CN102299519A - 交流电容器投切开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种交流电容器投切方法及投切开关电路，用二极管和辅助继电器组成主继电器触点保护电路并联在继电器触点两端，在二极管导通的期间让主继电器触点闭合或断开，触点动作时没有浪涌电流且不产生触点打火，投切开关在断开时承受的耐压与继电器投切开关相当，不会发现电子开关的误导通现象，而投切速度与可控硅投切相当。具有电路简单、工作可靠、成本低廉和投切速度快的特点。

Description

交流电容器投切开关电路

技术领域

本发明专利申请涉及一种交流电容器投切开关电路，属于电气开关领域，特别属于电子/机械复合开关领域。

背景技术

交流电容器广泛应用于电网功率因数补偿和电网滤波，交流电容器在电网中使用时要根据电网的实际需要随时与电网连接或断开，即所谓的交流电容器的投切。目前常用的有MSC(接触器、断路器)投切、TSC(可控硅)投切和复合开关(可控硅和接触器并联开关)投切等几种方案。MSC投切的缺点是无法解决电容器与电网接通的瞬间产生的浪涌电流对电网产生冲击和对电容器的寿命产生的影响，目前解决交流电容器投切时浪涌电流的办法是使用TSC投切，让可控硅“过零投切”，即让可控硅在零电压点导通，但实际上由于可控硅有导通死角，无法控制其在完全的零电压点实现可控硅的导通，且这种投切方式要求触发精确且可靠性高将增加触发电路的成本，另外从可控硅的耐浪涌电流的特性上看，可控硅不适于做容性负载的开关；虽然TSC投切有成本高、自身发热量大和会增加电网的谐波电流的缺点，但它目前仍是能够解决电容器投切时浪涌电流的最好选择。复合开关投切是结合了TSC投切和MSC投切两者的优点的一种投切电路的方案，具有成本低、投切瞬间浪涌电流小的优点。复合开关投切是使用可控硅作为过渡电子开关，但可控硅当阳极电压的dv/dt很高时会发生误导通的现象，一旦发生误导通就会烧毁可控硅。一般可控硅使用中是采用阻容吸收回路减小dv/dt，从而减少可控硅误导通的可能，而在可控硅投切交流电容器的场合不可能采用串联阻容电路的方法降低dv/dt，因为串联电阻将增加投切开关的损耗。所以可控硅的误导通是TSC投切和复合开关投切方案的一个难以克服难题，TSC投切是选用大电流可控硅解决可控硅误导通时浪涌电流烧毁可控硅的问题，但复合开关一般都是使用额定电流较小的可控硅，因为使用额定电流大的可控硅就会失去复合开关成本低的优势，而可控硅的误导通是造成复合开关失效的主要原因之一。复合开关方案中为了减少可控硅的误导通，一般都选dv/dt值较高的可控硅，但这只是减少了可控硅误导通的几率，无法从根本上解决问题。另外，可控硅的误导通产生的浪涌电流对交流电容器的寿命和电网也有很大的影响。由于复合开关投切的可靠性问题，复合开关投切实际上是一个有争议的投切方案。中国专利申请200920179929.X公开一种交流电容器投切开关电路，也是一种电子和机械开关复合的开关，不使用可控硅作为辅助开关。在电容器投切前需要对电容器充电，投切时先对电容器放电当与电容器串联的二极管导通时接通与二极管并联的主继电器触点完成投切，在每次投切时二极管的导通时间最大为5毫秒(50Hz交流电)，由于放电回路电子开关电流的限制，实际二极管在投切过程中的导通时间也就是2-3毫秒，主继电器在2-3毫秒内要完成触点的闭合，这给主继电器的制造提出了较高的要求。

综上所述，可见除了在要求频繁、快速投切的场合需要使用TSC投切方案，一般使用场合TSC投切和复合开关投切与接触器投切相比并不占什么优势，所以在实际使用中，目前大量使用的还是接触器投切。

发明内容

本发明提出一种交流电容器投切开关电路，避免了MSC投切、TSC投切和复合开关投切的缺点，在投切开关闭合和断开的瞬间没有浪涌电流和触点打火，开关在断开时承受的耐压与接触器投切开关相当，而投切速度与TSC投切相当。具有可靠性高、电路简单、成本低廉和投切速度快的特点。

为实现上述发明目的，本发明提出如下技术方解决案：本发明的交流电容器投切开关电路由主继电器触点保护电路、主继电器和单片机控制模块组成其特征在于：主继电器触点保护电路由二极管与辅助继电器触点串联组成，并联在主继电器触点两端；主继电器的触点与被投切的交流电容器串联接在电网两端；单片机控制模块控制主继电器和辅助继电器的闭合和断开的时间顺序。

本发明的交流电容器投切开关电路的继电器触点保护电路可以是二极管和电子开关的串联。电子开关可以是可控硅、功率MOS管、IGBT，高压功率三极管等。

本发明的交流电容器投切开关电路，单片机控制模块由电容降压整流滤波电源供电。

本发明的交流电容器投切开关电路具有投切速度块，开关过程中无浪涌电流和无继电器触点打火的特点，开关的投切速度与TSC投切方式相同，投切开关正常工作时几乎没有开关触点的损耗，大大延长开关触点的寿命。开关断开期间不会发生开关误导通的情况，防止了电容器由于瞬间巨大充电电流而减少寿命或损坏。本发明的交流电容器投切开关电路结构简单、成本低且可靠性高。

附图说明

图1、本发明的交流电容器投切开关电路原理图1；

图2、本发明的交流电容器投切过程电流、电压波形图；

图3、本发明的交流电容器投切开关电路原理图2；

图4、本发明的交流电容器投切开关电路图。

具体实施例

图1为本发明的交流电容器投切开关电路示意图。本发明的交流电容器投切开关电路由三部分组成：①主继电器J1触点K1的保护电路：是并联在主继电器触点K1两端的二极管D和辅助继电器J2触点K2的串联电路，这个保护电路的作用是在触点K1闭合或断开时防止触点打火或拉弧；②主继电器J1：主继电器J1的触点K1串联在被投切电容器与电网之间；③单片机控制模块：由单片机及外围电路组成，其作用是控制主继电器J1和辅助继电器J2触点的闭合或断开的时间顺序。本发明的交流电容器投切开关电路的工作过程图2所示：投切开关电路投切(开关闭合)时，单片机控制模块首先控制辅助继电器J2的触点K2闭合，触点J2闭合的时间选择在t1到t2的时间段内，在t1、t2的时间内为交流电的负半周，即使触点J2闭合，二极管D一直处于反向偏置，二极管截至，没有电流通过二极管和继电器J2的触点K2，触点K2动作过程中不会发生打火现象；交流电到达t2时刻过零，二极管开始正向偏置，二极管D将迅速导通，单片机控制模块控制主继电器J1的触点K1在t3时刻闭合(t3是交流电零点到峰值之间的任意时刻)，继电器触点K1的闭合的过程中由于二极管是导通的，触点K1承受的电压是二极管的导通电压0.7V，所以继电器J1的触点K1在闭合的瞬间承受的功耗是很小的，二极管D起到了继电器触点保护的作用。主继电器J1的触点K1闭合后，将二极管D短路，完成交流电容器的投入电网过程，K1完全闭合后，K2的闭合或打开对K1没有影响。在这个电容器投入过程中主继电器J1的触点K1的抖动是无法避免的，在触点抖动断开的瞬间二极管D将随时导通，触点只承受0.7V电压，故触点不会打火，这是最大限度的保护继电器的触点。将交流电容器从电网上退投时，先保证辅助继电器触点J2的触点K2闭合，单片机控制模块控制继电J1的触点K1的断开时间选在t4到t6的时间内，即在交流电的负峰和正峰之间，触点K1断开时二极管D承受的是正向(导通)电压即可随时导通，即K1一旦断开电流立即从二极管流过，触点K1断开时承受的电压为二极管的正向电压0.7V，故触点不会发生拉弧现象。继电器J1的触点K1断开后二极管D一直导通到t6时刻自动关断。在t6到t7的时间段内二极管D反向偏置不导通，单片机控制模块控制辅助继电器J2的触点K2在t6到t7的时间内断开，即完成了电容器的退投过程，t6到t7的时间内没有电流通过触点K2，所以触点K2断开时不会发生拉弧。触点闭合和断开过程中通过二极管的电流波形和通过主继电器触点的电流波形如图2所示。

如果图1中二极管反向连接，本发明的交流电容器投切开关电路也能正常工作，只是触点J2和J1的闭合和断开的时间发生相应的变化，一般技术人员可以通过前述可自行推导，在此不再赘述。

电容器退投后，电容器上将保持电网的峰值电压，这个电压将通过并联在电容器两端的放电电阻R释放，对于现有的电容器投切技术是要求电容器上的剩余电压降到趋于零时才能再次投入电容器，否则会造成投入时的浪涌电流，而使用本发明的交流电容器投切电路，当电容器再次投切时，由于电容器上有剩余电压，二极管不会在交流电的过零点导通，而是要等到交流电压上升到略超过电容器上的剩余电压时二极管会自动导通，主继电器的触点在二极管导通后再闭合，就可以实现二极管对主继电器触点的保护。知道了退投和再次投入的时间就可以算出电容器上的剩余电压，从而可以决定住继电器触点闭合的时间，单片机很容易可以实现这个功能。使用本发明的交流电容投切方法，可以实现交流的电容器的频繁、快速投切。

本发明的交流电容器投切方法与现有技术的所谓“过零投切”有着本质的不同：现有技术的过零投入是让可控硅找零电压点导通，而本发明的投切方法是在交流电过零的时候让二极管自动导通。过零投切需要比较复杂的控制电路以保证可控硅在零电压点导通，而本发明的交流电容器投切方法是在触点保护电路加反向不导通期间闭合辅助继电器触点，在50Hz交流电的条件下，辅助触点的闭合有10毫秒的时间，这是非常容易实现的。电容器的投切过程可以看作是投切开关将电容器作为一个负载接入交流电网中，只有当开关导通的瞬间触点承受的电压或电流为零时，开关触点承受的功耗才是最小的，机械开关的触点不可能准确的在零功耗点导通，并且机械触点导通过程是伴随着触点的抖动，机械触点很难实现零功耗导通。TSC投切和复合开关投切都是在可控硅阳极和阴极承受电压为零点触发可控硅导通实现“零功耗”投切。过零点触发可控硅相对还是比较容易实现的，由于可控硅的导通死角和相应时间参数的变化，所以精确的控制可控硅过零点导通是难以实现的。而二极管的导通只需要阳极电压高于阴极电压一个条件，并不需要触发，所以二极管导通的条件比可控硅简单多了，导通的速度也比可控硅快，且控制电路的成本也很低。

继电器的触点K1必须在二极管导通时完成闭合过程，而继电器触点闭合(包括触点的抖动)是需要一定时间的并且有一定的误差，在电容器投入时二极管的导通时间为5毫秒(50Hz交流电)，这对选用的继电器提出比较高的要求，一般的继电器触点的动作稳定时间是大于这个时间的，配合本发明交流电容器投切开关电路使用的继电器需要专门的改进，不在本专利申请中详述。

辅助继电器也可以用功率MOS管代替如图3所示。在主继电器J1的触点K1闭合和断开过程中，让MOS管T1一直导通状态以保证二极管D随时可以导通，MOS管T1的导通信号由单片机控制模块提供。也可以用可控硅、IGBT或高压三极管等电子开关替代功率MOS管，所以这个继电器触点保护电路可以是二极管和电子开关串联，电子开关可以是可控硅、功率MOS管、IGBT，高压功率三极管等。

本发明的交流电容器投切开关电路中的继电器可以是普通直流或交流电磁继电器、磁保持继电器，也可以是机械自锁继电器。使用磁保持继电器或机械自锁继电器可以降低继电器触点闭合后的电路功耗。配合本发明交流电容器投切开关电路使用的继电器应能满足触点抖动时间短和触点动作时间稳定的要求。

图4是由二极管D、辅助继电器J2、磁保持继电器J1和单片机及外围电路为主要部件组成的本发明的交流电容器投切开关电路。单片机的电源由电容降压整流电源提供，单片机的4脚测量电网交流电压的过零点，5脚和6脚分别按时序控制辅助继电器J2和主继电器J1的闭合和断开，实现电容器投如和退投。本发明的交流电容器投切开关电路具有体积小、没有发热元件的特点，整个开关可以和交流电容器装在一起，做成带有投切开关的交流电容器，大大的方便安装和使用。

本发明的交流电容器投切开关电路也可应用于数千伏以上的高压交流电容器的投切，只需将触点保护电路中的二极管D换成数个二极管的串联即可，即使是十支二极管串联，在触点闭合时触点承受的电压也仅是7V，本发明的交流电容器投切开关电路可以配合真空接触器使用，在真空接触器工作时有触点保护电路的保护，可以大大减轻触点接通和断开时的负荷，从而大大延长真空接触器的使用寿命。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

本发明的交流电容器投切开关电路是通过放电回路的放电过程让二极管自动的导通，并在二极管导通期间完成继电器触点的闭合和断开过程，二极管在触点闭合和断开的过程中起到了保护机械触点的作用，因而具有电路巧妙、简单和容易控制的特点。由于本发明的交流电容器投切开关电路没有使用可控硅作为电子开关，因而避免了由于可控硅误导通造成的交流电容器由于瞬间巨大涌流造成的可控硅和电容器的损坏。并且在投切过程中，二极管导通的过程中也不产生浪涌电流，这点是复合开关或TSC投切方案中可控硅导通时所做不到的。

电容器的投切是开关将电容器作为负载从电网接入或断开的过程，本发明的交流电容器投切开关同样可以用于阻性或感性负载开关。机械触点开关广泛的应用与电器控制领域，使用单片机精确的控制机械触点的闭合和断开，并配合触点保护电路，这将是机械触点开关的一个革命。

Claims (3)

1.一种交流电容器投切开关电路由主继电器触点保护电路、主继电器和单片机控制模块组成其特征在于：主继电器触点保护电路由二极管与辅助继电器触点串联组成，并联在主继电器触点两端；主继电器的触点与被投切的交流电容器串联接在电网两端；单片机控制模块控制主继电器和辅助继电器的闭合和断开的时间顺序。

2.如权利要求1所述的交流电容器投切开关电路，其特征在于继电器触点保护电路可以是二极管和电子开关的串联。电子开关可以是可控硅、功率MOS管、IGBT，高压功率三极管等。

3.如权利要求1所述的交流电容器投切开关电路，其特征在于单片机控制模块由电容降压整流滤波电源供电。

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