CN106712047B - 一种快速投切电容器的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速投切电容器的控制系统，涉及无功补偿技术领域，通过两路晶闸管开关控制三相电源，每路晶闸管开关由一对反并联的晶闸管组成，包括投切信号隔离单元、两个过零检测单元、控制单元、高频调制信号处理单元和隔离触发放大单元；投切信号隔离单元用于生成投切控制信号；过零检测单元用于根据晶闸管两端的电压生成过零检测信号；控制单元用于生成两路晶闸管的触发信号；高频调制信号处理单元用于生成两路晶闸管的触发脉冲列信号；隔离触发放大单元用于根据触发脉冲列信号控制相应晶闸管的过零触发。本发明的快速投切电容器的控制系统可以实现投切信号的快速切换，且对晶闸管起到很好的保护作用，不易损坏。

Description

一种快速投切电容器的控制系统
技术领域
本发明涉及电工技术中的无功补偿技术领域，具体涉及一种快速投切电容器的控制系统。
背景技术
晶闸管投切电容器(TSC——Thyristor Switched Capacitor)是一种常用的静止型无功补偿装置，能够快速补偿电网的无功功率，提高系统功率因数，节约电能，减少系统电压的波动，在工矿企业和变电站得到了广泛的应用。
为了减少电容器投入或者切除时对配电系统的干扰，防止电容器组投入时产生的涌流，提高电容器的使用寿命，投入或者切除的时候均要求实现零扰动。所谓零扰动即在晶闸管两端电压接近零或者过零的时候才开通晶闸管接入电容器，使其投切涌流最小；利用晶闸管电流过零的自然关断的特性使电容器组从电网切除。为了保证在整个投切的过程中实现零扰动并且快速的实现重复投切其控制电路起主要作用。
目前国内外二控三晶闸管投切电容的控制电路大量使用的是MOC3083等芯片，MOC3083芯片是一种过零触发芯片，用该芯片实现的控制电路不能快速动作，并且在投切的过程中出现一对晶闸管导通，另一对晶闸管截止，导通的晶闸管两端承受的电压为零，不导通的晶闸管两端承受电容器的直流电压和电网的交流电压，过高的电压会造成晶闸管击穿损坏。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种快速投切电容器的控制系统。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种快速投切电容器的控制系统，通过两路晶闸管开关控制三相电源，每路晶闸管开关由一对反并联的晶闸管组成，其特征在于，包括：投切信号隔离单元、两个过零检测单元、基于单片机控制的控制单元、高频调制信号处理单元、隔离触发放大单元；
所述投切信号隔离单元用于将投切信号与所述控制单元隔离，根据控制器的投切信号生成投切控制信号，并将投切控制信号发送给所述控制单元；
每个所述过零检测单元对应连接一路晶闸管，用于根据所述晶闸管两端的电压生成过零检测信号，并发送给所述控制单元；
所述控制单元用于根据所述投切控制信号和两个过零检测信号对应生成两路晶闸管的触发信号，并发送给所述高频调制信号处理单元；
所述高频调制信号处理单元用于将两路晶闸管的触发信号分别进行调制解调后对应生成两路晶闸管的触发脉冲列信号，并发送给所述隔离触发放大单元；
所述隔离触发放大单元用于将两路所述触发脉冲列信号进行放大、隔离后对应输出到每个晶闸管的门极，并根据所述触发脉冲列信号控制相应所述晶闸管的过零触发。
在上述技术方案的基础上，还包括电源单元，所述电源单元与所述控制单元相连。
在上述技术方案的基础上，还包括检测晶闸管温度的温度继电器，所述温度继电器与所述投切信号隔离单元相连，用于根据晶闸管的温度来控制投切信号是否有效。
在上述技术方案的基础上，所述过零检测单元包括并联的两组光耦，所述光耦的二极管两端分别通过电阻与所述晶闸管的阴极和阳极相连，用于检测晶闸管两端电压的正过零点和负过零点。
在上述技术方案的基础上，所述控制单元根据所述投切控制信号将两个所述过零检测信号通过逻辑判断和延时处理，按照时序要求对应产生晶闸管的触发信号。
在上述技术方案的基础上，所述高频调制信号处理单元通过定时器和可调电阻产生高频调制信号，并通过将所述高频调制信号分别与两个晶闸管的触发信号进行逻辑相与，对应生成两个晶闸管的触发脉冲列信号。
在上述技术方案的基础上，所述隔离触发放大单元包括达林顿三极管和两个脉冲变压器，每个所述脉冲变压器对应连接一路晶闸管，每个所述脉冲变压器包括一个原边和两个副边，每个副边对应连接一个晶闸管的阴极和门极，所述脉冲变压器用于控制相应晶闸管的过零触发。
在上述技术方案的基础上，同一路的两个晶闸管的阴极之间设有阻容吸收电路，所述阻容吸收电路包括串联的电容和电阻，具体的电阻阻值和电容容值根据晶闸管额定电流的不同进行调整。
在上述技术方案的基础上，所述脉冲变压器原边的一端与所述达林顿三极管相连，另一端连接在串联的电阻和电容之间。
在上述技术方案的基础上，一路晶闸管开关连接在A相，另一路晶闸管开关连接在C相，所述控制单元包括单片机，所述单片机用于根据两路晶闸管的过零检测信号判断是否缺相，若缺相则单片机发出缺相报警，并停止输出触发信号，若不缺相，当控制器发出投入信号，C相晶闸管过零时单片机先输出C相触发信号，然后A相晶闸管过零时再输出A相触发信号，若控制器发出切除信号，先停止输出A相触发信号，A相晶闸管截止后，再停止输出C相触发信号，C相晶闸管截止。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的快速投切电容器的控制系统，采用高可靠单片机进行逻辑控制，不需要等待电容器放电延时就可以将电容器快速重复投切到电网中。并且使晶闸管准确过零导通电容器的冲击电流最小；晶闸管电流过零关断，晶闸管和电力电容承受的电压最低。
(2)本发明的过零检测单元包括并联的两组光耦，可以分别检测晶闸管两端电压的正过零点和负过零点。
(3)本发明的快速投切电容器的控制系统包括检测晶闸管温度的温度继电器，可以在晶闸管温度过高的时候停止导通晶闸管，从而对晶闸管起到较好的保护。
(4)本发明脉冲变压器原边的一端连接在串联的电阻和电容之间，能够提高脉冲前沿的陡度，对晶闸管进行强触发。
(5)本发明同一路的两个晶闸管的阴极之间设有阻容吸收电路，可以吸收晶闸管在换相过程中产生的电压尖峰，防止晶闸管被过压击穿，从而对晶闸管起到较好的保护。
附图说明
图1为本发明实施例中快速投切电容器的控制系统结构示意图；
图2为本控制系统的投切信号隔离电路；
图3为本控制系统的过零检测电路；
图4为本控制系统的单片机控制电路；
图5为本控制系统的高频调制信号处理电路；
图6为本控制系统的晶闸管隔离触发放大电路；
图7为本控制系统的电源电路；
图8为本控制系统单片机控制程序流程图。
图中：1-投切信号隔离单元，2-过零检测单元，3-控制单元，4-高频调制信号处理单元，5-隔离触发放大单元，6-电源单元。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种快速投切电容器的控制系统，通过两路晶闸管开关控制三相电源，每路晶闸管开关由一对反并联的晶闸管组成，包括：投切信号隔离单元1、两个过零检测单元2、基于单片机控制的控制单元3、高频调制信号处理单元4、隔离触发放大单元5、电源单元6和温度继电器。
参见图2所示，投切信号隔离单元1由电阻R7和光耦U5串联而成，电阻R7一端通过接插件JP1连接至无功补偿控制器的投切信号公共端，另一端连接光耦U5的原边，光耦U5的原边连接无功补偿控制器的投切信号。接插件JP1连接到常闭的75℃温度继电器的两端，该温度继电器用于检测晶闸管温度，温度继电器安装在无功补偿调节器的散热器上，当散热器温度低至75℃时温度继电器将闭合，使投切信号有效，光耦U5导通，光耦U5的副边输出5V高电平；当散热器温度超过75℃时温度继电器将断开，光耦U5与投切信号公共端断开，输入被切断，即使有投切信号输入，也不能使光耦U5导通，光耦U5的副边输出低电平，从而光耦U5的副边生成投切控制信号S1，并将投切控制信号S1发送给控制单元3。
本实施例中，一路晶闸管开关连接在A相，另一路晶闸管开关连接在C相，B相不接晶闸管开关直接连接至电容器的串联回路中。控制系统包括A相过零检测单元和C相过零检测单元，A相过零检测单元对应连接A相晶闸管，C相过零检测单元对应连接C相晶闸管，用于根据晶闸管两端的电压生成过零检测信号，并发送给控制单元3。
参见图3所示，A相过零检测单元包括并联的光耦U3和光耦U4，光耦U3的二极管一端通过电阻R5与A相正向晶闸管的阴极T1-k相连，另一端连接光耦U4的二极管的阳极，光耦U4的二极管一端通过电阻R6与A相反向晶闸管的阴极T2-k相连，另一端连接光耦U3的二极管的阳极，当T1-k端的电压高于T2-k端的电压时，光耦U3导通，光耦U3的副边输出低电平，当T1-k端的电压与T2-k端的电压的压差很小时，晶闸管两端电压在过零点附近，光耦U3不导通，光耦U3的副边输出高电平的过零脉冲；当T1-k端的电压低于T2-k端的电压时，光耦U4导通，光耦U4的副边输出低电平，当T1-k端的电压与T2-k端的电压的压差很小时，晶闸管两端电压在过零点附近，光耦U4不导通，输出端A1输出高电平的过零脉冲。A相过零检测单元可以分别检测A相晶闸管两端电压的正过零点和负过零点，生成过零检测信号，并发送给控制单元3。
C相过零检测单元包括并联的光耦U9和光耦U10，光耦U9的二极管一端通过电阻R16与C相正向晶闸管的阴极T5-k相连，另一端连接光耦U10的二极管的阳极，光耦U10的二极管一端通过电阻R17与C相反向晶闸管的阴极T6-k相连，另一端连接光耦U9的二极管的阳极，当T5-k端的电压高于T6-k端的电压时，光耦U9导通，光耦U9的副边输出低电平，当T5-k端的电压与T6-k端的电压的压差很小时，晶闸管两端电压在过零点附近，光耦U9不导通，光耦U9的副边输出高电平的过零脉冲；当T5-k端的电压低于T6-k端的电压时，光耦U10导通，光耦U10的副边输出低电平，当T5-k端的电压与T6-k端的电压的压差很小时，晶闸管两端电压在过零点附近，光耦U10不导通，光耦U10的副边输出高电平的过零脉冲。C相过零检测单元可以分别检测C相晶闸管两端电压的正过零点和负过零点，生成过零检测信号C1，并发送给控制单元3。
参见图4和图7，控制单元3包括单片机，投切控制信号S1、过零检测信号A1和C1送入至单片机捕获脚，单片机经过逻辑判断和延时处理，按照时序要求对应产生A相晶闸管的触发信号T1和C相晶闸管的触发信号T2，并将触发信号发送给高频调制信号处理单元4。电源单元6与控制单元3相连，用于为单片机提供5V电源。
参见图8所示，单片机控制程序流程如下：首先用A相和C相的过零信号A1和C1判断是否缺相，如果缺相则发出缺相告警，并禁止投切动作。当没有缺相故障发生时，若控制器发出投入信号，则在C相反并联晶闸管过零的时候首先输出C相触发脉冲，然后在A相反并联晶闸管过零的时候再输出A相触发脉冲；若控制器发出切除信号，则首先停止A相触发脉冲输出，A相反并联的晶闸管截止后，再停止C相触发脉冲输出，然后C相反并联晶闸管过零截止。通过上述程序控制可以保证电容器在不需要放电的时候，均能准确的检测到晶闸管的过零脉冲信号，并能快速进行电容器的投切，并且在切除后反并联晶闸管两端承受的电压最低。
参见图5所示，高频调制信号处理单元4包括定时器、可调电阻R2和可调电阻R3，通过调整R2的阻值可以改变高频调制信号HP高电平的时间，通过调整R3的阻值可以改变高频调制信号HP低电平的时间。高频调制信号HP分别与A相晶闸管的触发信号T1、C相晶闸管的触发信号T2进行逻辑与，从而得到A相晶闸管的触发脉冲列信号T3、C相晶闸管的触发脉冲列信号T4，并发送给隔离触发放大单元5，能根据不同的晶闸管导通脉宽要求进行动态调整。
参见图6所示，隔离触发放大单元5用于将两路触发脉冲列信号进行放大、隔离后对应输出到每个晶闸管的门极，并根据触发脉冲列信号控制相应晶闸管的过零触发。
隔离触发放大单元5包括达林顿三极管和两个脉冲变压器，每个脉冲变压器对应连接一路晶闸管，每个脉冲变压器包括一个原边和两个副边，每个副边对应连接一个晶闸管的阴极和门极。当晶闸管的触发脉冲列信号放大输出为低电平时，与之对应的脉冲变压器的原边将有电流通过，脉冲变压器的副边将感应出一定幅值的电压，并经过二极管整流，电阻限流后输入到晶闸管的门极，当晶闸管处于正向电压时则导通；当晶闸管的触发脉冲列信号放大输出为高电平时，脉冲变压器的原边将续流，从而使晶闸管在电流过零的时候自然截止。
脉冲变压器原边的一端与达林顿三极管相连，另一端连接在串联的电阻和电容之间，能够提高脉冲前沿的陡度，对晶闸管进行强触发。
同一路的两个晶闸管的阴极之间设有阻容吸收电路，阻容吸收电路包括串联的电容和电阻。电阻的阻值和电容的容值根据晶闸管的电流等级不同进行调整，可以吸收晶闸管在换相过程中产生的电压尖峰，防止晶闸管被过压击穿，从而对晶闸管起到较好的保护。
本发明的快速投切电容器的控制系统，采用高可靠单片机进行逻辑控制，不需要等待电容器放电延时就可以将电容器快速重复投切到电网中。并且使晶闸管准确过零导通电容器的冲击电流最小；晶闸管电流过零关断，晶闸管和电力电容承受的电压最低，对晶闸管起到很好的保护作用，不易损坏。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种快速投切电容器的控制系统，通过两路晶闸管开关控制三相电源，每路晶闸管开关由一对反并联的晶闸管组成，其特征在于，包括：投切信号隔离单元(1)、两个过零检测单元(2)、基于单片机控制的控制单元(3)、高频调制信号处理单元(4)、隔离触发放大单元(5)；
所述投切信号隔离单元(1)用于将投切信号与所述控制单元(3)隔离，根据控制器的投切信号生成投切控制信号，并将投切控制信号发送给所述控制单元(3)；
每个所述过零检测单元(2)对应连接一路晶闸管，用于根据所述晶闸管两端的电压生成过零检测信号，并发送给所述控制单元(3)；
所述控制单元(3)用于根据所述投切控制信号和两个过零检测信号对应生成两路晶闸管的触发信号，并发送给所述高频调制信号处理单元(4)；
所述高频调制信号处理单元(4)用于将两路晶闸管的触发信号分别进行调制解调后对应生成两路晶闸管的触发脉冲列信号，并发送给所述隔离触发放大单元(5)；所述高频调制信号处理单元(4)通过定时器和可调电阻产生高频调制信号，并通过将所述高频调制信号分别与两个晶闸管的触发信号进行逻辑相与，对应生成两个晶闸管的触发脉冲列信号；
所述隔离触发放大单元(5)用于将两路所述触发脉冲列信号进行放大、隔离后对应输出到每个晶闸管的门极，并根据所述触发脉冲列信号控制相应所述晶闸管的过零触发。
2.如权利要求1所述的快速投切电容器的控制系统，其特征在于：还包括电源单元(6)，所述电源单元(6)与所述控制单元(3)相连。
3.如权利要求1所述的快速投切电容器的控制系统，其特征在于：还包括检测晶闸管温度的温度继电器，所述温度继电器与所述投切信号隔离单元(1)相连，用于根据晶闸管的温度来控制投切信号是否有效。
4.如权利要求1所述的快速投切电容器的控制系统，其特征在于：所述过零检测单元(2)包括并联的两组光耦，所述光耦的二极管两端分别通过电阻与所述晶闸管的阴极和阳极相连，用于检测晶闸管两端电压的正过零点和负过零点。
5.如权利要求1所述的快速投切电容器的控制系统，其特征在于：所述控制单元(3)根据所述投切控制信号将两个所述过零检测信号通过逻辑判断和延时处理，按照时序要求对应产生晶闸管的触发信号。
6.如权利要求1所述的快速投切电容器的控制系统，其特征在于：所述隔离触发放大单元(5)包括达林顿三极管和两个脉冲变压器，每个所述脉冲变压器对应连接一路晶闸管，每个所述脉冲变压器包括一个原边和两个副边，每个副边对应连接一个晶闸管的阴极和门极，所述脉冲变压器用于控制相应晶闸管的过零触发。
7.如权利要求6所述的快速投切电容器的控制系统，其特征在于：同一路的两个晶闸管的阴极之间设有阻容吸收电路，所述阻容吸收电路包括串联的电容和电阻，具体的电阻阻值和电容容值根据晶闸管额定电流的不同进行调整。
8.如权利要求6所述的快速投切电容器的控制系统，其特征在于：所述脉冲变压器原边的一端与所述达林顿三极管相连，另一端连接在串联的电阻和电容之间。
9.如权利要求1所述的快速投切电容器的控制系统，其特征在于：一路晶闸管开关连接在A相，另一路晶闸管开关连接在C相，所述控制单元(3)包括单片机，所述单片机用于根据两路晶闸管的过零检测信号判断是否缺相，若缺相则单片机发出缺相报警，并停止输出触发信号，若不缺相，当控制器发出投入信号，C相晶闸管过零时单片机先输出C相触发信号，然后A相晶闸管过零时再输出A相触发信号，若控制器发出切除信号，先停止输出A相触发信号，A相晶闸管截止后，再停止输出C相触发信号，C相晶闸管截止。
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GR01 Patent grant
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