片機發出投切指令的信號，從而單片機通過過零檢測電路給出信號控制復合開關，實現過零投切。 2)驅動電路。本設計采用的是大功率磁保持繼電器，他通過磁剛力維持著斷開和閉合的狀態，從而接觸非常可靠,線圈基本上不需要消耗電能，閉合的時候電阻比較小，動作范圍相對較寬，體積小，可以長時間重負荷工作，驅動模塊的電路如圖4所示。
圖4 驅動電路圖
其原理是：當單片機收到投切信號時，給A ON 高電平，光耦U17動作，晶閘管立刻導通；同時光耦 U動作，INB輸人高電平，磁保持繼電器ON通過二極管導通閉合電容；再給A_0FF低電平，晶閘管過零斷開,磁保持繼電器不動作。當單片機收到切斷信號，給A_0FF高電平，光耦U17動作，晶閘管立刻導通，同時光稱U21動作，INA輸人高電平，磁保持繼電器OFF通過二極管導通斷開電容；晶閘管過零自動斷開。其中驅動芯片XC2023自身靜態功率損耗很低，耐受電壓值較高等優點，真值表見表1。 XC2023的主要特點是：耐壓范圍寬(5～30 V)；靜態工作電流很低（通常<2A);驅動功率能達到 5W；輸人輸出級具有保護電路。 3)無線控制電路。無線通信電路改善了傳統的補償裝置靠導線進行通信的布線與改線工程量大、線路容易出現故障、裝置不容易移動、布線繁瑣、開關柜內電纜泛濫的缺點。
表1 XC2023的真值表
無線通訊電路采用無線接收發芯片PT2272/PT2262，他低功率損耗很低，價位也不高，是一種通用的編/解碼電路，常出現在無線通訊電路作為地址編碼用。這兩個芯片都具有12位狀態(高阻、高 電平、低電平)。 接收模塊接收到信號并對比后，VT腳才變為高電平，此時的數據端口也變為高電平，若不停地發送數據，編碼芯片也會不停地發射。若不發射信號時，PT2262不得電，他的17引腳始終保持低電 平，315 MHZ的信號就會因為斷電而不能工作。 發射模塊相對來說比較簡單，是以PT2262為核心芯片組成的外圍電路。他的頻率一致性好，傳輸距離遠，穩定性很高，理論上無線距離能達到20 m 左右；接收模塊的體積小，傳輸距離長，使用非常方便，而且他的精度較高，穩定性也比同類產品有很大的改善，如圖5所示。
圖5 發射模塊(左)和接收模塊(右）
無線通信的工作原理：當低壓無功補償控制器發出投切信號時，無線發射模塊接通電源發出信號，無線接收模塊收到信號后其數據端由低電平變為高電平。接收模塊的數據端與單片機連接，單片機只需判斷此端口為高電平還是低電平就能得知是否需要投切電容器。 無線電路的難點在于對硬件電路進行仿真時有的元件沒有，所以只能進行理論分析。有些部分雖然仿真效果很好，但是不能代表實際電路就沒有問題，仿真與實際電路還是存在一定的誤差。無線接收模塊輸出的是高低電平，所以在進行投切仿真時，利用開關和電源來實現高低電平的切換1。 4)電源電路和顯示電路。因為本次設計需要的電源功率不高，所以采用了穩壓塊作為電源電路的主要器件。此電源電路只需和電容配合使用，電路比較簡單，完全滿足要求，價格方面經濟實惠。電源電路由變壓器、整流橋、穩壓塊、電壓互感器及電阻和電容元件組成。其原理是：經過變壓器降壓，再由整流橋整成脈動的直流，再經過穩壓塊穩壓成+5 V和+3.3 V電壓。為了抑制電路中的高頻干擾，在該電路中串人了磁珠。 狀態逋示電路采用LED發光二極管，LED發光 二極管顯示電路的相應工作狀態。數碼管顯示磁保持繼電器的投切次數。由于投切開關有一定的壽命，隨著投切次數的增加，磨損率也會越來越高，所以本設計采用數碼管顯示投切次數，當達到規定上限提醒更換器件。 單片機的驅動電流不足以驅動數碼管，所以由74HC595驅動，幾乎所有的電子顯示屏都是用他作驅動芯片。74HC595不僅能夠串行輸入瑜出還能并行輸出，輸出寄存器可直接清除100 MHz的移位頻率。 3 復合開關的軟件電路設計復合開關的軟件設計，包括硬件部分和軟件部分的相互配合，包括硬件電路的仿真和無線控制技術程序的設計，控制好磁保持繼電器和晶閘管的通斷時序。其中的難點在于如何在電網電壓過零時 投切不會產生涌流和諧波。 3.1 復合開關工作流程圖在電路一上電時，就一直在進行過零檢測，若單片機收到無線模塊發出的投切信號指令后，如果在過零點單片機就發出投切指令，按時序控制磁保持繼電器和可控硅的通斷，進而通過數碼管和發光二極管顯示投切次數和狀態；若不在過零點，則繼續等待，等到過零點時再進行投切。本設計的過零檢測電路輸出端接到了施密特觸發器，最終給單片機的是標準的方波信號。當單片機同時檢測到方波的上升沿和投切信號才會發出投切指令，進而實現整個電路的有序控制，如圖6所示。圖7為投切晶閘管信號的仿真圖。
圖6 復合開關工作流程圖
圖7 投切晶閘管信號的仿真圖
由圖易知，投切指令只有在電壓過零點和低壓無功補償控制器發出投切信號共同發生時才動作。 3.2 磁保持繼電器與晶閘管的通斷控制當發出投切指令時，單片機在過零點時發出觸發脈沖，使晶閘管導通，待電路運行穩定后，再使磁保持繼電器閉合，切除觸發脈沖，使可控硅在過零點時自動關斷。當發出切除指令時，首先讓晶閘管先導通，再斷開磁保持繼電器，經過一定時間后，去掉觸發脈沖，晶閘管在過零點自動斷開。此過程通過單片機程序的控制就可以實現。程序控制流程圖如圖8所示。
圖8 磁保持繼電器與晶閘管的時序控制
由流程圖可知，電容在投切和切除時，既不會產生涌流，也不會產生諧波，避免了對電網的沖擊。在投切電容器時，必須讓晶閘管在電網電壓過零 點一瞬間導通，才能保證不會產生涌流；當電路正常工作時，磁保持繼電器代替晶閘管工作，此時不需要電壓維持，減少了電能損耗，也不會產生諧波。 3.3 抗干擾設計在電路中要想保證系統絕對性的不受干擾是不可能的，因為干擾信號來自多方面原因，具有很多不確定因素。雖然復合開關具有投切功耗小、無諧波、無涌流、使用壽命長等優點，但是也會存在一定的電磁干擾(EMI),這些電磁干擾可能會隨著投切頻率的增大而增強，進而可能會影響復合開關的正常運行，為此本設計對其電磁兼容性問題進行了研究。本設計中用到了功率開關管、整流二極管以及變壓器，在其工作過程中都有可能成為電磁干擾源，抑制這些干擾的基本手段有屏蔽、接地處理、輸入輸出濾波器、改良電路方式等多種形式14。本文采用濾波電路等措施提高開關的抗干擾能力，從整體上提高了開關電源的電磁兼容性，使他在復雜的電磁環境下能夠穩定運行。電源線是電磁十擾(EMI)出人電子裝置的一個重要途徑，在設備電源線人口處安裝電網濾波器可以有效地切斷這條電磁干擾傳播途徑。抑制EM1信號和高次諧波的方式還有許多，如選用開關速度高的半導體器件，合理設計PCB電路板，對電路板上元器件進行抗干擾布局以及各種電源線、信號線的捆扎、配置等都能有效抑制EMI. 在復合開關的程序中加人了軟件看門狗，單片機STC15W408S自帶看門狗電路，他不斷地監視程序，如果程序跑飛，就會判定系統處于死機狀態，看門狗會立刻將單片機復位，使單片機重新工作在正常狀態。如果程序不能定時交替出現高低電平，則復位單片機。當系統受到干擾后，程序出現卡死時，看門狗程序能夠把控制器恢復正常。 4 復合開關實驗結果實驗中通過低壓無功補償裝置和投切開關的配合使用能夠實現過零投切的功能，即當線路功率因數過低時，低壓無功補償控制器輸出高電平，無線發射模塊發出投切信號，接收模塊接收信號，單片機檢測到過零點和投切信號后發出投切指令，電容投切成功，狀態顯示電路可現實投切次數。顯然采用無線通信技術減小了布線的難度，使硬件電路和軟件電路變得簡單，可移動性增強。經過多次試驗，復合開關能夠正常工作。 硬件實驗結果如圖9所示，仿真實驗結果如圖10所示。
圖9 硬件實驗結果圖
圖10 仿真實驗結果圖
本實驗是采用可調三相交流電源電壓試驗臺和示波器來完成的。通過觀察波形就可以得出結論。圖10(a)、圖10(b)、圖10(c)為實際測量磁保 持繼電器和晶閘管兩端的波形。 在圖10(a)中可以看出在沒有過零點時磁保持繼電器閉合產生涌流現象，對電網電壓也造成了影響；圖10(b)為晶閘管在電壓過零時導通的電壓波形，可以明顯看出投切時的波形比較平穩，避免了涌流的產生。說明了投切電容時效果良好,達到了實驗目的。圖10(c)為切除電容器時，去掉觸發脈沖后晶閘管自動關斷的電壓波形，做到了電流過零關斷。 經過反復實驗，最終得出了有效的結果。從示波器的波形來看，晶閘管和磁保持繼電器相結合的復合開關性能優于各自的性能。解決了磁保持繼電器和晶閘管在實際應用中的各種問題，提高了電力系統穩定性，降低了電能損耗。 5 結束語本文針對不同類型的投切開關存在的問題，在參考了大量文獻的基礎上，成功完成了復合開關設計。通過理論分析和實際操作，證實了利用無線通信技術的復合開關比傳統的投切開關具有更多的優勢。無功功率補償是電力系統運行的基本需要，并聯電容補償是最簡單和經濟可靠的一種補償方式。并聯在電網上的電容是通過檢測自動投切的，所以投切開關起著至關重要的作用。 |
