CN102611090B - 电容脉冲放电装置、电容投切开关 - Google Patents

Abstract

本发明电容脉冲放电装置，由放电电阻与半导体开关串联组成电容放电回路，控制电路与半导体开关的控制端连接，由控制电路提供脉冲信号控制半导体开关导通，对电容残压进行大电流快速脉冲放电，使电容残压在极短的时间内放电到具备等电位二次投入的条件，采用本发明对电容残压放电，可以大大加快放电时间、极大的减小放电电阻能耗和温升、提高电容投切开关的二次投入速度；本发明的电容投切开关是在前面所述的电容脉冲放电装置的基础上，连接了可控硅，由本发明的电容投切开关作为对电力电容的动态投切，具有二次投入快、节能、经济性好、可靠性高的特点。

Description

电容脉冲放电装置、电容投切开关

技术领域

本发明电容脉冲放电装置、电容投切开关属于电开关领域，特别是一种能对电力电容快速放电的装置和一种能进行二次快速投入的电容投切开关。

背景技术

目前在电力动态无功补偿系统中，广泛使用可控硅这种电容投切开关对电容进行投切控制，但由于三相电的相位差为120度，且可控硅本身具有电流过零分断的特点，在开关分断后，三角形接法的电容会出现电容端电压叠加现象，其中一相电容残压将会远高于线电压的峰值，在短时间内无法具备等电位二次快速投入的条件；当在电压波动较大的场合，即使电容投切开关对单相电容分断，由于可控硅本身具有电流过零分断的特点，此时负载电容的残压为可控硅分断时交流电压的峰值，如二次投入时电网电压变低，则在短时间内也同样无法具备等电位二次快速投入的条件，为此一般在电柜设计中，为达的较快速二次投入的目的，在电容投切开关输出端或电容输入端，连接有放电电阻或放电灯，为兼顾到能耗，一般RC时间常数很大，放电速度慢，这造成放电电路能耗大、放电效果不佳、电容投切开关二次投入速度慢，动态补偿效果差的缺点。

发明内容

本发明的目的在于避免现有电容放电和电容投切开关的不足之处而提供一种具有大电流瞬间脉冲放电功能的电容脉冲放电装置及对电力电容快速二次投入的带有电容脉冲放电装置的电容投切开关。

实现本发明的目的是通过以下技术方案来达到的，一种电容脉冲放电装置，其包括：放电电阻、半导体开关、控制电路，放电电阻与半导体开关串联组成电容放电回路，控制电路连接有供电电源，控制电路与半导体开关的控制端连接，由控制电路提供脉冲信号控制半导体开关导通，电容残压通过放电电阻、半导体开关进行大电流快速脉冲放电，使电容残压能在极短的时间内放电至具备等电位二次投入的条件。

一种电容脉冲放电装置，半导体开关包括至少一半导体开关管，半导体开关管为可控关断元件。

一种电容脉冲放电装置，电容放电回路串联有晶闸管。

一种电容脉冲放电装置，晶闸管的阳极与控制极连接有压敏元件。

一种电容脉冲放电装置，电容放电回路内置有整流电路。

一种电容脉冲放电装置，控制电路内置有微控制器。

一种电容脉冲放电装置，控制电路连接有电压过零信号输入端口。

一种电容脉冲放电装置，控制电路的供电电源输入端与电容放电回路两端相连接。

一种电容脉冲放电装置，控制电路内置有失电检测电路。

一种电容脉冲放电装置，失电检测电路的输入端连接至控制电路电源滤波电容的前级，失电检测电路与控制电路电源滤波电容之间至少有一单向整流元件隔离。

一种带有本发明电容脉冲放电装置的电容投切开关，至少一可控硅连接电容放电回路和控制电路，控制电路连接有投入控制端口。

一种电容投切开关，电容投切开关内置有采用了互感器的电压过零检测电路。

其工作原理：在电容投切开关对负载电容分断后，利用电容残压高时放电速度快的特点，在极短的时间内控制电路提供一脉冲信号控制半导体开关导通，由放电电阻和半导体开关串联组成的电容放电回路对电容快速大电流放电，使电容残压降到具备等电位投入的条件即可。

本发明电容脉冲放电装置设计合理，在电容分断后利用电容残压高时放电速度快的特点，只要控制电路提供适合宽度的脉冲信号给半导体开关对负载电容残压进行脉冲快速放电，使电容残压降到与供电电压峰值约为相等即可，放电时间几十毫秒内即可完成，可以大大加快了放电时间、极大的减小了放电电阻能耗和温升、提高电容投切开关的二次投入速度；本发明的电容投切开关其包括前面所述的电容脉冲放电装置，在电容脉冲放电装置基础上连接了可控硅，由本发明的电容投切开关作为对电力电容的动态投切，具有脉冲放电能耗低、发热量极小、二次投入快、无需多组电容投切开关轮流投切即可达到动态快速补偿的效果，这对整个补偿系统而言即大大节约了成本、减小了电柜的体积、也近一步提高了系统的可靠性。

附图说明

附图1是本发明电容脉冲放电装置的实施例之一电路示意图。

附图2是本发明电容脉冲放电装置的实施例之二电路示意图。

附图3是本发明电容投切开关的实施例之一电路示意图。

附图4是本发明电容投切开关的实施例之二电路示意图。

具体实施方式

如附图1所示的电容脉冲放电装置，放电电阻R1与由整流桥BR1、半导体开关管Q1组成的半导体开关串联组成电容放电回路(注：当开关管Q1为交流开关管时，如开关管采用IGBT交流模块，整流电路BR1可以省略)，整流桥BR1的交流输入端与放电电阻R1连接，整流输出端与开关管Q1电流输入输出端连接，开关管Q1的导通偏置信号由电阻R2与稳压二极管Z1串联稳压经控制电路A的光电耦合器OPT1提供，电容C1为滤波用途，电阻R3为下拉电阻，防止开关管Q1误导通，J1、J2为用于与电容投切开关输出端或负载电容输入端相连接的端点。

控制电路A：以微控制器MCU(此实施例MCU型号以F300为例)为控制核心，控制电路工作电源由J1、J2端点输入经电容C2降压，经整流电路BR2整流、经二极管D1、再通过Z2稳压、电容C3和电容C4滤波给MCU供电；在滤波电容C3、C4的前级，即二极管D1的阳极端连接有由电阻R4、三极管Q2组成的失电检测电路(注：由于失电检测电路输出的是全波信号，失电检测电路能够在电容投切开关分断后半个周波时间内，使MCU得到响应，以最短的时间打开电容放电回路的半导体开关，失电检测电路必须放在控制电路电源滤波电容的前级，可以是前一级或以上)，三极管Q2输出端连接至微控制器MCU的P0.1口，微控制器MCU的P0.2口通过限流电阻R5驱动光电耦合器OPT1，由光电耦合器OPT1输出端连接至半导体开关(即开关管Q1)的控制端。

注：在此实施例中控制电路供电电源输入端和由放电电阻、半导体开关串联组成的电容放电回路连接在一起，需外接连接导线少，控制电路A采用电容降压供电，工作能耗低，在现实应用中极为方便。

工作过程：在电容投切开关接通电容后，作为与电容投切开关输出端或负载电容端相连接的电容脉冲放电装置，得到交流电源，控制电路A上电后，微控制器MCU得电工作，微控制器MCU的P0.1端口不断检测J1、J2输入端输入的交流电信号，当电容投切开关断开后，此时由电容C4储能来提供MCU工作能量，微控制器MCU的P0.1端口检测到J1、J2输入端无交流电信号，MCU的P0.2端口输出低电平脉冲信号控制OPT1导通，半导体开关管Q1得到偏置电压导通，在脉冲输出期间负载电容残压快速通过放电电阻R1和半导体开关放电(注：脉冲宽度可根据负载电容容量和放电电阻的阻值来确定其参数，脉冲宽度只要保证半导体放电电路把电容残压放到与电网电压峰值接近即可，如在放电期间微控制器MCU的P0.1端口检测到J1、J2输入端有交流电信号输入，则立即关闭放电脉冲)，放电过后控制电路进入下次工作循环。

如附图2所示的电容脉冲放电装置，整流桥BR1输出端与由放电电阻R1、晶闸管SCRa和半导体开关管Q1组成的串联回路相连接(整流桥BR1与半导体开关管Q1在这里共同组成交流半导体开关，放电电阻R1与其串联组成电容放电回路，晶闸管SCRa是为提高整个放电回路耐压而增加的，当开关管Q1为交流开关管时，如开关管采用IGBT交流模块，整流电路BR1可以省略)，晶闸管SCRa的阴极连接开关管Q1的电流输入端，晶闸管SCRa的阳极与晶闸管SCRa的控制极连接压敏元件RV1、晶闸管SCRa的控制极与开关管Q1电流输出端连接压敏元件RV2(注：压敏元件RV1的稳压值应选择比电容工作的电网电压的峰值略小，保证开关管Q1打开时，能可靠触发晶闸管SCRa导通，压敏元件RV2的稳压值应选择小于开关管Q1耐压值)，开关管Q1的导通偏置信号由电阻R2与稳压二极管Z1串联稳压经控制电路A的光电耦合器OPT1提供，电容C1为滤波用途，电阻R3为下拉电阻，防止开关管Q1误导通。J1、J2为电容脉冲放电装置与电容投切开关输出端或负载电容输入端相连接的端点，J3、J4为控制电路A电源输入端口，J5、J6为用于与电容投切开关触点两端相连接的电压过零信号输入端口。

控制电路A：以微控制器MCU(此实施例MCU型号以F300为例)为控制核心，控制电路工作电源由J3、J4端点输入电源经电容C2降压，经整流电路BR2整流，再通过Z2稳压、电容C3和C4滤波给MCU供电；J5、J6为用于与电容投切开关输入输出端相连接的电压过零信号输入端口(注：此实施例控制电路增加电压过零信号输入端口目的在于，控制电路可以根据此端口输入的信号，及时控制电容放电回路半导体开关打开，进行放电，在放电期间，并根据此端口输入的信号，可以实时得知电容残压是否降至具备等电位投入条件，达到在最短时间放电)，输入信号通过内置的由限流电阻R8、光电耦合器OPT2组成的电压过零检测电路连接至微控制器MCU的P0.5口，微控制器MCU的P0.2口通过限流电阻R5驱动光电耦合器OPT1，由光电耦合器OPT1输出端连接至半导体开关(即开关管Q1)的控制端。

工作过程：控制电路A上电后，微控制器MCU得电工作，微控制器MCU的P0.5端口不断检测J5、J6输入端输入的电信号(注：在电容投切开关触点闭合的情况下为高电平)，当电容投切开关断开后，微控制器MCU的P0.5端口检测到有低电平时，由微控制器MCU的P0.2端口输出低电平脉冲信号控制OPT1导通，半导体开关管Q1得到偏置电压导通，晶闸管SCRa由RV1触发导通，在脉冲输出期间对负载电容快速通过半导体开关、放电电阻R1放电，放电期间当微控制器MCU的P0.5端口检测到有高电平时，P0.2端口输出高电平，放电停止，放电过后控制电路进入下次工作循环。

如附图3所示的电容投切开关，J1、J2、J3为电容投切开关三相电输入端，J4、J5、J6为电容投切开关输出端，整流桥BR1输出端与由放电电阻R1、晶闸管SCRa和半导体开关管Q1组成的串联回路相连接(整流桥BR1与半导体开关管Q1在这里共同组成交流半导体开关，放电电阻R1与其串联组成电容放电回路，晶闸管SCRa是为提高整个放电回路耐压而增加的，当开关管Q1为交流开关管时，如开关管采用IGBT交流模块，整流电路BR1可以省略)，整流桥BR1交流输入端连接至可控硅SCR1输出端、可控硅SCR2输出端，半导体开关的控制端(即开关管Q1的导通偏置端)、可控硅SCR1控制端和可控硅SCR2控制端连接至控制电路A，控制电路A的电压过零输入端分别连接至SCR1的输入输出两端和SCR2的输入输出两端，J7、J8为控制电路A的电源输入端点，J9、J10为控制电路的投入控制信号输入端点。

控制电路A：其以微控制器MCU(此实施例MCU型号以F300为例)为控制核心，控制电路工作电源由J7、J8端点输入经变压器T1降压，经整流电路BR2整流、二极管D1、电容C1和C2滤波后，一路通过U1稳压、电容C3和C4滤波给微控制器MCU供电；另一路给触发变压器T2、T3输入端驱动供电，T2输出端与T3输出端分别连接至可控硅SCR1、SCR2的控制端；在滤波电容C1、C2的前级，即二极管D1的阳极端连接有由电阻R18和三极管Q6组成的失电检测电路(注：由于失电检测电路输出的是全波信号，失电检测电路能够在电网失电半个周波时间内，使MCU得到响应，以最短的时间关闭主回路可控硅SCR1、SCR2，防止电网短时间重复上电损坏可控硅，失电检测电路必须放在控制电路电源滤波电容的前级，可以是前一级或以上)，三极管Q6输出端连接至微控制器MCU的P0.1口，控制电路内置两个分别由互感器T4与限流电阻R9串联、互感器T5与限流电阻R13串联组成的电压过零检测电路(注：为提高电容投切开关电压过零投入的精准度、减小频繁投切带来电压过零检测电路限流电阻能耗大的问题，是本实施例采用灵敏度高的互感器作为电压过零检测元件的原因)，互感器T4输入端通过限流电阻R9连接至可控硅SCR1的输入输出两端，互感器T4输出端通过BR3整流，再经三极管Q4电平变换，到微控制器MCU的P0.6口，互感器T5输入端通过限流电阻R13连接至可控硅SCR2的输入输出两端，互感器T5输出端通过BR4整流，再经三极管Q5电平变换，到微控制器MCU的P0.4口，微控制器MCU的P0.7口输出脉冲信号通过限流电阻R8给三极管Q2，由Q2驱动触发变压器T2，T2输出端输出脉冲信号驱动可控硅SCR1导通，微控制器MCU的P0.5口输出脉冲信号通过限流电阻R12控制三极管Q3，由Q3驱动触发变压器T3，T3输出端输出脉冲信号驱动可控硅SCR2导通，J9、J10输入端的投入控制信号经光电耦合器OPT1光电隔离输入到微控制器MCU的P0.0口，微控制器MCU的P0.2口通过限流电阻R7驱动光电耦合器OPT2，由光电耦合器OPT2输出端连接至电容放电回路的半导体开关(即开关管Q1)的控制端。

工作过程：在控制电路A上电后，微控制器MCU得电工作，微控制器MCU先根据P0.6端口、P0.4端口输入的电压过零检测信号，得到可控硅SCR1、SCR2所控制相之间的电压相位差，当微控制器MCU的P0.0端口检测到J9、J10输入端的投入控制信号，微控制器MCU再根据P0.6端口、P0.4端口输入的电压过零检测信号，微控制器MCU的P0.7端口、P0.5端口分别输出脉冲串信号给Q2、Q3，再由T2、T3输出端输出触发可控硅SCR1、SCR2电压过零导通(在可控硅SCR1、SCR2导通期间，微控制器MCU不断检测P0.1端口，如有失电，马上关闭给可控硅SCR1、SCR2的触发信号，防止短期重复上电，造成可控硅SCR1、SCR2损坏)，当微控制器MCU检测到J9、J10输入端无投入控制信号时，根据可控硅SCR1与可控硅SCR2所控制相的相位差控制可控硅SCR1与可控硅SCR2电流过零关断的时间间隔，保证电容投切开关每次分断电容时可控硅SCR1与SCR2输出端之间的负载电容残压为最大值，如可控硅SCR1比SCR2所控制的电压相位超前120度时，P0.5端口滞后电网交流电半个周波时间，关闭脉冲信号，如可控硅SCR1比SCR2所控制的电压相位滞后120度时，P0.7端口滞后电网交流电半个周波时间，关闭脉冲信号，可控硅SCR1、SCR2电流过零截止，微控制器MCU的P0.2端口输出脉冲低电平信号控制OPT2导通，半导体开关管Q1控制端得到偏置电压导通，晶闸管SCRa由RV1触发导通，在脉冲输出期间由负载电容快速通过放电电阻R1、半导体开关放电，在脉冲输出期间同时微控制器MCU要通过P0.6端口、P0.4端口对可控硅SCR1、SCR2电压过零信号进行检测，如都存在电压过零信号(注：要有交变电平信号)，输出到半导体开关管Q1的控制脉冲信号关闭，放电过后控制电路进入下次工作循环。

如附图4所示的电容投切开关，J1为电容投切开关输入端，J2为电容投切开关输出端，可控硅SCR1输出端和输入端连接有放电电阻R1和半导体开关(这里由整流电路BR1和开关管Q1共同组成交流半导体开关)组成的电容放电回路，半导体开关的控制端(即开关管Q1的导通偏置端)、可控硅SCR1控制端连接至控制电路A，J3、J4为控制电路A的电源输入端点，J5、J6为控制电路的投入控制信号输入端。

控制电路A：其以微控制器MCU(此实施例MCU型号以F300为例)为控制核心，控制电路工作电源由J3、J4端点输入经变压器T1降压，经整流电路BR2整流、二极管D1、电容C1和C2滤波后，通过U1稳压、电容C3和C4滤波给MCU供电；在滤波电容C1、C2的前级，即二极管D1的阳极端连接有由电阻R10和三极管Q2组成的失电检测电路(注：由于失电检测电路输出的是全波信号，失电检测电路能够在电网失电半个周波时间内，使MCU得到响应，以最短的时间关闭可控硅SCR1，防止电网短时间重新上电损坏可控硅，失电检测电路必须放在控制电路滤波电容的前级，可以是前一级或以上)，三极管Q2输出端连接至微控制器MCU的P0.1口，J5、J6输入端的输入控制信号经光电耦合器OPT1光电隔离输入到微控制器MCU的P0.0口，微控制器MCU的P0.7口通过限流电阻R4驱动光电耦合器OPT3，光电耦合器OPT3输出端通过限流电阻R5驱动可控硅SCR1电压过零导通，微控制器MCU的P0.2口通过限流电阻R7驱动光电耦合器OPT2，由光电耦合器OPT2输出端连接至电容放电回路开关管Q1的控制端。(注：此实施例的光电耦合器OPT3选用MOC3081、MOC3082、MOC3083等自带过零触发功能的光电耦合器)

工作过程：在控制电路A上电后，微控制器MCU得电工作，当微控制器MCU的P0.0端口检测到J5、J6输入端存在投入控制信号，微控制器MCU的P0.7端口输出低电平信号驱动光电耦合器OPT3，由光电耦合器OPT3输出端输出控制可控硅SCR1电压过零导通，在可控硅SCR1导通期间，微控制器MCU不断检测P0.1端口，如有失电，马上关闭可控硅SCR1的触发信号，防止短期重复上电，造成可控硅SCR1损坏，当微控制器MCU检测到J5、J6输入端无投入控制信号时，微控制器MCU的P0.7端口输出高电平信号，光电耦合器OPT3、可控硅SCR1电流过零截止，微控制器MCU的P0.2端口输出低电平脉冲信号控制光电耦合器OPT2导通，电容放电回路的开关管Q1得到偏置电压导通，在脉冲输出期间对负载电容快速通过电容放电回路的放电电阻R1、半导体开关对电网电源回路放电，放电过后控制电路进入下次工作循环。

在上述电容脉冲放电装置实施例一、实施例二和电容投切开关实施例一、实施例二中开关管可以采用场效应管、IGBT、三极管等可控关断元件；电容投切开关实施例一、实施例二中可控硅实施例均采用双向可控硅，在实际应用中也可以采用两只单向可控硅反向并联，工作原理相同。

Claims (10)

1.一种电容脉冲放电装置，其特征在于，包括：

半导体开关；

放电电阻，与所述半导体开关串联组成电容放电回路；

控制电路，内置有一微控制器，连接有供电电源，与所述半导体开关的控制端连接，由所述控制电路提供脉冲信号控制所述半导体开关导通，电容残压通过所述放电电阻、所述半导体开关进行大电流快速脉冲放电，使电容残压在极短的时间内放电至具备等电位二次投入的条件；

所述控制电路连接有电压过零信号输入端口，所述控制电路根据所述电压过零信号输入端口输入的信号，控制所述电容放电回路的所述半导体开关打开，进行放电，在放电期间，根据所述电压过零信号输入端口输入的信号，实时得知电容残压是否降至具备等电位投入条件，达到在最短时间放电。

2.根据权利要求1所述的电容脉冲放电装置，其特征在于所述半导体开关包括至少一半导体开关管，所述半导体开关管为可控关断元件。

3.根据权利要求1所述的电容脉冲放电装置，其特征在于所述电容放电回路串联有晶闸管。

4.根据权利要求3所述的电容脉冲放电装置，其特征在于所述晶闸管的阳极与控制极连接有压敏元件。

5.根据权利要求1所述的电容脉冲放电装置，其特征在于所述电容放电回路内置有整流电路。

6.根据权利要求1所述的电容脉冲放电装置，其特征在于所述控制电路的供电电源输入端与所述电容放电回路两端相连接。

7.根据权利要求1所述的电容脉冲放电装置，其特征在于所述控制电路内置有失电检测电路。

8.根据权利要求7所述的电容脉冲放电装置，其特征在于所述失电检测电路的输入端连接至所述控制电路电源滤波电容的前级，所述失电检测电路与所述控制电路电源滤波电容之间至少有一单向整流元件隔离。

9.一种带有根据权利要求1至8中任意一项的电容脉冲放电装置的电容投切开关，其特征在于至少一可控硅连接电容放电回路和所述控制电路，所述控制电路连接有投入控制端口。

10.根据权利要求9所述的电容投切开关，其特征在于所述电容投切开关内置有采用了互感器的电压过零检测电路。