徐祖平

（南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院自動化學(xué)院，江蘇揚(yáng)州,225000）

模塊化智能無功補(bǔ)償器的研制

徐祖平

（南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院自動化學(xué)院，江蘇揚(yáng)州,225000）

針對傳統(tǒng)電容補(bǔ)償柜的缺點(diǎn)，研制了一種模塊化的無功補(bǔ)償器，把電容、投切開關(guān)、控制器高度集成在一起，用戶可根據(jù)不同需求自由組合容量，每個模塊之間通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)通信，補(bǔ)償模塊可以在沒有無功補(bǔ)償控制器的情況下自行運(yùn)行。模塊使用DSP28335作為核心控制器可實(shí)現(xiàn)高度智能化，可實(shí)時監(jiān)測溫度、電網(wǎng)電壓、電流等相關(guān)運(yùn)行信息，確保模塊安全有效的運(yùn)行，其中，電容投切開關(guān)采用了一種改進(jìn)型的磁保持繼電器，克服了傳統(tǒng)復(fù)合開關(guān)、晶閘管開關(guān)的缺陷，可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷。

無功補(bǔ)償;模塊化;智能型;電容投切

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，大量感性負(fù)載接入電網(wǎng)，引起了嚴(yán)重的電網(wǎng)污染，因此，在高低壓配電系統(tǒng)內(nèi)大量使用電容補(bǔ)償來調(diào)整電網(wǎng)的功率因數(shù)，傳統(tǒng)的電容補(bǔ)償柜一般由控制器、熔斷器、投切開關(guān)、熱繼電器、電容組成，整個系統(tǒng)接線復(fù)雜，部件故障率高，維護(hù)不便，電容器的溫度以及工作電壓、電流沒有自我檢測能力，缺失完備的保護(hù)措施，同時產(chǎn)品一旦形成，擴(kuò)容不便。其中作為核心器件的投切開關(guān)質(zhì)量參差不齊，晶閘管或者復(fù)合開關(guān)經(jīng)常燒毀。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

圖2 電壓采樣電路

針對以上傳統(tǒng)電容補(bǔ)償柜存在的問題，本文研制了一種模塊化、智能型的無功補(bǔ)償模塊，其主要有三種規(guī)格10Kvar、20Kvar、30Kvar。整個補(bǔ)償柜只需要根據(jù)現(xiàn)場的需求進(jìn)行模塊的疊加即可，各模塊之間通過網(wǎng)線連接，接線方便，便于擴(kuò)容，模塊使用DSP作為核心控制器，利用芯片的強(qiáng)大運(yùn)算能力，集投切、檢測、保護(hù)為一體?？蓪?shí)現(xiàn)自我檢測電網(wǎng)的功率因數(shù)、實(shí)時投切、實(shí)時保護(hù)的功能，并通過網(wǎng)線在各個模塊之間分享運(yùn)行狀態(tài)與電網(wǎng)參數(shù)，各個模塊之間也可以通過一個主控制器進(jìn)行集中控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為單個補(bǔ)償模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，整個模塊由四個部分組成，進(jìn)線空開、電容投切開關(guān)、電容模塊、控制單元。其中空開負(fù)責(zé)系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接，同時起到過流保護(hù)的作用，投切開關(guān)根據(jù)控制單元的指令對電容進(jìn)行過零投切?？刂苹芈坟?fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、顯示、驅(qū)動、保護(hù)等相關(guān)工作。

2 控制回路的設(shè)計(jì)

如圖1所示，控制回路主要由：DSP芯片、液晶顯示、數(shù)據(jù)采集、按鍵控制、通信接口、繼電器驅(qū)動電路組成。

液晶顯示主要用來顯示本單元的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括：電壓、電流、電容器的溫度、本機(jī)地址等相關(guān)信息，數(shù)據(jù)采集主要包括，電壓、電流、溫度的采樣。圖2為電壓采樣電路，通過電流型電壓互感器進(jìn)行強(qiáng)弱電之間的隔離，再通過運(yùn)放進(jìn)行信號的放大，由于DSP的AD輸入信號范圍為0-3.3V，所以在運(yùn)放前端加一個直流偏置，后級采用雙二極管進(jìn)行電壓的鉗位，確保電壓在DSP的安全范圍內(nèi)，電流采樣利用類似電路即可。溫度采集使用高精度的熱敏電阻NTC10K。

按鍵控制主要設(shè)定一些運(yùn)行參數(shù)，并且可以特殊情況下強(qiáng)制投切系統(tǒng)。通信接口是單元與主控器或者其他單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的核心部分，本文采用RS485的通信方式，圖3為通信轉(zhuǎn)換電路，由于通信過程中不能存在干擾，所以通信模塊的電源與CPU電源隔離，采用單獨(dú)的供電電源，因此，CPU發(fā)出的通信信號需要通過光耦進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時光耦也具備電平轉(zhuǎn)換的功能，以兼容DSP 3.3V的IO電平，最后再通過MAX13487進(jìn)行485電平轉(zhuǎn)換。

圖3 通信電路

圖4 繼電器過零投切原理圖

2.1 基于過零控制的電磁式開關(guān)

電容的投切器件是本系統(tǒng)的一個核心部分，傳統(tǒng)電容投切使用復(fù)合開關(guān)、晶閘管作為開關(guān)器件，晶閘管雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，然而其承受過壓、過流的能力較差，很短時間內(nèi)的過電壓、過電流就會使其損壞，并且不可修護(hù)。電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜，并且不可預(yù)測，所以，晶閘管作為開關(guān)器件經(jīng)常損壞。

本文介紹的一種基于過零控制的電磁式開關(guān)，其主要由繼電器、電壓、電流過零檢測電路、繼電器驅(qū)動電路組成。通過檢測與計(jì)算，可以使其觸點(diǎn)在開關(guān)兩端交流電壓為零時閉合，觸點(diǎn)在通過其交流電流為零時斷開，從而使投切負(fù)載產(chǎn)生的涌流極小。其中，使用的磁保持繼電器具有常規(guī)繼電器所不具備的吸釋快速性、吸釋時間穩(wěn)定性和吸釋過程微抖動性等方面的優(yōu)異機(jī)械特性。并且，價格便宜，抗過壓、過流能力強(qiáng)。

圖4為繼電器過零投切的原理，閉合時，DSP通過CAP捕獲開關(guān)兩端電壓的過零點(diǎn)，然后根據(jù)繼電器的機(jī)械特性延時（10-tx）ms后給繼電器發(fā)出觸發(fā)信號，其中tx為繼電器從線圈得電到觸點(diǎn)完全閉合所需要的時間。開關(guān)閉合使用同樣的方式，只是采樣為電流過零點(diǎn)。

圖5 為開關(guān)觸點(diǎn)兩端電壓過零信號的采集電路，通過光耦器件隔離與轉(zhuǎn)換。圖6為繼電器的驅(qū)動電路，采用4個三極管組成橋式電路，S1為1、S2為0繼電器的線圈電壓為+9V時，開關(guān)閉合，S1為0、S2為1線圈電壓為-9V，開關(guān)斷開。

圖5 過零檢測電路

圖6 繼電器驅(qū)動電路

3 軟件控制

軟件控制主要是數(shù)據(jù)的采集與分析，以及投切命令的執(zhí)行，程序開始首先，初始化各項(xiàng)參數(shù)，然后等待投切命令，如果是獨(dú)立運(yùn)行，則自動運(yùn)算電網(wǎng)功率因數(shù)，如果有合閘指令，則首先判斷合閘地址是否與本機(jī)地址相同，如果確定地址相同則等待電網(wǎng)過零點(diǎn)，打開定時器延時（10-tx）ms 后觸發(fā)繼電器。再延時50ms，檢測開關(guān)合閘狀態(tài)，如果合上，則撤銷繼電器的觸發(fā)信號，減少能耗，如果沒有合上則發(fā)出故障信號。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)K采用30kvar 的規(guī)格，圖9為實(shí)驗(yàn)測試波形，圖中通道一均為電壓波形，通道二均為電流波形，圖9（a）為分閘時的波形，從圖中可以看出，開關(guān)是在零電流的狀態(tài)下分閘，分閘沒有涌流，電壓沒有波動。圖9（b）為合閘時的波形，從圖中可以看出合閘瞬間有一定的涌流，但是非常小，一個周期之后即可恢復(fù)正常，電壓也不存在波動，所以，此無功補(bǔ)償模塊，可以很好的實(shí)現(xiàn)過零投切，并且不需要使用晶閘管，驅(qū)動電路簡單，同時兼?zhèn)錂z測保護(hù)功能，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

圖9 （a）合閘實(shí)驗(yàn)波形圖

9（b）分閘實(shí)驗(yàn)波形

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主程序截圖

（4）重復(fù)擦洗運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)擦過之處仍有污漬，按下按紐I6，機(jī)器人反向運(yùn)動，進(jìn)行重復(fù)擦拭。

（5）按下按紐I8，機(jī)器人進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)

根據(jù)上述的工作流程，利用慧魚公司提供的ROBO P ro編程軟件編寫裝置控制程序，其中主程序截圖如下：

3 結(jié)束語

慧魚公司提供的ROBO//Pro編程軟件應(yīng)用方便，完全滿足各種功能的控制開發(fā)需要，以此設(shè)計(jì)的自動行走機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)單人操作，將節(jié)省玻璃幕墻人工洗刷的成本，替代人工高空作業(yè)，保障生命安全，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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周文彬（1966.8--），男，漢族，山東文登人，高級工程師，主要從事機(jī)電設(shè)備研究與教學(xué)工作。

Development of Var Compensator based on Modular and Intelligent

Xu Zuping
(Automated instituteTongda collage of Nanjing University of posts & Telecomunication,Yangzhou，225000,China)

For the shortcomings of traditional capacitance compensation cabinet.This page developed a modular reactive power compensation module,including capacitors,switch and controller.Users can freely combined capacity according to different needs.Each module can communicate with network interface and can run independently.Each module uses DSP28335 as the core controller can achieve a high degree of intelligen ce,temperature,voltage,current,is be collected,So that the device is safe and effective operation.Wherein switching switch uses a new type of magnetic switch,To overcome the shortcomings of traditional composite switch,thyristor switch,can achieve zero voltage open and zero current shutdown.

Var Compensator;Modula;Intelligent;Switching capacitor