摘要：該文總結了傳統的電容器投切開關存在的主要問題，設計了基于單片機控制的復合開關，并對其硬件設計、軟件實現進行了詳細介紹。還介紹了復合開關在低壓電容器無功補償中的應用，指出使用復合開關不僅可以增加投切電容器組數，而且提高功率因數，提高電網質量。
關鍵詞：復合開關；電容器投切開關；無功補償無功補償是電力系統運行的基本要求，為了實現電力系統運行中的無功平衡，必須對各種電力負荷所需的無功進行補償。無功補償的方法有調相機補償、電容器組補償等多種，其中為有效和易于實施的是在靠近負荷點的地方進行就地無功補償。由于無功補償掛接在電網上是通過自動投入和切除電力電容器來達到補償效果的，因此控制電容器投切的開關元件的性能對整個裝置的質量和穩定性起著非常關鍵的作用。目前國內的無功補償產品的控制器普遍都是交流接觸器或雙向可控硅作為開關元件來控制電容器通斷。都不可避免地存在著功耗大、溫升高，產生被稱作“電污染”的諧波成分等影響設備的長期安全運行的問題，整個裝置的壽命和可靠性不能有效保障，甚至會影響整個電網的正常運行。本文設計的基于單片機控制的智能化復合開關是較理想的投切開關，詳細介紹了硬件設計、軟件實現及其在低壓無功補償中的應用。
1傳統的電容器投切開關存在的主要問題
傳統的電容器投切開關主要存在的問題有：以可控硅和大功率固態繼電器作為無觸點開關雖然具有響應速度快、涌流較小的特點，但存在功耗大的缺點，在大電流工作的電容器投切中，發熱嚴重，需加散熱器，甚至強制致冷。這樣既增加了補償裝置體積，也增加了成本。對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，對電網或電容器有較大沖擊。
2基于單片機控制的智能化復合開關
復合開關采用智能控制技術和的電子元器件，適用于對交流380V無功補償電容器的通斷控制。基本工作原理是將可控硅與接觸器并接，使復合開關在接通和斷開的瞬間具有可控硅過零投切的優點，而在正常接通期間又具有接觸器無功耗的優點，同時具有智能監控、自診斷故障保護、缺相保護、空載保護等完善的保護措施，且功耗小、無諧波。控制信號常用 12V和 5V。硬件框圖如圖1所示。控制器采用Intel公司研制的80C196KB單片機。該單片機特別適用于實時性要求較高的控制系統。為了控制可控硅在電壓過零時投入，選用了Motorola公司的過零觸發控制芯片MOC3083。其控制電路如圖2所示。由于MOC3083的驅動是電流型的，要求大于5mA。故為了可靠驅動，在系統設計中使用達林頓MC1413來驅動它，并設計驅動電流為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程中，對觸點型開關，往往會在其觸點間產生較強的電弧，損傷觸點，致使觸頭接觸不良，甚至會發生觸點熔融的現象；對可控硅和大功率固態繼電器等無觸點型開關，因其功耗大，散熱問題尤為。針對上述情況，復合開關設計時，增加了延時電路。在開通時，可控硅先導通，延時2~3個周期后，接觸器閉合，可控硅關斷，負載工作電流由接觸器提供；在關斷時，接觸器先關斷，可控硅延遲2~3個周期后關斷。這樣，從根本上解決了接觸器在接通和關斷時出現的涌流及觸頭間拉弧現象，也消除了無觸點開關的散熱問題，使開關的使用壽命接近其機械壽命，既大大延長了開關的使用壽命，又提高了系統運行的可靠性。軟件主程序流程如圖3所示。圖3主程序流程圖為了達到理想的工作狀況，可控硅和接觸器的開、斷有時序要求，假設復合開關的投入命令高電平為有效，則切斷命令為低電平有效；開關(可控硅、接觸器)閉合用高電平有效表示，則開關斷開用低電平有效表示，其各信號狀態如圖4所示圖4復合開關工作狀態圖在圖4中t1為復合開關接收到投入命令時間，t2是復合開關接收到切斷時間。當復合開關接收到投入命令時，可控硅的觸發信號準備就緒，只要電壓過零就立刻觸發可控硅，而接觸器在接到投入命令后，要延時一段時間，此時間在設計時必須保證：只有當可控硅導通后，才能閉合接觸器。當復合開關接收到切斷命令后，接觸器立即斷開，經過一段時間可控硅觸發信號消失，當通過可控硅陽電流過零時，自然關斷。
3復合開關的特點
復合開關有如下特點：·過零投入，過零切斷；·開關接通后低功耗，不用外加散熱片；·無需外接串聯電抗器；·輸入信號與開關光電隔離；·可直接與任何無功補償控制器配合使用；·內置控制電源，無需外配電源；·具有開關狀態指示燈，電容器接通時，指示燈亮；·抗干擾能力強，大容量電容器工作可靠。
4復合開關在無功補償中的應用
低壓電網處于電網的末端，因此補償低壓無功負荷是電網補償的關鍵。搞好低壓補償，不但可以減輕上一級電網補償的壓力，而且可以提高用戶配電變壓器的利用率，改善用戶功率因數和電壓質量，并有效降低電能損失。低壓補償對用戶及供電部門都有利。低壓無功補償的目標是實現無功的就地平衡，通常采用的方式有三種：隨機補償、隨器補償、跟蹤補償。復合開關有共補開關和分補開關兩種，共補開關用于投切三相電容器，即角型接法的電容器；分補開關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)分補接線圖(b)共補接線圖圖5復合開關投切電容器由于采用了復合開關，投切時的浪涌電流小，無觸點粘住之虞，可以較頻繁地投、切，因此，可以增加投切電容器的組數以提高補償精度。在實際應用中，通過控制器精確控制投切，可使功率因數保持在0.96～0.99之間。使用復合開關不僅提高了可靠性，還提高了電能質量。
5結束語
本文的創新點是基于單片機控制的復合開關工作時損耗小，不增加電網諧波，并具有無沖擊、低功耗、長壽命等優點，可替代接觸器或晶閘管開關，是投切電容器較理想的產品，應廣泛用于低壓無功補償領域。并且使用復合開關可以增加投切電容器組數，提高功率因數，提高電網質量。
參考文獻
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