模塊化智能無功補償器的研制

徐祖平

（南京郵電大學通達學院自動化學院，江蘇揚州,225000）

模塊化智能無功補償器的研制

徐祖平

（南京郵電大學通達學院自動化學院，江蘇揚州,225000）

針對傳統電容補償柜的缺點，研制了一種模塊化的無功補償器，把電容、投切開關、控制器高度集成在一起，用戶可根據不同需求自由組合容量，每個模塊之間通過網絡接口實現通信，補償模塊可以在沒有無功補償控制器的情況下自行運行。模塊使用DSP28335作為核心控制器可實現高度智能化，可實時監測溫度、電網電壓、電流等相關運行信息，確保模塊安全有效的運行，其中，電容投切開關采用了一種改進型的磁保持繼電器，克服了傳統復合開關、晶閘管開關的缺陷，可以實現零電壓導通、零電流關斷。

無功補償;模塊化;智能型;電容投切

0 引言

隨著工業技術的發展，大量感性負載接入電網，引起了嚴重的電網污染，因此，在高低壓配電系統內大量使用電容補償來調整電網的功率因數，傳統的電容補償柜一般由控制器、熔斷器、投切開關、熱繼電器、電容組成，整個系統接線復雜，部件故障率高，維護不便，電容器的溫度以及工作電壓、電流沒有自我檢測能力，缺失完備的保護措施，同時產品一旦形成，擴容不便。其中作為核心器件的投切開關質量參差不齊，晶閘管或者復合開關經常燒毀。

圖1 結構圖

圖2 電壓采樣電路

針對以上傳統電容補償柜存在的問題，本文研制了一種模塊化、智能型的無功補償模塊，其主要有三種規格10Kvar、20Kvar、30Kvar。整個補償柜只需要根據現場的需求進行模塊的疊加即可，各模塊之間通過網線連接，接線方便，便于擴容，模塊使用DSP作為核心控制器，利用芯片的強大運算能力，集投切、檢測、保護為一體。可實現自我檢測電網的功率因數、實時投切、實時保護的功能，并通過網線在各個模塊之間分享運行狀態與電網參數，各個模塊之間也可以通過一個主控制器進行集中控制。

1 系統結構

圖1為單個補償模塊的內部結構圖，整個模塊由四個部分組成，進線空開、電容投切開關、電容模塊、控制單元。其中空開負責系統與電網的連接，同時起到過流保護的作用，投切開關根據控制單元的指令對電容進行過零投切。控制回路負責數據采集、顯示、驅動、保護等相關工作。

2 控制回路的設計

如圖1所示，控制回路主要由：DSP芯片、液晶顯示、數據采集、按鍵控制、通信接口、繼電器驅動電路組成。

液晶顯示主要用來顯示本單元的運行數據，包括：電壓、電流、電容器的溫度、本機地址等相關信息，數據采集主要包括，電壓、電流、溫度的采樣。圖2為電壓采樣電路，通過電流型電壓互感器進行強弱電之間的隔離，再通過運放進行信號的放大，由于DSP的AD輸入信號范圍為0-3.3V，所以在運放前端加一個直流偏置，后級采用雙二極管進行電壓的鉗位，確保電壓在DSP的安全范圍內，電流采樣利用類似電路即可。溫度采集使用高精度的熱敏電阻NTC10K。

按鍵控制主要設定一些運行參數，并且可以特殊情況下強制投切系統。通信接口是單元與主控器或者其他單元進行數據交換的核心部分，本文采用RS485的通信方式，圖3為通信轉換電路，由于通信過程中不能存在干擾，所以通信模塊的電源與CPU電源隔離，采用單獨的供電電源，因此，CPU發出的通信信號需要通過光耦進行轉換，同時光耦也具備電平轉換的功能，以兼容DSP 3.3V的IO電平，最后再通過MAX13487進行485電平轉換。

圖3 通信電路

圖4 繼電器過零投切原理圖

2.1 基于過零控制的電磁式開關

電容的投切器件是本系統的一個核心部分，傳統電容投切使用復合開關、晶閘管作為開關器件，晶閘管雖然有很多優點，然而其承受過壓、過流的能力較差，很短時間內的過電壓、過電流就會使其損壞，并且不可修護。電網運行狀態復雜，并且不可預測，所以，晶閘管作為開關器件經常損壞。

本文介紹的一種基于過零控制的電磁式開關，其主要由繼電器、電壓、電流過零檢測電路、繼電器驅動電路組成。通過檢測與計算，可以使其觸點在開關兩端交流電壓為零時閉合，觸點在通過其交流電流為零時斷開，從而使投切負載產生的涌流極小。其中，使用的磁保持繼電器具有常規繼電器所不具備的吸釋快速性、吸釋時間穩定性和吸釋過程微抖動性等方面的優異機械特性。并且，價格便宜，抗過壓、過流能力強。

圖4為繼電器過零投切的原理，閉合時，DSP通過CAP捕獲開關兩端電壓的過零點，然后根據繼電器的機械特性延時（10-tx）ms后給繼電器發出觸發信號，其中tx為繼電器從線圈得電到觸點完全閉合所需要的時間。開關閉合使用同樣的方式，只是采樣為電流過零點。

圖5 為開關觸點兩端電壓過零信號的采集電路，通過光耦器件隔離與轉換。圖6為繼電器的驅動電路，采用4個三極管組成橋式電路，S1為1、S2為0繼電器的線圈電壓為+9V時，開關閉合，S1為0、S2為1線圈電壓為-9V，開關斷開。

圖5 過零檢測電路

圖6 繼電器驅動電路

3 軟件控制

軟件控制主要是數據的采集與分析，以及投切命令的執行，程序開始首先，初始化各項參數，然后等待投切命令，如果是獨立運行，則自動運算電網功率因數，如果有合閘指令，則首先判斷合閘地址是否與本機地址相同，如果確定地址相同則等待電網過零點，打開定時器延時（10-tx）ms 后觸發繼電器。再延時50ms，檢測開關合閘狀態，如果合上，則撤銷繼電器的觸發信號，減少能耗，如果沒有合上則發出故障信號。

4 實驗結果與分析

實驗模塊采用30kvar 的規格，圖9為實驗測試波形，圖中通道一均為電壓波形，通道二均為電流波形，圖9（a）為分閘時的波形，從圖中可以看出，開關是在零電流的狀態下分閘，分閘沒有涌流，電壓沒有波動。圖9（b）為合閘時的波形，從圖中可以看出合閘瞬間有一定的涌流，但是非常小，一個周期之后即可恢復正常，電壓也不存在波動，所以，此無功補償模塊，可以很好的實現過零投切，并且不需要使用晶閘管，驅動電路簡單，同時兼備檢測保護功能，系統更加穩定可靠。

圖9 （a）合閘實驗波形圖

9（b）分閘實驗波形

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主程序截圖

（4）重復擦洗運轉，當發現擦過之處仍有污漬，按下按紐I6，機器人反向運動，進行重復擦拭。

（5）按下按紐I8，機器人進入停止狀態

根據上述的工作流程，利用慧魚公司提供的ROBO P ro編程軟件編寫裝置控制程序，其中主程序截圖如下：

3 結束語

慧魚公司提供的ROBO//Pro編程軟件應用方便，完全滿足各種功能的控制開發需要，以此設計的自動行走機構可實現單人操作，將節省玻璃幕墻人工洗刷的成本，替代人工高空作業，保障生命安全，具有良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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周文彬（1966.8--），男，漢族，山東文登人，高級工程師，主要從事機電設備研究與教學工作。

Development of Var Compensator based on Modular and Intelligent

Xu Zuping
(Automated instituteTongda collage of Nanjing University of posts & Telecomunication,Yangzhou，225000,China)

For the shortcomings of traditional capacitance compensation cabinet.This page developed a modular reactive power compensation module,including capacitors,switch and controller.Users can freely combined capacity according to different needs.Each module can communicate with network interface and can run independently.Each module uses DSP28335 as the core controller can achieve a high degree of intelligen ce,temperature,voltage,current,is be collected,So that the device is safe and effective operation.Wherein switching switch uses a new type of magnetic switch,To overcome the shortcomings of traditional composite switch,thyristor switch,can achieve zero voltage open and zero current shutdown.

Var Compensator;Modula;Intelligent;Switching capacitor