交流电容器投切方法及投切开关电路

摘要

本发明提出一种交流电容器投切方法及投切开关电路，用二极管和电阻串联组成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。

说明书

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。

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投切的缺点是电容器与电网接通的瞬间有可能产生巨大的浪涌电流会对电网产生冲击和对电容器的寿命产生不利的影响，目前解决交流电容器投切时浪涌电流的办法是使用电子开关投切，让电子开关“过零投切”，即让电子开关在零电压点导通，但实际上由于可控硅有导通死角，不可能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投切的缺点是成本高、自身发热量大和会增加电网的谐波电流，但它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。

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方法及投切开关电路，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。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方解决案：交流电容器在投切前通过串联在电网和交流电容器之间的二极管对电容器直流充电到接近电网电压的峰值，交流电容器投切时先对电容器放电，当电容器上的电压放到略低于电网电压时，串联在电容器和电网之间的二极管会自动导通，在二极管导通期间并联在二极管两端且串联在电容器和电网之间的继电器机械触点闭合，即完成交流电容器的投切过程。

实现本发明的交流电容器投切方法的投切开关电路由继电器触点保护电路、交流电容器放电回路、继电器和单片机控制模块组成其特征在于：继电器触点保护电路由二极管与电阻串联组成，并联在继电器触点两端；交流电容器放电回路由可控硅与电阻串联组成，并联在被投切的交流电容器两端；继电器的触点与被投切的交流电容器串联接在电网两端；单片机控制模块提供交流电容器放电回路和继电器的控制信号。

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、电阻和电子开关的串联。电子开关可以是单向可控硅、双向可控硅、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的交流电容器放电回路可以是二极管、电阻、电感和电子开关的串联，电子开关可以是单向可控硅、双向可控硅、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优点，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示意图1；

图2、本发明的交流电容器投切开关电路示意图2；

图3、本发明的交流电容器投切开关电路示意图3；

图4、本发明的交流电容器投切开关电路示意图4。

具体实施例

本发明公开的一种交流电容器投切方法是：在交流电容器要投切接入电网前先通过串联在电容器和电网之间的二极管对电容器充电，经过几个交流电周期后电容器上的电压充电到接近电网电压的峰值时，电容器完成投切准备。投切开始时首先对电容器放电，当电容器上的电压降低到略低于电网电压时，串联在电容器与电网之间的二极管自动导通，直到电网电压达到峰值时二极管会自动关断。在二极管导通期间，控制并联在二极管两端的继电器机械触点完成闭合，机械触点闭合后二极管被短路，即完成了交流电容器接入电网的投切过程。

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：现有技术的过零投切是让可控硅找零电压点导通，而本发明的投切方法是在电容器的放电过程中让二极管自动导通。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对于放电时间的控制允许有毫秒级的误差，这种误差一般的电路都可以容易地实现。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。

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四部分组成：①继电器触点保护电路：并联在继电器触点K两端的二极管D和电阻R1的串联电路；②交流电容器放电回路：并联在被投切交流电容器C两端的可控硅CR和电阻R2的串联电路；③继电器：继电器J1的触点K串联在被投切电容器与电网之间，继电器的动作由单片机控制模块控制；④单片机控制模块：控制交流电容器放电回路是否工作和继电器的吸合或断开。本发明的交流电容器投切开关电路的工作过程如下，投切开关电路和交流电容器C与电网连接后，交流电容器C通过二极管D和电阻R1充电到电网电压的峰值，在被投切交流电容器的两端可以并联电阻或压敏电阻R3，防止由于电容器上的电荷过度积累造成电容器的过压损坏，同时也可作为电容器放电电阻。投切开关电路在工作时，单片机控制模块首先控制放电回路的可控硅CR在电网电压达到峰值之前导通，交流电容器将通过可控硅CR和电阻R2的放电回路放电，当交流电容器上的电压降到比电网电压瞬时值略低一点时，二极管D将自动导通，单片机控制模块同时控制继电器J1的触点K1在二极管D导通后闭合，继电器触点K1的闭合的期间由于二极管导通，所以触点K1承受的电压是二极管的导通电压0.7V，而且在电压的峰值附近通过交流电容器C的电流也很小，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，二极管起到了继电器触点保护的作用。继电器J1的触点K1闭合后，将二极管D和电阻R1短路，完成交流电容器的接入电网过程，在这个接入过程中继电器J1的触点K1即使抖动也不会打火，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。将交流电容器从电网上退投的过程比较简单，只要单片机控制模块控制继电J1的触点K1的动作时间选在触点K1断开时二极管承受的是正向(导通)电压即可，继电器J1的触点K1断开后二极管D到电压峰值的时候便自动关断，自然完成了交流电容器从电网上的断开过程。继电器触点K1的断开点选在靠近电压的峰值点，触点断开时承受的功耗就更小。电容器退投后电容器上的电压仍为电网电压的峰值，电容器无需像电容器组初次接入电网时需要充电，电容器可以随时再投切进入电网，无需等待电容器放电以后才能投切，投切的速度与TSC投切相当，这样在一些需要快速投切的场合完全可以替代TSC投切。

交流电容器在接入电网的瞬间，电容器的充电浪涌电流过大将对电网的负荷产生不良的影响。电阻R1的作用是为了限制投切开关在接入电网时交流电容器的浪涌电流，限流电阻R1越大投切电路和交流电容器接入电网时的浪涌电流就越小，但R1越大继电器触点K1闭合或断开时承受的功耗就越大。R1的选取可以在0到100Ω之间，R1的大小可根据二极管的耐浪涌电流的能力和继电器触点K1的耐浪涌电流而定。

电阻R2的作用是给电容器C放电，电阻R2阻值越小电容器C的放电速度就越快，二极管D就会有更长的导通时间，这将给继电器触点K1的闭合时间以更大的宽容度，因为继电器的触点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，所以让二极管能有更长的导通时间是很必要的。从理论上讲二极管的导通时间不超过10毫秒，但考虑到R1的功率和体积，R2的阻值不宜选的太小，实际二极管的导通时间不超过5毫秒，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。

为了解决电阻R1太小起不到限制浪涌电流而R1太大继电器触点闭合时承受功率较大的问题，可以在二极管D与电阻R1的回路中可以串联功率MOS管，如图2所示。功率MOS管T1的作用是：投切开关电路在接入电网的瞬间通过控制MOS管的导通时间控制交流电容器的充电电流，而在继电器J1的触点K1闭合和断开过程中，让MOS管T1一直导通以保证二极管D也是一直导通的，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、电阻和电子开关串联，电子开关可以是可控硅、功率MOS管、IGBT，高压功率三极管等。

可控硅CR和R2组成的放电回路中的可控硅CR起到的是放电开关的作用，可控硅可以由功率MOS管T2替代如图2所示，可控硅也可以用高压三极管或IGBT代替。另外放电回路中还可以串联加入电感线圈L，以减少可控硅误导通的可能性。所以这个放电回路可以是二极管、电阻、电感和电子开关的串联，电子开关可以是单向可控硅、双向可控硅，功率MOS管、IGBT，高压功率三极管等。如果不是需要频繁投切的场合，当电容器退投后，可以通过T2和R2将电容器上的剩余电压彻底放掉，当电容器需要再次投切前再通过D、T1和R1对电容器充电，充电到电网电压峰值后再开始投切过程。。

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。

为了解决R1取值较大时继电器触点闭合时承受功率较大的问题，也可以用继电器触点并联在限流电阻R1两端的办法，如图3所示。继电器J2由单片机控制模块控制，当交流电容器与电网连接充电做投切准备时，继电器J2的触点K2不闭合，限流电阻R2可以最大限度的限制电容器的充电电流。在几个交流电周期后电容器充电到电网电压的峰值，继电器J2的触点即可一直闭合，将限流电阻R2短路，相当于二极管D与继电器J1的触点K1直接并联，在触点K1闭合和断开时可以最大限度的减小触点的负荷。在本实施例中限流电阻R1的取值可以达到1KΩ以上，投切开关和电容器接入电网时充电电流可以大大的减小，当多个电容器接入电网时，充电浪涌电流对母线开关和电网的影响可以忽略不计。用MOS管、可控硅等电子开关替代继电器J2的触点并联在限流电阻R1的两端同样可以达到短路限流电阻的作用，由于继电器具有成本低、可靠性高和过流能力强的特点，用继电器短路限流电阻R1比其它方案有明显的优势。

图4是由二极管D、双向可控硅BCR、限流电阻短路继电器J2和主继电器J1为主要部件组成的本发明的交流电容器投切开关的开关电路单元，加上单片机控制模块就是完整的交流电容器投切开关电路。继电器J1的线圈在可控硅导通时起到使继电器吸合和给电容器放电的双重作用。本发明的交流电容器投切开关电路体积很小，没有发热元件，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。