基于单片机的微型智能复合开关研究

基于单片机的微型智能复合开关研究
作者：暂无
来源：《中国储运》 2011年第2期
文／卓祖讯赵宏伟杨金平
摘要：针对接触器和固态继电器在低压无功补偿应用中存在的问题，设计了一种以
PIC 单片机为核心，以IGBT与磁保持继电器并联为主回路开关的电容投切复合开关：装置
投合后电流由磁保持继电器单独承担，触点功耗很小，且抗谐波强，在投或切的瞬间，通
过IGBT和继电器配合工作，补偿响应速度快，过零投切，浪涌小；文章对该电路的结构、基本原理、时序扣性能等进行了描述，、
关键词：复合开关；无功补偿；磁保持继电器；IGBT；
近年来，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成，同时对电网无
功功率的要求也日益严格。

电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用
电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。

采用无功补偿是保证电力系统电能质量、
降低电网损耗以及保证其安全运行的重要方式。

低压无功补偿是指在lOkV变电站低压侧以及0.4kV低压配电线路末端，采用电容器等设备补偿无功功率，提高功率因数，是提高电力系统设备利用效率，降低配电网络损耗的重要措施。

长期以来一直为电力部门强制推行，是考核变电站运行的重要指标。

特别是随着建筑体积的增大，户均用电量的急剧增加，民用变配电所的容量已从数十kVA提高到数千kVA，传统的以变
配电所为中心的低压集中补偿已不能达到满意的补偿效果，低压终端无功补偿便越来越多地应
用到建筑电气设计当中。

1复合开关
过去无功补偿装置中的投切设备主要采用固态继电器（无触点）和交流接触器（有触点）
两种。

前者寿命长，可靠性好，但运行中发热严重，需要良好通风散热辅助设施，挤占了补偿
电容空间；后者价格低，体积稍小，但寿命较短，可靠性差。

而且，二者都存在体积大的弊端。

首先，新型容性负荷开关理论上解决了二者的矛盾，将电力电子器件与磁保持开关相结合，发挥了电力电子器件通断电流无电弧、磁保持开关接触电阻小的优势，形成体积小、容量大的
容性负荷开关。

然而，实际运行中，仍普遍存在电力电子器件损坏和磁保持开关触点粘合等问题。

控制电路初步研究和波形综合分析发现：磁保持开关在通断瞬间存在轻微抖动，使得开关
上产生明显的过压现象，进而导致开关单元的损坏。

其次，由于磁保持开关自身容量和控制设计限制，容许的单组电容器容量多在8kVar以下（单相）。

由于采用独立的封装与控制，同样存在体积大的问题，且与现有控制器不能良好兼容；
再次，分相控制是大体积建筑末端补偿的大趋势。

由于主要使用于公共或民用建筑内部，
负荷波动相对幅度大，波动频率高，开关投切的次数将大大增加。

同时，常规开关的工作噪音、日常维护等问题更加突出，而目前还没有成熟容性负荷开关与该需求相适应。

2系统设计
由于现行的复合开关或多或少存在一些问题，如散热问题、体积较大的问题以及可靠性问题。

因此，我们将通过IGBT和磁保持继电器的投切配合来减少散热并解决触点抖动问题，通过多路集成和减少散热片来减小开关体积，从而增强复合开关的使用寿命。

2.1硬件设计
复合开关工作原理是将IGBT与磁保持继电器并接，当智能复合开关接收到投入或切除电容器组指令后，利用IGBT无触点过零投切能力将和脉冲开关低阻特性，通过二者控制时序合理配合，实现无弧开断和微功耗运行，同时具有智能监控、自诊断故障保护、缺相保护、空载保护等完善的保护措施。

其结构如图1所示。

2.3软件设计
为了达到理想的工作状况，IGBT和磁保持继电器的开、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。

其中复合开关的动作时序如下：(1)投入时段。

首先使IGBT在电压过零时刻导通，将电容器平稳可靠地投入电网，维持其导通状态；然后使磁保持继电器导通，使二者并联工作，并持续一段时间；最后当电路工作状态稳定后，将IGBT断开退出工作，使磁保持继电器独立承担电容器与电网的连通作用；(2)切除时段。

首先使IGBT导通，使其与磁保持继电器并联工作；接着使磁保持继电器退出工作，电容器与电网的连通作用短时内由IGBT独立承担；最后切除IGBT的触发信号，使IGBT在电流过零时自然关断。

（见图2）
3.1MCU
采用Microchip公司生产的系列单片机PIC16F73，它是一款高性能8 位CPU ,28DIP 有22 个I/O口、4K程序储存器．具有RISC结构、抗干扰、速度快、保密性强的特点。

在本系统中完成电压检测、相序检测、过零检测、运行；l犬态指示以及对磁保持继电器和IGBT的控制。

3.2磁保持开关
通过比较，我们将采用HHM801磁保持继电器，继电器具有如下特点：
(1)采用桥式触点结构，触点切换功率大；
(2)具有后动操作机构；
(3)采用高性能磁钢，使得继电器抗振动，且冲击性能好；
(4)触点间隙大，触点间耐压高；
其主要技术参数如表l
3.31GBT
QP12W05S -37是MORNSUN在原来QC962的基础上开发出来的一款自带隔离电源的混合集成型IGBT驱动器，该驱动器较QC962的优势在于自带隔离DC-DC电源，无需用户单独考虑配套电源的选择，方便用户的使用，同时由于自带隔离电源，其分布参数更小，工作更安全可靠，使系统的布置和安装更为简便。

QP12W05S-37较一般的IGBT驱动器，信号接收端具有很强的抵抗共模干扰信号的能力；采
用包封工艺、SIP封装，具有极小的体积f1又为：52x25x15mm3)。

另外，QP12W05S -37还具有输入信号兼容CMOS＆TTL电平；初／次级之间电气隔离达3750VRMS/分钟；开关频率高达20kHz;内建短路保护和故障输出功能、过流故障时输出软关断及软关断时间可调功能、过流故障保护
后定时复位功能、短路检测抑制时间(盲区）可调功能等优点。

基于单片机控制的复合开关工作时损耗小，不增加电网谐波，并具有无冲击、低功耗、高
寿命等显着优点，可替代接触器或晶闸管开关，用于低压无功补偿领域投切电容器是较理想的。

且使用复合开关可以增加投切电容器组数，提高功率因数，提高电网质量。

（作者单位：后勤工程学院／解放军第十二医院）。