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基于無線控制技術(shù)的復(fù)合開關(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線通信技術(shù)的復(fù)合開關(guān)的工作原理及實(shí)現(xiàn)方法 ，其硬件系統(tǒng)主要 包括過零檢測(cè)電路、無線通信模塊、單片機(jī)控制 ，顯示電路等幾部分。該復(fù)合開關(guān)解決了交流接觸 器投切電容過程中的涌流和過電壓?jiǎn)栴} ，也解決了晶閘管投切電容出現(xiàn)的諧波和功耗大的問題 ，非 常適用于投切電容的場(chǎng)合。而且本設(shè)計(jì)采用了無線通信方式控制投切開關(guān) ，增強(qiáng)了設(shè)備的可移動(dòng) 性 ，使設(shè)備更加靈活。所以此復(fù)合開關(guān)投切功耗小 、無諧波 、無涌流、使用壽命長(zhǎng) ，在無功功率補(bǔ)償 中具有較高的使用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景 。
關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；復(fù)合開關(guān)
隨著無功負(fù)荷的增加
早期補(bǔ)償裝置采用交流接觸器作為投切器件
傳統(tǒng)的補(bǔ)償裝置靠導(dǎo)線進(jìn)行通信，而在實(shí)際工程當(dāng)中有線網(wǎng)絡(luò)的布線
通過分析：交流接觸器不能在電壓過零及時(shí)閉合，也不能在電流過零時(shí)及時(shí)斷開
本文研究的是基于無線控制技術(shù)的磁保持繼電器和晶閘管并聯(lián)的復(fù)合開關(guān)裝置，由于磁保持繼電器閉合或斷開具有磁保持的作用，所以復(fù)合開關(guān)功耗低，使用壽命長(zhǎng)?div id="4qifd00" class="flower right">
圖1為利用無線通信技術(shù)的復(fù)合開關(guān)的結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)圖。
圖1 復(fù)合開關(guān)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
其工作原理是當(dāng)無功補(bǔ)償控制器檢測(cè)到功率因數(shù)低于下限時(shí)，利用無線技術(shù)發(fā)出投切信號(hào)。單片機(jī)接收到無功補(bǔ)償控制器的投人命令后，首先單片機(jī)檢測(cè)電壓過零點(diǎn)
當(dāng)電源電壓過零時(shí)，過零檢測(cè)電路給單片機(jī)信號(hào)
因?yàn)榭梢跃_地控制晶閘管的通斷，能夠達(dá)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(fù)合開關(guān)的主要電流由磁保持繼電器承擔(dān)，晶閘管只是短時(shí)間的過渡。
低壓無功補(bǔ)償控制器先在5相電源其中的一線電流進(jìn)行釆樣，再與另外兩線的電壓相位作差運(yùn)算，然后通過計(jì)算得出當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)功率數(shù)此時(shí)的功率因數(shù)應(yīng)與設(shè)定好的功率因數(shù)作對(duì)比，若他小于設(shè)定的數(shù)值則投切電容器。在投切過程中，若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到的電壓高于額定電壓10%時(shí)，則一次性全部斷開正在工作的電容器，避免電容器被燒毀。在投切時(shí)如果出現(xiàn)電流小于設(shè)定電流時(shí)，無功補(bǔ)償控制器進(jìn)行判斷，就不會(huì)再發(fā)出投切信號(hào)。
低壓無功補(bǔ)償控制器和復(fù)合開關(guān)配合使用，具有采集并顯示電測(cè)量數(shù)據(jù)，檢測(cè)和顯示復(fù)合投切開關(guān)運(yùn)行工況、投切狀態(tài)，以及根據(jù)無功功率與目標(biāo)功率因數(shù)自動(dòng)控制投切電容的能力。低壓無功補(bǔ)償控制器通過無線模塊與復(fù)合開關(guān)進(jìn)行通信；控制器采集電網(wǎng)電測(cè)數(shù)據(jù)
本設(shè)計(jì)的復(fù)合開關(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后就不需要電壓來維持,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)，晶閘管在電壓過零時(shí)導(dǎo)通，避免了涌流。把他們進(jìn)行并聯(lián)，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，取得了不錯(cuò)的效果。
利用無線通信技術(shù)的復(fù)合開關(guān)電路結(jié)構(gòu)主要包括無線通訊電路、顯示電路、電源電路、運(yùn)算電路、驅(qū)動(dòng)電路和過零檢測(cè)電路，如圖2所示。
圖2 復(fù)合開關(guān)結(jié)構(gòu)圖
1)過零檢測(cè)電路。過零檢測(cè)電路：將220 V正弦交流電先通過電阻進(jìn)行降壓，再經(jīng)過MB2S整流橋整流為脈動(dòng)的直流，通過穩(wěn)壓管和三極管的開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)出電網(wǎng)的過零點(diǎn)，用于投切磁保持繼電器的閉合，過零檢測(cè)模塊電路如圖3所示。
圖3 過零檢測(cè)電路圖
過零檢測(cè)電路主要由整流塊、穩(wěn)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(guī)則脈沖波，該脈沖波即過零點(diǎn)，再將過零檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，該脈沖信號(hào)周期10ms,占空比10%,脈沖幅值5 V,輸出的脈沖信號(hào)正好在電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)附近出現(xiàn)。將該脈沖信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)單片機(jī)發(fā)出投切指令的信號(hào)
2)驅(qū)動(dòng)電路
圖4 驅(qū)動(dòng)電路圖
其原理是：當(dāng)單片機(jī)收到投切信號(hào)時(shí)，給A ON 高電平
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(qū)動(dòng)功率能達(dá)到 5W；輸人輸出級(jí)具有保護(hù)電路。
3)無線控制電路
表1 XC2023的真值表
無線通訊電路采用無線接收發(fā)芯片PT2272/PT2262
接收模塊接收到信號(hào)并對(duì)比后，VT腳才變?yōu)楦唠娖?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，此時(shí)的數(shù)據(jù)端口也變?yōu)楦唠娖?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，若不停地發(fā)送數(shù)據(jù)，編碼芯片也會(huì)不停地發(fā)射
發(fā)射模塊相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，是以PT2262為核心芯片組成的外圍電路
圖5 發(fā)射模塊(左)和接收模塊(右）
無線通信的工作原理：當(dāng)?shù)蛪簾o功補(bǔ)償控制器發(fā)出投切信號(hào)時(shí)
無線電路的難點(diǎn)在于對(duì)硬件電路進(jìn)行仿真時(shí)有的元件沒有
4)電源電路和顯示電路。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)需要的電源功率不高
狀態(tài)逋示電路采用LED發(fā)光二極管
單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流不足以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，所以由74HC595驅(qū)動(dòng)，幾乎所有的電子顯示屏都是用他作驅(qū)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。
復(fù)合開關(guān)的軟件設(shè)計(jì)
在電路一上電時(shí)，就一直在進(jìn)行過零檢測(cè)
圖6 復(fù)合開關(guān)工作流程圖
圖7 投切晶閘管信號(hào)的仿真圖
由圖易知，投切指令只有在電壓過零點(diǎn)和低壓無功補(bǔ)償控制器發(fā)出投切信號(hào)共同發(fā)生時(shí)才動(dòng)作
當(dāng)發(fā)出投切指令時(shí)
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(duì)電網(wǎng)的沖擊。在投切電容器時(shí)，必須讓晶閘管在電網(wǎng)電壓過零 點(diǎn)一瞬間導(dǎo)通，才能保證不會(huì)產(chǎn)生涌流；當(dāng)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。
在電路中要想保證系統(tǒng)絕對(duì)性的不受干擾是不可能的，因?yàn)楦蓴_信號(hào)來自多方面原因，具有很多不確定因素。雖然復(fù)合開關(guān)具有投切功耗小、無諧波、無涌流、使用壽命長(zhǎng)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)隨著投切頻率的增大而增強(qiáng)
在復(fù)合開關(guān)的程序中加人了軟件看門狗，單片機(jī)STC15W408S自帶看門狗電路，他不斷地監(jiān)視程序，如果程序跑飛，就會(huì)判定系統(tǒng)處于死機(jī)狀態(tài)，看門狗會(huì)立刻將單片機(jī)復(fù)位，使單片機(jī)重新工作在正常狀態(tài)。如果程序不能定時(shí)交替出現(xiàn)高低電平，則復(fù)位單片機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾后，程序出現(xiàn)卡死時(shí)，看門狗程序能夠把控制器恢復(fù)正常。
實(shí)驗(yàn)中通過低壓無功補(bǔ)償裝置和投切開關(guān)的配合使用能夠?qū)崿F(xiàn)過零投切的功能，即當(dāng)線路功率因數(shù)過低時(shí)，低壓無功補(bǔ)償控制器輸出高電平，無線發(fā)射模塊發(fā)出投切信號(hào)，接收模塊接收信號(hào)，單片機(jī)檢測(cè)到過零點(diǎn)和投切信號(hào)后發(fā)出投切指令，電容投切成功，狀態(tài)顯示電路可現(xiàn)實(shí)投切次數(shù)。顯然采用無線通信技術(shù)減小了布線的難度，使硬件電路和軟件電路變得簡(jiǎn)單，可移動(dòng)性增強(qiáng)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，復(fù)合開關(guān)能夠正常工作
硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示
圖9 硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖
圖10 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖
本實(shí)驗(yàn)是采用可調(diào)三相交流電源電壓試驗(yàn)臺(tái)和示波器來完成的
在圖10(a)中可以看出在沒有過零點(diǎn)時(shí)磁保持繼電器閉合產(chǎn)生涌流現(xiàn)象
經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終得出了有效的結(jié)果。從示波器的波形來看，晶閘管和磁保持繼電器相結(jié)合的復(fù)合開關(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(yīng)用中的各種問題，提高了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了電能損耗。
本文針對(duì)不同類型的投切開關(guān)存在的問題，在參考了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，成功完成了復(fù)合開關(guān)設(shè)計(jì)。通過理論分析和實(shí)際操作，證實(shí)了利用無線通信技術(shù)的復(fù)合開關(guān)比傳統(tǒng)的投切開關(guān)具有更多的優(yōu)勢(shì)。無功功率補(bǔ)償是電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本需要，并聯(lián)電容補(bǔ)償是最簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)可靠的一種補(bǔ)償方式。并聯(lián)在電網(wǎng)上的電容是通過檢測(cè)自動(dòng)投切的，所以投切開關(guān)起著至關(guān)重要的作用。
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