單臺三極同步開關智能型無功補償裝置制造方法
【專利摘要】本發明的目的通過32位微處理器高精度的AD采樣和高速的運算能力來精確控制磁保持繼電器在電壓的過零點之前提前投入,使磁保持繼電器的接點在電壓過零時刻恰好閉合,實現電容器的無涌流投入。同時采用電能參數計量專用芯片,將電能參數(如有功功率、無功功率、視在功率、電壓有效值、電流有效值等)予以顯示和通過通訊控制方式實時發送到上級電網。本發明為一種基于單臺三極同步開關智能型無功補償裝置,相比現有技術中使用多臺單極同步開關來分別投切電容器組的技術方案,僅采用一臺三極同時閉合、同時打開的同步開關,通過創新的硬軟件技術來實現高效、安全、節能的無功補償。
【專利說明】單臺三極同步開關智能型無功補償裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力系統的無功補償、諧波濾波和電網電能質量治理領域,具體地涉及一種基于單臺三極同步開關智能型無功補償裝置。
【背景技術】
[0002]電網需要無功補償來達到穩定電網電壓,提高功率因數,減低線路損耗的目的。投切電容器組是實現無功補償的主要方法,然而,投切電容器組的技術現狀不容樂觀。在無功補償領域,最先應用于低壓電容器投切的開關是交流接觸器,交流接觸器作為投切裝置其特點是接觸電阻小,投切時間較慢,在投切過程中容易產生涌流,在大電流高電壓情況下易產生火花及電弧,長期使用其觸點非常容易燒結粘連,嚴重影響投切裝置及補償電力電容器壽命。且交流接觸器在動作過程中震動較大導致安裝架以及節點的加速老化,同時產生較大的噪音。并且交流接觸器為保持吸合狀態自身也需要消耗能量,不符合節能要求。并聯電容器由交流接觸器投切電網時,由于其相位點是隨機的,所以會產生幅值很大、頻率很高的浪涌電流(涌流最大時可能超過100倍電容器額定電流)。涌流不僅會對電網產生不利的干擾,對交流接觸器易產生電弧、易燒損觸頭,而且涌流、過電壓會加速電容器的失效,減少電容器的使用壽命,甚至爆炸,所以采用交流接觸器的投切方式諧波污染大、維護成本高、不適于頻繁操作,而它仍有大量市場占有率的原因是其電路簡單,成本低。
[0003]復合開關這種投切開關同時具備了交流接觸器和電力電子投切開關二者的優點,不但抑制了涌流、避免了拉弧而且功耗較低,不再需要配備笨重的散熱器和冷卻風扇。要把二者結合起來的關鍵是相互之間的時序配合必須默契,可控硅開關負責控制電容器的投入和切除,交流接觸器負責保持電容器投入后的接通,當接觸器投入后可控硅開關就立即退出運行,這樣就避免了可控硅元件的發熱。
[0004]復合開關作為投切裝置,機械及電壽命短,可控硅容易損壞,故障率相當高。復合開關技術既使用可控硅又使用繼電器,于是結構就變得相當復雜成本上升,并且由于可控娃對dv/dt的敏感性也比較容易損壞。運行成本較高。
[0005]同步開關是近年來最新發展的技術,同步開關是傳統的機械開關與現代微電子技術的完美結合產物。它吸收了交流接觸器控制結構簡單,復合開關零電壓投入、零電流切除等優點,成功地將投入、切除時瞬間涌流控制在最佳額定運行電流以內,完美地解決了在電容器投切過程中出現的高電壓諧波和大涌流等問題;同步開關拒絕使用可控硅,它以微處理器為核心,輔以高精度的采樣回路和合理的程序設計來替換復合開關中最易損壞的可控硅元件,不僅避免了可控硅組件所容易出現的故障,還真正意義的做到了無涌流,實現了理想的過零投切;為了更進一步抑制電容器投切開關開斷時的暫態過電壓,同步開關增設了有效的放電回路,將過電壓限定在安全區內,使其能安全可靠的適用于頻繁投切;由于同步開關應用了微處理器技術,不僅能通過通訊控制方式對多路電容器進行控制,還具備通訊功能,可將現場的電測量信息實時發送到上級電網;同步開關可以實現共補和分補,以適應用戶的不同需求;由于同步開關的驅動功耗僅有1-3W,最大限度的做到了節約能源;同步開關不僅廣泛適用于低壓無功補償裝置,還可在特殊場合下作為開關元件使用。綜上所述,同步開關不僅大大提高了電容器投切開關的安全可靠性,同時節能環保,經濟耐用、結構更加簡化,成本降低,可靠性大大提高,是交流接觸器及復合開關理想的換代產品,同步開關必將替代復合開關和交流接觸器成為無功補償電容器投切開關的主流。
【發明內容】
[0006]本發明的目的通過微處理器高精度的AD采樣和高速的運算能力來精確控制磁保持繼電器在電壓的過零點之前提前投入,使磁保持繼電器的接點在電壓過零時刻恰好閉合,實現電容器的無涌流投入。在電流過零點之前提前切除磁保持繼電器,使磁保持繼電器的接點在電流過零點的時刻恰好斷開,實現電容器的無電弧切除。成功地將投入、切除時瞬間涌流控制在額定運行電流以內,完美地解決了在電容器投切過程中出現的高電壓諧波和大涌流等問題;基于單臺三極同步開關智能型無功補償裝置以微處理器為核心,輔以高精度的采樣回路和合理的程序設計來控制磁保持繼電器的工作,不僅避免了最易損壞的可控硅元件所容易出現的故障,還真正意義的做到了無涌流,實現了理想的過零投切;為了更進一步抑制電容器投切開關開斷時的暫態過電壓,基于單臺三極同步開關智能型無功補償裝置增加了有效的放電回路,將過電壓限定在安全區內,使其能安全可靠的適用于頻繁投切;同時采用電能參數計量專用芯片,將電能參數(如有功功率、無功功率、視在功率、電壓有效值、電流有效值等)予以顯示和通過通訊控制方式實時發送到上級電網。
[0007]本發明為一種基于單臺三極同步開關智能型無功補償裝置,相比現有技術中使用多臺單極同步開關來分別投切電容器組的技術方案,僅采用一臺三極同時閉合、同時打開的同步開關,通過創新的硬軟件技術來實現高效、安全、節能的無功補償。
[0008]本發明為解決現有技術中存在的缺陷所采用的新技術方案包括以下內容:單臺三極同步開關智能型無功補償裝置主要分為軟件和硬件兩大部分。硬件部分主要包括:三相交流采樣單元1、A電源轉換單元2、磁保持繼電器單元3、補償電容器單元4、B電源轉換單元5、放電單元6、繼電器驅動單元7、32位微處理器單元8、光電隔離輸入控制單元9、繼電器輸出交流采樣單元10、顯示單元11、CAN總線網絡通信單元12、電能計量芯片單元13等。
[0009]單臺三極同步開關智能型無功補償裝置,所述三相交流電送入三相交流采樣電路I,采樣后的信號送入32位微處理器單元8和電能計量芯片單元13 ;電能計量芯片單元13與32位微處理器單元8進行通訊,實時將電能參數送32位微處理器單元8 ;三相交流電送入磁保持繼電器單元3,磁保持繼電器單元3的輸出與補償電力電容器單元4相連;32位32位微處理器單元8根據采樣的交流信號發出指令給繼電器驅動單元7,由繼電器驅動單元7控制磁保持繼電器單元3中磁保持繼電器的導通和關閉,將三相交流電接入補償電力電容器單元4 ;放電單元6接受來自32位微處理器單元8的指令對補償電力電容器單元4暫態電壓進行釋放;32位微處理器單元8將相關信息輸出到顯示單元11予以顯示;32位微處理器單元8將相關信息實時輸出到CAN總線網絡通信單元12通過網絡上傳到控制中心;三相交流電的兩相接入A電源轉換單元2,經轉換后的電源送入B電源轉換單元5,同時送入繼電器驅動單元7和電能計量芯片單元13作為工作電源,經B電源轉換單元5轉換后的電源分別送入32位微處理器單元8、光電隔離輸入控制單元9、顯示單元11、放電單元6、顯示單元11、CAN總線網絡通信單元12作為工作電源。[0010]本發明的有益技術效果:
采用磁保持繼電器作為同步開關執行機構,具有輸出電流大,靜態功耗小、節能環保的特點,電路設計具有缺相和欠壓保護功能,保證了裝置安全可靠運行;采用有新型的可控硅驅動的光電耦合器件構成的電路將補償電容上的直流電壓予以快速泄放,以此保證下次正常的功率補償投切工作;采用32位微處理器和CAN收發器組成的網絡通訊傳輸技術,將現場實時參數迅速上傳到控制中心,實現網絡化控制管理。本發明的基于單臺三極同步開關智能型無功補償裝置其他技術方案相比,本發明的方案采用的元器件數量少、結構簡單合理、體積更小、安全可靠、成本降低,在推廣使用過程中深受工程使用單位青睞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1:系統框圖
圖2:光電隔離輸入單元電路 圖3:顯示電路單元 圖4:交流采樣單元電路 圖5:32位微處理器單元電路 圖6:繼電器驅動單元電路 圖7:整機工作電源電路 圖8:放電電路意框圖 圖9:放電單元電路
圖10:電能計量芯片(ATT7022A)與32位微處理器通訊接口示意框圖 圖11 =CAN網關的串行模塊通信框圖 圖12:軟件主程序流程圖。
[0012]【具體實施方式】
下面結合實例做一詳細闡述。
[0013]圖1是系統框圖,三相交流電的A/C相輸入到A電源轉換單元2,將380V的交流電轉換為12V直流電源,A電源轉換單元2為繼電器驅動單元7和電能計量芯片單元13提供電源,同時A電源轉換單元2輸出到B電源轉換單元5將12V的直流電壓轉轉為3.3V的工作電源,向三相交流采樣電路1、放電單元6、32位微處理器單元8、光電隔離輸入單元9、繼電器輸出采樣電路10、顯示單元11提供工作電源。
[0014]更進一步:外部投入信號(在工程和現場使用一般采用無功功率補償控制器輸出控制信號)經光電隔離輸入控制電路9隔離后送入32位微處理器單元8中去,然后32位微處理器單元8通過交流采樣電路I送來的三相交流電壓相位和過零點信息,經分析計算后發出指令給繼電器驅動單元7,通過繼電器驅動單元7控制磁保持繼電器單元3導通,將三相交流電加載到電力補償電容器單元4,完成一次電容的投入工作,然后32位微處理器單元8通過顯示單元11向外部指示工作情況;通過CAN總線網絡通信單元12向控制中心發送數據信息。
[0015]更進一步:在投切后通過32位微處理器單元8不斷向交流采樣電路I采集三相電壓,從而判斷是否有缺相和欠壓情況出現,如果出現則通過32位微處理器單元8向繼電器驅動單元7發出斷開繼電器信號,控制繼電器驅動單元7中的繼電器斷開,從三相交流電上切除補償電容器單元4,然后通過32位微處理器單元8控制顯示單元11向外部輸出故障指示。若32位微處理器單元8檢測到光電隔離輸入控制電路9無外部投切信號時,32位微處理器單元8控制繼電器驅動單元7斷開磁保持繼電器單元3,同時32位微處理器單元8向放電單元6放電電路發出控制信號,將補償電容器單元4電力電容上的剩余直流電放掉,然后32位微處理器單元8控制顯示單元11輸出相應的指示信號,從而完成一次切除補償電容器單元4電力電容的工作。
[0016]更進一步:三相交流采樣電路I輸出信息送入電能計量芯片單元13進行計算后通過SPI串行通信口與32位微處理器單元8進行通訊操作,32位微處理器單元8 一方面將數據送入顯示單元11進行顯示,另一方面通過CAN總線單元12將實時數據上傳到控制中心。
[0017]圖2是光電隔離輸入電路,外部無功功率補償控制器檢測三相交流電的功率因數,按照相應的設置輸出控制信號從而控制同步開關投入或切除電容。當需要投入電容時,無功功率補償控制器輸出12v的控制控制信號到Pl (連接器)上,外部控制信號通過Pl輸入,Pl的I腳為公共端輸入正極,2、3、4腳輸入控制信號的負極,R74、75、76為限流電阻,U12、U13、U14為隔離光耦,控制信號輸入后使光耦導通,R77、R78、R79為下拉電阻,此時PA0、PA1、PA2呈現高電平,當無信號輸入時,PA0、PA1、PA2呈現低電平,C31、C32、C33為濾波電容,消除干擾,PAO、PAU PA2為32位微處理器的輸入端口,32位微處理器讀取相應的電平信號后作出相應的控制。
[0018]圖3是顯示電路,1?87、1?88、1?89、1?90、1?91為限流電阻,D3為雙色發光二極管,D4、D5、D6為發光二極管,PD2, PB3、PB4、PB5、PB6為32位微處理器的輸出控制端口,控制各個二極管的亮滅,以此為外部作出相應的指示。
[0019]圖 4 是交流采樣電路,R13、R14、R15、R16、R17、R21、R22、R23、R24、R25 為分壓電阻,380V交流電壓通過上述分`壓電阻取出相應相位上的交流小信號,R17上分得的交流小信號通過R18的限流電阻加到后面由R19、Q1、R20組成的射極跟隨器基極上,從而由R17上分得的交流小信號在三極管的射極輸出到32位微處理器的PA4上,供32位微處理器AD采樣,從而通過計算得到相應線電壓上的電壓和相位,為后續的控制操作提供參考,R25上的分得的交流小信號通過R26限流電阻加到后面由R27、Q2、R28組成的射極跟隨器的基極上,從而由R25上分得的交流小信號在三極管的射極輸出到32位微處理器的PA5上,供32位微處理器米樣。C25、C26為濾波電容,濾除高頻干擾信號。
[0020]圖5是32位微處理器最小系統,32位微處理器U2 (STM32F051R8T6)使用的是以ARM 32 位 Cortex?-M0 系列的 32 位微處理器(主頻最大 48 MHz),C42、C41、C40、C7、C8、C11、C12、C37、C38、C39為電源濾波電容濾除干擾信號32位微處理器供電,C9、C43、L1、C44、ClO組成的型濾波器,為單片的的ADC提供穩定的參考電源,C34、C35、Y1 (晶振)組成的震蕩電路,為32位微處理器提供時鐘信號,C36、R84上電復位電路。R85、R86為分壓電阻選擇32位微處理器為內存啟動,SWD接口為串口調試端口,CN2為串口輸出端口。
[0021]圖6繼電器驅動電路,該驅動電路運用的是集成IC做的驅動電路,BL8023是雙向繼電器驅動集成電路,用于控制磁保持繼電器的工作,具有輸出電流大,靜態功耗小的特點,控制信號由32位微處理器的PC3管腳和PC4光腳輸出,通過限流電阻Rl和R4進入U3(BL8023)中,然后放大后的驅動信號有U3的I腳和5腳輸出到繼電器上進行控制,R2和R3為下拉電阻,C16和C15為輸入信號的濾波電容,防止干擾。C13、C14為電源濾波電容。
[0022]圖7是整機工作電源,交流380V電壓通過變壓器Tl輸出15V的交流電,經過BDl全橋整流為脈動直流電壓,電容Cl和C2濾波然后通過VRl (7812)線性穩壓輸出穩定的直流12V電壓為其它單元電路提供低壓直流電源;再經過電容C3和C4濾波后進入線性穩壓管VR2 (ASM1117)輸出3.3V的直流電壓,C5和C6為濾波電容。
[0023]圖8放電電路,三相交流電通過磁保持繼電器K1、K2、K3接入到補償上進行無功功率補償,當繼電器Κ1、Κ2、Κ3斷開后補償電容上存在著一定的直流高壓,如果在下次投入之前沒有將電容上的全部電壓放掉,會致使采樣的電壓過零點發生偏差,從而導致繼電器不能準確的在過零點投入,因此在每完成一次投切任務后會將補償電容上的直流電壓通過由可控硅驅動的光電耦合器M0C3023組成的放電電路全部放掉,以此保證我們下次正常的投切工作,在圖9中,32位微處理器通過PClO控制端口將控制信號輸出,經過限流電阻R70接入到三極管Q7的基極端,R80為下拉電阻。R67、光電耦合器U6和U7串聯接入到三極管Q7的集電極上,由三極管控制光電耦合器U6和U7其中R67為限流電阻控制光電耦合器M0C3023的總電流,防止電流過高燒毀光電耦合器U6 (M0C3023)和光電耦合器U7 (M0C3023),只要Q7導通,光電耦合器U6、光電耦合器U7導通,從而使R62、R61接入到電容的兩端進行放電。在幾秒鐘內就可以將電容的所有電壓放掉,完成電容的放電工作。
[0024]圖10是電能計量芯片(ATT7022A)與32位微處理器通訊接口示意框圖,電能計量芯片(ATT7022A)它與32位微處理器有6條連線,其中4條是SPI 口線,其中CS是片選信號,SCLK是串行時鐘輸入,DIN是串行數據輸入,DOUT是串行數據輸出,還有兩條分別是復位控制線RESET,握手信號線SIG,由于電能計量芯片(ATT7022A)所有信號高電平為5V,在與3V電源工作的32位微處理器連線時,中間應接電平轉換電路。
[0025]為防止干擾信號對SPI傳輸信號線的影響,在SPI信號線上都串聯一個10 Ω電阻(R1/R2/R3/R4),這些電阻與IC輸入端的寄生電容C結合起來可構成一個低通濾波器,從而可以消除接受信號的高頻干擾。在SPI通訊速率允許的條件下,在信號線的輸入端加一個去耦電容C1/C2/C3/C4,以增強抗干擾能力。
[0026]32位微處理器必須對SIG信號或其狀態進行監控。在上電或者電能計量芯片(ATT7022A)受干擾復位,必須由外部MCU通過SPI 口對校表數據進行更新,以保證計量的準確性。SIG信號就是用來通知外部MCU的一個握手信號。在電能計量芯片(ATT7022A)的SIG端口處接IOnF的去耦電容,增強其抗干擾能力。為了在上電和32位微處理器復位后,電能計量芯片(ATT7022A)能與32位微處理器同步的工作,電能計量芯片(ATT7022A)的RESET信號需要由32位微處理器控制,復位過程為RESET信號保持大于30ns低電平芯片復位,此時SIG輸出高電平,然后32位微處理器將RESET信號拉高,大約經500us左右,電能計量芯片(ATT7022A)完成初始化,SIG輸出低電平信號,此后才能進行SPI操作。在圖11中電能計量芯片(ATT7022A)的RESET端口處接有復位電路電阻Rs和電容Cs。
[0027]圖11是CAN網關的串行模塊通信框圖。CAN總線控制器采用恩智浦半導體推出的LPC11C22芯片,是市場上定價最低的32位微處理器解決方案,它的價值和易用性比現有的8位/16位32位微處理器更勝一籌。LPCl 1C22芯片內集成了高速CAN收發器、CAN控制器,在進行CAN總線通信時,數據傳輸更加靈活方便,可靠性更高、功能更加完備。它完全兼容CAN2.0B協議,可以在有干擾的環境里使用上述協議與其他控制器串行通信。[0028]圖12軟件主程序流程圖,軟件部分主要包括:初始化程序模塊、交流采樣程序模塊、繼電器驅動程序模塊、閃存存儲參數程序模塊、控制信號檢測程序模塊、電容器程序模塊等,采用C語言編寫。
【權利要求】
1.一種單臺三極同步開關智能型無功補償裝置,其特征在于:所述三相交流電送入三相交流采樣電路1,采樣后的信號送入32位微處理器單元8和電能計量芯片單元13 ;電能計量芯片單元13與32位微處理器單元8進行通訊,實時將電能參數送32位微處理器單元8 ;三相交流電送入磁保持繼電器單元3,磁保持繼電器單元3的輸出與補償電力電容器單元4相連;32位32位微處理器單元8根據采樣的交流信號發出指令給繼電器驅動單元7,由繼電器驅動單元7控制磁保持繼電器單元3中磁保持繼電器的導通和關閉,將三相交流電接入補償電力電容器單元4 ;放電單元6接受來自32位微處理器單元8的指令對補償電力電容器單元4暫態電壓進行釋放;32位微處理器單元8將相關信息輸出到顯示單元11予以顯示;32位微處理器單元8將相關信息實時輸出到CAN總線網絡通信單元12通過網絡上傳到控制中心;三相交流電的兩相接入A電源轉換單元2,經轉換后的電源送入B電源轉換單元5,同時送入繼電器驅動單元7和電能計量芯片單元13作為工作電源,經B電源轉換單元5轉換后的電源分別送入32位微處理器單元8、光電隔離輸入控制單元9、顯示單元11、放電單元6、顯示單元11、CAN總線網絡通信單元12作為工作電源。
2.根據權利要求1所述的單臺三極同步開關智能型無功補償裝置,其特征在于:32位微處理器單元8通過光電隔離輸入控制電路9而得到外部投入信號,然后32位微處理器單元8通過交流采樣電路I送來的三相交流電壓相位和過零點信息,經分析計算后發出指令給繼電器驅動單元7,通過繼電器驅動單元7控制磁保持繼電器單元3導通,將三相交流電加載到電力補償電容器單元4,完成一次電容的投入工作,然后32位微控制器單元8通過顯示單元11向外部指示工作情況,通過CAN總線網絡通信單元12向控制中心發送數據信息。
3.根據權利要求1所述的單臺三極同步開關智能型無功補償裝置,其特征在于:三相交流采樣電路I輸出信息送入電能計量芯片單元13進行計算后通過SPI串行通信口與32位微控制器單元8進行通訊操作,32位微控制器單元8 一方面將數據送入顯示單元11進行顯示,另一方面通過CAN總線單元12將實時數據上傳到控制中心。
4.根據權利要求1所述的單臺三極同步開關智能型無功補償裝置,其特征在于:三相交流電通過磁保持繼電器K1、K2、K3接入到補償電容上進行無功功率補償,當繼電器K1、Κ2、Κ3斷開后,補償電容上存在著一定的直流高壓,如果在下次投入之前沒有將電容上的全部電壓放掉,會致使采樣的電壓過零點發生偏差,從而導致繼電器不能準確的在過零點投入,因此在每完成一次投切任務后會將補償電容上的直流電壓通過由可控硅驅動的光電耦合器M0C3023組成的放電電路全部放掉,以此保證下次正常的投切工作。
【文檔編號】H02J3/18GK103872692SQ201410069945
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2014年2月28日
【發明者】陳軍, 許祝, 馮偉 申請人:重慶瑞升康博電氣有限公司