智能电容过零点投切装置的制作方法

1.本实用新型涉及电力系统的无功补偿和谐波滤波技术领域，尤其是指一种智能电容过零点投切装置。


背景技术：

2.无功补偿投切装置从未来发展来看，无论成本还是可靠性都比现有复合开关和继电器开关要有优势，因此同步开关必将取代复合开关和继电器开关成为无功补偿电容器投切开关的主流。
3.同步开关是由单片机采集到电流和电压过零信号进行控制电容器投切，保证继电器在电压过零点投入、电流过零点切除，这样做的好处就是大大的延长了元器件的寿命。继电器在电压过零点投入时，电容投入产生的涌流小于电容器额定电流的3倍，大大延长了电容、断路器以及继电器的寿命；继电器在电流过零点切除，避免了继电器触点的拉弧现象，大大延长了继电器的使用寿命。综上，继电器投切在工作电压电流零点越接近，产品可靠性越高，其使用越安全。
4.现有技术的投切产品(例如接触器投切组件)多由于采样、计算和控制的精度误差而导致无法真正意义上实现过零点投切。例如电流信号采集多为模拟量采集，其通过主控单元采集到模拟量信号后再进行计算得到零点信号，其在计算过程中会有一定的时间损耗，从而导致其计算误差较大，零点精度较低，由于其在一开始电流零点采样准确度就较低，因而导致无法真正意义上实现过零点投切，其投入涌流较大，断开触点电弧也会非常大，容易烧毁并造成其他不良的影响，导致其使用寿命非常短。


技术实现要素：

5.为此，本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术中投切产品无法真正意义上实现过零点投切而导致使用寿命短的缺陷。
6.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种智能电容过零点投切装置，包括采样模块、控制模块和继电器投切模块：
7.所述采样模块包括电压采样电路和电流采样电路，所述电压采样电路包括光耦过零点检测单元，所述光耦过零点检测单元包括光耦元件，电压信号通过光耦元件输出包含有零点信号的电压脉冲信号，所述电流采样电路包括运放比较单元，电流信号通过运放比较单元直接输出包含有零点信号的电流脉冲信号；
8.所述控制模块用于获取电压脉冲信号的零点信号，并根据所述电压的零点信号延时控制所述继电器投切模块进行投入动作，所述控制模块用于获取电流脉冲信号的零点信号，并根据所述电流的零点信号延时控制所述继电器投切模块进行切除动作，其中所述延时时间为正弦波信号周期减去继电器投切模块本身延时的差值；
9.所述继电器投切模块执行投入动作或切除动作。
10.在本实用新型的一个实施例中，所述光耦元件包括第一光耦和第二光耦，所述第
一光耦和所述第二光耦反并联连接。
11.在本实用新型的一个实施例中，所述电压采样电路还包括防击穿元件，第一光耦和第二光耦均连接有防击穿元件。
12.在本实用新型的一个实施例中，所述电流采样电路还包括耦合单元和电压抬升单元，所述耦合单元连接所述运放比较单元的输入端，所述运放比较单元的输出端连接所述电压抬升单元。
13.在本实用新型的一个实施例中，所述继电器投切模块包括单线圈磁保持继电器，使用所述单线圈磁保持继电器作为投切开关，以执行投入动作或切除动作。
14.在本实用新型的一个实施例中，所述继电器投切模块还包括继电器驱动单元和电源，所述继电器驱动单元包括第一三极管、第二三极管和第三三极管，所述第一三极管的基极连接所述控制模块，所述第一三极管的集电极连接所述第二三极管的基极，所述第二三极管的发射极连接电源，所述第二三极管的集电极连接单线圈磁保持继电器，所述单线圈磁保持继电器连接所述第三三极管的集电极，所述第三三极管的基极连接所述第一三极管的发射极，所述第三三极管的发射极接地。
15.在本实用新型的一个实施例中，所述继电器驱动单元包括第四三极管、第五三极管和第六三极管，所述第四三极管的基极连接所述控制模块，所述第四三极管的集电极连接所述第五三极管的基极，所述第五三极管的发射极连接电源，所述第五三极管的集电极连接单线圈磁保持继电器，所述单线圈磁保持继电器连接所述第六三极管的集电极，所述第六三极管的基极连接所述第四三极管的发射极，所述第六三极管的发射极接地。
16.在本实用新型的一个实施例中，所述继电器投切模块还包括校准治具接口，所述校准治具接口用于对单线圈磁保持继电器进行延时校准。
17.在本实用新型的一个实施例中，还包括通讯模块，所述通讯模块连接所述控制模块。
18.本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
19.本实用新型首先采用运放比较单元直接输出包含有零点信号的电流脉冲信号，无需进行计算即可得到电流零点信号，避免了计算带来的误差，即从一开始就保证了零点信号采集的精确度，然后在获取到精确的电压零点信号或精确的电流零点信号时延时控制继电器执行投入动作或切除动作，其中延时时间为正弦波信号周期减去继电器本身延时的差值，使得投入动作或切除动作恰好为电压过零点或电流过零点，即本实用新型通过精确获取零点信号和延时控制投切相结合的方式真正意义上实现过零点投切，解决了现有技术投切产生涌流而导致使用寿命短的问题，易于推广。
附图说明
20.为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。
21.图1是本实用新型电压采样电路的电路原理示意图。
22.图2是本实用新型电流采样电路的电路原理示意图。
23.图3是本实用新型控制模块的电路原理示意图。
24.图4是本实用新型继电器投切模块的电路原理示意图。
25.图5是本实用新型通讯模块的电路原理示意图。
26.图6是本实用新型电源模块的电路原理示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
28.实施例一
29.参照图1至图6所示，本实用新型实施例一提供一种智能电容过零点投切装置，包括采样模块、控制模块和继电器投切模块。
30.采样模块包括电压采样电路和电流采样电路，电压采样电路包括光耦过零点检测单元，光耦过零点检测单元包括光耦元件，电压信号通过光耦元件输出包含有零点信号的电压脉冲信号，电流采样电路包括运放比较单元，电流信号通过运放比较单元输出包含有零点信号的电流脉冲信号。
31.控制模块用于获取电压脉冲信号的零点信号，并根据电压的零点信号延时控制继电器投切模块进行投入动作，控制模块用于获取电流脉冲信号的零点信号，并根据电流的零点信号延时控制继电器投切模块进行切除动作，其中延时时间为正弦波信号周期减去继电器投切模块本身延时的差值。
32.继电器投切模块执行投入动作或切除动作。
33.请继续参阅图1所示，电压采样电路包括光耦过零点检测单元，光耦过零点检测单元包括第一光耦u11和第二光耦u12，第一光耦u11和第二光耦u12反并联连接。作为优选的，第一光耦u11和第二光耦u12为两个相同的元件，此头和彼尾相连，例如第一光耦u11的头端与第二光耦u12的尾端相连，当然还可以是其他连接方式，本实用新型不以此为限制。
34.在上述电压采样电路中，电流信号由反并联的第一光耦u11和第二光耦u12采集，电压信号由ua1和ua2采集，其中电流信号为正弦波，其具有正半周和负半周，当处于正半周时，电流通过第一光耦u11，第一光耦u11的3号脚和4号脚导通，该第一光耦u11输出为0v低电平：当处于负半周时，电流通过第二光耦u12，第二光耦u12的3号脚和4号脚导通，该第二光耦u12输出为0v低电平。由于光耦需要一定的压降(例如0.7v)才能导通，因此在光耦未导通期间，光耦输出为高电平，此时就是光耦的零点，因此在电流正弦波信号作为输入时，该电路输出包含有零点信号的电压脉冲信号ua。
35.还有，在上述电压采样电路中，电压过零点即是采集电网侧和电容侧的压差，当压差为0v时，即是电压零点，除非电容侧剩余电压为0v，电压零点为电网的零点，否则是电网和电容电压相等的点是零点。这样做的好处是：由于电网电压和电容电压投入零点电压相等，实际压差为0v，因此电容器在未放完电的时候有补偿需求，即投入不会产生涌流或者说产生的涌流很小。
36.进一步地，电压采样电路还包括防击穿元件，第一光耦u11和第二光耦u12均连接有防击穿元件。作为优选的，防击穿元件可以是限流电阻，限流电阻的作用是用于防止过流击穿，从而达到保护光耦的目的。例如图1中的第一限流电阻r38和第二限流电阻r41，第一限流电阻r38连接第一光耦u11，第二限流电阻r41连接第二光耦u12。
37.请继续参阅图2所示，电流采样电路包括耦合单元，耦合单元连接运放比较单元的
输入端。
38.在上述电流采样电路中，电流信号由电流互感器l3的初级侧耦合到次级侧，互感器变比100a:25ma,经过电阻r12转换为电压信号，最大电流转换为电压有效值为1.275v(25ma*51r)，电压信号为正弦波，其具有正半周和负半周，当处于正半周时，运算放大器u6a的输入端v+大于v-，该运算放大器u6a输出为高电平(d3.3v)；当处于负半周时，运算放大器u6a的输入端v-大于v+，该运算放大器u6a输出为低电平(dgnd)，即每当电流从电压零点改变时，运算放大器u6a会比较输入两端的电压大小并输出大的一端电压状态，因此在电压正弦波信号作为输入时，该电路输出包含有零点信号的电流脉冲信号ia1。
39.进一步地，耦合单元包括第一二极管d7和第二二极管d8，这里第一二极管d7和第二二极管d8为钳位二极管，其作用是保护后级电路不会过压。
40.上述由于运算放大器u6a的输出存在压降，因此其实际电压达不到3.3v，因此就会存在输入电压有时候不能大于2/3vcc，导致控制模块无法识别。因此本实用新型电流采样电路还包括电压抬升单元，电压抬升单元连接运放比较单元的输出端。
41.具体的，电压抬升单元包括三极管q22，该三极管的基极通过电阻r11连接运算放大器u6a的输出端，在运算放大器u6a的输出端增加三极管q22能够使得控制模块(可以是单片机)的管脚只会有0和3.3v这两种状态变化，避免控制模块无法识别的问题。
42.请继续参阅图3所示，控制模块包括单片机及其单片机外围电路，作为优选的，单片机的型号可以是stm32f103r8t6。
43.在实际使用时，投切延时的存在是无法避免的，因此想要触点正好在采集的零点处吸合在实际情况下是不可行的。由于电流和电压都是周期性的正弦波信号，因此本实用新型基于其周期性在检测到零点后使其在下一个零点处投入或切除，正弦波的周期为20ms，继电器投切模块本身的延时为8ms，因此本实用新型当单片机获取到零点信号后，延时12ms(20ms-8ms＝12ms)给出投切命令，这时候单线圈磁保持继电器j10的触点闭合时间恰好为零点处。
44.请继续参阅图4所示，继电器投切模块包括单线圈磁保持继电器j10，使用单线圈磁保持继电器j10作为投切开关，以执行投入动作或切除动作。单线圈磁保持继电器j10在线圈没有电流维持时能够保持当前状态，另外单线圈磁保持继电器j10闭合和断开是受线圈电压控制，当线圈电压为正向电压时，则单线圈磁保持继电器j10吸合；当线圈电压为反向电压时，则单线圈磁保持继电器j10断开。
45.继电器投切模块还包括继电器驱动单元和电源，继电器驱动单元包括第一三极管q6、第二三极管q3、第三三极管q11、第四三极管q7、第五三极管q4和第六三极管q12，第一三极管q6的基极连接控制模块发射的控制信号ka+，第一三极管q6的集电极连接第二三极管q3的基极，第二三极管q3的发射极连接电源24v，第二三极管q3的集电极连接单线圈磁保持继电器j10，单线圈磁保持继电器j10连接第三三极管q11的集电极，第三三极管q11的基极连接第一三极管q6的发射极，第三三极管q11的发射极接地；第四三极管q7的基极连接控制模块发射的控制信号ka-，第四三极管q7的集电极连接第五三极管q4的基极，第五三极管q4的发射极连接电源24v，第五三极管q4的集电极连接单线圈磁保持继电器j10，单线圈磁保持继电器j10连接第六三极管q12的集电极，第六三极管q12的基极连接第四三极管q7的发射极，第六三极管q12的发射极接地。
46.在上述继电器投切模块中，单线圈磁保持继电器j10的触点可以根据控制信号ka+和控制信号ka-进行24v正反电压控制，当控制信号ka+为高电平和控制信号ka-为低电平时，第一三极管q6的vb大于ve，第一三极管q6开通，第二三极管q3的ve大于vb，第二三极管q3开通，同时第三三极管q11的vb大于ve，第三三极管q11开通，此时电源24v经过第二三极管q3、单线圈磁保持继电器j10和第三三极管q11到gnd，单线圈磁保持继电器j10的触点吸合。同样的，当控制信号ka+为低电平和控制信号ka-为高电平时，第四三极管q7的vb大于ve，第四三极管q7开通，第五三极管q4的ve大于vb，第五三极管q4开通，同时第六三极管q12的vb大于ve，第六三极管q12开通，此时24v经过第五三极管q4、单线圈磁保持继电器j10和第六三极管q12到gnd，单线圈磁保持继电器j10的触点断开。
47.进一步地，继电器投切模块还包括校准治具接口j20，校准治具接口j20用于对单线圈磁保持继电器j10进行延时校准，经过校准治具接口j20校准后，单线圈磁保持继电器j10的过零点投切会更加精确。
48.请继续参阅图5所示，还包括通讯模块，通讯模块连接控制模块。作为优选的，通讯模块可以为485通讯模块，通过并联485通讯模块能够满足并联多台电容满足大容量补偿需求的现场。
49.具体的，485通讯模块包括双向电平转换芯片u1、双向瞬态二极管(d2、d3、d4)和电阻r5，双向瞬态二极管d3的一端与双向电平转换芯片u1的针脚13连接，双向瞬态二极管d3的另一端与电阻r5连接，双向瞬态二极管d2的一端与双向电平转换芯片u6的针脚13连接，双向瞬态二极管d2的另一端接地，双向瞬态二极管d4的一端与双向电平转换芯片u6的针脚12连接，双向瞬态二极管d4的另一端接地。
50.上述485通讯模块具有抗噪声干扰性好、传输速率快等优点，其最大传输距离标准值为4000英尺，具有多站能力,这样用户可以利用单一的rs-485接口方便地建立起设备网络。还有由于rs-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口，因为rs485接口组成的半双工网络一般只需二根连线，所以rs485接口均采用屏蔽双绞线传输。
51.请继续参阅图6所示，还包括电源模块，电源模块采用变压器，一次侧电压为380v，二次侧分别输出ac24v，ac7v/0.35w，ac7v/3.5w，其中ac24v一路通过整流桥进行全波整流，经过电解电容c2储能稳压，通过ldo输出稳定的直流24v电压用于驱动单线圈磁保持继电器j10，ac7v/0.35w一路通过整流桥进行全波整流，经过电解电容c6储能稳压，通过ldo输出稳定的直流5v电压用于给485通讯模块供电，ac7v/3.5w一路通过整流桥进行全波整流，经过电解电容c12储能稳压，通过ldo输出稳定的直流3.3v电压用于给单片机、采样模块及其他电路供电。
52.本实用新型首先采用运放比较单元直接输出包含有零点信号的电流脉冲信号，无需进行计算即可得到电流零点信号，避免了计算带来的误差，即从一开始就保证了零点信号采集的精确度，然后在获取到精确的电压零点信号或精确的电流零点信号时延时控制继电器执行投入动作或切除动作，其中延时时间为正弦波信号周期减去继电器本身延时的差值，使得投入动作或切除动作恰好为电压过零点或电流过零点，即本实用新型通过精确获取零点信号和延时控制投切相结合的方式真正意义上实现过零点投切，解决了现有技术投切产生涌流而导致使用寿命短的问题，易于推广。
53.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。