基于单片机的复合开关及其在低压无功补偿中的应用



商悦传媒   2019-05-15 03:44

导读: 电容投切的固态继电器在投入和切断时的工作状态非常理想,但他存在着一个致命的缺陷工作过程的发热和谐波问...

  电容投切的固态继电器在投入和切断时的工作状态非常理想,但他存在着一个致命的缺陷工作过程的发热和谐波问题,这就限制了他在电容投切领域的进一步推广。

  电容无功补偿分为单相补偿和三相补偿,采用的开关相数也分为两种。无论是单相投切开关还是三相开关,机械式接触器不可能较准确地做到开关两端电压过零时闭合,在电流过零时切断,而固态继电器却能做到这一点。相反,在开关闭合工作时,固态继电器产生损耗和电压电流谐波,而机械式接触器却能避免这些问题。因此,吸取固态继电器和接触器的优点将是最佳的选择。也就是希望电容无功补偿的投切开关在投入和切断瞬时利用(双向)可控硅的特性,在平时闭合工作时利用机械触点接触电阻极小的特性,构成了可控硅和继电器(接触器)并联工作的开关即复合开关。

  为了达到理想的工作状况,可控硅和继电器的开、断有时序要求,假设复合开关的投入命令高电平为有效,则切断命令为低电平有效;开关(可控硅、继电器)闭合用高电平有效表示,则开关断开用低电平有效表示,其各信号动作时序如图1所示。

  在图1中Δt1为复合开关接收到投入命令后等待电压过零所需的时间;Δt2是继电器延时闭合设定时间;Δtjo为继电器闭合动作时间;Δtjf为继电器断开动作时间;Δt3是可控硅延时断开设定时间;Δt4可控硅自然关断所需的时间。

  在图1中,uka,ukb,ukc,ukd,uke,ike 分别表示投切信号、可控硅通断、继电器线圈通断信号、继电器通断、电网电压、电容(或触点)电流。当复合开关接收到投入命令时,可控硅的触发信号准备就绪,只要电压过零就立刻触发可控硅,而继电器在接到投入命令后,要延时一段时间,此时间在设计时必须保证:只有当可控硅导通后,才能闭合继电器。当复合开关接收到切断命令后,继电器立即断开,经过一段时间可控硅触发信号消失,据可控硅关断特性,只有当通过可控硅阳极电流过零时,才能自然关断。

  复合开关的工作原理完全可以用分立元件来实现,其中的时序配合关系可以用电阻电容的延时电路完成其功能。但是,由于分立元件的参数分散性以及可靠性差将会影响整个复合开关长期正常的工作,因此,通过方案比较,采用了PIC16C61单片机来实现复合开关的逻辑及控制时序。如图2所示。

  图2中,合闸、分闸信号输入到单片机的RB1,RB0接收过零信号,只有当合闸指令有效时,在过零时刻,通过“过零处理”程序,RA1就输出可控硅触发信号,使可控硅导通。延时二个周期(40 ms)后,即通过“低高电平延时”程序处理,RA2输出闭合信号有效,继电器闭合导通,完成了复合开关一次合闸的动作;当分闸信号有效时,单片机RA2输出断开信号使继电器立刻分断,同样延时二个周期(40 ms)后,通过“高低电平延时”程序处理,RA1输出低电平信号,使可控硅关断,完成了一次分闸动作。

  以上是单相复合开关的单片机实现情况。对于三相复合开关:为了分析方便起见,假设开关闭合的顺序为A→B→C,如图3所示。当合闸指令有效时,由于此时B,C相的K2,K3断开,A相可控硅可以立刻施以导通信号而不需要检测电压过零点,接着检测B相的K2开关两端的电压过零点,在过零时刻,使B相的可控硅导通;然后检测C相的K3开关两端的过零点,在过零时刻,使C相的可控硅导通;最后,延时二个周期(40 ms)后,即通过“低高电平延时”程序处理,输出继电器的闭合信号,继电器闭合导通,完成了复合开关一次合闸的动作。三相复合开关的分闸过程与单相复合开关类似,当所有的继电器断开并延时二个周期(40 ms)后,通过“高低电平延时”程序处理,使可控硅关断,完成了一次分闸动作。