CN101465548A - 交流电容器的微功耗快速放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电容器放电装置，和一般的放电装置相比，该装置连接在交流电路中时功耗极低，是普通放电电阻功耗的百分之一到千分之一；从交流电路中断开后能够快速将电容器上的剩余电量放掉。此装置还能够非常方便的做成耐受任何高电压的放电装置，接在高压交流电容器的两端，实现低功耗快速放电。用本发明的交流电容器快速放电装置替代传统的放电电阻，这将是节能的一个新领域。

Description

交流电容器的微功耗快速放电装置

技术领域：

本发明涉及一种交流电容器放电装置，特别是用于中高压交流电容器的微功耗快速放电装置。

技术背景：

在电网中使用交流电容器，用来进行功率因数补偿，提高电压的稳定性，调节在电路传输中由于感性元件产生的功率传输效率低下。由于电网的污染，现在大量的使用交流电容器作为滤波使用。当交流电容器从交流电路中脱开时，电容器上的电荷并没有放掉，这时很容易发生触电事故。所以电容器在脱离交流电源时，必须使用放电装置立刻将电容器上的剩余电量放掉，这是安全使用交流电容器的要求。在实际使用中，放电装置总是并联在交流电容器的两端，即使在交流电容器工作在交流电路中的时候放电装置也不能与电容器断开，以保证放电装置在电容器脱离交流电路时能立刻将电容器上的剩余电荷放掉。

常见的低压电容器放电装置是并联在电容器两端的放电电阻，电容器的容量越大，要求并联的放电电阻越小，以保证电容器与交流电源断开后，电容器能够在规定的时间内快速放电，但是恰恰由于这个电阻给电容器本身正常工作时候增加了功耗，浪费了电能；如果要降低功率损耗，必须使用较大的放电电阻，这样会增加放电的时间，这有可能超过电气安全规定的允许。

6000V以上的交流电容器一般不使用电阻作为放电装置，这主要是电阻的功耗将大到无法容忍的地步，故使用放电线圈作为放电元件。当电容器从电路中断开时，线圈能够快速给电容器放电。但是当电容器和线圈连接在交流电路中时，为了增加线圈的感抗，降低线圈的功耗，要在线圈中插入铁芯。使用放电线圈的缺点是1.比较笨重；2.本身仍有较大的功耗；3.随着铜材等有色金属的涨价，成本会不断的增加。

还有一种电容器放电装置是用与放电电阻串联的机械触点来控制并联在电容器两端的电阻的，如美国专利4371829所公开的，当电容器连接在交流电路中时，开关打开放电电阻与电容器断开，电阻不消耗电能，当电容器从电路中断开时，开关闭合放电电阻与电容器连接，电阻迅速放掉电容器上的剩余电量。这克服了电容在交流电路中连接时电阻耗电的缺点，但是开关触点的打开和闭合同样耗能，此外机械开关有噪音、体积大，高压下容易击穿空气产生火花导致继电器容易损坏等缺点。

另一种电容器放电装置，如专利号为FI94473B的芬兰专利，这个放电装置是由电阻，电容，双向二极管和双向可控硅组成。这个放电装置能够快速放电，并且在交流电路中的功耗很低，但是这个放电装置的耐压不高，即使按现在的可控硅的工艺水平最高工作电压也不会超过700ACV，这是无法达到380V交流电路的2.15倍的测试标准，所以这种放电装置只能应用于低于220VAC的民用交流电路中；另外，由于双向二极管的反转电压一般很难做到30V以下，所以对于电容器上30V以下的剩余电量无法泄放，因此该放电装置没有什么实际使用价值。

发明内容：

为了克服现有的交流电容器放电装置功耗大、放电时间长和电子放电装置耐压低的不足，本发明提供一种交流电容器放电装置，和一般的放电装置相比，该装置在交流电路中连接时功耗极低，从交流电路中断开后能够快速将电容器上的剩余电量放掉。此装置还能够非常方便的做成耐受任何高电压的放电装置，接在高压交流电容器的两端，实现低功耗快速放电。

为实现上述目的，本发明提出一种交流电容器微功耗快速放电装置，其技术方案如下：本发明的交流电容器快速放电装置由交流电源检测电路、电容降压电源和放电开关组成。交流电源检测电路用于判定放电装置是否与交流电源连接和启动放电开关；电容降压电源用于提供交流电源检测电路的工作电源并在放电装置脱离交流电源时提供放电开关导通所需的电源；放电开关作用是当放电装置脱离交流电源时提供放电通路。

本发明的交流电容器快速放电装置的交流电源检测电路包括交流信号检测电路、交流信号判定电路放电开关驱动电路。交流信号检测电路可以是电压比较器、施密特触发器或过零触发器等。

本发明交流电容器快速放电装置的放电开关可以是MOS管、单向可控硅或双向可控硅。

本发明提供一种低压放电控制芯片，用于实现本发明放电装置的交流电源检测和电容降压电源的整流、稳压等功能。

本发明具有如下优点：

本发明的交流电容器微功耗快速放电装置并联在交流电容器的两端，在交流电路中时，其功耗是极低，是普通放电电阻功耗的百分之一到千分之一。而当脱离交流电源时，放电开关会在几十个mS内导通，并在数秒内将电容器上的剩余电量迅速放掉，具有功耗低，放电速度快的特点。放电装置功耗和发热的减少，直接的效果是减少电能的消耗，而在放电元件内置在电容器的情况下，发热降低，减少电容器的发热，有利于延长电容器的使用寿命。使用多个放电装置串联可以组成高压快速放电装置，解决了高压交流电容器放电装置功耗大的问题。

附图说明：

图1是本发明交流电容器微功耗快速放电装置方框原理图。

图2是本发明交流电容器微功耗快速放电装置交流电源检测电路方框示意图。

图3是本发明交流电容器微功耗快速放电装置实施例之一。

图4是本发明交流电容器微功耗快速放电装置使用单向可控硅作为放电开关实施例。

图5是本发明交流电容器微功耗快速放电装置使用双向可控硅作为放电开关实施例。

图6是用单片机实现本发明的交流电容器微功耗快速放电装置的实际实施电路。

具体实施方式说明：

图1所示的交流电容器微功耗快速放电装置是由交流电源检测电路、放电开关和电容降压电源组成。这个放电装置对外是一个两端模块，1、2为输入端。正常使用时本发明的放电装置的1、2端并联在交流电容器的两端，交流电源检测电路的作用是检测本发明的放电装置是否与交流电源连接。当本发明的放电装置与交流电源连接时，交流电源检测电路检测到交流信号，放电开关关断；当本发明的放电装置与交流电源分离的瞬间，交流电源检测电路检测不到交流信号，放电开关导通，这时与本发明放电装置并联的交流电容器上的剩余电荷将通过放电开关放电；电容降压电源是本身功耗极小的电源，它提供本发明的放电装置在接入交流电源时交流电源检测电路工作所需的电源，以及在本发明的放电装置与交流电源分离的瞬间交流电源检测电路工作电源和放电开关导通所需的电源。

本发明的放电装置和交流电容器C并联接在交流电源时，放电装置不会给交流电容器C放电，并且交流电源检测电路工作时的功耗极小，一般为毫瓦以下的功耗，这是一般放电电阻功耗的千分之一以下；一旦本发明的放电装置和交流电容器C脱离交流电源时，放电装置会迅速地将电容器上的剩余电荷放掉，由于放电限流电阻R大大小于传统的放电电阻，所以放电的速度比传统的放电电阻的快很多。

图2是本发明交流电容器微功耗快速放电装置的交流电源检测电路的方框示意图，交流电源检测电路主要由：交流信号检测电路U、交流信号判定电路W和放电开关驱动电路组成。三角形的框图U是交流信号检测电路，3是交流信号检测电路的输入端，当本发明的放电装置接在交流电路中时，交流信号检测电路输入有变化，则交流信号检测电路输出端4有信号输出，输出信号送到交流信号判定电路W，W可以是一个延时触发电路，对于50Hz交流点可以设置为大于20ms，交流信号判定电路W只要在20mS内收到交流信号检测电路的输出信号，W的5端就没有输出，放电开关驱动电路也没有输出，放电开关K没有动作；当本发明的放电装置与交流电源断开时，交流信号检测电路的输入端3的输入没有变化，则交流信号检测电路的输出端4没有输出，大约20mS后，交流信号判定电路W收不到脉冲，则判定放电装置与交流电源断开，W的输出端5输出触发信号，通过放电开关驱动电路将放电开关K打开，完成电容器C的放电过程。交流信号检测电路可以是电压比较器、施密特触发器或过零触发器等，交流信号判定电路可以是各种形式的延时触发器或单稳态触发器等，在此不再详述。被控制的放电开关可以是可控硅、MOS管等。稳压电源的作用是使交流信号检测电路U和交流信号判定电路W能够准确的处理信号，不受电网的干扰。当本发明的发电装置与交流电源脱离时，交流信号判定电路的工作电源和放电开关的打开是靠滤波电容上的剩余电量供电的，由于交流信号判定电路的功耗极小，且放电开关的触发功率也极小，所以滤波电容上的剩余电量即可将放电开关打开。

图3是本发明的交流电容器微功耗快速放电装置电路的一个实施例，这是由放电控制芯片和三个外围元件组成的交流电容器微功耗快速放电装置。放电控制芯片J1是一个六端元件，它与降压电容器C1、滤波电容C2和放电电阻R组成放电模块。放电控制芯片由过零触发电路U、交流信号判定电路W、整流稳压电路、放电开关驱动电路MOS1、放电开关MOS和桥式整流电路D1-D4及D5-D8组成。当模块接在交流电路中时，交流电压经过C1降压及D1-D4整流后，经过稳压电路和外接的滤波电容C2滤波后，变成低压直流电供芯片中各个电路正常工作时使用。输入端3的交流电压还加到过零触发器U的输入端，当模块接在交流电路中时，过零触发器U有输出脉冲，交流信号判定电路W输出没有变化；当放电模块与交流电源脱离时，整流稳压电路停止工作，过零触发器U和交流信号判定电路W靠滤波电容C2上的剩余电压继续工作，由于没有交流信号输入，过零触发器U没有脉冲输出，交流信号判定电路W延迟一定时间收不到脉冲信号便输出低电平，MOS1截止，MOS导通，放电限流电阻R和MOS形成放电回路将交流电容器上的剩余电量放掉，二极管D5-D8是一个整流桥，当放电装置和交流电容器与交流电源脱离时，不管交流电容器两端的剩余电压的极性如何，加到MOS上的电压能保证其正常导通。

图4是本发明的交流电容器微功耗快速放电装置用单向可控硅作为放电开关的电路示意图。放电装置由放电控制芯片J3、降压电容C1、滤波电容器C2、单向可控硅T、桥式整流电路D1-D4及D5-D8和放电限流电阻R组成。当1、2端与交流电源连接时，3端有交流信号输入，W无输出，MOS不导通，可控硅处于关断状态；当1、2与交流电源断开的瞬间，3端无交流信号，W输出高电平，MOS导通，滤波电容C2通过MOS放电使可控硅T导通，1、2端即可形成放电回路，并联在1、2端的交流电容器上的剩余电量通过可控硅T和放电限流电阻R完成放电过程。这个实施例中的放电控制芯片是一个低压芯片，用一般的低压COMS工艺即可制作。

图5是本发明的交流电容器微功耗快速放电装置用双向可控硅作为放电开关的电路示意图。放电装置由放电控制芯片J3、降压电容C1、滤波电容器C2、双向可控硅BCR和放电限流电阻R组成。放电装置接在交流电源两端时，MOS不导通，可控硅BCR也不导通；当放电装置脱离交流电源的瞬间，交流信号判定电路W输出高电平，MOS导通，滤波电容C2通过MOS管放电使可控硅BCR导通，交流电容器上的剩余电量通过可控硅BCR和放电限流电阻R迅速放电。也可将可控硅和放电控制芯片封装在一起，这样控制电路对外还是一个四端元件，使用和安装都比较方便。现在一般的电器设备的电源前端都有EMI电路，EMI电路中的电容器也需要放电电阻，这些放电电阻也要产生几十到几百毫瓦的功耗，所以对于这些放电电阻也可以用本发明的交流电容器微功耗快速放电装置替代以达到节能的效果，由于EMI里的交流电容器的容量较小，所以本发明放电装置中的放电限流电阻的阻值可以做的比较大，这样可以将电阻R集成进芯片，这有利于减少放电装置的外围元件。

图6是用单片机实现本发明的交流电容器微功耗快速放电装置的一个实际实施电路。其中电容器C1、二极管D1和D2电容降压整流电路，稳压管ZD和电容器C2完成稳压和滤波的功能，给单片机控制电路供电。单片机的6端检测交流信号，只要放电装置的1、2端与交流电源连接，7端就输出低电平；当1、2端与交流电源断开瞬间，单片机的工作电流靠滤波电容C2提供，单片机的6端检测不到交流信号，7端输出高电平，使可控硅BCR导通，放电限流电阻R和双向可控硅BCR对1、2端形成放电回路，并联在1、2端的交流电容器即可瞬时完成放电过程。

使用多个如图3、4、5、6相同结构的放电装置串联，即可组成高压交流电容器快速放电装置，和图1的不同在于是N个交流电容器快速放电装置串联后并联在高压交流电容器两端，每个放电装置承受的电压是交流电源电压的1/N，只要认真的选择每个放电模块中的降压电容器的容量，使之保证一致，即可保证每个放电模块承受电压是相同的。当N个放电装置脱离交流电源时，所有的放电装置内部的放电开关同时导通，完成放电过程。因此对于数千伏甚至更高的交流电容器C的放电，只要多串联几个本发明的交流电容器快速放电装置即可，既简单又方便，而且能够在低功耗的条件下实现快速放电。

随着用电器数量和种类的增多，电网的品质在不断的恶化，为了提高电网的功率因数和电网的品质，使用交流电容器进行功率因数补偿和滤波已经是净化电网必不可少的手段，为了更精确的控制和补偿电网的各种参数，要求交流电容器更加频繁的投切。这就为电容器的放电提出了更高的要求，即要求电容器在脱离交流电源后快速放电，以保证可以随时准备再次投切。本发明的交流电容器微功耗快速放电装置能够克服普通放电装置的放电时间长，功耗大的缺点。减小交流电容器交流工作时的综合损耗，当电容器与交流电源断开后能够在极短的时间内将电容器上的剩余电量放掉。在各种电器的电源前端，都有EMI滤波电路，滤波电容跨接在电源线两端，为了安全起见在滤波电容器两端都并有放电电阻，能用本发明的交流电容器快速放电装置替代传统的放电电阻，这将是节能的一个新领域。

Claims (5)

1、一种交流电容器快速放电装置，其特征在于，该放电装置包括：

交流电源检测电路，用于判定放电装置是否与交流电源连接和启动放电开关；

电容降压电源，用于提供交流电源检测电路的工作电源并在放电装置脱离交流电源时提供放电开关导通所需的电源；

放电开关，用于当放电装置脱离交流电源时提供放电通路。

2、如权利要求1所述的交流电容器快速放电装置，其特征在于，所述的交流电源检测电路包括交流信号检测电路、交流信号判定电路和放电开关驱动电路。

3、如权利要求1所述的交流电容器快速放电装置，其特征在于，所述的放电开关可以是MOs管、单向可控硅或双向可控硅。

4、如权利要求1所述的交流电容器快速放电装置，其特征在于，所述的交流信号检测电路可以是电压比较器、施密特触发器或过零触发器等。

5、如权利要求1所述的交流电容器快速放电装置，其特征在于，所述的交流电源检测电路和电容降压电源由一个低压COMS集成电路实现。

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