新型低壓投切開關技術

摘 要：本投切開關是以磁保持繼電器為核心器件的低壓無功功率補償投切裝置。以PIC單片機為控核心，在過零點之前投入截止的磁保持繼電器，當過零點到來時，自然換相。做到投入無涌流，切除無過壓的一種新型投切裝置。磁保持繼電器的主要特點是一旦觸點吸合后便可以撤掉觸發信號，觸點狀態不會改變。

關鍵詞：投切開關；磁保持繼電器；提前觸發

引言

投切開關的方式主要有接觸器方式、晶閘管方式、復合開關技術、同步開關技術，同步開關技術以機械式開關作為主控制原件，具有成本低、結構簡單、穩定性高，壽命長、可靠性高等特點，現被廣泛使用，但由于機械開關導通的一致性及導通時間不穩定，所以需要特殊的控制方法提高其可靠性，提前觸發即可以解決，導通時間的不一致性可以在幾個毫秒。對開關的要求低，且穩定可靠。

1 工作原理

本案例以共補型主回路拓撲結構為例，共補型可以做到二控三。以圖1為例加以說明，裝置的B相直通，通過控制A相和C相投切單元控制負載的投入和切除。每相的投切單元包含一個主磁保持繼電器（JD1、JD2）和一個控制并聯二極管的輔助磁保持接觸器（JD3、JD4）。以A相為例，投入JD3應在二極管D1承受反向電壓時，此時二極管D1截止，下半個周波二極管D1自然導通，在D1導通的這半個周波里投入JD1，此時并聯的二極管回路被短路。二極管承受正向電壓時間僅為半個周波，即使在主磁保持繼電器損壞的情況下，由于二極管導通半個周波后，電容充滿電，二極管也不會再導通，只有當電容電壓放電在某電壓值下，二極管才會再次導通一次，又恢復到截止狀態。

2 控制方案

（1）投入時刻：以A相為例，通過電壓調理電路檢測主磁保持繼電器兩端電壓，即UA1A2，此時二極管承受反向電壓，此時投入輔助磁保持繼電器，需要等到下半個周波二極管承受正向電壓時，自然換相，無涌流。此時投入主磁保持繼電器，二極管被支路被短路，電流通過主磁保持繼電器流過。投入完成，另一相的投入原理相同。

（2）切除時刻：以單相為例，通過電流調理電路檢測流過磁保持繼電器的電流，當電流方向與并聯二極管方向一致時，斷開主磁保持繼電器，此時并聯二極管承受正向電壓導通續流，當下半個周波并聯二極管承受反向電壓，斷開輔助磁保持繼電器，切除完成，另一相的切除原理相同，不再累述。

3 系統功能

裝置以PIC單片機為核心控制器件，當接收到控制器的DC12V控制信號后，通過電壓過零檢測電路確定磁保持繼電器所需動作位置，通過觸發電路對磁保持繼電器施加觸發脈沖；當接收到控制器切除信號后，通過電流過零檢測電路確定磁保持繼電器所需動作位置，通過觸發電路對磁保持繼電器施加切除脈沖；通過狀態指示LED顯示裝置的投切及故障狀態；RS485通訊模塊主要用作故障信息的讀取、測試過程中實驗數據的讀取以及出廠自檢測磁保持繼電器動作時間的返饋；裝置具有失電保護、投入繼電器動作判斷、切除繼電器動作判斷、上電恢復繼電器狀態、鐵電故障存儲、出廠自檢等功能。

4 硬件電路方案

（1）控制電源：控制電源電路主要分供電電源及觸發電源兩個部分；其中供電電源為DC5V，為單片機及外設所需。觸發電源DC24V，為控制磁保持繼電器電源。兩路電源通過兩路輸出的變壓器后，兩路分別整流后通過穩壓芯片來得到電壓，穩壓芯片分別LM1117-5.0和LM2575。

（2）觸發電路：觸發電路由ULN2803及三極管控制，ULN2803A是由8個集電極開路的NPN達林頓晶體管構成，ULN2803A的每一個達林頓管內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，用以消除驅動繼電器的反向電壓。

（3）電壓檢測：通過2只200K的限流電阻進入光耦前端，后端輸出加RC低通無源濾波電路，再經施密特整型電路后送入單片機。

（4）電流檢測：電流互感器二次側加采樣電阻，并加保護電路后進入比較器，比較器輸出后再過施密特整型電路后送入單片機。

（5）通迅：采用光耦隔離方案，采用MAX485芯片作為RS485通信的轉換芯片，并加雙向TVS來做保護，終端電阻取值為120歐。

（6）控制信號檢測：經限流電阻與穩壓管之后，送入光耦前端，后端經RC低通濾波電路，進入施密特整型電路后送入單片機。

（7）缺相檢測：三相電壓分別通過200K限流電端后連接在一起進入光耦前端，與N線配合作為光耦一次導通條件，光耦二次接上拉電阻后送入單片機。

參考文獻

[1]王兆安.劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009，5.

[2]童詩白.華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2001，1.

作者簡介：胡彥生（1984-），男，工程師，2008年畢業于黑龍江大學電子測量與儀表專業，在職，現從事電子產品的設計與研發工作。