一、前言

在工礦企業(yè)用電設(shè)備中存在大量的感性負載，如電弧爐、直流電機調(diào)速系統(tǒng)、整流逆變設(shè)備等，它們在消耗有功功率的同時，也占用了大量感性無功功率，致使電力功率因數(shù)下降。由于無功功率虛占了設(shè)備容量、增大了線路的電流值，而線路損耗與電流的平方成正比，因此造成電力資源的巨大浪費。另外，這些感性負載工作時還會產(chǎn)生大量的電力諧波，對電網(wǎng)造成諧波污染，使電能質(zhì)量惡化，電器儀表工作異常。為了提高功率因數(shù)、治理諧波，可以采用動態(tài)濾波補償，由電容器和電感器串聯(lián)形成消諧回路，起到無功補償和濾除諧波的作用。各種濾波補償系統(tǒng)，基本都由電力電容器、鐵芯電抗器、無功補償控制器和電力投切裝置等構(gòu)成，其中電力投切裝置負責(zé)與電網(wǎng)接通、切斷任務(wù)，是整個補償系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一。目前，用于電力投切的裝置主要有：

(1)普通接觸器

其優(yōu)點是接觸電阻很小，適合大電流導(dǎo)通，但它的缺陷也很明顯：吸合、釋放時間長，不適合快速通斷的場合。在接觸器觸點處易產(chǎn)生火花，使觸點粘住、無法分斷而損壞，對電網(wǎng)的巨大沖擊而產(chǎn)生干擾，可能使周圍電子設(shè)備無法正常工作。

(2)帶預(yù)投電阻的專用接觸器

這類接觸器整體體積較大，事實上在工作時也沒有真正解決浪涌電流問題，同時，由于與接觸器觸點配合不理想使電阻發(fā)熱而損壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，所以，這類接觸器并不是理想的投切接觸器。

(3)過零觸發(fā)固態(tài)繼電器

交流繼電器的內(nèi)部往往用2個單向可控硅反并聯(lián)或雙向可控硅構(gòu)成，當(dāng)固態(tài)繼電器接到投切信號時，一旦等待到兩端壓差接近零電壓時，則開關(guān)閉合，投入工作；當(dāng)固態(tài)繼電器接到切斷信號時，則可控硅自然關(guān)斷，即電流為零時關(guān)斷。可以看出，固態(tài)繼電器在投入和切斷時的工作狀態(tài)非常理想，但存在著一個致命的缺陷，即工作過程的器件發(fā)熱和諧波干擾問題，限制了它在電力投切領(lǐng)域的進一步推廣。

（4）分立元件復(fù)合開關(guān)

集傳統(tǒng)電磁式繼電器和無觸點開關(guān)的優(yōu)點于一體，其中的時序配合關(guān)系可以用電阻電容的延時電路完成其功能。但是，由于分立元件的參數(shù)分散性以及可靠性差將會影響整個復(fù)合開關(guān)長期正常的工作。

針對以上現(xiàn)有投切裝置的不足，本課題采用高性能嵌入系統(tǒng)作為投切裝置的核心控制部件，具有運算速度快、響應(yīng)時間短、投入浪涌電流小、工作穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。

二、基本組成和工作框圖

圖1原理框圖
本課題開發(fā)的投切裝置由電源電路、投切信號檢測、過零檢測、脈沖觸發(fā)、可控硅電路、電磁接觸器以及狀態(tài)指示等部分構(gòu)成。以美國ATMEL公司AVR系列單片機ATmega48V作為核心部件，具有內(nèi)部的RC 振蕩器，提供1/2/4/8MHz 的工作時鐘，無需外加時鐘電路元器件即可工作，非常簡單和方便。工作電壓范圍寬2.7V～6.0V，具有系統(tǒng)電源低電壓檢測功能，電源抗干擾性能強。

圖2工作時序

投切裝置工作原理如圖1所示，其基本工作過程是：投切檢測電路以查詢方式檢測投入（通）、切除（斷）信號，當(dāng)檢測到投入信號（高電平）時，過零檢測電路檢測可控硅兩端脈動電壓，只有電壓接近于零時才輸出脈沖觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，延遲一定時間后使電磁接觸器閉合導(dǎo)通，之后可控硅斷開，由接觸器承載線路電流，完成一次投入過程。切除（斷）時，首先觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，然后控制電磁接觸器斷開，延遲一定時間當(dāng)電流過零時可控硅關(guān)斷，完成切除動作，進入下一個投切循環(huán)。如果在工作時電網(wǎng)出現(xiàn)缺相、過電壓故障，則投切裝置拒絕投入，并由LED指示故障部位，以保證整個設(shè)備的安全運行。圖2為工作時序圖，其中 T1－T4分別為電網(wǎng)電壓、投切控制信號、可控硅和電磁接觸器的波形圖。

三、過零點檢測與脈沖觸發(fā)

電壓過零檢測電路由限流電阻R1、上拉電阻R2、保護二極管D、光耦P等組成，如圖3所示。電網(wǎng)交流電壓經(jīng)限流電阻R1到光電耦合器P的輸入端，在其輸出端得到與電網(wǎng)同頻且反相的矩形波。由單片機的“高－低”或“低－高”電平處理程序，即可檢測出電網(wǎng)電壓的過零點。

脈沖觸發(fā)電路如圖4所示，主要由放大、LC振蕩、脈沖變壓器組成。單片機引腳輸出的矩形脈沖，經(jīng)過放大、LC諧振、脈沖變壓器耦合升壓，形成尖峰脈沖，加到兩個反并聯(lián)單向可控硅的控制極和陰極之間，使它們分別在電網(wǎng)電壓波形的正、負半周導(dǎo)通。為了保證可控硅可靠導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖寬度不小于100us，這可以由ATmega48V單片機程序設(shè)定。

圖3過零檢測電路

四、單片機程序設(shè)計

AVR系列單片機采用了RISC結(jié)構(gòu)，其速度、內(nèi)存容量、外圍接口的集成度、向串行擴展和更適合使用高級語言編程等眾多特性，以及其所使用的開發(fā)技術(shù)和仿真調(diào)試技術(shù)等方面，都充分體現(xiàn)和代表了當(dāng)前單片機嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。本課題采用AVR系列中的ATmega48V芯片，使用C語言進行開發(fā)設(shè)計，以提高產(chǎn)品開發(fā)效率和系統(tǒng)的可維護性。具有較高的性價比，是ATmega48V的突出優(yōu)點。它提供23個可編程的I/O口線，4K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，256字節(jié)的EEPROM，6路10位ADC等配置，能夠滿足本課題的設(shè)計要求。

單片機程序整體是一個循環(huán)結(jié)構(gòu)，首先進行程序初始化，包括管腳方向、中斷方式、定時器等設(shè)置。單片機的一個引腳檢測投入控制信號的電平狀態(tài)，為高電平時，讀取并保存過零檢測引腳的電平值，當(dāng)過零檢測引腳發(fā)生反轉(zhuǎn)（高→低或者低→高）時，單片機對應(yīng)引腳輸出周期為200us占空比50％的矩形脈沖，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通。延遲一定時間（60ms左右）控制電磁接觸器閉合，完成投入過程。當(dāng)收到切除信號（低電平）時，單片機管腳輸出矩形脈沖觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，控制斷開接觸器，延遲一定時間終止輸出脈沖，電流為零時可控硅自然關(guān)斷。

五、結(jié)論

以ATmega48V為投切裝置的核心，外圍電路簡單，功能設(shè)計靈活，產(chǎn)品成本低，工作穩(wěn)定可靠。投切時的浪涌電流小，可以頻繁地進行投、切操作。本裝置應(yīng)用于電力無功補償和諧波治理設(shè)備中，可以增加投切電容器的組數(shù)以提高補償精度，抑制諧波，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。

圖5分別是觸發(fā)脈沖波形圖以及與電網(wǎng)電壓波形對比圖（因電網(wǎng)電壓幅值較大，只顯示其部分波形）。

本課題開發(fā)的電力投切裝置，經(jīng)現(xiàn)場測試可以達到的性能指標如下：

（1）開通時間60 ms；關(guān)斷時間60 ms。

（2）開關(guān)接觸電阻≤0.02Ω；控制電路功耗2 w。

（3）開關(guān)在額定電流負載下溫升≤25℃。

（4）系統(tǒng)電壓處于額定電壓的±20%范圍內(nèi)，能正常工作；超過額定電壓 自動強行跳閘。

（5）缺相時開關(guān)拒合閘。正常運行時，出現(xiàn)缺相自動跳閘，響應(yīng)時間≤0.2 s。

（6）系統(tǒng)停電時，開關(guān)自動跳閘響應(yīng)時間≤0.2 s。

（7）開關(guān)工作電源異常時，開關(guān)自動跳閘。

（8）采用LED指示，包括開關(guān)合閘、跳閘位置以及缺相故障指示。

本文作者創(chuàng)新點：本課題開發(fā)的電力投切裝置電壓等級660伏，切合華北地區(qū)冶金、礦山等企業(yè)的實際需求；采用AVR系列單片機ATmega48V作為核心部件，使得投切裝置功能強、性能穩(wěn)定。

本課題所開發(fā)的電力投切裝置，可廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)供電系統(tǒng)中自動控制場合，特別是在電力諧波治理和無功補償設(shè)備中作為開關(guān)部件，具有明顯的性能優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景，經(jīng)濟效益可達500萬元以上。

參考文獻

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[5]我們的AVR網(wǎng)站：http://www.ouravr.com