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          新型無功補償復合開關的研究

          [2017/05/11]

          近年來,無功補償的重要性被越來越多的人認同。目前常用的無功補償裝置主要由投切開關和電容器兩部分組成。其中投切開關的好壞是影響裝置性能的關鍵。

          傳統的無功補償設備通過控制交流接觸器或者晶閘管開關來實現電容器的投切,但是交流接觸器難以保證過零投切。在投切過程中由于電容器兩端電壓的存在必然產生沖擊電流,當沖擊電流嚴重的時候,電弧重燃,會導致過電流和過電壓的產生,損壞補償裝置。之后,隨著電力電子技術的發展,晶閘管開關在無功補償中得到廣泛使用。由半導體為主要原料制成的晶閘管開關解決了過零問題。然而,由于晶閘管開關在導通時兩端會有電壓差,不僅會造成功率損耗而且會使補償裝置產生較高的溫升,影響裝置的使用壽命。復合開關是將交流接觸器與晶閘管有機結合在一起,投切瞬間由晶閘管開關導通,以保證過零投切;穩定運行時晶閘管關斷,接通交流接觸器,以降低損耗。這種開關具有損耗低,壽命長等優點,是具有廣闊應用前景的無功補償裝置。

          1 開關模型的建立

          復合開關投時刻應盡量保證投入過程沒有沖擊電流,也就是導通晶閘管的導通的時電網電壓和被投切電容器兩端電壓相等,否則就會產生沖擊電流。

          晶閘管投切電容器的數學模型如圖1所示:L是系統總的等效電感,為簡化起見模型忽略了電阻,拉普拉斯電壓變換方程如下:

          U(S)=(LS+1/CS)I(S)+U0/S(1)

          電源電壓設為:u=Umsin(棕0t+琢),電容初始電壓設為U0,系統等效電感L的初始電流設為0,通過拉普拉斯反變換,可知電容器兩端瞬時電流,電壓的表達式如下:

          i(t)=AcUm棕0c[cos(棕0t+琢)-cos琢cos棕nt]-n棕0c(U0-AcUm

          sin琢)sin棕nt(2)

          u(t)=AcUmsin[(棕0t+琢)-cos琢cos棕nt]-n(U0-AcUmsin琢)sin棕nt(3)

          n=棕n/棕0=1/棕0(4)

          Ac=(5)

          在表達式中,Ac是電路的放大系數,棕0是工頻角頻率,棕n是自然角頻率,Um是峰值電壓。滿足晶閘管能再次觸發且不會引起過大沖擊電流的條件是:

          U0-AcUmsin琢=0(6)

          晶閘管兩端電壓為零的時,電容器投入,此時公式變為:i(t)=AcUm棕0c[cos(棕0t+琢)-cos琢cos棕nt](7)

          因此在實際工程中電容器應該在晶閘管兩端電壓為零的時候投入,在電流過零點的時候切斷。

          2 無功補償開關的投切過程分析

          2.1 投入電容器的工作過程 當單片機接收到上級控制器的投入命令后,系統過零檢測電路檢測到電壓過零時,單片機發出導通信號,晶閘管導通,投入電容器,延時2-3個周期后,單片機發出信號,使交流接觸器導通,等交流接觸器穩定工作后,停止發出觸發信號,關斷晶閘管。這樣大部分導通時間是由交流接觸器承擔的。

          2.2 切除電容器的工作過程 當單片機接到上級控制器的切除指令后,由單片機發出晶閘管的導通觸發信號和交流接觸器的關斷信號,因為晶閘管擁有承受正向電壓和觸發脈沖的兩個條件才能導通當交流接觸器關斷的過程中,兩端電壓逐漸升高,當達到特定值時,晶閘管瞬間導通,兩端電壓又降為很低的值,有利于交流接觸器的關斷。延時一定時間,待接觸器完全關斷,停止發出晶閘管觸發信號,晶閘管在電流過零點自動關斷。圖2為復合開關開關時序圖。

          3 復合開關軟硬件設計

          3.1 復合開關的硬件電路 為了實現復合開關的導通和切斷,使其可與多種交流接觸器和大功率繼電器配合使用,本文旨在設計一種以單片機AT89S51為核心的復合開關,開關包括以AT89S51單片機為核心的控制電路,負責系統供電的電源電路,晶閘管觸發電路,接觸器觸發電路,安全保護電路以及顯示通訊電路等,其整體結構框架如圖3所示。

          其中過零檢測電路將晶閘管兩端的交流正弦電壓轉變為單片機可以接受的方波信號,傳送給以單片機為核心的控制電路,單片機通過內部程序控制晶閘管觸發電路和接觸器觸發電路控制開關的投切,電源電路將交流電轉化為直流電給整個開關系統供電,通訊顯示電路可以將一些關鍵數據傳送給上位機,并可以通過LCD顯示在開關裝置上。

          3.2 復合開關的軟件設計 復合開關的單片機程序如圖4所示:

          復合開關投切要講求時序,當開關接收到投入命令時,讓晶閘管先過零導通,延時2周期后,繼電器閉合,這時為保證晶閘管可靠關閉,應當停止晶閘管觸發脈沖,在下一個電流過零點晶閘管自行關斷。這樣,負載電流只由交流接觸器分流。在接收到切除命令后,應該同時發出晶閘管觸發信號和繼電器關斷信號這樣繼電器在低壓情況下關斷后,延遲40ms,停止發出晶閘管觸發脈沖,晶閘管在下一個電流過零點自行關斷。

          4 總結

          本復合開關通過吸收了晶閘管過零觸發的技巧來解決了晶閘管切斷時遇到的觸發問題,通過晶閘管與交流接觸器的相互切換實現了開關運行時低功率損耗,大幅度提高了電容器的使用壽命,有顯著的節能功效,并且在低壓無功補償中有廣泛的應用前景。

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