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自动无功补偿用复合开关电路

    随着电网供电的日趋紧张，进一步挖掘供电潜能，节能降耗，已是摆在供电部门和用电客户面前的一个亟待解决的问题。对低压配电变压器来讲，对其加装自动无功补偿装置是一种有效的节能降耗措施。在上一代的无功补偿控制装置中，为防止在电压峰值处投入电容，通常采用具有过零触发的固态继电器作为其功率开关器件，但固态继电器却有如下缺陷：1.固态继电器导通时，其结压降约为2.3V,但流过的电流却为数十安，因此，一个固态继电器导通时将产生几十瓦的功耗，三相将产生近200W的功耗。无功补偿通常要补偿2~6组电容，故所有固态继电器的功耗将超过1000W。为此，不但需要在自动无功补偿装置中加足够大的散热器，还要加装风扇进行散热。否则，过高的温度会使固态继电器损坏。2.易受温度及辐射的影响，参数稳定性较差，对瞬变干扰比较敏感，需要加装保护器件。3.当被投切的电容发生短路故障时，固态继电器通常因过流而损坏。4.当电网电压因谐波而突然升高时，固态继电器也易损坏。 
　　这样导致的突出问题是产品可靠性差，功率开关器件和补偿电容容易损坏，投资收益比高，直接影响了该产品的推广。为克服这一问题，我们设计了自动无功补偿装置专用的复合开关，很好地解决了这一问题。 
　　所谓复合开关，就是将固态继电器和交流接触器按一定时序配合下有序工作的两个功率开关。固态继电器的优点是过零触发，对补偿电容的冲击小，缺点是其导通时功耗大;交流接触器的优点是其导通时功耗小，缺点是不能确保过零导通。我们取两者之优点，回避其缺点，所制作的复合开关就能确保不但能过零触发，对补偿电容的冲击小，而且导通时功耗小。省掉了无功补偿装置中的笨重的散热器和风扇，降低了成本。 
　　具体工作过程如图示，当需要投入补偿电容C1时，自动无功补偿装置发出一个控制信号经电阻R1、D2、R12输入到CPUU4P89LPC901的4脚，即管脚P1.5,该管脚的功能为：它可作为低有效复位输入或数字输入口。当UCFGl寄存器中的位RPE(复位管脚使能)置位时，使能P1.5的外部复位输入功能。当清零时，P1.5可作为一个输入管脚。在上电过程中，连接到该管脚的外部电路不应将其拉低，否则将使器件一直处于复位状态。在上电完成之后，该管脚可根据RPE位的状态作为数字输入口。只有上电复位会暂时使RPE的设定失效，其他复位源无法影响RPE位的设定。电阻R12上将有近4V的直流电压作为一个输入信号，告诉CPU:自动无功补偿装置发出闭合复合开关的命令。CPU接收到这一信号后，令2、5脚输出0,3脚输出1,使U1导通，触发双向可控硅Q5在交流电压过零处导通，补偿电容C1投入运行;延时1秒令脚输出1,Q3导通，继电器J得电，常开触点闭合，因交流接触器线圈上加有交流电而动作，其常开触点闭合，也将补偿电容C1投入运行;延时1秒后，U4的4脚变为零，U1截止，可控硅Q5也截止，这样，复合开关导通时的大部分时间内是交流接触器的常开触点在导通，而可控硅只是在复合开关导通瞬间动作一下，时间很短，功耗很小，故不需要散热。当自动无功补偿装置撤除控制信号时，U4的4脚变为低电平，CPU将令U1导通，可控硅Q5导通，延时1秒后，2脚由高变低，Q3截止，继电器J失电，交流接触器与补偿电容C1断开，但此时补偿电容C1通过可控硅Q5继续运行。 
　　延时1秒后，CPU令3.5脚输出0,U1截止，Q5将在电流过零处与补偿电容C1断开。补偿电容C1退出运行。 
　　由于自动无功补偿装置与CPU(U4)共地，D2是为防止因控制信号接反而损坏复合开关的内部电路。可控硅对外界触发非常敏感，为提高控制的可靠性，特别是预防开机冲击，在采用平衡驱动技术，即光耦的导通需要CPU的3.5脚同时输出有效信号才能使光耦U1和可控硅Q5导通。否则任何一脚上的干扰信号都不能使其导通。当线路交流电压过高时，U4的#脚电压就会高于7脚电压，U4的内部电压比较器动作，它将通过软件迫使2.3.5!脚输出0,使可控硅和交流接触器都与补偿电容C1断开，从而起到过压保护的作用。否则，过高的电压会损坏可控硅Q5和电容C1。U4的直流工作电压为3~6V,二极管D5、D6起降压作用。在上电复位时，U4的各口的锁存器配置为无内部上拉的的输入模式，故在开机时，U4的脚通常不会瞬时输出一个脉冲使Q3导通，为了保险，加下拉电阻R10。 
　　补偿电容C1的单位为kVAR,它是根据高压电容在额定工频、额定电压下产生的无功功率来标定的。kVAR=314U2C(U为电容C上的额定电压，单位为V,C为电容容量，单位为F)。