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新型无功补偿复合开关的研究

[2017/05/11]

近年来,无功补偿的重要性被越来越多的人认同。目前常用的无功补偿装置主要由投切开关和电容器两部分组成。其中投切开关的好坏是影响装置性能的关键。

传统的无功补偿设备通过控制交流接触器或者晶闸管开关来实现电容器的投切,但是交流接触器难以保证过零投切。在投切过程中由于电容器两端电压的存在必然产生冲击电流,当冲击电流严重的时候,电弧重燃,会导致过电流和过电压的产生,损坏补偿装置。之后,随着电力电子技术的发展,晶闸管开关在无功补偿中得到广泛使用。由半导体为主要原料制成的晶闸管开关解决了过零问题。然而,由于晶闸管开关在导通时两端会有电压差,不仅会造成功率损耗而且会使补偿装置产生较高的温升,影响装置的使用寿命。复合开关是将交流接触器与晶闸管有机结合在一起,投切瞬间由晶闸管开关导通,以保证过零投切;稳定运行时晶闸管关断,接通交流接触器,以降低损耗。这种开关具有损耗低,寿命长等优点,是具有广阔应用前景的无功补偿装置。

1 开关模型的建立

复合开关投时刻应尽量保证投入过程没有冲击电流,也就是导通晶闸管的导通的时电网电压和被投切电容器两端电压相等,否则就会产生冲击电流。

晶闸管投切电容器的数学模型如图1所示:L是系统总的等效电感,为简化起见模型忽略了电阻,拉普拉斯电压变换方程如下:

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

电源电压设为:u=Umsin(棕0t+琢),电容初始电压设为U0,系统等效电感L的初始电流设为0,通过拉普拉斯反变换,可知电容器两端瞬时电流,电压的表达式如下:

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)

在表达式中,Ac是电路的放大系数,棕0是工频角频率,棕n是自然角频率,Um是峰值电压。满足晶闸管能再次触发且不会引起过大冲击电流的条件是:

U0-AcUmsin琢=0(6)

晶闸管两端电压为零的时,电容器投入,此时公式变为:i(t)=AcUm棕0c[cos(棕0t+琢)-cos琢cos棕nt](7)

因此在实际工程中电容器应该在晶闸管两端电压为零的时候投入,在电流过零点的时候切断。

2 无功补偿开关的投切过程分析

2.1 投入电容器的工作过程 当单片机接收到上级控制器的投入命令后,系统过零检测电路检测到电压过零时,单片机发出导通信号,晶闸管导通,投入电容器,延时2-3个周期后,单片机发出信号,使交流接触器导通,等交流接触器稳定工作后,停止发出触发信号,关断晶闸管。这样大部分导通时间是由交流接触器承担的。

2.2 切除电容器的工作过程 当单片机接到上级控制器的切除指令后,由单片机发出晶闸管的导通触发信号和交流接触器的关断信号,因为晶闸管拥有承受正向电压和触发脉冲的两个条件才能导通当交流接触器关断的过程中,两端电压逐渐升高,当达到特定值时,晶闸管瞬间导通,两端电压又降为很低的值,有利于交流接触器的关断。延时一定时间,待接触器完全关断,停止发出晶闸管触发信号,晶闸管在电流过零点自动关断。图2为复合开关开关时序图。

3 复合开关软硬件设计

3.1 复合开关的硬件电路 为了实现复合开关的导通和切断,使其可与多种交流接触器和大功率继电器配合使用,本文旨在设计一种以单片机AT89S51为核心的复合开关,开关包括以AT89S51单片机为核心的控制电路,负责系统供电的电源电路,晶闸管触发电路,接触器触发电路,安全保护电路以及显示通讯电路等,其整体结构框架如图3所示。

其中过零检测电路将晶闸管两端的交流正弦电压转变为单片机可以接受的方波信号,传送给以单片机为核心的控制电路,单片机通过内部程序控制晶闸管触发电路和接触器触发电路控制开关的投切,电源电路将交流电转化为直流电给整个开关系统供电,通讯显示电路可以将一些关键数据传送给上位机,并可以通过LCD显示在开关装置上。

3.2 复合开关的软件设计 复合开关的单片机程序如图4所示:

复合开关投切要讲求时序,当开关接收到投入命令时,让晶闸管先过零导通,延时2周期后,继电器闭合,这时为保证晶闸管可靠关闭,应当停止晶闸管触发脉冲,在下一个电流过零点晶闸管自行关断。这样,负载电流只由交流接触器分流。在接收到切除命令后,应该同时发出晶闸管触发信号和继电器关断信号这样继电器在低压情况下关断后,延迟40ms,停止发出晶闸管触发脉冲,晶闸管在下一个电流过零点自行关断。

4 总结

本复合开关通过吸收了晶闸管过零触发的技巧来解决了晶闸管切断时遇到的触发问题,通过晶闸管与交流接触器的相互切换实现了开关运行时低功率损耗,大幅度提高了电容器的使用寿命,有显着的功效,并且在低压无功补偿中有广泛的应用前景。

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