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摘要：該文總結(jié)了傳統(tǒng)的電容器投切開關(guān)存在的主要問題，設(shè)計了基于單片機控制的復(fù)合開關(guān)，并對其硬件設(shè)計、軟件實現(xiàn)進行了詳細介紹。還介紹了復(fù)合開關(guān)在低壓電容器無功補償中的應(yīng)用，指出使用復(fù)合開關(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)合開關(guān)；電容器投切開關(guān)；無功補償無功補償是電力系統(tǒng)運行的基本要求，為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)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?shù)姆椒ㄓ姓{(diào)相機補償、電容器組補償?shù)榷喾N，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?zé)o功補償。由于無功補償掛接在電網(wǎng)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(guān)元件的性能對整個裝置的質(zhì)量和穩(wěn)定性起著非常關(guān)鍵的作用。目前國內(nèi)的無功補償產(chǎn)品的控制器普遍都是交流接觸器或雙向可控硅作為開關(guān)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(chǎn)生被稱作“電污染”的諧波成分等影響設(shè)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?xí)绊懻麄€電網(wǎng)的正常運行。本文設(shè)計的基于單片機控制的智能化復(fù)合開關(guān)是較理想的投切開關(guān)，詳細介紹了硬件設(shè)計、軟件實現(xiàn)及其在低壓無功補償中的應(yīng)用。
1傳統(tǒng)的電容器投切開關(guān)存在的主要問題
傳統(tǒng)的電容器投切開關(guān)主要存在的問題有：以可控硅和大功率固態(tài)繼電器作為無觸點開關(guān)雖然具有響應(yīng)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(fā)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(wǎng)或電容器有較大沖擊。
2基于單片機控制的智能化復(fù)合開關(guān)
復(fù)合開關(guān)采用智能控制技術(shù)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(fù)合開關(guān)在接通和斷開的瞬間具有可控硅過零投切的優(yōu)點，而在正常接通期間又具有接觸器無功耗的優(yōu)點，同時具有智能監(jiān)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?？刂菩盘柍Ｓ?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。該單片機特別適用于實時性要求較高的控制系統(tǒng)。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(fā)控制芯片MOC3083。其控制電路如圖2所示。由于MOC3083的驅(qū)動是電流型的，要求大于5mA。故為了可靠驅(qū)動，在系統(tǒng)設(shè)計中使用達林頓MC1413來驅(qū)動它，并設(shè)計驅(qū)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(guān)，往往會在其觸點間產(chǎn)生較強的電弧，損傷觸點，致使觸頭接觸不良，甚至?xí)l(fā)生觸點熔融的現(xiàn)象；對可控硅和大功率固態(tài)繼電器等無觸點型開關(guān)，因其功耗大，散熱問題尤為。針對上述情況，復(fù)合開關(guān)設(shè)計時，增加了延時電路。在開通時，可控硅先導(dǎo)通，延時2~3個周期后，接觸器閉合，可控硅關(guān)斷，負載工作電流由接觸器提供；在關(guān)斷時，接觸器先關(guān)斷，可控硅延遲2~3個周期后關(guān)斷。這樣，從根本上解決了接觸器在接通和關(guān)斷時出現(xiàn)的涌流及觸頭間拉弧現(xiàn)象，也消除了無觸點開關(guān)的散熱問題，使開關(guān)的使用壽命接近其機械壽命，既大大延長了開關(guān)的使用壽命，又提高了系統(tǒng)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(shè)復(fù)合開關(guān)的投入命令高電平為有效，則切斷命令為低電平有效；開關(guān)(可控硅、接觸器)閉合用高電平有效表示，則開關(guān)斷開用低電平有效表示，其各信號狀態(tài)如圖4所示圖4復(fù)合開關(guān)工作狀態(tài)圖在圖4中t1為復(fù)合開關(guān)接收到投入命令時間，t2是復(fù)合開關(guān)接收到切斷時間。當復(fù)合開關(guān)接收到投入命令時，可控硅的觸發(fā)信號準備就緒，只要電壓過零就立刻觸發(fā)可控硅，而接觸器在接到投入命令后，要延時一段時間，此時間在設(shè)計時必須保證：只有當可控硅導(dǎo)通后，才能閉合接觸器。當復(fù)合開關(guān)接收到切斷命令后，接觸器立即斷開，經(jīng)過一段時間可控硅觸發(fā)信號消失，當通過可控硅陽電流過零時，自然關(guān)斷。
3復(fù)合開關(guān)的特點
復(fù)合開關(guān)有如下特點：·過零投入，過零切斷；·開關(guān)接通后低功耗，不用外加散熱片；·無需外接串聯(lián)電抗器；·輸入信號與開關(guān)光電隔離；·可直接與任何無功補償控制器配合使用；·內(nèi)置控制電源，無需外配電源；·具有開關(guān)狀態(tài)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(fù)合開關(guān)在無功補償中的應(yīng)用
低壓電網(wǎng)處于電網(wǎng)的末端，因此補償?shù)蛪簾o功負荷是電網(wǎng)補償?shù)年P(guān)鍵。搞好低壓補償，不但可以減輕上一級電網(wǎng)補償?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。低壓補償對用戶及供電部門都有利。低壓無功補償?shù)哪繕耸菍崿F(xiàn)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(fù)合開關(guān)有共補開關(guān)和分補開關(guān)兩種，共補開關(guān)用于投切三相電容器，即角型接法的電容器；分補開關(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)分補接線圖(b)共補接線圖圖5復(fù)合開關(guān)投切電容器由于采用了復(fù)合開關(guān)，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(shù)以提高補償精度。在實際應(yīng)用中，通過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)合開關(guān)不僅提高了可靠性，還提高了電能質(zhì)量。
5結(jié)束語
本文的創(chuàng)新點是基于單片機控制的復(fù)合開關(guān)工作時損耗小，不增加電網(wǎng)諧波，并具有無沖擊、低功耗、長壽命等優(yōu)點，可替代接觸器或晶閘管開關(guān)，是投切電容器較理想的產(chǎn)品，應(yīng)廣泛用于低壓無功補償領(lǐng)域。并且使用復(fù)合開關(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。
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