基于單片機(jī)的復(fù)合開關(guān)及其在低壓無功補(bǔ)償中的應(yīng)用

1用于低壓電容無功補(bǔ)償的各種開關(guān)應(yīng)用情況
　　在用電設(shè)備中，存在著大量的感性負(fù)載（如電動(dòng)機(jī)），這些感性負(fù)載在消耗有功功率的同時(shí)，也占用了大量的感性無功功率，由于無功功率虛占了設(shè)備容量、增大了線路的電流值，而線路的損失與電流的平方成正比。因此，無功功率必須予以補(bǔ)償。為了提高功率因數(shù)，一般企事業(yè)單位用電容器的容性進(jìn)行無功補(bǔ)償。在補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)上可采取變電所集中補(bǔ)償、分區(qū)域集中補(bǔ)償、分散就地補(bǔ)償、分散與集中相結(jié)合等，在補(bǔ)償方式上可分為手動(dòng)補(bǔ)償和自動(dòng)補(bǔ)償。由于補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)和方式關(guān)系到節(jié)電效果，關(guān)系到設(shè)備投資，關(guān)系到設(shè)備運(yùn)行安全與維護(hù)，因此，必須因地制宜地加以選擇。目前，電力電容器的投切開關(guān)有以下3種：
　　(1)普通接觸器
　　電容器的電流與電容電壓對(duì)時(shí)間的微分成正比,當(dāng)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(dá)1.4倍的額定電壓以上,當(dāng)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),則通過接觸器和電容器電流將高達(dá)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、無法分?jǐn)喽鴵p壞；另一方面，縮短了電容器的使用壽命；再者，對(duì)電網(wǎng)的巨大沖擊而產(chǎn)生了干擾，可能使其他電子設(shè)備無法正常工作。
　　(2)帶預(yù)投電阻的專用接觸器
　　這類接觸器整體體積較大，事實(shí)上在工作時(shí)也沒有真正解決浪涌電流問題，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(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，所以，這類接觸器并不是理想的電容投切接觸器。
　　(3)過零觸發(fā)固態(tài)繼電器
　　交流繼電器的內(nèi)部往往用2個(gè)單向可控硅反并聯(lián)或雙向可控硅構(gòu)成,用于電容投切無功補(bǔ)償時(shí)的工作原理是這樣的：當(dāng)固態(tài)繼電器接到投切信號(hào)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)，則開關(guān)閉合，投入工作；當(dāng)固態(tài)繼電器接到切斷信號(hào)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，但他存在著一個(gè)致命的缺陷工作過程的發(fā)熱和諧波問題，這就限制了他在電容投切領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣。

2復(fù)合開關(guān)的工作原理
　　電容無功補(bǔ)償分為單相補(bǔ)償和三相補(bǔ)償，采用的開關(guān)相數(shù)也分為兩種。無論是單相投切開關(guān)還是三相開關(guān)，機(jī)械式接觸器不可能較準(zhǔn)確地做到開關(guān)兩端電壓過零時(shí)閉合，在電流過零時(shí)切斷，而固態(tài)繼電器卻能做到這一點(diǎn)。相反，在開關(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(jī)械式接觸器卻能避免這些問題。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。也就是希望電容無功補(bǔ)償?shù)耐肚虚_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(jī)械觸點(diǎn)接觸電阻極小的特性，構(gòu)成了可控硅和繼電器（接觸器）并聯(lián)工作的開關(guān)即復(fù)合開關(guān)。
　　為了達(dá)到理想的工作狀況，可控硅和繼電器的開、斷有時(shí)序要求，假設(shè)復(fù)合開關(guān)的投入命令高電平為有效，則切斷命令為低電平有效；開關(guān)（可控硅、繼電器）閉合用高電平有效表示，則開關(guān)斷開用低電平有效表示，其各信號(hào)動(dòng)作時(shí)序如圖1所示。

　　在圖1中Δt1為復(fù)合開關(guān)接收到投入命令后等待電壓過零所需的時(shí)間；Δt2是繼電器延時(shí)閉合設(shè)定時(shí)間；Δtjo為繼電器閉合動(dòng)作時(shí)間；Δtjf為繼電器斷開動(dòng)作時(shí)間；Δt3是可控硅延時(shí)斷開設(shè)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(hào)、可控硅通斷、繼電器線圈通斷信號(hào)、繼電器通斷、電網(wǎng)電壓、電容（或觸點(diǎn)）電流。當(dāng)復(fù)合開關(guān)接收到投入命令時(shí)，可控硅的觸發(fā)信號(hào)準(zhǔn)備就緒，只要電壓過零就立刻觸發(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(shè)計(jì)時(shí)必須保證：只有當(dāng)可控硅導(dǎo)通后，才能閉合繼電器。當(dāng)復(fù)合開關(guān)接收到切斷命令后，繼電器立即斷開，經(jīng)過一段時(shí)間可控硅觸發(fā)信號(hào)消失，據(jù)可控硅關(guān)斷特性，只有當(dāng)通過可控硅陽(yáng)極電流過零時(shí)，才能自然關(guān)斷。

3基于PIC16C61的復(fù)合開關(guān)
　　復(fù)合開關(guān)的工作原理完全可以用分立元件來實(shí)現(xiàn)，其中的時(shí)序配合關(guān)系可以用電阻電容的 延時(shí)電路完成其功能。但是，由于分立元件的參數(shù)分散性以及可靠性差將會(huì)影響整個(gè)復(fù)合開關(guān)長(zhǎng)期正常的工作，因此，通過方案比較，采用了PIC16C61單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)復(fù)合開關(guān)的邏輯及控制時(shí)序。如圖2所示。

　　圖2中，合閘、分閘信號(hào)輸入到單片機(jī)的RB1，RB0接收過零信號(hào)，只有當(dāng)合閘指令有效時(shí)，在過零時(shí)刻，通過“過零處理”程序，RA1就輸出可控硅觸發(fā)信號(hào)，使可控硅導(dǎo)通。延時(shí)二個(gè)周期（40 ms）后，即通過“低高電平延時(shí)”程序處理，RA2輸出閉合信號(hào)有效，繼電器閉合導(dǎo)通，完成了復(fù)合開關(guān)一次合閘的動(dòng)作；當(dāng)分閘信號(hào)有效時(shí)，單片機(jī)RA2輸出斷開信號(hào)使繼電器立刻分?jǐn)?，同樣延時(shí)二個(gè)周期（40 ms）后，通過“高低電平延時(shí)”程序處理，RA1輸出低電平信號(hào)，使可控硅關(guān)斷，完成了一次分閘動(dòng)作。
　　以上是單相復(fù)合開關(guān)的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)情況。對(duì)于三相復(fù)合開關(guān)：為了分析方便起見，假設(shè)開 關(guān)閉合的順序?yàn)?SPAN lang=EN-US>A→B→C，如圖3所示。當(dāng)合閘指令有效時(shí)，由于此時(shí)B，C相的K2，K3斷開，A相可控硅可以立刻施以導(dǎo)通信號(hào)而不需要檢測(cè)電壓過零點(diǎn)，接著檢測(cè)B相的K2開關(guān)兩端的電壓過零點(diǎn)，在過零時(shí)刻，使B相的可控硅導(dǎo)通；然后檢測(cè)C相的K3開關(guān)兩端的過零點(diǎn)，在過零時(shí)刻，使C相的可控硅導(dǎo)通；最后，延時(shí)二個(gè)周期（40 ms）后，即通過“低高電平延時(shí)”程序處理，輸出繼電器的閉合信號(hào)，繼電器閉合導(dǎo)通，完成了復(fù)合開關(guān)一次合閘的動(dòng)作。三相復(fù)合開關(guān)的分閘過程與單相復(fù)合開關(guān)類似，當(dāng)所有的繼電器斷開并延時(shí)二個(gè)周期（40 ms）后，通過“高低電平延時(shí)”程序處理，使可控硅關(guān)斷，完成了一次分閘動(dòng)作。