Ｄ 探讨与研究 于单片机的微型智能复合开关研究 文／卓祖讯赵宏伟杨金平 摘 要：针对接触器和固态继电器在低压无功补偿应用中存在的问题， 设计了一种以ＰＩＣ 单片 机为核心， 以ｔＧＢＴ与磁保持继电器并联为主回路开关的电容授切复合开关：装置投合后电流由磁保 持继电器单独承担， 触点功耗很小，且抗谐波强， 在投或切的瞬间，通过ＩＧＢＴ和继电器配合工作，补 偿响应速度快，过零投切，浪涌小：文章对该电路的结构、基本原理、时序和性能等进行了描述。 关键词：复合开关；无功补偿；磁保持继电器；ＩＧＢＴ； 近年来，随着我国电力工业的不断 价格低，体积稍／Ｊ、，但寿命较短，可靠性 以及可靠性问题。因此，我们将通过 发展，大范围的高压输电网络逐渐形成， 差。而且，二者都存在体积大的弊端。 ＩＧＢＴ和磁保持继电器的投切配合来减 同时对电网无功功率的要求也日益严 首先，新型容性负荷开关理论上解 少散热并解决触点抖动问题，通过多路 格。电网无功功率不平衡将导致系统电 决了二者的矛盾，将电力电子器件与磁 集成和减少散热片来减小开关体积，从 压的巨大波动，严重时会导致用电设备 保持开关相结合，发挥了电力电子器件 而增强复合开关的使用寿命。 的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏 通断电流无电弧、磁保持开关接触电阻 ２．１硬件设计 事故。采用无功补偿是保证电力系统电 小的优势，形成体积小、容量大的容性负 复合开关工作原理是将ＩＧＢＴ与磁 能质量、降低电网损耗以及保证其安全 荷开关。然而，实际运行中，仍普遍存在 保持继电器并接，当智能复合开关接收 运行的重要方式。 电力电子器件损坏和磁保持开关触点粘 到投入或切除电容器组指令后，利用 低压无功补偿是指在１０ｋＶ变电站 合等问题。控制电路初步研究和波形综 １ＧＢＴ无触点过零投切能力将和脉冲开 低压侧以及Ｏ．４ｋＶ低压配电线路末端， 合分析发现：磁保持开关在通断瞬间存 关低阻特性，通过二者控制时序合理配 采用电容器等设备补偿无功功率，提高 在轻微抖动，使得开关上产生明显的过 合，实现无弧开断和微功耗运行，同时具 功率因数，是提高电力系统设备利用效 压现象，进而导致开关单元的损坏。 有智能监控、自诊断故障保护、缺相保 率，降低配电网络损耗的重要措施。长期 其次，由于磁保持开关自身容量和 护、空载保护等完善的保护措施。其结构 以末一直为电力部门强制推行，是考核 控制设计ＦＬＵＳ４，容许的单组电容器容量 如图１所示。 变电站运行的重要指标。特另 是随着建 多在８ｋＶａｒ以下（单相）。由于采用独立 ２．３软件设计 筑体积的增大，户均用电量的急剧增加， 的封装与控制，同样存在体积大的问题， 为了达到理想的工作状况，ＩＧＢＴ和 民用变配电所的容量已从数十ｋＶＡ提 且与现有控制器不能良好兼容， 磁保持继电器的开、断有时序要求，假设 高到数千ｋＶＡ，传统的以变配电所为中 再次，分相控制是大体积建筑末端 复合开关的投入命令高电平为有效，则 心的低压集中补偿已不能达到满意的补 补偿的大趋势。由于主要使用于公共或 切断命令为低电平有效。 偿效果，低压终端无功补偿便越来越多 民用建筑内部，负荷波动相对幅度大，波 其中复合开关的动作时序如下：（１） 地应用到建筑电气设计当中。 动频率高，开关投切的次数将大大增加。 投入时段。首先使ＩＣＢＴ在电压过零时刻 ｌ复合开关现状 同时，常规开关的工作噪音、日常维护等 导通，将电容器平稳可靠地投入电网，维 过去无功补偿装置中的投切设备主 问题更加突出．而目前还没有成熟容性 持其导通状态；然后使磁保持继电器导 要采用固态继电器（无触点）和交流接触 负荷开关与该需求相适应。 通，使二者并联工作，并持续一段时间； 器（有触点）两种。前者寿命长，可靠性 系统设计 最后当电路工作状态稳定后，将ＩＧＢＴ断 好，但运行中发热严重，需要良好通风散 由于现行的复合开关或多或少存在 开退出工作，使磁保持继电器独立承担 热辅助设施，挤占了补偿电容空间；后者 些问题，如散热问题、体积较大的问题 电容器与电网的连通作用：（２）切除时 ９６ Ｃｈｉｎａ ｓｔｏｒａｇｅ＆ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｍａｇａｚｉｎｅ ２０１］０２ 登 兰 三 匡 —二二 ，二 ｝ ～＿＿ ＋一 指 每 表１磁保持继电器主要参数 外形尺寸（ｍｍ） ６０．Ｏｘ４０．０ｘ２０．０ 晶 一 ；ｌ ！！！ ’Ｌ ＿Ｉ ＩＧＢＴ ＿＋ Ｔ——一ｌ １一 ～ 触点形式 基 本 触点材料 参 最大切换电流 数 最大切换电压 ｌＡ、ｌＢ 银合金 １００（Ａ） ｌ １０ＶＤＣ／２５０ＶＡＣ ［ 图１ 审 路结构图 最大切换功率 线圈额定电压 ３０００Ｗ／２５０００ＶＡ ６－４８ＶＤＣ 功耗 动作电压 复位电压 Ｉ 触发Ｔ Ｇ ＲＴ 通 Ｉ 单线圈２．５Ｗ，双线圈５Ｗ ≤８０％额定值 ≤８０％额定值 。 ｊ叠 一 皇—— 电压脉冲宽度 动作／复位时间 ≥１００ｍｓ ≤５０ｍｓ ≤５ｍｓ ≤２ｍｎ 革 １磁保持丌戈 Ｉ舟— ｌ 磁保持丌篾断丌 Ｎ 性 出点回跳时间 能 参 接触电阻 数 王正１３Ｊ ２ｍｎ 绝缘电阻 ｌ ≥１０００Ｍｎ ｌＧＢｒ咒断 触点间介质耐压 ≥２０００ＶＡＣ ｊ Ｉ－ —— 触点一线圈间介质耐压 ≥３０００ＶＡＣ Ｊ ｊ———— 一 环境温度 －４０～＋５５ｑＣ 电气寿命 图２程序流程图 １×１０ １×ｌ０ 机械寿命 段。首先使ＩＧＢＴ导通，使其与磁保持继 （１）采用桥式触点结构，触点切换功 信号的能力：采用包封工艺、ＳＩＰ封装，具有 极小的体积ｆ仅为：５２ｘ２５ｘ１５ｍｍ３）。另外， 电器并联工作，接着使磁保持继电器退 率大． 出工作，电容器与电网的连通作用短时 内由ＩＧＢＴ独立承担；最后切除ＩＧＢＴ的 （２）具有后动操作机构： ＱＰ１２Ｗ０５Ｓ一３７还具有输入信号兼容 （３）采用高性能磁钢，使得继电器抗 ＣＭＯＳ＆ＴＦＬ电平，初／次级之间电气隔离达 触发信号，使ＩＧＢＴ在电流过零时自然关 振动，且冲击性能好， 断。（见图２） ３．器件选型 ３．１ＭＣＵ ３７５０ＶＲＭＳ／分钟；开关频率高达２０ｋＨｚ：内 建短路保护和故障输出功能、过流故障时 输出软关断及软关断时间可调功能、过流 故障保护后定时复位功能、短路检测抑制 时间ｆ盲Ｎ）ＮＮ￣能等优点。 ４．结论 （４）触点间隙大，触点间耐压高： 其主要技术参数如表１ ３．３ＩＧＢＴ 采用Ｍｉｃｒ０ｃｈｉＤ公司生产的系列 ＱＰ１２Ｗ０５Ｓ一３７是ＭＯＲＮＳＵＮ在原 单片机ＰＩＣ１６Ｆ７３．它是一款高性能 来ＱＣ９６２的基础上开发出来的一款自 ８位ＣＰＵ．２８ＤＩＰ有２２个Ｉ／Ｏ口、 带隔离电源的混合集成型ＩＧＢＴ驱动器， 基于单片机控制的复合开关工作时 ４Ｋ程序储存器．具有ＲＩＳＣ结构、抗 该驱动器较ＱＣ９６２的优势在于自带隔 损耗小，不增加电网谐波，并具有无冲 干扰、速度快、保密性强的特点。在本系 离Ｄｃ—Ｄｃ电源， 无需用户单独考虑 击、低功耗、高寿命等显着优点，可替代 统中完成电压检测、相序检测、过零检 配套电源的选择，方便用户的使用，同时 接触器或晶闸管开关，用于低压无功补 测、运行状态指示以及对磁保持继电器 和ＩＧＢＴ的控制。 ３．２磁保持开关 由于自带隔离电源，其分布参数更小，工 偿领域投切电容器是较理想的。且使用 作更安全可靠，使系统的布置和安装更 为简便。 复合开关可以增加投切电容器组数，提 高功率因数，提高电网质量。同 （作者单位：后勤工程学院／解放军 第十二医院１ 通过比较，我们将采用ＨＨＭ８０１磁 保持继电器，继电器具有如下特点 ＱＰ１２Ｗ０５Ｓ一３７较一般的ＩＧＢＴ驱动 器，信号接收端具有很强的抵抗共模干扰 中国储运网Ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ ｃｈｉｎａｃｈｕｙｕｎ ｃｏｒｎ ９７