陈祖成，王硕禾，刘治聪，王刚，赵绍策

(石家庄铁道大学电气与电子工程学院,石家庄050043)

摘  要：本文提出了一种利用无线通信技术的复合开关的工作原理及实现方法，其硬件系统主要 包括过零检测电路、无线通信模块、单片机控制，显示电路等几部分。该复合开关解决了交流接触 器投切电容过程中的涌流和过电压问题，也解决了晶闸管投切电容出现的谐波和功耗大的问题，非 常适用于投切电容的场合。而且本设计采用了无线通信方式控制投切开关，增强了设备的可移动 性，使设备更加灵活。所以此复合开关投切功耗小、无谐波、无涌流、使用寿命长，在无功功率补偿 中具有较高的使用价值和广泛的应用前景。

关键词：无功补偿；复合开关；无线通信技术

 

0 引言

随着无功负荷的增加，无功损耗也越来越大。无功功率补偿的重要性得到认可，在低压侧并联电容器来提高功率因数得到广泛应用。无功功率补偿装置一般由电容器、主控电路和投切电路组成。其中，投切电路是整个装置的关键。

早期补偿装置采用交流接触器作为投切器件，在其投切时容易产生涌流，还会冲击电网，造成电网的不稳定。后期随着电子器件技术的日益成熟，晶闸管作为投切器件，在电网电压过零点时投切，能有效避免涌流。但在实际运行中，在晶闸管导通状态会产生管压降，存在0.7 V左右的管压降，造成一定的功率损耗和温升，还会产生谐波电流，干扰电容器正常工作3晶闸管是半控型器件，长时间承受反压就会烧毁。

传统的补偿装置靠导线进行通信，而在实际工程当中有线网络的布线、改线的工程量大，线路容易出现故障，装置不容易移动；有线网络布线繁琐，开关柜内电缆泛滥D无线通讯不需要布设电缆、安装简单、成本低廉、可移动性非常强，后期维护容易，可以在有线难以实现的情况下达到工程要求。

通过分析：交流接触器不能在电压过零及时闭合，也不能在电流过零时及时断开，而晶闸管可以做到；相反，晶闸管在工作时会产生损耗和电压谐波,交流接触器可以避免。本设计采用磁保持继电器和晶闸管并联的复合开关，能够有效解决以上投切器件的缺点。投切时首先晶闸管在过零点时导通，稳定时磁保持继电器导通，然后再断开晶闸管3。这种复合开关动作可靠、对电网冲击小、使用寿命长。利用无线技术通信控制技术可以省去电缆布线，而且可移动性增强。因此，利用无线通信技术的复合开关对无功功率补偿技术有着一定的实用价值。

本文研究的是基于无线控制技术的磁保持继电器和晶闸管并联的复合开关装置，由于磁保持继电器闭合或断开具有磁保持的作用，所以复合开关功耗低，使用寿命长。控制技术是通过无线控制，他避免了有线控制的繁琐性，增加了可移动性，他是口前有一定前景的投切开关

1 复合开关的基本原理

图1为利用无线通信技术的复合开关的结构 简图。

   

图1  复合开关的结构简图

其工作原理是当无功补偿控制器检测到功率因数低于下限时，利用无线技术发出投切信号。单片机接收到无功补偿控制器的投人命令后，首先单片机检测电压过零点，然后发出触发脉冲，导通晶闸管，把电容器并人电网。经过2-3个周期后，再发出信号使磁保持继电器导通。等磁保持继电器稳定后，停止触发信号使晶闸管自然关断。大部分导通时间靠磁保持继电器来承担。当单片机收到切除命令后，立刻向晶闸管发出触发信号，同时发出关断磁保持继电器的信号。因为晶闸管只有承受正压和正门极电压才能导通。

当电源电压过零时，过零检测电路给单片机信号，确认投切后首先给晶闸管触发脉冲实现电压过零导通，待运行稳定时闭合磁保持继电器断开晶闸管；当不需要补偿时，先让晶闸管导通再断开磁保持继电器，然后晶闸管自然关断，实现电流过零断开。可见，在复合开关投切过程中，晶闸管只是工作一瞬间，减小了功耗，而且可以过载运行,在选择晶闸管容量时可以裕量小一点，进而降低成本。

因为可以精确地控制晶闸管的通断，能够达到较为理想的通断状态。磁保持继电器只在动作时需要电能，不动作时靠磁场保持状态，所以功耗较低。复合开关的主要电流由磁保持继电器承担，晶闸管只是短时间的过渡。

低压无功补偿控制器先在5相电源其中的一线电流进行釆样，再与另外两线的电压相位作差运算，然后通过计算得出当前电网运行的实时功率数此时的功率因数应与设定好的功率因数作对比，若他小于设定的数值则投切电容器。在投切过程中，若发现检测到的电压高于额定电压10%时，则一次性全部断开正在工作的电容器，避免电容器被烧毁。在投切时如果出现电流小于设定电流时，无功补偿控制器进行判断，就不会再发出投切信号。

低压无功补偿控制器和复合开关配合使用，具有采集并显示电测量数据，检测和显示复合投切开关运行工况、投切状态，以及根据无功功率与目标功率因数自动控制投切电容的能力。低压无功补偿控制器通过无线模块与复合开关进行通信；控制器采集电网电测数据，在显示复合开关的运行情况的同时，可以直接根据当前的电测数据，对电容组进行智能投切控制，以达到无功补偿的效果。

2  复合开关硬件电路设计

本设计的复合开关采用的是晶闸管和磁保持继电器并联。磁保持继电器在闭合或断开后就不需要电压来维持,能够状态保持。避免了产生电压谐波和减少功率损耗。同时，晶闸管在电压过零时导通，避免了涌流。把他们进行并联，两者优势互补，取得了不错的效果。

利用无线通信技术的复合开关电路结构主要包括无线通讯电路、显示电路、电源电路、运算电路、驱动电路和过零检测电路，如图2所示。

   

图2  复合开关结构图

1)过零检测电路。过零检测电路：将220 V正弦交流电先通过电阻进行降压，再经过MB2S整流桥整流为脉动的直流，通过稳压管和三极管的开关状态检测出电网的过零点，用于投切磁保持继电器的闭合，过零检测模块电路如图3所示。

   

图3  过零检测电路图

过零检测电路主要由整流块、稳压二极管、三极管、光耦、电阻和电容的相互配合，由Zero输出端输出不规则脉冲波，该脉冲波即过零点，再将过零检测电路的输出端与施密特触发器连接，进行整形，最终输出标准的方波信号，该脉冲信号周期10ms,占空比10%,脉冲幅值5 V,输出的脉冲信号正好在电网电压过零点附近出现。将该脉冲信号作为驱动单片机发出投切指令的信号，从而单片机通过过零检测电路给出信号控制复合开关，实现过零投切。

2)驱动电路。本设计采用的是大功率磁保持继电器，他通过磁刚力维持着断开和闭合的状态，从而接触非常可靠,线圈基本上不需要消耗电能，闭合的时候电阻比较小，动作范围相对较宽，体积小，可以长时间重负荷工作，驱动模块的电路如图4所示。

   

图4  驱动电路图

其原理是：当单片机收到投切信号时，给A ON 高电平，光耦U₁₇动作，晶闸管立刻导通；同时光耦 U动作，INB输人高电平，磁保持继电器ON通过二极管导通闭合电容；再给A_0FF低电平，晶闸管过零断开,磁保持继电器不动作。当单片机收到切断信号，给A_0FF高电平，光耦U17动作，晶闸管立刻导通，同时光稱U₂₁动作，INA输人高电平，磁保持继电器OFF通过二极管导通断开电容；晶闸管过零自动断开。其中驱动芯片XC2023自身静态功率损耗很低，耐受电压值较高等优点，真值表见表1。

XC2023的主要特点是：耐压范围宽(5～30 V)；静态工作电流很低（通常<2A);驱动功率能达到 5W；输人输出级具有保护电路。

3)无线控制电路。无线通信电路改善了传统的补偿装置靠导线进行通信的布线与改线工程量大、线路容易出现故障、装置不容易移动、布线繁琐、开关柜内电缆泛滥的缺点。

表1  XC2023的真值表

  

 

无线通讯电路采用无线接收发芯片PT2272/PT2262，他低功率损耗很低，价位也不高，是一种通用的编/解码电路，常出现在无线通讯电路作为地址编码用。这两个芯片都具有12位状态(高阻、高 电平、低电平)。

接收模块接收到信号并对比后，VT脚才变为高电平，此时的数据端口也变为高电平，若不停地发送数据，编码芯片也会不停地发射。若不发射信号时，PT2262不得电，他的17引脚始终保持低电 平，315 MHZ的信号就会因为断电而不能工作。

发射模块相对来说比较简单，是以PT2262为核心芯片组成的外围电路。他的频率一致性好，传输距离远，稳定性很高，理论上无线距离能达到20 m 左右；接收模块的体积小，传输距离长，使用非常方便，而且他的精度较高，稳定性也比同类产品有很大的改善，如图5所示。

  

图5  发射模块(左)和接收模块(右）

无线通信的工作原理：当低压无功补偿控制器发出投切信号时，无线发射模块接通电源发出信号，无线接收模块收到信号后其数据端由低电平变为高电平。接收模块的数据端与单片机连接，单片机只需判断此端口为高电平还是低电平就能得知是否需要投切电容器。

无线电路的难点在于对硬件电路进行仿真时有的元件没有，所以只能进行理论分析。有些部分虽然仿真效果很好，但是不能代表实际电路就没有问题，仿真与实际电路还是存在一定的误差。无线接收模块输出的是高低电平，所以在进行投切仿真时，利用开关和电源来实现高低电平的切换1。

4)电源电路和显示电路。因为本次设计需要的电源功率不高，所以采用了稳压块作为电源电路的主要器件。此电源电路只需和电容配合使用，电路比较简单，完全满足要求，价格方面经济实惠。电源电路由变压器、整流桥、稳压块、电压互感器及电阻和电容元件组成。其原理是：经过变压器降压，再由整流桥整成脉动的直流，再经过稳压块稳压成+5 V和+3.3 V电压。为了抑制电路中的高频干扰，在该电路中串人了磁珠。

状态逋示电路采用LED发光二极管，LED发光 二极管显示电路的相应工作状态。数码管显示磁保持继电器的投切次数。由于投切开关有一定的寿命，随着投切次数的增加，磨损率也会越来越高，所以本设计采用数码管显示投切次数，当达到规定上限提醒更换器件。

单片机的驱动电流不足以驱动数码管，所以由74HC595驱动，几乎所有的电子显示屏都是用他作驱动芯片。74HC595不仅能够串行输入瑜出还能并行输出，输出寄存器可直接清除100 MHz的移位频率。

3 复合开关的软件电路设计

复合开关的软件设计，包括硬件部分和软件部分的相互配合，包括硬件电路的仿真和无线控制技术程序的设计，控制好磁保持继电器和晶闸管的通断时序。其中的难点在于如何在电网电压过零时 投切不会产生涌流和谐波。

3.1 复合开关工作流程图

在电路一上电时，就一直在进行过零检测，若单片机收到无线模块发出的投切信号指令后，如果在过零点单片机就发出投切指令，按时序控制磁保持继电器和可控硅的通断，进而通过数码管和发光二极管显示投切次数和状态；若不在过零点，则继续等待，等到过零点时再进行投切。本设计的过零检测电路输出端接到了施密特触发器，最终给单片机的是标准的方波信号。当单片机同时检测到方波的上升沿和投切信号才会发出投切指令，进而实现整个电路的有序控制，如图6所示。图7为投切晶闸管信号的仿真图。

   

图6  复合开关工作流程图

  

图7  投切晶闸管信号的仿真图

由图易知，投切指令只有在电压过零点和低压无功补偿控制器发出投切信号共同发生时才动作。

3.2 磁保持继电器与晶闸管的通断控制

当发出投切指令时，单片机在过零点时发出触发脉冲，使晶闸管导通，待电路运行稳定后，再使磁保持继电器闭合，切除触发脉冲，使可控硅在过零点时自动关断。当发出切除指令时，首先让晶闸管先导通，再断开磁保持继电器，经过一定时间后，去掉触发脉冲，晶闸管在过零点自动断开。此过程通过单片机程序的控制就可以实现。程序控制流程图如图8所示。

   

图8  磁保持继电器与晶闸管的时序控制

由流程图可知，电容在投切和切除时，既不会产生涌流，也不会产生谐波，避免了对电网的冲击。在投切电容器时，必须让晶闸管在电网电压过零 点一瞬间导通，才能保证不会产生涌流；当电路正常工作时，磁保持继电器代替晶闸管工作，此时不需要电压维持，减少了电能损耗，也不会产生谐波。

3.3 抗干扰设计

在电路中要想保证系统绝对性的不受干扰是不可能的，因为干扰信号来自多方面原因，具有很多不确定因素。虽然复合开关具有投切功耗小、无谐波、无涌流、使用寿命长等优点，但是也会存在一定的电磁干扰(EMI),这些电磁干扰可能会随着投切频率的增大而增强，进而可能会影响复合开关的正常运行，为此本设计对其电磁兼容性问题进行了研究。本设计中用到了功率开关管、整流二极管以及变压器，在其工作过程中都有可能成为电磁干扰源，抑制这些干扰的基本手段有屏蔽、接地处理、输入输出滤波器、改良电路方式等多种形式14。本文采用滤波电路等措施提高开关的抗干扰能力，从整体上提高了开关电源的电磁兼容性，使他在复杂的电磁环境下能够稳定运行。电源线是电磁十扰(EMI)出人电子装置的一个重要途径，在设备电源线人口处安装电网滤波器可以有效地切断这条电磁干扰传播途径。抑制EM1信号和高次谐波的方式还有许多，如选用开关速度高的半导体器件，合理设计PCB电路板，对电路板上元器件进行抗干扰布局以及各种电源线、信号线的捆扎、配置等都能有效抑制EMI.

在复合开关的程序中加人了软件看门狗，单片机STC15W408S自带看门狗电路，他不断地监视程序，如果程序跑飞，就会判定系统处于死机状态，看门狗会立刻将单片机复位，使单片机重新工作在正常状态。如果程序不能定时交替出现高低电平，则复位单片机。当系统受到干扰后，程序出现卡死时，看门狗程序能够把控制器恢复正常。

4 复合开关实验结果

实验中通过低压无功补偿装置和投切开关的配合使用能够实现过零投切的功能，即当线路功率因数过低时，低压无功补偿控制器输出高电平，无线发射模块发出投切信号，接收模块接收信号，单片机检测到过零点和投切信号后发出投切指令，电容投切成功，状态显示电路可现实投切次数。显然采用无线通信技术减小了布线的难度，使硬件电路和软件电路变得简单，可移动性增强。经过多次试验，复合开关能够正常工作。

硬件实验结果如图9所示，仿真实验结果如图10所示。

 图9  硬件实验结果图

图10  仿真实验结果图

本实验是采用可调三相交流电源电压试验台和示波器来完成的。通过观察波形就可以得出结论。图10(a)、图10(b)、图10(c)为实际测量磁保 持继电器和晶闸管两端的波形。

在图10(a)中可以看出在没有过零点时磁保持继电器闭合产生涌流现象，对电网电压也造成了影响；图10(b)为晶闸管在电压过零时导通的电压波形，可以明显看出投切时的波形比较平稳，避免了涌流的产生。说明了投切电容时效果良好,达到了实验目的。图10(c)为切除电容器时，去掉触发脉冲后晶闸管自动关断的电压波形，做到了电流过零关断。

经过反复实验，最终得出了有效的结果。从示波器的波形来看，晶闸管和磁保持继电器相结合的复合开关性能优于各自的性能。解决了磁保持继电器和晶闸管在实际应用中的各种问题，提高了电力系统稳定性，降低了电能损耗。

5 结束语

本文针对不同类型的投切开关存在的问题，在参考了大量文献的基础上，成功完成了复合开关设计。通过理论分析和实际操作，证实了利用无线通信技术的复合开关比传统的投切开关具有更多的优势。无功功率补偿是电力系统运行的基本需要，并联电容补偿是最简单和经济可靠的一种补偿方式。并联在电网上的电容是通过检测自动投切的，所以投切开关起着至关重要的作用。