基于單片機的復合開(kāi)關(guān)及其應用研究

介紹了一種基于單片機PIC16C61并應用于低壓電容無(wú)功補償的復合開(kāi)關(guān),該復合開(kāi)關(guān)與接觸器、固態(tài)繼電器相比，具有投入浪涌電流小，工作時(shí)無(wú)損耗等優(yōu)點(diǎn)，文中分析了這種復合開(kāi)關(guān)的工作原理以及各種電壓波形。同時(shí)介紹了他在低壓無(wú)功補償中的應用。理論和實(shí)驗都證實(shí)了這種新型復合開(kāi)關(guān)是具有廣泛應用前景的電器產(chǎn)品。

　　1用于低壓電容無(wú)功補償的各種開(kāi)關(guān)應用情況

　　在用電設備中，存在著(zhù)大量的感性負載(如電動(dòng)機)，這些感性負載在消耗有功功率的同時(shí)，也占用了大量的感性無(wú)功功率，由于無(wú)功功率虛占了設備容量、增大了線(xiàn)路的電流值，而線(xiàn)路的損失與電流的平方成正比。因此，無(wú)功功率必須予以補償。為了提高功率因數，一般企事業(yè)單位用電容器的容性進(jìn)行無(wú)功補償。在補償地點(diǎn)上可采取變電所集中補償、分區域集中補償、分散就地補償、分散與集中相結合等，在補償方式上可分為手動(dòng)補償和自動(dòng)補償。由于補償地點(diǎn)和方式關(guān)系到節電效果，關(guān)系到設備投資，關(guān)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(kāi)關(guān)有以下3種：

　　(1)普通接觸器

　　電容器的電流與電容電壓對時(shí)間的微分成正比,當接觸器投入時(shí),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(shí),則通過(guò)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(diǎn)處產(chǎn)生火花，使觸點(diǎn)粘住、無(wú)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(wú)法正常工作。

　　(2)帶預投電阻的專(zhuān)用接觸器

　　這類(lèi)接觸器整體體積較大，事實(shí)上在工作時(shí)也沒(méi)有真正解決浪涌電流問(wèn)題，同時(shí)，由于與接觸器觸點(diǎn)配合不理想使電阻發(fā)熱而損壞的現象時(shí)有發(fā)生，所以，這類(lèi)接觸器并不是理想的電容投切接觸器。

　　(3)過(guò)零觸發(fā)固態(tài)繼電器

　　交流繼電器的內部往往用2個(gè)單向可控硅反并聯(lián)或雙向可控硅構成,用于電容投切無(wú)功補償時(shí)的工作原理是這樣的：當固態(tài)繼電器接到投切信號時(shí)，還要判別觸點(diǎn)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(shí)，則開(kāi)關(guān)閉合，投入工作;當固態(tài)繼電器接到切斷信號時(shí)，則可控硅自然關(guān)斷，即電流為零時(shí)關(guān)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(shí)的工作狀態(tài)非常理想，但他存在著(zhù)一個(gè)致命的缺陷工作過(guò)程的發(fā)熱和諧波問(wèn)題，這就限制了他在電容投切領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣。

　　2復合開(kāi)關(guān)的工作原理

　　電容無(wú)功補償分為單相補償和三相補償，采用的開(kāi)關(guān)相數也分為兩種。無(wú)論是單相投切開(kāi)關(guān)還是三相開(kāi)關(guān)，機械式接觸器不可能較準確地做到開(kāi)關(guān)兩端電壓過(guò)零時(shí)閉合，在電流過(guò)零時(shí)切斷，而固態(tài)繼電器卻能做到這一點(diǎn)。相反，在開(kāi)關(guān)閉合工作時(shí)，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(wèn)題。因此，吸取固態(tài)繼電器和接觸器的優(yōu)點(diǎn)將是最佳的選擇。也就是希望電容無(wú)功補償的投切開(kāi)關(guān)在投入和切斷瞬時(shí)利用(雙向)可控硅的特性，在平時(shí)閉合工作時(shí)利用機械觸點(diǎn)接觸電阻極小的特性，構成了可控硅和繼電器(接觸器)并聯(lián)工作的開(kāi)關(guān)即復合開(kāi)關(guān)。

　　為了達到理想的工作狀況，可控硅和繼電器的開(kāi)、斷有時(shí)序要求，假設復合開(kāi)關(guān)的投入命令高電平為有效，則切斷命令為低電平有效;開(kāi)關(guān)(可控硅、繼電器)閉合用高電平有效表示，則開(kāi)關(guān)斷開(kāi)用低電平有效表示，其各信號動(dòng)作時(shí)序如圖1所示。

　　在圖1中Δt1為復合開(kāi)關(guān)接收到投入命令后等待電壓過(guò)零所需的時(shí)間;Δt2是繼電器延時(shí)閉合設定時(shí)間;Δtjo為繼電器閉合動(dòng)作時(shí)間;Δtjf為繼電器斷開(kāi)動(dòng)作時(shí)間;Δt3是可控硅延時(shí)斷開(kāi)設定時(shí)間;Δt4可控硅自然關(guān)斷所需的時(shí)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(xiàn)圈通斷信號、繼電器通斷、電網(wǎng)電壓、電容(或觸點(diǎn))電流。當復合開(kāi)關(guān)接收到投入命令時(shí)，可控硅的觸發(fā)信號準備就緒，只要電壓過(guò)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(shí)一段時(shí)間，此時(shí)間在設計時(shí)必須保證：只有當可控硅導通后，才能閉合繼電器。當復合開(kāi)關(guān)接收到切斷命令后，繼電器立即斷開(kāi)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間可控硅觸發(fā)信號消失，據可控硅關(guān)斷特性，只有當通過(guò)可控硅陽(yáng)極電流過(guò)零時(shí)，才能自然關(guān)斷。