CN214204957U - 一种用于电力电容器的同步过零开关电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电力电容设备领域，具体涉及一种用于电力电容器的同步过零开关电路，其特征是，主控单元A1分别与电流同步过零信号采集电路A2、电磁开关电压过零电路采集电路A3和分合闸电路A4相连接，电流同步过零信号采集电路分别与任意两相母线相连接，用于检测电流过零信号；电磁开关电压过零电路采集电路A3分别连接某相电磁开关JA的触点两侧，用于检测触点两侧的电压，主控单元A1接收电压过零信号和电流过零信号，分别做延迟控制，分合闸电路A4在电磁开关下一次电压过零时刻，进行闭合动作；在下一次电流过零点时刻，进行分闸操作。本实用新型的优点是：自动寻找最佳投切时刻，实现智能同步，保证电网和用电设备稳定工作。

Description

一种用于电力电容器的同步过零开关电路

技术领域

本实用新型属于电力电容设备领域，具体涉及一种用于电力电容器的同步过零开关电路。

背景技术

无功功率补偿关系着电网质量，可以降低电能损耗、提高电能利用率，在电力供电系统中广泛应用。无功功率补偿中电容元器件的准确稳定投入与切除是电网稳定工作的重要保证，是本文研究的重点。目前现有的电容元器件投切装置，常用的有交流接触器、晶闸管以及复合开关等。由于交流接触器的投切是随机的，在投入或者切除电容器时，会产生较大的涌流和过压，影响电容器质量和线路用电设备安全。使用晶闸管投切开关很好的解决了交流接触器的缺点，可以在电流电压过零点进行投切，但其存在体积大、发热量大、过载能力小等缺点，在强电环境下使用，成本高且可靠性低。复合开关综合了交流接触器和晶体管投切的优点，利用晶体管特性在电压电流过零点进行投切，避免了涌流和过压。而在长期投入使用时利用交流接触器的特性，实现了低发热、低功耗。但是，复合开关承受过压和过流的能力较差，容易损坏且不可修复。故同时利用两种开关并联投切电容器，开关成本较高、控制相对复杂、可靠性不高，因此，复合开关使用效果不佳。

申请号为201721353219.5的中国实用新型专利公开了一种电力电容投切开关及电容补偿柜，电力电容投切开关包括：三个继电器、三个过零检测电路、控制器及驱动电路，三个继电器分别用于连接三相母线和电力电容器；三个过零检测电路分别与三个继电器的触点连接，用于检测电压过零信号；控制器与三个过零检测电路连接，接收电压过零信号并在驱动端口输出驱动信号；驱动电路与控制器和三个继电器的线圈连接，接收驱动信号，驱动三个继电器的触点闭合或断开。取消了双向晶闸管，采用替换成了继电器，并通过电压过零检测，控制继电器在电压过零点闭合。此电路存在的问题是不能精确控制投切点，考虑到电路以及继电器动作的延迟，投切不能保证过零点同步动作，因此仍无法保障电网和用电设备的安全。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于电力电容器的同步过零开关电路，克服现有技术的不足，采用无电流互感器的硬件电路和新的过零点投切算法，自动寻找最佳投切时刻且适用于任意磁保持继电器，实现智能同步，解决交流接触器、晶闸管和复合开关存在的缺点，提高投切器件的可靠性，保证电网和用电设备稳定工作。

为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种用于电力电容器的同步过零开关电路，其特征在于，包括主控单元A1、电流同步过零信号采集电路A2、电磁开关电压过零电路采集电路A3和分合闸电路A4，三相电磁开关JA用于连接三相母线和电力电容器C；主控单元A1分别与电流同步过零信号采集电路A2、电磁开关电压过零电路采集电路A3和分合闸电路A4相连接，电流同步过零信号采集电路分别与任意两相母线相连接，用于检测电流过零信号；电磁开关电压过零电路采集电路A3分别连接某相电磁开关JA的触点两侧，用于检测触点两侧的电压，主控单元A1接收电压过零信号和电流过零信号，分别做延迟控制，并通过分合闸电路A4在电磁开关下一次电压过零时刻，进行闭合动作；实现在下一次电流过零点时刻，进行分闸操作。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

采用了无电流互感器的硬件电路和过零点投切算法是整合，自动寻找最佳投切时刻且适用于任意磁保持继电器，实现智能同步，解决了交流接触器、晶闸管和复合开关存在的缺点，提高投切器件的可靠性，保证电网和用电设备稳定工作，自动化程度高、经济实用、易于推广。

附图说明

图1是本实用新型用于电力电容器的同步过零开关电路实施例逻辑框图。

图2是本实用新型实施例中的电流同步过零信号采集电路的电路原理图。

图3是本实用新型实施例中的电磁开关电压过零电路采集电路的电路原理图。

图4是本实用新型实施例中的分合闸电路的电路原理图。

图5是本实用新型实施例中的Uac与IaIc的相量图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

见图1，是本实用新型一种用于电力电容器的同步过零开关电路实施例结构示意图，包括主控单元A1、电流同步过零信号采集电路A2、电磁开关电压过零电路采集电路A3和分合闸电路A4，三相电磁开关JA用于连接三相母线和电力电容器C；主控单元A1分别与电流同步过零信号采集电路A2、电磁开关电压过零电路采集电路A3和分合闸电路A4相连接，电流同步过零信号采集电路分别与任意两相母线相连接，用于检测电流过零信号；电磁开关电压过零电路采集电路A3分别连接某相电磁开关JA的触点两侧，用于检测触点两侧的电压，主控单元A1接收电压过零信号和电流过零信号，分别做延迟控制，并通过分合闸电路A4在电磁开关下一次电压过零时刻，进行闭合动作；实现在下一次电流过零点时刻，进行分闸操作。主控单元A1为STM32单片机系统。图中UaUbUc为电网的三相电压，JA为主电磁开关，C为用于电网补偿的电力电容器；A2为电流同步过零信号采集电路；A3为电磁开关电压过零电路采集电路。电路的工作顺序分为两部分，当要进行合闸操作的时候，主控单元通过采集电磁开关触点两侧的电压，以两侧电压过零时刻为启动点，进行适当的延时，当电磁开关下一次电压过零的时刻，正好进行触点闭合动作，从而实现了电力补偿电容器的无涌流投入；当要进行分闸操作的时候，采用电网相间电压Uac和IaIc电流之间的固定相位关系，寻找电流过零点，通过延时控制，使得电磁开关刚好在电流过零点的时刻，进行分闸操作，从而实现电子灭弧的作用。

见图2，电流同步过零信号采集电路A2中某一相采集点UA与降压变压器U4的脚1之间串联电阻R3和R4，另一相采集点UC与降压变压器U4的脚2之间串联电阻R6和R7，降压变压器U4的脚3分别与电容C1的一端、电阻R5的一端、电容C2的一端共地，降压变压器U4的脚4分别与电容C1的另一端、电阻R5的另一端、电阻R8的一端相连接，电阻R8的另一端分别与电容C2的另一端、运算放大器U9的9脚、6脚、电阻R19的另一端相连接，运算放大器U9的6脚与地之间串联有电阻R27；运算放大器U9的1脚、2脚、电阻R22的一端相连，电阻R22的另一端分别连接运算放大器U9的12脚和电阻R18的一端，电阻R18的另一端分别连接电阻R19的一端、电阻R17的一端、参考电压芯片U7的1脚和2脚，电阻R17的另一端接VCC，参考电压芯片U7的3脚接地；运算放大器U9的14脚分别连接电阻R23的一端和二极管VD13的正极、二极管VD15的负极，运算放大器U9的13脚分别连接电阻R23的另一端和电阻R26的一端，电阻R26的另一端与二极管VD15的正极共地，二极管VD13的负极接电源VCC；运算放大器U9的10脚、11脚与比较电路IC1的4脚相连接，运算放大器U9的7脚与比较电路IC1的5脚相连接，运算放大器U9的4脚接+12V电源；比较电路IC1的1脚分别连接二极管VD10的正极和电阻R14的一端，电阻R14的另一端与比较电路IC1的8脚共接+12V电源，二极管VD10的负极与地之间串联电阻R13；比较电路IC1的2脚、6脚分别接地，比较电路IC1的4脚与+12V电源之间串联电容C16，比较电路IC1的7脚分别连接电阻R15的一端、二极管VD11的正极，电阻R15的另一端连接+12V电源，二极管VD11的负极与地之间串连电阻R16。电流同步过零信号采集电路A2采用电网相间电压Uac和IaIc电流之间的固定相位关系，寻找电流过零点，通过延时控制，延时时长见附图5Uac与IaIc的相量图来确定，Ia超前于Uac 120°角，折算成延时时间为13.333ms，Ic滞后于Uac120°，折算成延时时间为6.667ms，使得电磁开关刚好在电流过零点的时刻，开关进行分闸操作，从而实现电子灭弧的作用。UA、UC是电网电压，电阻R3、R4、R6、R7是取样限流电阻，U4是降压变压器，R5是取样电阻，R8和C2构成低通滤波器，取样信号送到U9运算放大器进行信号放大，送到比较电路IC1，最后信号输出为LM393_1OUT,送给主控单元A1中，U7是参考电压芯片，可提供稳定的参考电位。

见图3，电磁开关电压过零电路采集电路A3中整流桥B5的输入脚2依次与电阻R142、电阻143、某相电磁开关JA的触点a侧串联，整流桥B5的输入脚3依次与电阻R148、电阻149、某相电磁开关JA的触点b侧串联，整流桥B5的输出脚1分别与电阻R146的一端、电阻R140的一端、整流二极管ZD3的负极、二极管VD38的正极相连接，整流桥B5的输出脚4分别与电阻R146的另一端、整流二极管ZD3的正极、电阻R134的一端相连接，电阻R134的另一端与光耦U12的1脚相连接，电阻R140的另一端与三极管Q35的基极相连接，三极管Q35的发射极与电阻R136的一端相连接，电阻R136的另一端与三极管Q33的基极相连接，三极管Q35的集电极与电阻R137的一端相连接，电阻R137的另一端与电容C31的一端相连接，电容C31的另一端分别与极管Q33的发射极、二极管VD38的负极相连接，三极管Q33的集电极与光耦U12的2脚相连接；光耦U12的3脚分别与三极管Q21的基极和电阻R116的一端相连接，三极管Q21的集电极与电阻R120的一端相连，电阻R120的另一端与光耦U12的4脚相连接，三极管Q21的发射极与电阻R116的另一端相连并接地。JA是电磁开关的触点，电阻R142、R143、R148、R149是限流电阻，B5是整流桥，将交流电压信号整流成直流信号，R146是取样电阻，ZD3是稳压二极管，当输入信号低于稳压二极管ZD3稳压值时，三极管Q33和Q35导通，光耦U12触发导通，Q21三极管导通，输出低电平信号A1_0；当输入信号高于稳压二极管ZD3稳压值时，三极管Q33和Q35关断，光耦U12关闭，三极管Q21关闭，输出高电平信号A1_0；这样本电路就能够有效的检测出电磁开关JA主触点间的电压过零信号，送到主控单元A1中，供做过零点的判别。

见图4，分合闸电路A4中某相上的电磁开关JA的线圈c端分别与三极管Q5的集电极、二极管VD20的正极、二极管VD18的负极、三极管Q7的集电极相连接，三极管Q5的基极分别连接电阻R73的一端和电阻R67的一端，三极管Q5的发射极分别与电阻R73的另一端、二极管VD20的负极共同连接操作电源AE2，电阻R67的另一端与三极管Q1的集电极相连接，三极管Q1的发射极分别与电阻R76的一端、二极管VD18的正极、三极管Q7的发射极、电阻R79的一端共地，电阻R76的另一端与三极管Q1的基极、电阻R66的一端相连，三极管Q7的基极与电阻R79的一端、电阻R89的一端相连接，电阻R66的另一端与电阻R65的一端相连接，电阻R65的另一端分别与电阻R83的一端、三极管Q9的基极相连接，三极管Q9的集电极分别与二极管VD24的负极、二极管VD22、三极管Q10的集电极、某相上的电磁开关JA的线圈d端相连接，三极管Q9的发射极分别与电阻R83的另一端、电阻R85的一端、二极管VD24的正极、三极管Q13的发射极共地，电阻R89的另一端与电阻R90的一端相连接，电阻R90的另一端分别与三极管Q13的基极、电阻R85的另一端相连接，三极管Q13的集电极与电阻R91的一端相连，与电阻R91的另一端分别与电阻R87的一端、三极管Q10的基极相连接，电阻R87的另一端分别与三极管Q10的发射极、二极管VD22的负极、操作电源AE2相连接；电阻R65和电阻R66之间接入控制信号A2_J+，电阻R89与电阻R90之间接入控制信号A2_J-。JA为电磁开关线圈，A2_J+和A2_J-是来自于控制单元A1的控制信号，两信号设计成逻辑互锁信号，当两信号同时为高电平或者低电平的时候，为无效信号，当A2_J+为高电平，A2_J-为低电平的时候，三极管Q1，Q9导通，Q1导通进一步使得三极管Q5导通，电流从操作电源AE2流入JA2_1，从JA2_2流出，JA实现合闸操作。当A2_J+为低电平，A2_J-为高电平的时候，三极管Q13、Q7导通，Q13导通进一步使得三极管Q10导通，电流从操作电源AE2流入JA2_2，从JA2_1流出，JA实现分闸操作。

以上实施例仅是为详细说明本实用新型的目的、技术方案和有益效果而选取的具体实例，但不应该限制实用新型的保护范围，凡在不违背本实用新型的精神和原则的前提下，所作的种种修改、等同替换以及改进，均应落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于电力电容器的同步过零开关电路，其特征在于，包括主控单元A1、电流同步过零信号采集电路A2、电磁开关电压过零电路采集电路A3和分合闸电路A4，三相电磁开关JA用于连接三相母线和电力电容器C；主控单元A1分别与电流同步过零信号采集电路A2、电磁开关电压过零电路采集电路A3和分合闸电路A4相连接，电流同步过零信号采集电路分别与任意两相母线相连接，用于检测电流过零信号；电磁开关电压过零电路采集电路A3分别连接某相电磁开关JA的触点两侧，用于检测触点两侧的电压，主控单元A1接收电压过零信号和电流过零信号，分别做延迟控制，并通过分合闸电路A4在电磁开关下一次电压过零时刻，进行闭合动作；实现在下一次电流过零点时刻，进行分闸操作。

2.根据权利要求1所述的一种用于电力电容器的同步过零开关电路，其特征在于，所述主控单元A1为STM32单片机系统。

3.根据权利要求1所述的一种用于电力电容器的同步过零开关电路，其特征在于，所述电流同步过零信号采集电路A2中某一相采集点UA与降压变压器U4的脚1之间串联电阻R3和R4，另一相采集点UC与降压变压器U4的脚2之间串联电阻R6和R7，降压变压器U4的脚3分别与电容C1的一端、电阻R5的一端、电容C2的一端共地，降压变压器U4的脚4分别与电容C1的另一端、电阻R5的另一端、电阻R8的一端相连接，电阻R8的另一端分别与电容C2的另一端、运算放大器U9的9脚、6脚、电阻R19的另一端相连接，运算放大器U9的6脚与地之间串联有电阻R27；运算放大器U9的1脚、2脚、电阻R22的一端相连，电阻R22的另一端分别连接运算放大器U9的12脚和电阻R18的一端，电阻R18的另一端分别连接电阻R19的一端、电阻R17的一端、参考电压芯片U7的1脚和2脚，电阻R17的另一端接VCC，参考电压芯片U7的3脚接地；运算放大器U9的14脚分别连接电阻R23的一端和二极管VD13的正极、二极管VD15的负极，运算放大器U9的13脚分别连接电阻R23的另一端和电阻R26的一端，电阻R26的另一端与二极管VD15的正极共地，二极管VD13的负极接电源VCC；运算放大器U9的10脚、11脚与比较电路IC1的4脚相连接，运算放大器U9的7脚与比较电路IC1的5脚相连接，运算放大器U9的4脚接+12V电源；比较电路IC1的1脚分别连接二极管VD10的正极和电阻R14的一端，电阻R14的另一端与比较电路IC1的8脚共接+12V电源，二极管VD10的负极与地之间串联电阻R13；比较电路IC1的2脚、6脚分别接地，比较电路IC1的4脚与+12V电源之间串联电容C16，比较电路IC1的7脚分别连接电阻R15的一端、二极管VD11的正极，电阻R15的另一端连接+12V电源，二极管VD11的负极与地之间串连电阻R16。

4.根据权利要求1所述的一种用于电力电容器的同步过零开关电路，其特征在于，所述电磁开关电压过零电路采集电路A3中整流桥B5的输入脚2依次与电阻R142、电阻143、某相电磁开关JA的触点a侧串联，整流桥B5的输入脚3依次与电阻R148、电阻149、某相电磁开关JA的触点b侧串联，整流桥B5的输出脚1分别与电阻R146的一端、电阻R140的一端、整流二极管ZD3的负极、二极管VD38的正极相连接，整流桥B5的输出脚4分别与电阻R146的另一端、整流二极管ZD3的正极、电阻R134的一端相连接，所述电阻R134的另一端与光耦U12的1脚相连接，电阻R140的另一端与三极管Q35的基极相连接，三极管Q35的发射极与电阻R136的一端相连接，电阻R136的另一端与三极管Q33的基极相连接，三极管Q35的集电极与电阻R137的一端相连接，电阻R137的另一端与电容C31的一端相连接，电容C31的另一端分别与极管Q33的发射极、二极管VD38的负极相连接，三极管Q33的集电极与光耦U12的2脚相连接；光耦U12的3脚分别与三极管Q21的基极和电阻R116的一端相连接，三极管Q21的集电极与电阻R120的一端相连，电阻R120的另一端与光耦U12的4脚相连接，三极管Q21的发射极与电阻R116的另一端相连并接地。

5.根据权利要求1所述的一种用于电力电容器的同步过零开关电路，其特征在于，所述分合闸电路A4中某相上的电磁开关JA的线圈c端分别与三极管Q5的集电极、二极管VD20的正极、二极管VD18的负极、三极管Q7的集电极相连接，三极管Q5的基极分别连接电阻R73的一端和电阻R67的一端，三极管Q5的发射极分别与电阻R73的另一端、二极管VD20的负极共同连接操作电源AE2，电阻R67的另一端与三极管Q1的集电极相连接，三极管Q1的发射极分别与电阻R76的一端、二极管VD18的正极、三极管Q7的发射极、电阻R79的一端共地，电阻R76的另一端与三极管Q1的基极、电阻R66的一端相连，三极管Q7的基极与电阻R79的一端、电阻R89的一端相连接，电阻R66的另一端与电阻R65的一端相连接，电阻R65的另一端分别与电阻R83的一端、三极管Q9的基极相连接，三极管Q9的集电极分别与二极管VD24的负极、二极管VD22、三极管Q10的集电极、某相上的电磁开关JA的线圈d端相连接，三极管Q9的发射极分别与电阻R83的另一端、电阻R85的一端、二极管VD24的正极、三极管Q13的发射极共地，电阻R89的另一端与电阻R90的一端相连接，电阻R90的另一端分别与三极管Q13的基极、电阻R85的另一端相连接，三极管Q13的集电极与电阻R91的一端相连，与电阻R91的另一端分别与电阻R87的一端、三极管Q10的基极相连接，电阻R87的另一端分别与三极管Q10的发射极、二极管VD22的负极、操作电源AE2相连接；电阻R65和电阻R66之间接入控制信号A2_J+，电阻R89与电阻R90之间接入控制信号A2_J-。

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