CN103427428B - 一种快速三相无功补偿投切开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速三相无功补偿投切开关，其包括：电源模块；投切电路模块；投切信号输入模块；控制电路模块，其采用高运行速度的单片机来接收并处理所述投切信号输入模块传来的投切信号，并将处理后的投切信号输出给投切信号输出模块；投切信号输出模块，其包括与门电路、功放电路和变压器电路，通过控制电路模块将投切信号输出给与门电路，并将与门电路的输出信号经功放电路和变压器电路作用在晶闸管的控制极，以实现无功补偿电容器的投入或切除。本发明通过采用单片机技术，通过优化程序，配合反并联晶闸管，并综合考虑所述投切开关以及电容器的使用寿命，实现了无功补偿电容器的频繁快速投切。

Description

一种快速三相无功补偿投切开关

技术领域

本发明涉及一种快速三相无功补偿投切开关，特别适用于高低压配电工程中的无功补偿装置以实现电容的快速投切。

背景技术

在电力行业中，经常需要使用无功补偿电容器以提高电网的功率因素，提高供电效率，改善供电环境。电网的功率因素是随负载的变化而变化的，要求对无功补偿电容器进行频繁快速的投退，使补偿后的电网功率因素保持在0.95左右。目前国内无功补偿装置中多采用电磁式交流接触器式投切开关。由于受到电容器承受的涌流能力、放电时间、电容器分级、接触器操作频繁等因素的影响，该种类型的开关存在着许多不足之处：

1、电磁式交流接触器属于机械式开关，这一类接触器的投切时间较长，不能跟踪波动性负荷和冲击性负荷而进行快速、频繁的投切，适用场合受限；

2、此类电磁式交流接触器不能做到过零投入、过零切除电容器，在闭合时发生较大的涌流，断开时承受较大的过电压，既影响电容器的使用寿命，开关的触头也容易损坏，可靠性低。

同时在三相共补的情况下，投切开关必须要对三相电源进行缺相检测，缺少某一相都会对电网造成危害，而大多数缺相检测电路连接复杂，判断的可靠性低，容易误报警，降低工作效率。

发明内容

本发明针对现有技术的以上缺陷提供了一种快速三相无功补偿投切开关，主要解决无功补偿电容器在投切过程中出现涌流，过压，以及投切时间长，频繁投切不可靠等问题，使无功补偿装置能够根据变化负载快速、频繁的投切电容器，维持电网供电效率和电网环境的稳定，同时进一步的，设计了一种电路简单、可靠性高的缺相检测电路，能在三相电缺相的情况下不进行投切操作，提高了安全性。

本发明提供的技术方案为：

一种快速三相无功补偿投切开关，包括投切电路模块和控制电路模块，还包括：

缺相检测电路，其与所述控制电路模块电连接，用于对三相电进行缺相检测；所述缺相检测电路包括：

在三相电的第一相电和第二相电之间设置第一光电耦合器，所述第一光电耦合器的输入端并联有第一稳压二极管，输出端与所述控制电路模块电连接；且所述第一相电通过依次串联的第一电容、第一电阻和第一电感连接到所述第一稳压二极管的阳极，所述第二相电通过依次串联的第二电感、第三电感和第二电阻连接到所述第一稳压二极管的阴极；所述第一稳压二极管的阳极还与第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端与所述第三电感和所述第二电阻的连接点电连接；

在三相电的第二相电和第三相电之间设置第二光电耦合器，所述第二光电耦合器的输入端并联有第二稳压二极管，输出端与所述控制电路模块电连接；且所述第三相电通过依次串联的第三电容、第三电阻和第四电感连接到所述第二稳压二极管的阴极，所述第二相电通过依次串联的第五电感、第六电感和第四电阻连接到所述第二稳压二极管的阳极；所述第二稳压二极管的阴极还与第四电容的一端连接，所述第四电容的另一端与所述第六电感和所述第四电阻的连接点电连接；

其中，所述控制电路模块通过检测所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器的输出端电平信号判断所述三相电源是否存在缺相。

优选的是，所述缺相检测电路还包括：反相器74HC14D电路，所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器的输出端信号经所述反相器74HC14D电路反相后作用到所述控制电路模块；

当所述控制电路模块检测出所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器输出端的高低电平均呈现方波变化时，则判断当前三相电输入正常；反之，若检测出任一个光电耦合器输出端一直呈现高电平，则判断当前三相电存在缺相问题，此时所述控制电路模块控制所述投切开关不进行投切操作，并发出缺相报警信号。

优选的是，所述投切电路模块包括：在三相电的第一相电和第三相电分别电连接一组反并联晶闸管，通过两组反并联晶闸管的导通和截止来投入或切除连接在第一相电和第二相电之间、第二相电和第三相电之间、第三相电和第一相电之间的至少三组无功补偿电容器。

优选的是，所述投切信号输入模块包括：第三光电耦合器，其输入端并联有第三稳压二极管，且所述第三稳压二极管的阴极通过第五电阻连接到外部投切信号端子，阳极接地线，所述第三光电耦合器的输出端连接到所述控制电路模块。

优选的是，所述投切信号输出模块包括：与门电路、功放电路和变压器电路；

其中所述与门电路的信号输入端与所述控制电路模块电连接，所述与门电路的信号输出端与所述功放电路的信号输入端电连接；

所述功放电路的输出端信号经所述变压器电路隔离后作用到所述两组反并联晶闸管的控制级，以实现所述至少三组无功补偿电容器的投入或切除。

优选的是，所述与门电路采用74HC08D构成的电路，所述功放电路采用ULN2003S构成的电路。

优选的是，所述投切开关还包括：温控保护模块，其包括散热风扇或铝制散热片，以及

温控开关，所述温控开关通过检测当前投切开关所处环境的温度值来控制其切断，并将切断信号输出给控制电路模块，所述控制电路模块检测到该切断信号后控制所述投切开关不进行投切操作，并发出过温报警信号。

优选的是，所述投切开关还包括：显示输出模块，其通过与所述控制电路模块电连接的四个信号指示灯分别指示所述投切开关处于供电正常状态、运行状态、投切状态和报警状态。

优选的是，所述投切开关还包括电源模块，其包括：

低频变压器，其取三相电任意两相380V交流电降压到36V；

整流桥，其将所述低频变压器得到的36V交流电整流成直流电；

开关稳压集成电路，其通过采用LM2575S芯片构成的电路输出5V直流电为所述投切开关提供电源。

本发明为了实现快速、安全、可靠的投退电容器，采用高运行速度单片机作为控制电路的CPU，很大程度提高了系统处理投切信号的速度；同时采用高耐压的反并联晶闸管与之配合，实现了电容器的频繁快速投切，并且能够实现电流过零投入、电压过零切除电容器，最大程度的保护电容器，延长电容器和开关的使用寿命。进一步的，本发明所述投切开关带有电路简单且可靠性高的缺相检测模块和温控保护模块，使得在缺相或者温度过高的情况下无论投切信号输入模块是否接收到外部投切信号指令，控制电路模块均不向投切信号输出模块发送投切信号，使整个系统处于休眠状态，并发出相应的报警信号且显示输出。

附图说明

图1为本发明所述快速三相无功补偿投切开关的电路模块框图。

图2为本发明投切信号输入模块102的电路原理图。

图3为本发明控制电路模块103的电路原理图。

图4为本发明投切信号输出模块104的电路原理图。

图5为本发明投切电路模块105的电路原理图。

图6为本发明缺相检测模块106的电路原理图。

图7为本发明温控保护模块107的电路原理图。

图8为本发明电源模块101的电路原理图。

图9为本发明所述投切开关的应用接线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种快速三相无功补偿投切开关，包括：电源模块101、投切信号输入模块102、控制电路模块103、投切信号输出模块104和投切电路模块105，优选的是还包括缺相检测模块106、温控保护模块107和显示输出模块108。其中电源模块101为各个电路模块提供电源，V+端为外部投切信号的输入端，V-接地。

首先，投切信号输入模块102用于接收外部投切信号并经光耦隔离输出给控制电路模块103。具体电路如图2所示，其主要部件为第三光电耦合器U1，其其输入端并联有第三稳压二极管，且所述第三稳压二极管的阴极通过第五电阻R5连接到外部投切信号端子V+，阳极接地线（V-），此时使得V+与V-间的电压降为光电耦合隔离器的额定输入电压。光电耦合隔离器输出端直接接控制电路模块103中单片机相应的管脚P3.4。其中，电阻R9连接至5V电源，起到上拉作用，电容C14、C12均主要起到电源滤波的作用。

控制电路模块103，其采用高运行速度的单片机来接收并处理所述投切信号输入模块102传来的投切信号，并将处理后的投切信号输出给投切信号输出模块104。此处采用高运行速度的单片机，以实现外部投切信号的快速处理。电路图如图3所示，主要接线为保证单片机能正常运行的常规接线，其中还包括显示输出模块108。

当V+端有+12V的信号输入时，表示需投入电容器，由电路图可分析知道，此时光电耦合隔离器的输出端为低电平，反之输出端为高电平。当单片机检测到P3.4端口的电平别拉低时，即判断出当前有投入信号输入，并立即对该投入信号进行处理，经程序控制在P2.4管脚输出脉冲信号，并将处理后的投入信号输出给投切信号输出模块104。

投切信号输出模块104，包括与门电路、功放电路和变压器电路；电路图如图4所示，其中所述与门电路的信号输入端与所述控制电路模块电连接，所述与门电路的信号输出端与所述功放电路的信号输入端电连接；所述功放电路的输出端信号经所述变压器电路隔离后作用到所述两组反并联晶闸管的控制级，以实现所述至少三组无功补偿电容器的投入或切除。所述变压器电路还包括在输入端通过串联至少一个二极管以防止回路电流回流。此处在输入端通过接电源5V各串联了两个二极管。

其中与门电路采用74HC08D构成的电路，功放电路采用ULN2003S构成的电路。其中所述与门电路的信号输出端与所述功放电路的信号输入端电连接，所述功放电路输出端的信号作为反并联晶闸管控制极的触发信号，以实现对每一个晶闸管的控制。

由74HC08D芯片参数可知，A、B作为与门的两输入，输出为Y，可实现四组信号的相与功能。当单片机检测到有投入信号时，通过程序控制P2.4输出脉冲信号，此时控制P2.1、P2.2、P2.6、P2.7输出高电平；当单片机检测到有切除信号时，程序控制P2.4输出高电平，且P2.1、P2.2、P2.6、P2.7也为高电平。接着Y输出通过网络标号q1、q2、q3、q4连接到功放ULN2003S的信号输入端IN4、IN3、IN2、IN1，对应着四个输出信号A1、A2、A3、A4。这四个输出信号输出的脉冲信号直接作为两组反并联晶闸管中四个晶闸管的控制极触发信号，其可直接作用在各晶闸管的控制极，优选的是通过隔离后作用在各晶闸管的控制极上，即图4中的起到隔离作用的T1、T2、T3、T4，各输出端P3、P4、P5、P6分别接到四个晶闸管的门极，实现对各晶闸管的控制。其中T1、T2、T3、T4可以说变压比为1：1的变压器。由ULN2003S资料可知，输出与输入电平相反，因此当某一路信号输入为高电平时，此时相应的输出端相当于接地为低电平，控制的晶闸管不导通。

投切电路模块105，其在三相电的第一相电和第三相电分别电连接一组反并联晶闸管，通过两组反并联晶闸管的导通和截止来投入或切除连接在第一相电和第二相电之间、第二相电和第三相电之间、第三相电和第一相电之间的至少三组无功补偿电容器。电路简要接线图如图5所示，其中各晶闸管的规格参数相同，分别串联在A相与C相之间，各晶闸管的导通与截止通过投切信号输出模块104功放的输出信号A1、A2、A3、A4决定。采用反并联晶闸管能保证在三相电一个周期内至少有一个晶闸管处于正向偏置状态，即每个晶闸管仅导通该相交流电的正半周或是负半周，一个周期的导通由两个晶闸管交替完成。此时只需要给晶闸管提供门极触发信号，就能快速的使晶闸管导通，快速实现对电容器的投入。

除以上模块外，本发明提供的投切开关还包括缺相检测模块106、温控保护模块107。

其中缺相检测模块106通过在三相电的任意两相电之间设置一个光电耦合器（U2和U3），并通过控制电路模块检测所述光电耦合器输出端的高低电平变化来判断三相电是否存在缺相问题。电路图如图6所示，其在A相与B相之间，B相与C相之间各设置一个光电耦合隔离器，其输出端经反相器74HC14D将信号输入给控制电路模块103中单片机的P3.5和P3.7管脚。若三相电源输入正常，经分析后两个光电耦合隔离器的输出端均应为方波信号，反之，如果三相电源存在缺相，则两个光电耦合隔离器输入端的二极管不导通，其输出端即为高电平，此时单片机的P3.5和P3.7管脚检测到电平信号就常为低电平。所以所述控制电路模块通过检测P3.5和P3.7管脚上电平的变化即可判断出三相电源是否存在缺相，当检测出存在缺相时所述控制电路模块控制所述投切开关不进行投切操作，并发出缺相报警信号。图6中，在反相器的1A、2A信号输入端还包括通过上拉电阻R2和R1连接到5V电源，其中电容C6、C5主要起到滤波作用。

该部分电路如图6所示，具体包括：

在三相电的第一相电（A相）和第二相电（B相）之间设置第一光电耦合器U3，所述第一光电耦合器的输入端并联有第一稳压二极管D20，输出端通过反相器74HC14D的1Y输出管脚与所述控制电路模块单片机的P3.7电连接；且所述第一相电（A相）通过依次串联的第一电容C15、第一电阻R16和第一电感L6连接到所述第一稳压二极管的阳极，所述第二相电（B相）通过依次串联的第二电感L7、第三电感L8和第二电阻R19连接到所述第一稳压二极管的阴极；所述第一稳压二极管的阳极还与第二电容C18的一端连接，所述第二电容的另一端与所述第三电感L8和所述第二电阻R19的连接点电连接；其中，第二电感L7、第三电感L8起到分压作用，第二电阻R19取值为150千欧，起到限流的作用，第一电容C15主要起到耦合作用。

在三相电的第二相电（B相）和第三相电（C相）之间设置第二光电耦合器U2，所述第二光电耦合器的输入端并联有第二稳压二极管D19，输出端通过反相器74HC14D的2Y输出管脚与所述控制电路模块单片机的P3.5电连接；且所述第三相电（C相）通过依次串联的第三电容C16、第三电阻R17和第四电感L3连接到所述第二稳压二极管的阴极，所述第二相电通过依次串联的第五电感L4、第六电感L5和第四电阻R18连接到所述第二稳压二极管的阳极；所述第二稳压二极管的阴极还与第四电容C17的一端连接，所述第四电容的另一端与所述第六电感L5和所述第四电阻R18的连接点电连接；同样第五电感L4、第六电感L5起到分压作用，第四电阻R18取值为150千欧，起到限流的作用，第三电容C16主要起到耦合作用。

其中，所述控制电路模块通过检测所述第一光电耦合器U3和所述第二光电耦合器U2的输出端电平信号判断所述三相电源是否存在缺相。

其中温控保护模块107电路图如图7所示，其包括散热器，比如说散热风扇或铝制散热片，投切开关一上电，散热器（散热风扇或散热片）就开始工作；以及温控开关，所述温控开关通过检测当前投切开关所处环境的温度值来控制其切断，并将切断信号输出给控制电路模块，所述控制电路模块检测到该切断信号后控制所述投切开关不进行投切操作，并发出过温报警信号。本发明温控开关的输出信号接到了单片机的P1.7管脚，因此单片机只需检测该管脚的电平状态即可知道当前环境是否存在温度过高，若有则发出报警信号。

在图3中的显示输出模块，其通过与所述控制电路模块电连接的四个信号指示灯分别指示所述投切开关处于供电正常状态、运行状态、投切状态和报警状态。

本发明的电源模块如图8所示，其包括：低频变压器T6，其取三相电任意两相380V交流电降压到36V；整流桥BD1，其将所述低频变压器T6得到的36V交流电整流成直流电；开关稳压集成电路，其通过采用LM2575S芯片构成的电路输出5V直流电为所述投切开关提供电源。该部分电路属于公知常识，在此不做具体描述。

图9即为本发明所述投切开关的应用接线示意图，其中对应的L1、L2、L3分别接三相电源的A相、B相、C相，V-接地，V+为外部投切信号的输入端。

本发明的工作原理：电源模块101取三相电压任意两相的相电压380V，经变压器变压，通过LM2575S开关稳压集成电路将380V交流电变为5V直流电给系统供电。无功补偿控制器发出的投切信号通过投切信号输入模块102中的光电耦合隔离器直接反馈到单片机的引脚上，单片机检测到该引脚高低电平的变化后对此信号进行处理，经短暂延时后发出投切信号给投切信号输出模块104。投切信号输出模块104收到单片机发出的投切信号后，经过功放ULN2003将投切信号进行放大后直接作用在反并联晶闸管的控制极，使反并联晶闸管作出相应的动作，显示输出模块作出相应状态的显示输出。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种快速三相无功补偿投切开关，包括投切电路模块和控制电路模块，所述控制电路模块通过投切信号输入模块接收外部投切信号指令，并将所述外部投切信号指令进行处理后经投切信号输出模块输出给所述投切电路模块，其特征在于，所述投切开关还包括：

缺相检测电路，其与所述控制电路模块电连接，用于对三相电进行缺相检测；所述缺相检测电路包括：

在三相电的第一相电和第二相电之间设置第一光电耦合器，所述第一光电耦合器的输入端并联有第一稳压二极管，输出端与所述控制电路模块电连接；且所述第一相电通过依次串联的第一电容、第一电阻和第一电感连接到所述第一稳压二极管的阳极，所述第二相电通过依次串联的第二电感、第三电感和第二电阻连接到所述第一稳压二极管的阴极；所述第一稳压二极管的阳极还与第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端与所述第三电感和所述第二电阻的连接点电连接；

在三相电的第二相电和第三相电之间设置第二光电耦合器，所述第二光电耦合器的输入端并联有第二稳压二极管，输出端与所述控制电路模块电连接；且所述第三相电通过依次串联的第三电容、第三电阻和第四电感连接到所述第二稳压二极管的阴极，所述第二相电通过依次串联的第五电感、第六电感和第四电阻连接到所述第二稳压二极管的阳极；所述第二稳压二极管的阴极还与第四电容的一端连接，所述第四电容的另一端与所述第六电感和所述第四电阻的连接点电连接；

其中，所述控制电路模块通过检测所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器的输出端电平信号判断所述三相电源是否存在缺相；

所述投切电路模块包括：在三相电的第一相电和第三相电分别电连接一组反并联晶闸管，通过两组反并联晶闸管的导通和截止来投入或切除连接在第一相电和第二相电之间、第二相电和第三相电之间、第三相电和第一相电之间的至少三组无功补偿电容器。

2.如权利要求1所述的快速三相无功补偿投切开关，其特征在于，所述缺相检测电路还包括：反相器74HC14D电路，所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器的输出端信号经所述反相器74HC14D电路反相后作用到所述控制电路模块；

当所述控制电路模块检测出所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器输出端的高低电平均呈现方波变化时，则判断当前三相电输入正常；反之，若检测出任一个光电耦合器输出端一直呈现高电平，则判断当前三相电存在缺相问题，此时所述控制电路模块控制所述投切开关不进行投切操作，并发出缺相报警信号。

3.如权利要求2所述的快速三相无功补偿投切开关，其特征在于，所述投切信号输入模块包括：第三光电耦合器，其输入端并联有第三稳压二极管，且所述第三稳压二极管的阴极通过第五电阻连接到外部投切信号端子，阳极接地线，所述第三光电耦合器的输出端连接到所述控制电路模块。

4.如权利要求3所述的快速三相无功补偿投切开关，其特征在于，所述投切信号输出模块包括：与门电路、功放电路和变压器电路；

其中所述与门电路的信号输入端与所述控制电路模块电连接，所述与门电路的信号输出端与所述功放电路的信号输入端电连接；

所述功放电路的输出端信号经所述变压器电路隔离后作用到所述两组反并联晶闸管的控制级，以实现所述至少三组无功补偿电容器的投入或切除。

5.如权利要求4所述的快速三相无功补偿投切开关，其特征在于，所述与门电路采用74HC08D构成的电路，所述功放电路采用ULN2003S构成的电路。

6.如权利要求1所述的快速三相无功补偿投切开关，其特征在于，还包括：温控保护模块，其包括散热风扇或铝制散热片，以及

温控开关，所述温控开关通过检测当前投切开关所处环境的温度值来控制投切开关切断，并将切断信号输出给控制电路模块，所述控制电路模块检测到该切断信号后控制所述投切开关不进行投切操作，并发出过温报警信号。

7.如权利要求2或6所述的快速三相无功补偿投切开关，其特征在于，还包括：显示输出模块，其通过与所述控制电路模块电连接的四个信号指示灯分别指示所述投切开关处于供电正常状态、运行状态、投切状态和报警状态。

8.如权利要求1-6中任一项所述的快速三相无功补偿投切开关，其特征在于，所述投切开关还包括电源模块，其包括：

低频变压器，其取三相电第一相电与第三相电之间的交流电降压到36V；

整流桥，其将所述低频变压器得到的36V交流电整流成直流电；

开关稳压集成电路，其通过采用LM2575S芯片构成的电路输出5V直流电为所述投切开关提供电源。