徐祖平

（南京邮电大学通达学院自动化学院，江苏扬州,225000）

模块化智能无功补偿器的研制

徐祖平

（南京邮电大学通达学院自动化学院，江苏扬州,225000）

针对传统电容补偿柜的缺点，研制了一种模块化的无功补偿器，把电容、投切开关、控制器高度集成在一起，用户可根据不同需求自由组合容量，每个模块之间通过网络接口实现通信，补偿模块可以在没有无功补偿控制器的情况下自行运行。模块使用DSP28335作为核心控制器可实现高度智能化，可实时监测温度、电网电压、电流等相关运行信息，确保模块安全有效的运行，其中，电容投切开关采用了一种改进型的磁保持继电器，克服了传统复合开关、晶闸管开关的缺陷，可以实现零电压导通、零电流关断。

无功补偿;模块化;智能型;电容投切

0 引言

随着工业技术的发展，大量感性负载接入电网，引起了严重的电网污染，因此，在高低压配电系统内大量使用电容补偿来调整电网的功率因数，传统的电容补偿柜一般由控制器、熔断器、投切开关、热继电器、电容组成，整个系统接线复杂，部件故障率高，维护不便，电容器的温度以及工作电压、电流没有自我检测能力，缺失完备的保护措施，同时产品一旦形成，扩容不便。其中作为核心器件的投切开关质量参差不齐，晶闸管或者复合开关经常烧毁。

图1 结构图

图2 电压采样电路

针对以上传统电容补偿柜存在的问题，本文研制了一种模块化、智能型的无功补偿模块，其主要有三种规格10Kvar、20Kvar、30Kvar。整个补偿柜只需要根据现场的需求进行模块的叠加即可，各模块之间通过网线连接，接线方便，便于扩容，模块使用DSP作为核心控制器，利用芯片的强大运算能力，集投切、检测、保护为一体。可实现自我检测电网的功率因数、实时投切、实时保护的功能，并通过网线在各个模块之间分享运行状态与电网参数，各个模块之间也可以通过一个主控制器进行集中控制。

1 系统结构

图1为单个补偿模块的内部结构图，整个模块由四个部分组成，进线空开、电容投切开关、电容模块、控制单元。其中空开负责系统与电网的连接，同时起到过流保护的作用，投切开关根据控制单元的指令对电容进行过零投切。控制回路负责数据采集、显示、驱动、保护等相关工作。

2 控制回路的设计

如图1所示，控制回路主要由：DSP芯片、液晶显示、数据采集、按键控制、通信接口、继电器驱动电路组成。

液晶显示主要用来显示本单元的运行数据，包括：电压、电流、电容器的温度、本机地址等相关信息，数据采集主要包括，电压、电流、温度的采样。图2为电压采样电路，通过电流型电压互感器进行强弱电之间的隔离，再通过运放进行信号的放大，由于DSP的AD输入信号范围为0-3.3V，所以在运放前端加一个直流偏置，后级采用双二极管进行电压的钳位，确保电压在DSP的安全范围内，电流采样利用类似电路即可。温度采集使用高精度的热敏电阻NTC10K。

按键控制主要设定一些运行参数，并且可以特殊情况下强制投切系统。通信接口是单元与主控器或者其他单元进行数据交换的核心部分，本文采用RS485的通信方式，图3为通信转换电路，由于通信过程中不能存在干扰，所以通信模块的电源与CPU电源隔离，采用单独的供电电源，因此，CPU发出的通信信号需要通过光耦进行转换，同时光耦也具备电平转换的功能，以兼容DSP 3.3V的IO电平，最后再通过MAX13487进行485电平转换。

图3 通信电路

图4 继电器过零投切原理图

2.1 基于过零控制的电磁式开关

电容的投切器件是本系统的一个核心部分，传统电容投切使用复合开关、晶闸管作为开关器件，晶闸管虽然有很多优点，然而其承受过压、过流的能力较差，很短时间内的过电压、过电流就会使其损坏，并且不可修护。电网运行状态复杂，并且不可预测，所以，晶闸管作为开关器件经常损坏。

本文介绍的一种基于过零控制的电磁式开关，其主要由继电器、电压、电流过零检测电路、继电器驱动电路组成。通过检测与计算，可以使其触点在开关两端交流电压为零时闭合，触点在通过其交流电流为零时断开，从而使投切负载产生的涌流极小。其中，使用的磁保持继电器具有常规继电器所不具备的吸释快速性、吸释时间稳定性和吸释过程微抖动性等方面的优异机械特性。并且，价格便宜，抗过压、过流能力强。

图4为继电器过零投切的原理，闭合时，DSP通过CAP捕获开关两端电压的过零点，然后根据继电器的机械特性延时（10-tx）ms后给继电器发出触发信号，其中tx为继电器从线圈得电到触点完全闭合所需要的时间。开关闭合使用同样的方式，只是采样为电流过零点。

图5 为开关触点两端电压过零信号的采集电路，通过光耦器件隔离与转换。图6为继电器的驱动电路，采用4个三极管组成桥式电路，S1为1、S2为0继电器的线圈电压为+9V时，开关闭合，S1为0、S2为1线圈电压为-9V，开关断开。

图5 过零检测电路

图6 继电器驱动电路

3 软件控制

软件控制主要是数据的采集与分析，以及投切命令的执行，程序开始首先，初始化各项参数，然后等待投切命令，如果是独立运行，则自动运算电网功率因数，如果有合闸指令，则首先判断合闸地址是否与本机地址相同，如果确定地址相同则等待电网过零点，打开定时器延时（10-tx）ms 后触发继电器。再延时50ms，检测开关合闸状态，如果合上，则撤销继电器的触发信号，减少能耗，如果没有合上则发出故障信号。

4 实验结果与分析

实验模块采用30kvar 的规格，图9为实验测试波形，图中通道一均为电压波形，通道二均为电流波形，图9（a）为分闸时的波形，从图中可以看出，开关是在零电流的状态下分闸，分闸没有涌流，电压没有波动。图9（b）为合闸时的波形，从图中可以看出合闸瞬间有一定的涌流，但是非常小，一个周期之后即可恢复正常，电压也不存在波动，所以，此无功补偿模块，可以很好的实现过零投切，并且不需要使用晶闸管，驱动电路简单，同时兼备检测保护功能，系统更加稳定可靠。

图9 （a）合闸实验波形图

9（b）分闸实验波形

[1]朱桂萍，王树民电能质量控制技术综述[J]电力系统自动化，2002.26(19):28-31

[2]王兆安杨军，刘进军.等谐波抑制和无功功率补偿[M] 第二版 机械工业出版社 2006

[3]翁穠.低压无功补偿控制器的研究与设计长沙[D]：湖南大学，2009

[4]肖振锋，袁容湘，刘晓蕃，等超小型智能复合开关的研制[J].电力自动化设备.2010.30(1):119-122

[5]王飞，来增强基于控制器局域网的模块化低压无功补偿装置[J].电力自动化设备，2009，29(06):98-101.

[6]陶海军. 分布式智能型无功补偿系统研究[D]:浙江大学.2014

主程序截图

（4）重复擦洗运转，当发现擦过之处仍有污渍，按下按纽I6，机器人反向运动，进行重复擦拭。

（5）按下按纽I8，机器人进入停止状态

根据上述的工作流程，利用慧鱼公司提供的ROBO P ro编程软件编写装置控制程序，其中主程序截图如下：

3 结束语

慧鱼公司提供的ROBO//Pro编程软件应用方便，完全满足各种功能的控制开发需要，以此设计的自动行走机构可实现单人操作，将节省玻璃幕墙人工洗刷的成本，替代人工高空作业，保障生命安全，具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]马香峰，等．工业机器人的操作机设计[M]．北京：冶金工业出版社，1996．

[2]吴振彪．工业机器人[M]．武汉：华中理工大学出版社，2006．

[3]王天然，曲道奎．工业机器人控制系统的开放体系结构[J]．机器人，2002，24(3)：256—261．

周文彬（1966.8--），男，汉族，山东文登人，高级工程师，主要从事机电设备研究与教学工作。

Development of Var Compensator based on Modular and Intelligent

Xu Zuping
(Automated instituteTongda collage of Nanjing University of posts & Telecomunication,Yangzhou，225000,China)

For the shortcomings of traditional capacitance compensation cabinet.This page developed a modular reactive power compensation module,including capacitors,switch and controller.Users can freely combined capacity according to different needs.Each module can communicate with network interface and can run independently.Each module uses DSP28335 as the core controller can achieve a high degree of intelligen ce,temperature,voltage,current,is be collected,So that the device is safe and effective operation.Wherein switching switch uses a new type of magnetic switch,To overcome the shortcomings of traditional composite switch,thyristor switch,can achieve zero voltage open and zero current shutdown.

Var Compensator;Modula;Intelligent;Switching capacitor