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基于無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)的復合開(kāi)關(guān)
陳祖成，王碩禾，劉治聰，王剛，趙紹策 (石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,石家莊050043)
摘 要：本文提出了一種利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的復合開(kāi)關(guān)的工作原理及實(shí)現方法，其硬件系統主要 包括過(guò)零檢測電路、無(wú)線(xiàn)通信模塊、單片機控制，顯示電路等幾部分。該復合開(kāi)關(guān)解決了交流接觸 器投切電容過(guò)程中的涌流和過(guò)電壓?jiǎn)?wèn)題，也解決了晶閘管投切電容出現的諧波和功耗大的問(wèn)題，非 常適用于投切電容的場(chǎng)合。而且本設計采用了無(wú)線(xiàn)通信方式控制投切開(kāi)關(guān)，增強了設備的可移動(dòng) 性，使設備更加靈活。所以此復合開(kāi)關(guān)投切功耗小、無(wú)諧波、無(wú)涌流、使用壽命長(cháng)，在無(wú)功功率補償 中具有較高的使用價(jià)值和廣泛的應用前景。 關(guān)鍵詞：無(wú)功補償；復合開(kāi)關(guān)；無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)
0 引言隨著(zhù)無(wú)功負荷的增加，無(wú)功損耗也越來(lái)越大。無(wú)功功率補償的重要性得到認可，在低壓側并聯(lián)電容器來(lái)提高功率因數得到廣泛應用。無(wú)功功率補償裝置一般由電容器、主控電路和投切電路組成。其中，投切電路是整個(gè)裝置的關(guān)鍵。 早期補償裝置采用交流接觸器作為投切器件，在其投切時(shí)容易產(chǎn)生涌流，還會(huì )沖擊電網(wǎng)，造成電網(wǎng)的不穩定。后期隨著(zhù)電子器件技術(shù)的日益成熟，晶閘管作為投切器件，在電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)投切，能有效避免涌流。但在實(shí)際運行中，在晶閘管導通狀態(tài)會(huì )產(chǎn)生管壓降，存在0.7 V左右的管壓降，造成一定的功率損耗和溫升，還會(huì )產(chǎn)生諧波電流，干擾電容器正常工作3晶閘管是半控型器件，長(cháng)時(shí)間承受反壓就會(huì )燒毀。 傳統的補償裝置靠導線(xiàn)進(jìn)行通信，而在實(shí)際工程當中有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的布線(xiàn)、改線(xiàn)的工程量大，線(xiàn)路容易出現故障，裝置不容易移動(dòng)；有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)繁瑣，開(kāi)關(guān)柜內電纜泛濫D無(wú)線(xiàn)通訊不需要布設電纜、安裝簡(jiǎn)單、成本低廉、可移動(dòng)性非常強，后期維護容易，可以在有線(xiàn)難以實(shí)現的情況下達到工程要求。 通過(guò)分析：交流接觸器不能在電壓過(guò)零及時(shí)閉合，也不能在電流過(guò)零時(shí)及時(shí)斷開(kāi)，而晶閘管可以做到；相反，晶閘管在工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生損耗和電壓諧波,交流接觸器可以避免。本設計采用磁保持繼電器和晶閘管并聯(lián)的復合開(kāi)關(guān)，能夠有效解決以上投切器件的缺點(diǎn)。投切時(shí)首先晶閘管在過(guò)零點(diǎn)時(shí)導通，穩定時(shí)磁保持繼電器導通，然后再斷開(kāi)晶閘管3。這種復合開(kāi)關(guān)動(dòng)作可靠、對電網(wǎng)沖擊小、使用壽命長(cháng)。利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)通信控制技術(shù)可以省去電纜布線(xiàn)，而且可移動(dòng)性增強。因此，利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的復合開(kāi)關(guān)對無(wú)功功率補償技術(shù)有著(zhù)一定的實(shí)用價(jià)值。 本文研究的是基于無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)的磁保持繼電器和晶閘管并聯(lián)的復合開(kāi)關(guān)裝置，由于磁保持繼電器閉合或斷開(kāi)具有磁保持的作用，所以復合開(kāi)關(guān)功耗低，使用壽命長(cháng)?？刂萍夹g(shù)是通過(guò)無(wú)線(xiàn)控制，他避免了有線(xiàn)控制的繁瑣性，增加了可移動(dòng)性，他是口前有一定前景的投切開(kāi)關(guān) 1 復合開(kāi)關(guān)的基本原理圖1為利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的復合開(kāi)關(guān)的結構 簡(jiǎn)圖。
圖1 復合開(kāi)關(guān)的結構簡(jiǎn)圖
其工作原理是當無(wú)功補償控制器檢測到功率因數低于下限時(shí)，利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)發(fā)出投切信號。單片機接收到無(wú)功補償控制器的投人命令后，首先單片機檢測電壓過(guò)零點(diǎn)，然后發(fā)出觸發(fā)脈沖，導通晶閘管，把電容器并人電網(wǎng)。經(jīng)過(guò)2-3個(gè)周期后，再發(fā)出信號使磁保持繼電器導通。等磁保持繼電器穩定后，停止觸發(fā)信號使晶閘管自然關(guān)斷。大部分導通時(shí)間靠磁保持繼電器來(lái)承擔。當單片機收到切除命令后，立刻向晶閘管發(fā)出觸發(fā)信號，同時(shí)發(fā)出關(guān)斷磁保持繼電器的信號。因為晶閘管只有承受正壓和正門(mén)極電壓才能導通。 當電源電壓過(guò)零時(shí)，過(guò)零檢測電路給單片機信號，確認投切后首先給晶閘管觸發(fā)脈沖實(shí)現電壓過(guò)零導通，待運行穩定時(shí)閉合磁保持繼電器斷開(kāi)晶閘管；當不需要補償時(shí)，先讓晶閘管導通再斷開(kāi)磁保持繼電器，然后晶閘管自然關(guān)斷，實(shí)現電流過(guò)零斷開(kāi)?？梢?jiàn)，在復合開(kāi)關(guān)投切過(guò)程中，晶閘管只是工作一瞬間，減小了功耗，而且可以過(guò)載運行,在選擇晶閘管容量時(shí)可以裕量小一點(diǎn)，進(jìn)而降低成本。 因為可以精確地控制晶閘管的通斷，能夠達到較為理想的通斷狀態(tài)。磁保持繼電器只在動(dòng)作時(shí)需要電能，不動(dòng)作時(shí)靠磁場(chǎng)保持狀態(tài)，所以功耗較低。復合開(kāi)關(guān)的主要電流由磁保持繼電器承擔，晶閘管只是短時(shí)間的過(guò)渡。 低壓無(wú)功補償控制器先在5相電源其中的一線(xiàn)電流進(jìn)行釆樣，再與另外兩線(xiàn)的電壓相位作差運算，然后通過(guò)計算得出當前電網(wǎng)運行的實(shí)時(shí)功率數此時(shí)的功率因數應與設定好的功率因數作對比，若他小于設定的數值則投切電容器。在投切過(guò)程中，若發(fā)現檢測到的電壓高于額定電壓10%時(shí)，則一次性全部斷開(kāi)正在工作的電容器，避免電容器被燒毀。在投切時(shí)如果出現電流小于設定電流時(shí)，無(wú)功補償控制器進(jìn)行判斷，就不會(huì )再發(fā)出投切信號。 低壓無(wú)功補償控制器和復合開(kāi)關(guān)配合使用，具有采集并顯示電測量數據，檢測和顯示復合投切開(kāi)關(guān)運行工況、投切狀態(tài)，以及根據無(wú)功功率與目標功率因數自動(dòng)控制投切電容的能力。低壓無(wú)功補償控制器通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊與復合開(kāi)關(guān)進(jìn)行通信；控制器采集電網(wǎng)電測數據，在顯示復合開(kāi)關(guān)的運行情況的同時(shí)，可以直接根據當前的電測數據，對電容組進(jìn)行智能投切控制，以達到無(wú)功補償的效果。 2 復合開(kāi)關(guān)硬件電路設計本設計的復合開(kāi)關(guān)采用的是晶閘管和磁保持繼電器并聯(lián)。磁保持繼電器在閉合或斷開(kāi)后就不需要電壓來(lái)維持,能夠狀態(tài)保持。避免了產(chǎn)生電壓諧波和減少功率損耗。同時(shí)，晶閘管在電壓過(guò)零時(shí)導通，避免了涌流。把他們進(jìn)行并聯(lián)，兩者優(yōu)勢互補，取得了不錯的效果。 利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的復合開(kāi)關(guān)電路結構主要包括無(wú)線(xiàn)通訊電路、顯示電路、電源電路、運算電路、驅動(dòng)電路和過(guò)零檢測電路，如圖2所示。
圖2 復合開(kāi)關(guān)結構圖
1)過(guò)零檢測電路。過(guò)零檢測電路：將220 V正弦交流電先通過(guò)電阻進(jìn)行降壓，再經(jīng)過(guò)MB2S整流橋整流為脈動(dòng)的直流，通過(guò)穩壓管和三極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測出電網(wǎng)的過(guò)零點(diǎn)，用于投切磁保持繼電器的閉合，過(guò)零檢測模塊電路如圖3所示。
圖3 過(guò)零檢測電路圖
過(guò)零檢測電路主要由整流塊、穩壓二極管、三極管、光耦、電阻和電容的相互配合，由Zero輸出端輸出不規則脈沖波，該脈沖波即過(guò)零點(diǎn)，再將過(guò)零檢測電路的輸出端與施密特觸發(fā)器連接，進(jìn)行整形，最終輸出標準的方波信號，該脈沖信號周期10ms,占空比10%,脈沖幅值5 V,輸出的脈沖信號正好在電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)附近出現。將該脈沖信號作為驅動(dòng)單片機發(fā)出投切指令的信號，從而單片機通過(guò)過(guò)零檢測電路給出信號控制復合開(kāi)關(guān)，實(shí)現過(guò)零投切。 2)驅動(dòng)電路。本設計采用的是大功率磁保持繼電器，他通過(guò)磁剛力維持著(zhù)斷開(kāi)和閉合的狀態(tài)，從而接觸非?？煽?span>,線(xiàn)圈基本上不需要消耗電能，閉合的時(shí)候電阻比較小，動(dòng)作范圍相對較寬，體積小，可以長(cháng)時(shí)間重負荷工作，驅動(dòng)模塊的電路如圖4所示。
圖4 驅動(dòng)電路圖
其原理是：當單片機收到投切信號時(shí)，給A ON 高電平，光耦U17動(dòng)作，晶閘管立刻導通；同時(shí)光耦 U動(dòng)作，INB輸人高電平，磁保持繼電器ON通過(guò)二極管導通閉合電容；再給A_0FF低電平，晶閘管過(guò)零斷開(kāi),磁保持繼電器不動(dòng)作。當單片機收到切斷信號，給A_0FF高電平，光耦U17動(dòng)作，晶閘管立刻導通，同時(shí)光稱(chēng)U21動(dòng)作，INA輸人高電平，磁保持繼電器OFF通過(guò)二極管導通斷開(kāi)電容；晶閘管過(guò)零自動(dòng)斷開(kāi)。其中驅動(dòng)芯片XC2023自身靜態(tài)功率損耗很低，耐受電壓值較高等優(yōu)點(diǎn)，真值表見(jiàn)表1。 XC2023的主要特點(diǎn)是：耐壓范圍寬(5～30 V)；靜態(tài)工作電流很低（通常<2A);驅動(dòng)功率能達到 5W；輸人輸出級具有保護電路。 3)無(wú)線(xiàn)控制電路。無(wú)線(xiàn)通信電路改善了傳統的補償裝置靠導線(xiàn)進(jìn)行通信的布線(xiàn)與改線(xiàn)工程量大、線(xiàn)路容易出現故障、裝置不容易移動(dòng)、布線(xiàn)繁瑣、開(kāi)關(guān)柜內電纜泛濫的缺點(diǎn)。
表1 XC2023的真值表
無(wú)線(xiàn)通訊電路采用無(wú)線(xiàn)接收發(fā)芯片PT2272/PT2262，他低功率損耗很低，價(jià)位也不高，是一種通用的編/解碼電路，常出現在無(wú)線(xiàn)通訊電路作為地址編碼用。這兩個(gè)芯片都具有12位狀態(tài)(高阻、高 電平、低電平)。 接收模塊接收到信號并對比后，VT腳才變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)的數據端口也變?yōu)楦唠娖?，若不停地發(fā)送數據，編碼芯片也會(huì )不停地發(fā)射。若不發(fā)射信號時(shí)，PT2262不得電，他的17引腳始終保持低電 平，315 MHZ的信號就會(huì )因為斷電而不能工作。 發(fā)射模塊相對來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，是以PT2262為核心芯片組成的外圍電路。他的頻率一致性好，傳輸距離遠，穩定性很高，理論上無(wú)線(xiàn)距離能達到20 m 左右；接收模塊的體積小，傳輸距離長(cháng)，使用非常方便，而且他的精度較高，穩定性也比同類(lèi)產(chǎn)品有很大的改善，如圖5所示。
圖5 發(fā)射模塊(左)和接收模塊(右）
無(wú)線(xiàn)通信的工作原理：當低壓無(wú)功補償控制器發(fā)出投切信號時(shí)，無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊接通電源發(fā)出信號，無(wú)線(xiàn)接收模塊收到信號后其數據端由低電平變?yōu)楦唠娖?。接收模塊的數據端與單片機連接，單片機只需判斷此端口為高電平還是低電平就能得知是否需要投切電容器。 無(wú)線(xiàn)電路的難點(diǎn)在于對硬件電路進(jìn)行仿真時(shí)有的元件沒(méi)有，所以只能進(jìn)行理論分析。有些部分雖然仿真效果很好，但是不能代表實(shí)際電路就沒(méi)有問(wèn)題，仿真與實(shí)際電路還是存在一定的誤差。無(wú)線(xiàn)接收模塊輸出的是高低電平，所以在進(jìn)行投切仿真時(shí)，利用開(kāi)關(guān)和電源來(lái)實(shí)現高低電平的切換1。 4)電源電路和顯示電路。因為本次設計需要的電源功率不高，所以采用了穩壓塊作為電源電路的主要器件。此電源電路只需和電容配合使用，電路比較簡(jiǎn)單，完全滿(mǎn)足要求，價(jià)格方面經(jīng)濟實(shí)惠。電源電路由變壓器、整流橋、穩壓塊、電壓互感器及電阻和電容元件組成。其原理是：經(jīng)過(guò)變壓器降壓，再由整流橋整成脈動(dòng)的直流，再經(jīng)過(guò)穩壓塊穩壓成+5 V和+3.3 V電壓。為了抑制電路中的高頻干擾，在該電路中串人了磁珠。 狀態(tài)逋示電路采用LED發(fā)光二極管，LED發(fā)光 二極管顯示電路的相應工作狀態(tài)。數碼管顯示磁保持繼電器的投切次數。由于投切開(kāi)關(guān)有一定的壽命，隨著(zhù)投切次數的增加，磨損率也會(huì )越來(lái)越高，所以本設計采用數碼管顯示投切次數，當達到規定上限提醒更換器件。 單片機的驅動(dòng)電流不足以驅動(dòng)數碼管，所以由74HC595驅動(dòng)，幾乎所有的電子顯示屏都是用他作驅動(dòng)芯片。74HC595不僅能夠串行輸入瑜出還能并行輸出，輸出寄存器可直接清除100 MHz的移位頻率。 3 復合開(kāi)關(guān)的軟件電路設計復合開(kāi)關(guān)的軟件設計，包括硬件部分和軟件部分的相互配合，包括硬件電路的仿真和無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)程序的設計，控制好磁保持繼電器和晶閘管的通斷時(shí)序。其中的難點(diǎn)在于如何在電網(wǎng)電壓過(guò)零時(shí) 投切不會(huì )產(chǎn)生涌流和諧波。 3.1 復合開(kāi)關(guān)工作流程圖在電路一上電時(shí)，就一直在進(jìn)行過(guò)零檢測，若單片機收到無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)出的投切信號指令后，如果在過(guò)零點(diǎn)單片機就發(fā)出投切指令，按時(shí)序控制磁保持繼電器和可控硅的通斷，進(jìn)而通過(guò)數碼管和發(fā)光二極管顯示投切次數和狀態(tài)；若不在過(guò)零點(diǎn)，則繼續等待，等到過(guò)零點(diǎn)時(shí)再進(jìn)行投切。本設計的過(guò)零檢測電路輸出端接到了施密特觸發(fā)器，最終給單片機的是標準的方波信號。當單片機同時(shí)檢測到方波的上升沿和投切信號才會(huì )發(fā)出投切指令，進(jìn)而實(shí)現整個(gè)電路的有序控制，如圖6所示。圖7為投切晶閘管信號的仿真圖。
圖6 復合開(kāi)關(guān)工作流程圖
圖7 投切晶閘管信號的仿真圖
由圖易知，投切指令只有在電壓過(guò)零點(diǎn)和低壓無(wú)功補償控制器發(fā)出投切信號共同發(fā)生時(shí)才動(dòng)作。 3.2 磁保持繼電器與晶閘管的通斷控制當發(fā)出投切指令時(shí)，單片機在過(guò)零點(diǎn)時(shí)發(fā)出觸發(fā)脈沖，使晶閘管導通，待電路運行穩定后，再使磁保持繼電器閉合，切除觸發(fā)脈沖，使可控硅在過(guò)零點(diǎn)時(shí)自動(dòng)關(guān)斷。當發(fā)出切除指令時(shí)，首先讓晶閘管先導通，再斷開(kāi)磁保持繼電器，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，去掉觸發(fā)脈沖，晶閘管在過(guò)零點(diǎn)自動(dòng)斷開(kāi)。此過(guò)程通過(guò)單片機程序的控制就可以實(shí)現。程序控制流程圖如圖8所示。
圖8 磁保持繼電器與晶閘管的時(shí)序控制
由流程圖可知，電容在投切和切除時(shí)，既不會(huì )產(chǎn)生涌流，也不會(huì )產(chǎn)生諧波，避免了對電網(wǎng)的沖擊。在投切電容器時(shí)，必須讓晶閘管在電網(wǎng)電壓過(guò)零 點(diǎn)一瞬間導通，才能保證不會(huì )產(chǎn)生涌流；當電路正常工作時(shí)，磁保持繼電器代替晶閘管工作，此時(shí)不需要電壓維持，減少了電能損耗，也不會(huì )產(chǎn)生諧波。 3.3 抗干擾設計在電路中要想保證系統絕對性的不受干擾是不可能的，因為干擾信號來(lái)自多方面原因，具有很多不確定因素。雖然復合開(kāi)關(guān)具有投切功耗小、無(wú)諧波、無(wú)涌流、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，但是也會(huì )存在一定的電磁干擾(EMI),這些電磁干擾可能會(huì )隨著(zhù)投切頻率的增大而增強，進(jìn)而可能會(huì )影響復合開(kāi)關(guān)的正常運行，為此本設計對其電磁兼容性問(wèn)題進(jìn)行了研究。本設計中用到了功率開(kāi)關(guān)管、整流二極管以及變壓器，在其工作過(guò)程中都有可能成為電磁干擾源，抑制這些干擾的基本手段有屏蔽、接地處理、輸入輸出濾波器、改良電路方式等多種形式14。本文采用濾波電路等措施提高開(kāi)關(guān)的抗干擾能力，從整體上提高了開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性，使他在復雜的電磁環(huán)境下能夠穩定運行。電源線(xiàn)是電磁十擾(EMI)出人電子裝置的一個(gè)重要途徑，在設備電源線(xiàn)人口處安裝電網(wǎng)濾波器可以有效地切斷這條電磁干擾傳播途徑。抑制EM1信號和高次諧波的方式還有許多，如選用開(kāi)關(guān)速度高的半導體器件，合理設計PCB電路板，對電路板上元器件進(jìn)行抗干擾布局以及各種電源線(xiàn)、信號線(xiàn)的捆扎、配置等都能有效抑制EMI. 在復合開(kāi)關(guān)的程序中加人了軟件看門(mén)狗，單片機STC15W408S自帶看門(mén)狗電路，他不斷地監視程序，如果程序跑飛，就會(huì )判定系統處于死機狀態(tài)，看門(mén)狗會(huì )立刻將單片機復位，使單片機重新工作在正常狀態(tài)。如果程序不能定時(shí)交替出現高低電平，則復位單片機。當系統受到干擾后，程序出現卡死時(shí)，看門(mén)狗程序能夠把控制器恢復正常。 4 復合開(kāi)關(guān)實(shí)驗結果實(shí)驗中通過(guò)低壓無(wú)功補償裝置和投切開(kāi)關(guān)的配合使用能夠實(shí)現過(guò)零投切的功能，即當線(xiàn)路功率因數過(guò)低時(shí)，低壓無(wú)功補償控制器輸出高電平，無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)出投切信號，接收模塊接收信號，單片機檢測到過(guò)零點(diǎn)和投切信號后發(fā)出投切指令，電容投切成功，狀態(tài)顯示電路可現實(shí)投切次數。顯然采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)減小了布線(xiàn)的難度，使硬件電路和軟件電路變得簡(jiǎn)單，可移動(dòng)性增強。經(jīng)過(guò)多次試驗，復合開(kāi)關(guān)能夠正常工作。 硬件實(shí)驗結果如圖9所示，仿真實(shí)驗結果如圖10所示。
圖9 硬件實(shí)驗結果圖
圖10 仿真實(shí)驗結果圖
本實(shí)驗是采用可調三相交流電源電壓試驗臺和示波器來(lái)完成的。通過(guò)觀(guān)察波形就可以得出結論。圖10(a)、圖10(b)、圖10(c)為實(shí)際測量磁保 持繼電器和晶閘管兩端的波形。 在圖10(a)中可以看出在沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)時(shí)磁保持繼電器閉合產(chǎn)生涌流現象，對電網(wǎng)電壓也造成了影響；圖10(b)為晶閘管在電壓過(guò)零時(shí)導通的電壓波形，可以明顯看出投切時(shí)的波形比較平穩，避免了涌流的產(chǎn)生。說(shuō)明了投切電容時(shí)效果良好,達到了實(shí)驗目的。圖10(c)為切除電容器時(shí)，去掉觸發(fā)脈沖后晶閘管自動(dòng)關(guān)斷的電壓波形，做到了電流過(guò)零關(guān)斷。 經(jīng)過(guò)反復實(shí)驗，最終得出了有效的結果。從示波器的波形來(lái)看，晶閘管和磁保持繼電器相結合的復合開(kāi)關(guān)性能優(yōu)于各自的性能。解決了磁保持繼電器和晶閘管在實(shí)際應用中的各種問(wèn)題，提高了電力系統穩定性，降低了電能損耗。 5 結束語(yǔ)本文針對不同類(lèi)型的投切開(kāi)關(guān)存在的問(wèn)題，在參考了大量文獻的基礎上，成功完成了復合開(kāi)關(guān)設計。通過(guò)理論分析和實(shí)際操作，證實(shí)了利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的復合開(kāi)關(guān)比傳統的投切開(kāi)關(guān)具有更多的優(yōu)勢。無(wú)功功率補償是電力系統運行的基本需要，并聯(lián)電容補償是最簡(jiǎn)單和經(jīng)濟可靠的一種補償方式。并聯(lián)在電網(wǎng)上的電容是通過(guò)檢測自動(dòng)投切的，所以投切開(kāi)關(guān)起著(zhù)至關(guān)重要的作用。 |
