电子式瞬时过渡投切开关论文和设计-张高锋

全文摘要

本实用新型涉及一种电子式瞬时过渡投切开关，包括多个投切电路和控制电路，控制电路包括一个微处理器和多个电压过零点检测电路，所有电压过零点检测电路的输入端连接电网，所有电压过零点检测电路的输出端连接微处理器的输入端，微处理器的输出端连接所有投切电路的输入端，所有投切电路的输出端连接智能电容器，每个投切电路包括两个晶闸管和一个继电器，两个晶闸管反向并联后形成一组反并联晶闸管，将一组反并联晶闸管的控制极和继电器的输入节点引出作为投切电路的输入端，将一组反并联晶闸管的阳极和阴极与继电器的输出节点并联后引出作为投切电路的输出端。该投切开关充分利用了晶闸管和继电器的优点，接通后基本无功耗、不发热。

主设计要求

1.一种电子式瞬时过渡投切开关，其特征在于：包括多个投切电路和控制电路，控制电路包括一个微处理器和多个电压过零点检测电路，所有电压过零点检测电路的输入端连接电网，所有电压过零点检测电路的输出端连接微处理器的输入端，微处理器的输出端连接所有投切电路的输入端，所有投切电路的输出端连接智能电容器，每个投切电路包括两个晶闸管和一个继电器，两个晶闸管反向并联后形成一组反并联晶闸管，将一组反并联晶闸管的控制极和继电器的输入节点引出作为投切电路的输入端，将一组反并联晶闸管的阳极和阴极与继电器的输出节点并联后引出作为投切电路的输出端。

设计方案

2.如权利要求1所述的电子式瞬时过渡投切开关，其特征在于，所述电压过零点检测电路包括第一光电耦合器、第二光电耦合器、第一至第六限流电阻和双向可控硅，第一光电耦合器和第二光电耦合器的输入端并联后接入电网，第一光电耦合器、第二光电耦合器的输出端相并联，第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻依次串联形成第一限流电路，第四限流电阻、第五限流电阻、第六限流电阻依次串联形成第二限流电路，双向可控硅的控制极与第一限流电路以及第二限流电路相并联，双向可控硅的第一阳极和第二阳极连接微处理器，第一光电耦合器的输出端一端连接双向可控硅的控制极，另一端连接至第五限流电阻、第六限流电阻之间的连接点，第二光电耦合器的输出端一端接至第五限流电阻、第六限流电阻之间的连接点，另一端连接至第四限流电阻、第五限流电阻之间的连接点。

3.如权利要求2所述的电子式瞬时过渡投切开关，其特征在于，所述继电器包括继电器触点和继电器线圈，继电器触点作为继电器的输出节点与反并联晶闸管的阳极和阴极并联连接，继电器线圈作为继电器的输入节点连接微处理器的输出端。

4.如权利要求3所述的电子式瞬时过渡投切开关，其特征在于，所述投切电路中采用单向可控硅作为晶闸管，将两个单向可控硅的阳极和阴极进行反向并联形成一组反并联晶闸管，并将一个单向可控硅的阳极引出作为反并联晶闸管的阳极，将另一个单向可控硅的阴极引出作为反并联晶闸管的阴极，将两个单向可控硅的控制极相连后引出支路作为投切电路的输入端。

5.如权利要求4所述的电子式瞬时过渡投切开关，其特征在于，所述第一光电耦合器和第二光电耦合器均包括一个砷化镓发光二极管和一个NPN型硅光电晶体管。

6.如权利要求5所述的电子式瞬时过渡投切开关，其特征在于，第一光电耦合器和第二光电耦合器采用型号为PS2501的光电耦合隔离器件。

7.如权利要求6所述的电子式瞬时过渡投切开关，其特征在于，所述微处理器采用PIC16F5X微控制器作为主控芯片进行设计。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电力开关技术领域，尤其涉及一种适用于电网的电子式瞬时过渡投切开关。

背景技术

早期使用的交流继电器投切开关工作频率低，不能快速跟踪无功负荷的变化，造成过补或欠补。另外，继电器三个触头只能一起进行通断控制，不能分别选择各相的投切角，因此每次投切智能电容器组时都会产生巨大的冲击电流，对电网造成干扰，损坏继电器触头，缩短智能电容器的使用寿命。近年来，随着电力电子技术的大力发展，晶闸管大量代替了接触开关。然而晶闸管投切开关虽然很好地解决了智能电容器投切过程中的涌流、过电压、分段电弧等问题，但其本身也存在明显的缺点。晶闸管在导通状态下有较大的管压降，大电流通过时，温度升高，因此长期运行需要散热器件，而散热器件中的机械部分极易损坏，影响投切开关的正常运行。同时晶闸管投切开关需外加温控开关和触发电路等辅助器件，结构复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、体积紧凑且性能佳的电子式瞬时过渡投切开关，采用继电器与晶闸管相结合来控制智能电容器，这样既充分利用了晶闸管的电压过零投入、电流过零切除、开关无触点等优点，也充分利用了继电器触点的导通功耗低、导通容量大及工作安全的特点。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为，一种电子式瞬时过渡投切开关，包括多个投切电路和控制电路，控制电路包括一个微处理器和多个电压过零点检测电路，所有电压过零点检测电路的输入端连接电网，所有电压过零点检测电路的输出端连接微处理器的输入端，微处理器的输出端连接所有投切电路的输入端，所有投切电路的输出端连接智能电容器，每个投切电路包括两个晶闸管和一个继电器，两个晶闸管反向并联后形成一组反并联晶闸管，将一组反并联晶闸管的控制极和继电器的输入节点引出作为投切电路的输入端，将一组反并联晶闸管的阳极和阴极与继电器的输出节点并联后引出作为投切电路的输出端。

作为本实用新型的一种改进，所述电压过零点检测电路包括第一光电耦合器、第二光电耦合器、第一至第六限流电阻和双向可控硅，第一光电耦合器和第二光电耦合器的输入端并联后接入电网，第一光电耦合器、第二光电耦合器的输出端相并联，第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻依次串联形成第一限流电路，第四限流电阻、第五限流电阻、第六限流电阻依次串联形成第二限流电路，双向可控硅的控制极与第一限流电路以及第二限流电路相并联，双向可控硅的第一阳极和第二阳极连接微处理器，第一光电耦合器的输出端一端连接双向可控硅的控制极，另一端连接至第五限流电阻、第六限流电阻之间的连接点，第二光电耦合器的输出端一端接至第五限流电阻、第六限流电阻之间的连接点，另一端连接至第四限流电阻、第五限流电阻之间的连接点。

作为本实用新型的一种改进，所述继电器包括继电器触点和继电器线圈，继电器触点作为继电器的输出节点与反并联晶闸管的阳极和阴极并联连接，继电器线圈作为继电器的输入节点连接微处理器的输出端。

作为本实用新型的一种改进，所述投切电路中采用单向可控硅作为晶闸管，将两个单向可控硅的阳极和阴极进行反向并联形成一组反并联晶闸管，并将一个单向可控硅的阳极引出作为反并联晶闸管的阳极，将另一个单向可控硅的阴极引出作为反并联晶闸管的阴极，继电器触点并联连接在反并联晶闸管的阳极和阴极之间，将两个单向可控硅的控制极相连后引出支路作为投切电路的输入端。

作为本实用新型的一种改进，所述第一光电耦合器和第二光电耦合器均包括一个砷化镓发光二极管和一个NPN型硅光电晶体管。

作为本实用新型的一种改进，第一光电耦合器和第二光电耦合器采用型号为PS2501的光电耦合隔离器件。

作为本实用新型的一种改进，所述微处理器采用PIC16F5X微控制器作为主控芯片进行设计。

相对于现有技术，本实用新型所提出的投切开关整体结构设计巧妙，结构合理稳定，体积紧凑，易于制造，性能安全可靠，通过将晶闸管与继电器并联作为投切电路，结合电压过零点检测电路和微处理器的智能控制，该投切开关进行投切智能电容器时基本无涌流、不发热且节能，也不需要加装体积较大的散热器和冷却风扇；并且在投切开关接通和断开的瞬时具有晶闸管投切开关（实现过零投切）的优点，而在正常接通时具有继电器无功耗的优点，因此能够有效地降低无功补偿装置故障率，提高无功补偿装置的可靠性和使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的电子式瞬时过渡投切开关的结构框图。

图2为本实用新型的电子式瞬时过渡投切开关的投切电路结构图。

图3为本实用新型的电子式瞬时过渡投切开关的电压过零点检测电路结构图。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解和认识，下面结合附图对本实用新型作进一步描述和介绍。

如图1-3所示，一种电子式瞬时过渡投切开关，包括三个投切电路和一个控制电路，控制电路包括一个微处理器和三个电压过零点检测电路，所有电压过零点检测电路的输入端连接电网L，所有电压过零点检测电路的输出端连接微处理器的输入端，微处理器的输出端连接所有投切电路的输入端，所有投切电路的输出端连接智能电容器。其中，每个投切电路包括两个晶闸管VD和一个继电器J，两个晶闸管VD反向并联后形成一组反并联晶闸管，将一组反并联晶闸管的控制极和继电器J的输入节点引出作为投切电路的输入端，将一组反并联晶闸管的阳极和阴极与继电器J的输出节点并联后引出作为投切电路的输出端。电压过零点检测电路检测电网L电压过零点信号并产生过零方波信号，过零方波信号输送至微处理器中进行运算处理并产生相应的投切信号发送给投切电路，通过控制晶闸管VD导通或继电器J吸合来实行智能电容器的投切运行。

具体的，所述电压过零点检测电路包括第一光电耦合器OSC1、第二光电耦合器OSC2、第一至第六限流电阻R6R1-R6和双向可控硅SCR，第一光电耦合器OSC1和第二光电耦合器OSC2的输入端并联后接入电网L，第一光电耦合器OSC1、第二光电耦合器OSC2的输出端相并联，第一限流电阻R1、第二限流电阻R2、第三限流电阻R3依次串联形成第一限流电路，第四限流电阻R4、第五限流电阻R5、第六限流电阻R6依次串联形成第二限流电路，双向可控硅SCR的控制极与第一限流电路以及第二限流电路相并联，双向可控硅SCR的第一阳极和第二阳极连接微处理器，第一光电耦合器OSC1的输出端一端连接双向可控硅SCR的控制极，另一端连接至第五限流电阻R5、第六限流电阻R6之间的连接点，第二光电耦合器OSC2的输出端一端接至第五限流电阻R5、第六限流电阻R6之间的连接点，另一端连接至第四限流电阻R4、第五限流电阻R5之间的连接点。在本电压过零点检测电路中，利用第一光电耦合器OSC1、第二光电耦合器OSC2的单向导通特性，来触发双向可控硅SCR，具体是通过两组相同的光电耦合器并联以检测电网L的电压过零点信号并将该信号传送至双向可控硅SCR的控制极，在双向可控硅SCR的第一阳极和第二阳极之间产生过零方波，并将过零方波信号传送至微处理器的输入端。第一限流电路和第二限流电路主要起到限流的作用，另外在第一限流电阻R1、第二限流电阻R2之间还设有电容C，可避免电流过大时防止双向可控硅SCR反向触发。

另外，所述继电器J包括继电器触点和继电器线圈，继电器触点作为继电器J的输出节点与反并联晶闸管的阳极和阴极并联连接，继电器触点与反并联晶闸管的阳极和阴极一起作为投切电路的输出端，通过控制选择反并联晶闸管导通或继电器J吸合中的任一种方式来使得投切电路运行，继电器线圈作为继电器J的输入节点连接微处理器的输出端。通过微处理器向继电器线圈发送信号来控制继电器触点的吸合与断开。

进一步地，所述投切电路中采用单向可控硅作为晶闸管VD，将两个单向可控硅的阳极和阴极进行反向并联形成一组反并联晶闸管，并将一个单向可控硅的阳极引出作为反并联晶闸管的阳极，将另一个单向可控硅的阴极引出作为反并联晶闸管的阴极，继电器触点并联连接在反并联晶闸管的阳极和阴极之间，将两个单向可控硅的控制极相连后引出支路作为投切电路的输入端。

更进一步地，所述第一光电耦合器OSC1和第二光电耦合器OSC2均包括一个砷化镓发光二极管和一个NPN型硅光电晶体管。优选的，第一光电耦合器OSC1和第二光电耦合器OSC2采用型号为PS2501的光电耦合隔离器件，使得第一光电耦合器OSC1和第二光电耦合器OSC2具有高隔离电压，其隔离电压可达5000Vrms，电流转换率可达80-600%@5mA。

更进一步地，所述微处理器采用PIC16F5X微控制器作为主控芯片进行设计，优选采用PIC16F57微控制器作为主控芯片，PIC16F57微控制器是一款8位CMOS闪存单片机，CPU速度最大20MHz，所述智能电容器采用GFSC系列滤波电容器，其耐涌流能力强，内部接线采用无气铜带，具有极低阻抗和热损（无需内置电抗器）。

工作原理：当需要投入智能电容器时，即为电压过零点检测电路检测到电网L中的电压过零点信号并产生过零方波信号时，首先由微处理器发出投切信号给投切电路的输入端，使反并联晶闸管在电压过零时导通，实现智能电容器过零投切并稳定地接入电网L，然后在反并联晶闸管导通情况下，微处理器发送信号给继电器J，继电器触点吸合，与反并联晶闸管并联工作。并在当电路处于稳定工作状态时，具体可通过微处理器的定时功能来确保电路处于稳定工作状态，即通过设定从发送信号到关闭信号的一个定时时间段，让继电器触点吸合状态保持该定时时间段后，微处理器发送信号将反并联晶闸管关闭，让继电器J独立工作。优选的定时时间段设为20ms。而当与微处理器相连接的外部控制设备向微处理器发送需要切除智能电容器的信号时，首先由微处理器发出切除信号给投切电路让反并联晶闸管导通，然后微处理器再次发出信号给继电器J使继电器J断开并退出工作，最后微处理器发出信号关闭反并联晶闸管，实现切除智能电容器。

本实用新型所提出的投切开关通过反并联晶闸管和继电器J的并联使用，可快速精确地将智能电容器投切到电网L中，对电网L的无功功率进行补偿，同时能够有效地对负载中含有的谐波电流进行滤波，提高电网L的电能质量，保证电网L安全可靠地运行。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

设计图

电子式瞬时过渡投切开关论文和设计

电子式瞬时过渡投切开关论文和设计-张高锋

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主设计要求

设计方案

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