一种实用的智能型复合开关

高飞 石磊

重庆大全泰来电气有限公司

摘要 ： 介绍了一种实用的智能型复合开关，它采用双向可控硅与磁保持继 电器并联的工作结构。当电压过零时触发可控硅，电流为零时关断可控硅。充分利用了无触点开关动作可靠、磁保持继电器损耗小的特点，使得复合开关具有无涌流、无电弧重燃、功耗低、动作可靠等优点。 关键词 ： 过零触发；双向可控硅；磁保持继电器 在低压配电系统中，由于配电变压器、低压用电设备等无功负荷的大量存在，电网中会产生大量无功功率，严重影响电网电压质量，需要进行无功补偿。早期无功补偿装置大都采用交流接触器投切方式，交流接触器在电容投入和切除时会产生很大的涌流和过压，瞬态的高压和投切冲击电流常会导致接触器触头烧损。

近年来，随着电力电子的发展，复合开关逐渐应用在低压无功补偿装置中电容器组投切、运行工作中。复合开关通过控制芯片控制，在检测电压过零时先发出双向可控硅导通信号，导通双向可控硅然后再发出继电器导通信号，接通磁保持继电器，从而消除了开关接通时的电容器的瞬间涌流。此控制过程中电压过零检测尤其重要，必须准确检测且不受干扰，才能保证可控硅在电压过零点导通，实现无涌流投切。

1 复合开关的设计方案

本复合开关包括在电网电压过零时接通的可控开关和可控硅，可控开关与电网连接构成闭合回路，可控硅的控制端连接在闭合回路中，可控开关接通时，电网所在回路接通，可控硅的控制端得电进而控制可控硅导通。应用以上技术方案，可控开关可直接通过对电网电压的过零检测实现对可控硅的导通控制，无需通过电压比较器和控制器来实现，避免了电网电压在转换时产生的误差，保证了可控硅在电压过零点时立即投入工作，不会造成电容器和电路中的电压差和电压叠加，进而避免了因涌流而发生的各种问题，延长了无功补偿装置的寿命和减小了对其他用电设备的冲击。

图1 复合开关设计方案框图

复合开关设计方案框图如图1所示，主要由可控硅、可控硅开关、磁保持继电器、继电器驱动电路，控制器等组成。

2 控制系统的硬件电路、原理

基于单片机STM32控制的复合开关接到控制信号后有两部分控制电路。一部分控制触发可控硅，一部分控制使磁保持继电器触点闭合或断开。当复合开关接到投入信号后需触发可控硅，为了使电容器组的投入对电网的影响降到最小，在检测到电网电压为零时刻触发可控硅。电容器组投入以后，由于磁保持继电器靠强磁力就可使触点闭合，工作时无需给线圈持续供电，这样可以减小功耗。但由于强磁力的存在，要改变触点状态，需给线圈加反向直流脉冲电压，设计上就要求有一个正负脉冲极性转换电路。该复合开关的可控硅与磁保持继电器触点采用并联结构，它们的导通切除需要有一个很好的时序配合才可消除涌流现象，延长其使用寿命。

2.1可控硅触发电路

图2 可控硅触发电路原理框图

光电双向可控硅驱动器内部有电压过零检测的功能，光电双向可控硅驱动器上有12V使能信号的情况下，假如电网电压为正半轴正向电压时，可控硅SCR1两端电压，阳极A1的电压大于阴极K1的电压，当电压过零时，驱动电流方向为可控硅SCR2的阴极K2---二极管D1---光电双向可控硅驱动器---电阻R12---可控硅SCR1的控制极G1，可控硅SCR1的控制极G1和阴极K1形成压差，可控硅SCR1正向导通，可控硅SCR2反向关断。

假如电网电压为负半轴反向电压时，可控硅SCR2两端电压，阳极A2的电压大于阴极K2的电压，当电压过零时，驱动电流方向为可控硅SCR1的阴极K1---二极管D2----电阻R12---光电双向可控硅驱动器---可控硅SCR2的控制极G2，可控硅SCR2的控制极G2和阴极K2形成压差，可控硅SCR2正向导通，可控硅SCR1反向关断，从而实现电压自动过零检测，过零点自动触发可控硅。

其中R1、R2、R3为均压电阻，采用串联均压的方式，平衡U1~U3的电压，防止电压过高将U1~U3击穿；R13和R14为吸收电阻，当可控硅灵敏度较高时，门极阻抗也很高，在续流器件D1与D2两端并上吸收电路可提高抗干扰能力。

2.2可控硅驱动电路

磁保持继电器由STM32控制器发出控制信号，DR+为高电平时线圈中有正向电流，DR-为高电平时线圈中有反向电流。驱动电路由R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，三极管Q1、Q2、Q3、Q4，电容C组成，relay为磁保持继电器的电磁线圈。控制信号DR+、DR-连接到驱动的输入三极管Q1、Q2

当输入信号DR+为高电平、DR-为低电平时，关管Q1、开关管Q3导通，开关管Q2、开关管Q4截止，开关管Q1导通导致开关管Q3导通，开关管Q2截止导致开关管Q4截止，从而使继电器3承受正向电压而导通。

如图3所示，流经继电器3的电磁线圈的电流方向: +12V→Q3的E极→Q3的C极→线圈的1端→线圈的2端→Q1的C极→Q1的E极→地，继电器3触点接通。

当输入信号DR+为低电平、DR-为高电平时，开关管Q2、开关管Q4导通，开关管Q1、开关管Q3截止，开关管Q2导通导致开关管Q4导通，开关管Q1截止导致开关管Q3截止，从而使继电器3承受反向电压而断开。

流经继电器3的电磁线圈的电流方向：+12V→Q4的E极→Q4的C极→线圈的2端→线圈的1端→Q2的C极→Q2的E极→地，继电器3触点断开

其中R4和R5为基极电阻，起稳定直流工作点的作用；R8和电容C并联后串联在线圈回路中，吸收磁保持继电器吸合或断开瞬间，继电器线圈回路中的涌流，确保磁保持继电器可靠稳定吸合或断开。

3 试验过程和结果

A相接投切开关：A相经复合开关投切5kvar，记录试验数据如图所示；

B相不接投切开关：B相电源直接5kvar，记录试验数据如图所示；

C相接投切开关： A相经复合开关投切5kvar，记录试验数据如图所示；

试验结论：电源经过复合开关投切开关后，在电压过零点投入电容，涌流明显减少很多。

A 相经复合开关投切5kvar B相电源直接5kvar

C相经复合开关投切5kvar B相电源直接5kvar的涌流传导至A相

4 结语

本文阐述了复合开关的发展现状，工作原理和设计方案，重点介绍了其中控制电路部分的原理及思路。经过一段时间的调试，样机调试完成，实现了可控硅在电压过零时触发，电流过零时切除，取得了良好的节能减耗效果。