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摘要：該文總結(jié)了傳統(tǒng)的電容器投切開(kāi)關(guān)存在的主要問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)控制的復(fù)合開(kāi)關(guān)，并對(duì)其硬件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。還介紹了復(fù)合開(kāi)關(guān)在低壓電容器無(wú)功補(bǔ)償中的應(yīng)用，指出使用復(fù)合開(kāi)關(guān)不僅可以增加投切電容器組數(shù)，而且提高功率因數(shù)，提高電網(wǎng)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：復(fù)合開(kāi)關(guān)；電容器投切開(kāi)關(guān)；無(wú)功補(bǔ)償無(wú)功補(bǔ)償是電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求，為了實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行中的無(wú)功平衡，必須對(duì)各種電力負(fù)荷所需的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ姓{(diào)相機(jī)補(bǔ)償、電容器組補(bǔ)償?shù)榷喾N，其中為有效和易于實(shí)施的是在靠近負(fù)荷點(diǎn)的地方進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償。由于無(wú)功補(bǔ)償掛接在電網(wǎng)上是通過(guò)自動(dòng)投入和切除電力電容器來(lái)達(dá)到補(bǔ)償效果的，因此控制電容器投切的開(kāi)關(guān)元件的性能對(duì)整個(gè)裝置的質(zhì)量和穩(wěn)定性起著非常關(guān)鍵的作用。目前國(guó)內(nèi)的無(wú)功補(bǔ)償產(chǎn)品的控制器普遍都是交流接觸器或雙向可控硅作為開(kāi)關(guān)元件來(lái)控制電容器通斷。都不可避免地存在著功耗大、溫升高，產(chǎn)生被稱作“電污染”的諧波成分等影響設(shè)備的長(zhǎng)期安全運(yùn)行的問(wèn)題，整個(gè)裝置的壽命和可靠性不能有效保障，甚至?xí)绊懻麄€(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)控制的智能化復(fù)合開(kāi)關(guān)是較理想的投切開(kāi)關(guān)，詳細(xì)介紹了硬件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)及其在低壓無(wú)功補(bǔ)償中的應(yīng)用。
1傳統(tǒng)的電容器投切開(kāi)關(guān)存在的主要問(wèn)題
傳統(tǒng)的電容器投切開(kāi)關(guān)主要存在的問(wèn)題有：以可控硅和大功率固態(tài)繼電器作為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)雖然具有響應(yīng)速度快、涌流較小的特點(diǎn)，但存在功耗大的缺點(diǎn)，在大電流工作的電容器投切中，發(fā)熱嚴(yán)重，需加散熱器，甚至強(qiáng)制致冷。這樣既增加了補(bǔ)償裝置體積，也增加了成本。對(duì)投切電容器的專用交流接觸器，由于它在主回路中接人了限流電阻，從而起到限制涌流的作用，這與用不飽和聚酯樹(shù)脂澆注成型的干式限流電抗器相比，成本雖然降低，減少耗電量，但仍有較大的涌流，對(duì)電網(wǎng)或電容器有較大沖擊。
2基于單片機(jī)控制的智能化復(fù)合開(kāi)關(guān)
復(fù)合開(kāi)關(guān)采用智能控制技術(shù)和的電子元器件，適用于對(duì)交流380V無(wú)功補(bǔ)償電容器的通斷控制?；竟ぷ髟硎菍⒖煽毓枧c接觸器并接，使復(fù)合開(kāi)關(guān)在接通和斷開(kāi)的瞬間具有可控硅過(guò)零投切的優(yōu)點(diǎn)，而在正常接通期間又具有接觸器無(wú)功耗的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有智能監(jiān)控、自診斷故障保護(hù)、缺相保護(hù)、空載保護(hù)等完善的保護(hù)措施，且功耗小、無(wú)諧波。控制信號(hào)常用 12V和 5V。硬件框圖如圖1所示?？刂破鞑捎肐ntel公司研制的80C196KB單片機(jī)。該單片機(jī)特別適用于實(shí)時(shí)性要求較高的控制系統(tǒng)。為了控制可控硅在電壓過(guò)零時(shí)投入，選用了Motorola公司的過(guò)零觸發(fā)控制芯片MOC3083。其控制電路如圖2所示。由于MOC3083的驅(qū)動(dòng)是電流型的，要求大于5mA。故為了可靠驅(qū)動(dòng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用達(dá)林頓MC1413來(lái)驅(qū)動(dòng)它，并設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電流為l0mA。圖1硬件框圖圖2光電隔離控制電路在電容器的投切過(guò)程中，對(duì)觸點(diǎn)型開(kāi)關(guān)，往往會(huì)在其觸點(diǎn)間產(chǎn)生較強(qiáng)的電弧，損傷觸點(diǎn)，致使觸頭接觸不良，甚至?xí)l(fā)生觸點(diǎn)熔融的現(xiàn)象；對(duì)可控硅和大功率固態(tài)繼電器等無(wú)觸點(diǎn)型開(kāi)關(guān)，因其功耗大，散熱問(wèn)題尤為。針對(duì)上述情況，復(fù)合開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，增加了延時(shí)電路。在開(kāi)通時(shí)，可控硅先導(dǎo)通，延時(shí)2~3個(gè)周期后，接觸器閉合，可控硅關(guān)斷，負(fù)載工作電流由接觸器提供；在關(guān)斷時(shí)，接觸器先關(guān)斷，可控硅延遲2~3個(gè)周期后關(guān)斷。這樣，從根本上解決了接觸器在接通和關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)的涌流及觸頭間拉弧現(xiàn)象，也消除了無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的散熱問(wèn)題，使開(kāi)關(guān)的使用壽命接近其機(jī)械壽命，既大大延長(zhǎng)了開(kāi)關(guān)的使用壽命，又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。軟件主程序流程如圖3所示。圖3主程序流程圖為了達(dá)到理想的工作狀況，可控硅和接觸器的開(kāi)、斷有時(shí)序要求，假設(shè)復(fù)合開(kāi)關(guān)的投入命令高電平為有效，則切斷命令為低電平有效；開(kāi)關(guān)(可控硅、接觸器)閉合用高電平有效表示，則開(kāi)關(guān)斷開(kāi)用低電平有效表示，其各信號(hào)狀態(tài)如圖4所示圖4復(fù)合開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)圖在圖4中t1為復(fù)合開(kāi)關(guān)接收到投入命令時(shí)間，t2是復(fù)合開(kāi)關(guān)接收到切斷時(shí)間。當(dāng)復(fù)合開(kāi)關(guān)接收到投入命令時(shí)，可控硅的觸發(fā)信號(hào)準(zhǔn)備就緒，只要電壓過(guò)零就立刻觸發(fā)可控硅，而接觸器在接到投入命令后，要延時(shí)一段時(shí)間，此時(shí)間在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證：只有當(dāng)可控硅導(dǎo)通后，才能閉合接觸器。當(dāng)復(fù)合開(kāi)關(guān)接收到切斷命令后，接觸器立即斷開(kāi)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間可控硅觸發(fā)信號(hào)消失，當(dāng)通過(guò)可控硅陽(yáng)電流過(guò)零時(shí)，自然關(guān)斷。
3復(fù)合開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)
復(fù)合開(kāi)關(guān)有如下特點(diǎn)：·過(guò)零投入，過(guò)零切斷；·開(kāi)關(guān)接通后低功耗，不用外加散熱片；·無(wú)需外接串聯(lián)電抗器；·輸入信號(hào)與開(kāi)關(guān)光電隔離；·可直接與任何無(wú)功補(bǔ)償控制器配合使用；·內(nèi)置控制電源，無(wú)需外配電源；·具有開(kāi)關(guān)狀態(tài)指示燈，電容器接通時(shí)，指示燈亮；·抗干擾能力強(qiáng)，大容量電容器工作可靠。
4復(fù)合開(kāi)關(guān)在無(wú)功補(bǔ)償中的應(yīng)用
低壓電網(wǎng)處于電網(wǎng)的末端，因此補(bǔ)償?shù)蛪簾o(wú)功負(fù)荷是電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。搞好低壓補(bǔ)償，不但可以減輕上一級(jí)電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)膲毫?，而且可以提高用戶配電變壓器的利用率，改善用戶功率因?shù)和電壓質(zhì)量，并有效降低電能損失。低壓補(bǔ)償對(duì)用戶及供電部門(mén)都有利。低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡，通常采用的方式有三種：隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。復(fù)合開(kāi)關(guān)有共補(bǔ)開(kāi)關(guān)和分補(bǔ)開(kāi)關(guān)兩種，共補(bǔ)開(kāi)關(guān)用于投切三相電容器，即角型接法的電容器；分補(bǔ)開(kāi)關(guān)用于投切單相電容器，即分別接三只單相電容器的一端（另一端需接中性線）。其接線圖如圖5所示。(a)分補(bǔ)接線圖(b)共補(bǔ)接線圖圖5復(fù)合開(kāi)關(guān)投切電容器由于采用了復(fù)合開(kāi)關(guān)，投切時(shí)的浪涌電流小，無(wú)觸點(diǎn)粘住之虞，可以較頻繁地投、切，因此，可以增加投切電容器的組數(shù)以提高補(bǔ)償精度。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)控制器精確控制投切，可使功率因數(shù)保持在0.96～0.99之間。使用復(fù)合開(kāi)關(guān)不僅提高了可靠性，還提高了電能質(zhì)量。
5結(jié)束語(yǔ)
本文的創(chuàng)新點(diǎn)是基于單片機(jī)控制的復(fù)合開(kāi)關(guān)工作時(shí)損耗小，不增加電網(wǎng)諧波，并具有無(wú)沖擊、低功耗、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，可替代接觸器或晶閘管開(kāi)關(guān)，是投切電容器較理想的產(chǎn)品，應(yīng)廣泛用于低壓無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域。并且使用復(fù)合開(kāi)關(guān)可以增加投切電容器組數(shù)，提高功率因數(shù)，提高電網(wǎng)質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
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