基于单片机的复合开关及其应用研究

介绍了一种基于单片机PIC16C61并应用于低压电容无功补偿的复合开关,该复合开关与接触器、固态继电器相比，具有投入浪涌电流小，工作时无损耗等优点，文中分析了这种复合开关的工作原理以及各种电压波形。同时介绍了他在低压无功补偿中的应用。理论和实验都证实了这种新型复合开关是具有广泛应用前景的电器产品。

　　1用于低压电容无功补偿的各种开关应用情况

　　在用电设备中，存在着大量的感性负载(如电动机)，这些感性负载在消耗有功功率的同时，也占用了大量的感性无功功率，由于无功功率虚占了设备容量、增大了线路的电流值，而线路的损失与电流的平方成正比。因此，无功功率必须予以补偿。为了提高功率因数，一般企事业单位用电容器的容性进行无功补偿。在补偿地点上可采取变电所集中补偿、分区域集中补偿、分散就地补偿、分散与集中相结合等，在补偿方式上可分为手动补偿和自动补偿。由于补偿地点和方式关系到节电效果，关系到设备投资，关系到设备运行安全与维护，因此，必须因地制宜地加以选择。目前，电力电容器的投切开关有以下3种：

　　(1)普通接触器

　　电容器的电流与电容电压对时间的微分成正比,当接触器投入时,电容器上的初始电压与电网电压在一般情况下不相等,最大压差可达1.4倍的额定电压以上,当巨大的压差突然加到电容器两端使电容器的电压发生突变时,则通过接触器和电容器电流将高达10倍以上的额定电流。这种浪涌电流有多种危害：一方面，在接触器触点处产生火花，使触点粘住、无法分断而损坏;另一方面，缩短了电容器的使用寿命;再者，对电网的巨大冲击而产生了干扰，可能使其他电子设备无法正常工作。

　　(2)带预投电阻的专用接触器

　　这类接触器整体体积较大，事实上在工作时也没有真正解决浪涌电流问题，同时，由于与接触器触点配合不理想使电阻发热而损坏的现象时有发生，所以，这类接触器并不是理想的电容投切接触器。

　　(3)过零触发固态继电器

　　交流继电器的内部往往用2个单向可控硅反并联或双向可控硅构成,用于电容投切无功补偿时的工作原理是这样的：当固态继电器接到投切信号时，还要判别触点两端的电压是否接近于零电压，一旦等待到两端压差接近零电压时，则开关闭合，投入工作;当固态继电器接到切断信号时，则可控硅自然关断，即电流为零时关断。从上面的分析可以看出，用于低压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。

　　2复合开关的工作原理

　　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。

　　3基于PIC16C61的复合开关

　　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。

　　由上述可知：三相复合开关用PIC16C61实现时，增加一个过零输入信号、2个可控硅控制信号和2个继电器控制信号即可。整个动作过程由软件实现。

　　4复合开关在无功补偿中的应用例子

　　某厂配电房低压总电流为600 A，有功功率350 kW，电压0.4 kV，要求功率因数提高到0.95~0.99，那么其视在功率：

　　

 

　　由于采用了复合开关，投切时的浪涌电流小，无触点粘住之虞，可以较频繁地投、切，因此，可以增加投切电容器的组数以提高补偿精度。在实际应用中用了12组15 kVA的电容柜，通过控制器精确控制投切，可使功率因数保持在0.96~0.99之间。也就是说，使用复合开关不仅仅提高了可靠性，还提高了电能质量。

　　5实验结果

　　(1)开通时间<60 ms。

　　(2)关断时间<80 ms。

　　(3)控制电路功耗<2 w。

　　(4)开关接触电阻≤0.02 Ω。

　　(5)开关在额定电流负载下温升≤25℃。

　　(6)系统电压处于额定电压的±20%范围内，开关能正常工作;若系统电压超过额定电压的±20%时，开关强行跳闸。

　　(7)开关投入时涌流不大于2倍电容器额定电流。

　　(8)在电容器端子间的残余电压不大于额定电压的100%时可再次电压过零投入。

　　(9)以动态电压过零方式投入。

　　(10)缺相时开关拒合闸。

　　(11)正常运行时，出现缺相自动跳闸，响应时间≤0.2 s。?

　　(12)系统停电时，开关自动跳闸响应时间≤0.2 s。?

　　(13)开关工作电源异常时，开关自动跳闸。

　　(14)采用LED指示，指示项目有：开关合闸位置指示;开关跳闸位置指示;缺相故障指示;系统电压异常指示。????????

　　

 

　　6结语

　　复合开关工作时损耗小，不增加电网谐波。并且使用复合开关可以增加投切电容器组数，提高功率因数的步级精度，提高电网质量。具有功能齐全，保护完备，不需外加电源，使用方便的特点。?