基于單片機的復合開關及其在低壓無功補償中的應用

1用于低壓電容無功補償的各種開關應用情況
　　在用電設備中，存在著大量的感性負載（如電動機），這些感性負載在消耗有功功率的同時，也占用了大量的感性無功功率，由于無功功率虛占了設備容量、增大了線路的電流值，而線路的損失與電流的平方成正比。因此，無功功率必須予以補償。為了提高功率因數(shù)，一般企事業(yè)單位用電容器的容性進行無功補償。在補償?shù)攸c上可采取變電所集中補償、分區(qū)域集中補償、分散就地補償、分散與集中相結(jié)合等，在補償方式上可分為手動補償和自動補償。由于補償?shù)攸c和方式關系到節(jié)電效果，關系到設備投資，關系到設備運行安全與維護，因此，必須因地制宜地加以選擇。目前，電力電容器的投切開關有以下3種：
　　(1)普通接觸器
　　電容器的電流與電容電壓對時間的微分成正比,當接觸器投入時,電容器上的初始電壓與電 網(wǎng)電壓在一般情況下不相等,最大壓差可達1.4倍的額定電壓以上,當巨大的壓差突然加到電容器兩端使電容器的電壓發(fā)生突變時,則通過接觸器和電容器電流將高達10倍以上的額定電流。這種浪涌電流有多種危害：一方面，在接觸器觸點處產(chǎn)生火花，使觸點粘住、無法分斷而損壞；另一方面，縮短了電容器的使用壽命；再者，對電網(wǎng)的巨大沖擊而產(chǎn)生了干擾，可能使其他電子設備無法正常工作。
　　(2)帶預投電阻的專用接觸器
　　這類接觸器整體體積較大，事實上在工作時也沒有真正解決浪涌電流問題，同時，由于與接觸器觸點配合不理想使電阻發(fā)熱而損壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，所以，這類接觸器并不是理想的電容投切接觸器。
　　(3)過零觸發(fā)固態(tài)繼電器
　　交流繼電器的內(nèi)部往往用2個單向可控硅反并聯(lián)或雙向可控硅構(gòu)成,用于電容投切無功補償時的工作原理是這樣的：當固態(tài)繼電器接到投切信號時，還要判別觸點兩端的電壓是否接近于零電壓，一旦等待到兩端壓差接近零電壓時，則開關閉合，投入工作；當固態(tài)繼電器接到切斷信號時，則可控硅自然關斷，即電流為零時關斷。從上面的分析可以看出，用于低壓電容投切的固態(tài)繼電器在投入和切斷時的工作狀態(tài)非常理想，但他存在著一個致命的缺陷工作過程的發(fā)熱和諧波問題，這就限制了他在電容投切領域的進一步推廣。

2復合開關的工作原理
　　電容無功補償分為單相補償和三相補償，采用的開關相數(shù)也分為兩種。無論是單相投切開關還是三相開關，機械式接觸器不可能較準確地做到開關兩端電壓過零時閉合，在電流過零時切斷，而固態(tài)繼電器卻能做到這一點。相反，在開關閉合工作時，固態(tài)繼電器產(chǎn)生損耗和電壓電流諧波，而機械式接觸器卻能避免這些問題。因此，吸取固態(tài)繼電器和接觸器的優(yōu)點將是最佳的選擇。也就是希望電容無功補償?shù)耐肚虚_關在投入和切斷瞬時利用（雙向）可控硅的特性，在平時閉合工作時利用機械觸點接觸電阻極小的特性，構(gòu)成了可控硅和繼電器（接觸器）并聯(lián)工作的開關即復合開關。
　　為了達到理想的工作狀況，可控硅和繼電器的開、斷有時序要求，假設復合開關的投入命令高電平為有效，則切斷命令為低電平有效；開關（可控硅、繼電器）閉合用高電平有效表示，則開關斷開用低電平有效表示，其各信號動作時序如圖1所示。

　　在圖1中Δt1為復合開關接收到投入命令后等待電壓過零所需的時間；Δt2是繼電器延時閉合設定時間；Δtjo為繼電器閉合動作時間；Δtjf為繼電器斷開動作時間；Δt3是可控硅延時斷開設定時間；Δt4可控硅自然關斷所需的時間。
　　在圖１中,uka，ukb，ukc，ukd，uke，ike 分別表示投切信號、可控硅通斷、繼電器線圈通斷信號、繼電器通斷、電網(wǎng)電壓、電容（或觸點）電流。當復合開關接收到投入命令時，可控硅的觸發(fā)信號準備就緒，只要電壓過零就立刻觸發(fā)可控硅，而繼電器在接到投入命令后，要延時一段時間，此時間在設計時必須保證：只有當可控硅導通后，才能閉合繼電器。當復合開關接收到切斷命令后，繼電器立即斷開，經(jīng)過一段時間可控硅觸發(fā)信號消失，據(jù)可控硅關斷特性，只有當通過可控硅陽極電流過零時，才能自然關斷。

3基于PIC16C61的復合開關
　　復合開關的工作原理完全可以用分立元件來實現(xiàn)，其中的時序配合關系可以用電阻電容的 延時電路完成其功能。但是，由于分立元件的參數(shù)分散性以及可靠性差將會影響整個復合開關長期正常的工作，因此，通過方案比較，采用了PIC16C61單片機來實現(xiàn)復合開關的邏輯及控制時序。如圖2所示。

　　圖2中，合閘、分閘信號輸入到單片機的RB1，RB0接收過零信號，只有當合閘指令有效時，在過零時刻，通過“過零處理”程序，RA1就輸出可控硅觸發(fā)信號，使可控硅導通。延時二個周期（40 ms）后，即通過“低高電平延時”程序處理，RA2輸出閉合信號有效，繼電器閉合導通，完成了復合開關一次合閘的動作；當分閘信號有效時，單片機RA2輸出斷開信號使繼電器立刻分斷，同樣延時二個周期（40 ms）后，通過“高低電平延時”程序處理，RA1輸出低電平信號，使可控硅關斷，完成了一次分閘動作。
　　以上是單相復合開關的單片機實現(xiàn)情況。對于三相復合開關：為了分析方便起見，假設開 關閉合的順序為A→B→C，如圖3所示。當合閘指令有效時，由于此時B，C相的K2，K3斷開，A相可控硅可以立刻施以導通信號而不需要檢測電壓過零點，接著檢測B相的K2開關兩端的電壓過零點，在過零時刻，使B相的可控硅導通；然后檢測C相的K3開關兩端的過零點，在過零時刻，使C相的可控硅導通；最后，延時二個周期（40 ms）后，即通過“低高電平延時”程序處理，輸出繼電器的閉合信號，繼電器閉合導通，完成了復合開關一次合閘的動作。三相復合開關的分閘過程與單相復合開關類似，當所有的繼電器斷開并延時二個周期（40 ms）后，通過“高低電平延時”程序處理，使可控硅關斷，完成了一次分閘動作。