CN204304445U - 一种相控开关峰值过零投切涌流控制电路 - Google Patents

一种相控开关峰值过零投切涌流控制电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种相控开关峰值过零投切涌流控制电路，属于电力***的无功补偿和谐波滤波技术领域。该控制电路包括含智能控制器件的控制电路以及控制电容器组与电网电源通断的磁保持继电器开关，磁保持继电器开关旁并联高压二极管与高阻值高压限流电阻串联组成的主串联电路；高压限流电阻旁并联辅助继电器开关与低阻值高压限流电阻串联组成的副串联电路；控制电路的智能控制器件的过零信号输入端接磁保持继电器开关触点两端，基准相位检测电路检测端接电网电源，控制输出端接主继电器开关和辅助继电器开关的受控端。本实用新型解决了传统预充电电路的上电涌流大、易损坏电容器组的问题，节能环保，没有能耗，适用于各种连接方式、不同电压等级的多相开关电容器组投切控制。

Description

一种相控开关峰值过零投切涌流控制电路
技术领域
本实用新型涉及一种涌流控制电路，尤其是一种相控开关峰值过零投切涌流控制电路，用于电网电能质量治理工程中，可以实现对电容器组的快速无冲击电流投入和电流过零时切除，属于电力***的无功补偿和谐波滤波技术领域。
背景技术
电网通常需要无功补偿来达到稳定电网电压、提高功率因数、减低线路损耗的目的。投切电容器组是目前实现无功补偿的主要方法。然而，投切电容器组的技术现状不容乐观。
在无功补偿领域，约有80％使用机械式触点开关投切电容器。由于机械式触点开关是三极开关，其三个主触点同时闭合、打开，在随机不确定的电网电压相位角投切电容器，结果导致投入时的电流超过正常额定电流的4倍到10、20倍，引起电网电压畸变。此外，还存在合闸机械触点弹跳，打开触点重燃的危险概率，弹跳和重燃使得电容器组过电压，损坏电容器，容易造成事故。
之后研发的电网电压的过零点闭合开关在电流过零点打开开关来投切电容器，可以明显降低冲击电流，被称为同步开关技术。由于电容器组是容性负载，在电流为零打开时，电网电压的峰值电压会保存在电容器上，再次闭合开关投入电容器组时，首先需要将电容器上储存的电荷放电到零，因此工程上普遍采用了放电线圈。公告号为CN101510689的中国专利公开的技术采用附加电阻放电电路，打开电容器时，电容器上存储的能量为0.5*C*U2。由于线圈放电和电阻放电都是在耗能，因此导致能量损耗。并且由于放电需要时间，所以投切电容器组的开关由闭合、打开到再次闭合的动作时间长，通常为分钟级。可以说，利用现有的同步开关技术背靠背投切电容器组时，难免电容器涌流大。
复合开关是由精确触发动作的晶闸管开关和没有精度要求的三极机械开关组成，有并联型复合开关和串联型复合开关之分。申请号为01113435.6的中国专利公开了一种并联型复合开关，由于要用到晶闸管，所以比单纯采用机械开关所用元件数量多，控制时序相比单纯采用机械开关更复杂。工程应用并联复合开关常遇到机械开关打开、转入晶闸管投入运行时，晶闸管承受的di/dt过大，容易损坏的技术难题。
此外，晶闸管投切电容器(TSC)电路可以在20ms内准确、快速投入电容器，且没有电流冲击，不存在弹跳、重燃的问题。但是，中压TSC电路需要多个晶闸管串联，晶闸管的导通存在2V左右的管压降，一套中压TSC电路导通时晶闸管消耗几个kW的热量。因而需要采取风冷、水冷、热管等措施散热。实际上，由于TSC技术难度大，能耗大、造价高，故只应用在低压领域，中压领域应用的不多。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：提出一种相控开关峰值过零投切涌流控制电路，同时给出相应的控制方法，解决传统预充电电路上电涌流大技术难题，同时克服晶闸管投切电容器组(TSC)价格高、耗能大的缺点。
本实用新型的基本技术方案(参见图1)为：一种相控开关峰值过零投切涌流控制电路，包括含智能控制器件(CPU)的控制电路以及控制电容器组与电网电源通断的磁保持继电器开关(K1)，所述磁保持继电器开关(K1)旁并联高压二极管(D1、D2)与高阻值高压限流电阻(R1)串联组成的主串联电路；所述高压限流电阻(R1)旁并联辅助继电器开关(K3)与低阻值高压限流电阻(R2)串联组成的副串联电路；所述控制电路的智能控制器件的过零信号输入端接磁保持继电器开关(K1)触点两端，基准相位检测电路检测端接电网电源(UW端)，控制输出端接主继电器开关和辅助继电器开关的受控端。
进一步，所述电网电源为UVW三相电网电源，所述控制电路包括分别控制三相电网电源中的二相通断的两个磁保持继电器开关，各磁保持继电器开关旁分别并联二只高压二极管与对应高阻值高压限流电阻串联组成的主串联电路。
再进一步，所述磁保持继电器开关触点两端经过零检测电路后耦合连接到所述智能控制器件的过零信号输入端；所述电网电源的UW端经电压互感器和采样电阻采样后通过过零比较器接所述智能控制器件的基准相位检测电路检测端。
更进一步，所述各高压二极管连接方向相同。
本实用新型相控开关峰值过零投切涌流控制电路的控制方法为，控制电路的智能控制器件(CPU)按以下主要步骤进行相应控制：
第一步、辅助投入——接收开关投入指令信号后，输出相应控制信号使辅助继电器开关(K3)投入；
第二步、检测计算——接收过零检测信号，通过下式计算等待过零投入时间T等待；
T等待＝T-t动
式中：T——开关两端电压周期，单位ms
t动——驱动信号发出到开关实际闭合的时间，单位ms
第三步、计时判断——从过零时刻开始，判断过零投入时间T等待是否结束，如否则继续等待，如是则进行下一步；
第四步、主控投入——输出控制信号使磁保持继电器开关投入，并切除辅助继电器开关；
第五步、切除预备——接收开关切除指令信号后，获取进线电源的电压(UW)相位信号，并根据电流和电压的相位关系获得电流过零点；
第六步、切除控制——在电流过零点时刻输出控制信号切除磁保持继电器开关；
第七步、结束控制。
以上第一步使电网电源通过辅助继电器开关K3与低阻值高压限流电阻R2串联组成的副串联电路再次抬高磁保持继电器开关K1两端电压，保证其峰值电压过零，进一步有效避免由于高阻值高压限流电阻R1引起的开关两端电压过零偏离峰值点，以确保电容器组投切点逼近峰值电压处。
本实用新型的优点在于：UVW电源刚接通时，首先电网电源通过高压二极管(D1、D2)与高阻值高压限流电阻R1串联组成的主串联电路抬高开关两端电压，由于高阻值高压限流电阻R1阻值较大，因此可以降低电容器组上电合闸时电网电压对磁保持继电器开关和电容器组回路的冲击电流；而第一步的控制辅助继电器开关K3闭合，可以使电网电源通过辅助继电器开关K3与低阻值高压限流电阻R2串联组成的副串联电路再次抬高开关两端电压，而低阻值高压限流电阻R2阻值很小，确保开关两端电压在峰值电压处过零，进一步有效避免由于高阻值高压限流电阻R1引起的开关两端电压过零偏离峰值点；保证了磁保持继电器开关K1两端电压基本在电压峰值点过零，从而保证了磁保持继电器开关K1在电压波形峰值过零点(电压变化缓慢，电流零点)的闭合；此时因在电压峰值附近的电压波形最平坦，而电容器电流的相位超前正弦波电压90°，即电容器电流最小，因此使得在电压峰值附近一段时间内闭合磁保持继电器开关K1所产生的涌流都较小，完全不会使触点溶合。
本实用新型进一步的完善是，所述第一步和第二步之间还具有控制电路的智能控制器件(CPU)根据相位关系判别低阻值高压限流电阻和高阻值高压限流电阻是否损坏的电阻检定步骤——获取进线电源电压相序并作为基准相位，计算磁保持继电器开关K1两端之间电压峰值点相位时间与过零点相位时间的之差，若差值小于预定时间间隔，则进行第二步；否则进行第七步。
正常情况下，磁保持继电器开关K1两端电压峰值点相位时间与过零点相位时间的之差小于预定时间间隔(该时间间隔的具体数值根据低阻值高压限流电阻的实际阻值大小确定)，说明低阻值高压限流电阻R2以及高阻值高压限流电阻R1均正常；否则说明低阻值高压限流电阻R2损坏或低阻值高压限流电阻R2与高阻值高压限流电阻R1均损坏。通常时间相隔较大(与高阻值高压限流电阻大小有关)，则低阻值高压限流电阻R2坏，高阻值高压限流电阻R1正常；而当时间相隔达到5ms左右时，则说明低阻值高压限流电阻R2以及高阻值高压限流电阻R1均损坏。
本实用新型解决了传统预充电电路的上电涌流大、易损坏电容器组的问题，彻底扭转了中压动态补偿领域TCR+FC一统天下的局面；克服了晶闸管投切电容器组(TSC)价格高、耗能大的缺点；可以简化传统三相相控开关采用三个独立开关的结构，只采用两只独立的开关就完成了三相投切动作。在电压的峰值点投切开关，因此开关精度要求比传统相控开关低，效果却比传统相控开关好，这意味着成本低、质量高、用户易于接受；并且节能环保，没有能耗，符合时代要求；适用于各种连接方式(星型或三角型连接)、不同电压等级的多相开关电容器组投切控制。
附图说明
图1：本实用新型基本技术方案电路原理图。
图2：本实用新型实施例一——投切三角型连接电容器组的2控3电路原理图。
图3：本实用新型实施例二——投切星型连接电容器组的电路原理图。
图4：本实用新型实施例的控制逻辑流程图。
图5：本实用新型实施例辅助继电器开关K3、K4闭合前后磁保持继电器K1、K2两端的电压波形图。
图6：本实用新型实施例磁保持继电器K1、K2电流与基准相位电压UWU的相位关系图。
图7：本实用新型实施例磁保持继电器K1、K2电压及其过零信号与基准相位电压UWU的相位关系图。
图8：本实用新型实施例含智能控制器件(CPU)的控制电路原理图。
具体实施方式
实施例一
本实施例为一种在投切三角型连接电容器组的2控3电路中应用的相控开关峰值过零投切涌流控制电路，如图2所示，包括含智能控制器件CPU的控制电路以及分别控制三角型连接电容器组与三相电网电源中的二相通断的两个磁保持继电器开关K1、K2，各磁保持继电器开关K1、K2旁分别并联二只高压二极管D1、D2以及D3、D4与对应高阻值高压限流电阻R1、R3串联组成的主串联电路。高压限流电阻R1旁并联辅助继电器开关K3与低阻值高压限流电阻R2串联组成的副串联电路。高压限流电阻R3旁并联辅助继电器开关K4与低阻值高压限流电阻R4串联组成的副串联电路。
控制电路如图8所示，其中磁保持继电器开关K1触点两端经过零检测电路后耦合连接到智能控制器件CPU的过零信号输入端；电网电源的UW端经电压互感器和采样电阻R18后通过过零比较器接智能控制器件的基准相位检测电路检测端。具体而言，智能控制器件——CPU型号为STM8S207R8T6，磁保持继电器开关K1触点两端经分压电阻R1、R4分压后由稳压管D1、D2稳压，再通过D3、D4对电容C1充电，C1经过Q2、R9、R7放电，从而导通光耦U1，通过光电隔离器件U1耦合后的信号接CPU的过零信号输入端PB1；电网电源的UW端经电阻R16、R17分压后经电压互感器耦合后由R18采样，再通过比较器U2整形后接CPU的基准相位检测电路检测端PB0，CPU的控制输出端PEO、PE3分别控制主继电器开关K1、K2和辅助继电器开关K3、K4。
高压二极管D1与D2必须同方向串联连接，并且多相开关的电容器组投切控制电路中，所有开关两端的高压二极管必须连接方向相同，都是阳极或者阴极指向电网电源。
如图4所示，本实施例控制电路的CPU按以下步骤进行相控开关峰值过零投切涌流控制：
第一步、辅助投入——接收开关投入指令信号后，输出相应控制信号使辅助继电器开关K3、K4投入，此时K1、K2两端的电压波形如图5所示。
UVW电源刚接通时，电网电源首先通过两个高压二极管D1、D2或D3、D4与高阻值高压限流电阻R1或R3串联组成的主串联电路抬高开关两端电压，由于限流电阻R1、R3阻值较大(5.1k，5W)，因此降低了电容器组空载合闸时电网电压对回路的冲击电流，可以控制单个电容器单相冲击电流在2A以内。辅助继电器开关K3、K4投入后，电网电源通过辅助继电器开关K3、K4分别与低阻值高压限流电阻R2、R4串联组成的副串联电路，再次抬高了K1、K2两端电压达到峰值电压过零，进一步减小因限流电阻引起开关两端电压过零偏离峰值点的影响；磁保持继电器K1或K2电压过零投入，由于低阻值高压限流电阻R2、R4阻值很小(通常为Ω级)，所以其两端电压基本上在电压峰值点过零，保证了K1、K2在电压波形峰值过零点(电压变化缓慢，电流零点)闭合。而电压峰值附近的电压波形最平坦，电容器电流的相位又超前正弦波电压90°，所以电容器电流最小，在电压峰值附近一段时间内闭合继电器产生的涌流都较小，结果可以有效避免触点熔合。
辅助投入之后，接着进行各低阻值高压限流电阻和高阻值高压限流电阻是否损坏的判断——获取进线电源电压相序并作为基准相位(参见图7)，计算磁保持继电器开关K1、K2两端之间电压峰值点相位时间与过零点相位时间的之差，若差值小于预定时间间隔，则进行第二步；否则进行第七步。
将磁保持继电器K1两端电压峰值点相位时间与过零点相位时间进行比较，若时间相隔小于阈值(该值根据低阻值高压限流电阻的大小具体确定)，则低阻值高压限流电阻R2正常；如稍大于阈值，则高阻值高压限流电阻R1正常，而低阻值高压限流电阻R2坏；若时间相隔大至5ms左右，则判断低阻值高压限流电阻R2和高阻值高压限流电阻R1都坏了。限流电阻R3、R4的判断与上述类同。
第二步、检测计算——
接收过零检测信号，通过下式计算等待过零投入时间T等待；
T等待＝T-t动
式中：T——开关两端电压周期，单位ms(本实施例与电网周期相等为20ms)
t动——驱动信号发出到开关实际闭合的时间，单位ms(即开关的动作时间，本实施例约4ms)
第三步、计时判断——从过零时刻开始，判断过零投入时间T等待是否结束，如否则继续等待，如是则进行下一步；
第四步、主控投入——输出控制信号使磁保持继电器开关投入，并切除辅助继电器开关；
第五步、切除预备——接收开关切除指令信号后，获取进线电源的电压UW相位信号(参见图6)，并根据电流和电压的相位关系求得电流过零点；
第六步、切除控制——在电流过零点时刻输出控制信号切除磁保持继电器开关；
第七步、结束控制。
开关切除控制过程可参见图4，不另详述。
实施例二
本实施例为一种在投切星型连接电容器组的2控3电路中应用的相控开关峰值过零投切涌流控制电路，如图2所示，其构成及控制步骤与实施例一相同，不另赘述。
除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种相控开关峰值过零投切涌流控制电路，包括含智能控制器件(CPU)的控制电路以及控制电容器组与电网电源通断的磁保持继电器开关(K1)，其特征在于：所述磁保持继电器开关(K1)旁并联高压二极管(D1、D2)与高阻值高压限流电阻(R1)串联组成的主串联电路；所述高压限流电阻(R1)旁并联辅助继电器开关(K3)与低阻值高压限流电阻(R2)串联组成的副串联电路；所述控制电路的智能控制器件的过零信号输入端接磁保持继电器开关(K1)触点两端，基准相位检测电路检测端接电网电源UW端，控制输出端接主继电器开关和辅助继电器开关的受控端。
2.根据权利要求1所述的相控开关峰值过零投切涌流控制电路，其特征在于：所述电网电源为UVW三相电网电源，所述控制电路包括分别控制三相电网电源中的二相通断的两个磁保持继电器开关，各磁保持继电器开关旁分别并联二只高压二极管与对应高阻值高压限流电阻串联组成的主串联电路。
3.根据权利要求2所述的相控开关峰值过零投切涌流控制电路，其特征在于：所述磁保持继电器开关触点两端经过零检测电路后耦合连接到所述智能控制器件的过零信号输入端；所述电网电源的UW端经电压互感器和采样电阻后通过过零比较器接所述智能控制器件的基准相位检测电路检测端。
4.根据权利要求3所述的相控开关峰值过零投切涌流控制电路，其特征在于：所述各高压二极管连接方向相同。
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