（电力系统及其自动化专业论文）智能开关技术在电力系统中的应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sc o n n e c t i n ge l e m e n t ，s w i t c hi su s e dv e r ye x t e n s i v e l y i np o w e r s y s t e m ，w h i c h h a sg r e a t e f f e c to nt h es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e ma n dt h eq u a l i t yo fe l e c t r i ce n e r g y t h et r a d i t i o n a l s w i t c hr e a l i z e so p e n - c l o s i n gc i r c u i tu s i n gm e c h a n i c a lp a r t , a p tt oc a u s ev o l t a i ca r ca n di m p a c t c u r r e n td u r i n gt h eo p e r a t i o n t h et e c h n i q u eo fi n t e l l i g e n ts w i t c hd e s c r i b e di nt h i s p a p e r , w h i c hc o m b i n e sp o w e re l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n dm i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g y , i san e w s w i t c h i n gm e t h o d u s i n gt h i sm e t h o d ，t h ec i t e n i tc a nb eo p e r a t e dw i t h o u tv o l t a i ca r ta n d i m p a c tc u r r e n tt h r o u g hp o w e re l e c t r o n i ca c s w i t c ha n dt h es w i t c hc a l lh em o n i t o r e da n d p r o t e c t e db ym i c r o c o m p u t e rd e v i c e b a s e do nt h es t u d yo ni n t e l l i g e n ts w i t c h i n gt e c h n i q u e ， t h em e t h o df o ra p p l y i n gt h i st e c h n i q u et op o w e rs y s t e mi sp r o p o s e d ，a n dt h ea d v a n t a g e so f p r o p o s e di m e l l i g e n ts w i s h i sp r o v e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t s s i xc h a p t e r sa r ei n c l u d e di nt h et h e s i s c h a p t e r 1r e v i e w st h e d e v e m p m e mo fp o w e re l e c t r o n i c s a n d m i c r o c o m p u t e r , a n d i n t r o d u c e st h eb a s i cs i t u a t i o no fi n t e l l i g e n ts w i t c h t h ec h i e fc o m p o n e n t sa n do p e r a t i n g p r i n c i p l eo fi n t e l l i g e n ts w i s h a r ei n t r o d u c e da n dd i s c u s s e di nc h a p t e r 2 c h a p t e r3e l a b o r a t e s t h e a p p l i c a t i o n o fi n t e l l i g e n t s w i t c l l i n gt e c h n i q u e i n p o w e rs y s t e mi nd e t a i l ，i n c l u d i n g s o f t s t a r t i n go f i n d u c t i o nm o t o r m a k e a n d - b r e a ko fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t a n d r e g u l a t i o no fo l t c c h a p t e r 4 p r o v i d e st h ed e s i g ns c h e m ef o rs o f t s t a r t i n go fi n d u c t i o n m o t o ru s i n gt l 】e i n t e l l i g e n ts w i t c h i n gt e c h n i q u e t h ec o n t r o ls y s t e mc a l lr e a l i z et h eo n o f f c o n t r o lo f m o t o r , e l e c t r i c i t y d e t e c t i o n , e r r o r r e c o g n i t i o n , p r o t e c t i o n , a l a r m i n g , e t c ，a n db e a b l e t os e tt h es t a r t u pv o l t a g e ，s t a r t - u pc u r r e n ta n d s t a r t - u pt i m e c h a p t e r5a n a l y s e st h ee f f e c to n m o t o ru s i n gs o f t s t a r t i n gd e v i c ea n d g i v e sp r o s p e c t i v ea p p l i c a t i o no f t h ep r o p o s e d t e c h n i q u e c h a p t e r6s u m m a r i z e st h et h e s i ss y s t e m a t i c a l l y , a n dt h e np r e s e n t ss o m ei d e a sf o rf u r t h e r w o r k 华中科技大学硕士学位论文 一= = ；= = = = ；= = = ；= = ；= = ；= = = = # = = = = = ； 1绪论 本章摘要：综述电力电子和单片机技术的发展和现状，介绍了智能开关系统的作用和基本类型， 最后阐述课题的目的和意义，并对本文所做的工作和主要章节安排进行了说明 1 1 引言 电力关系到国计民生，电力工业是重要的产业部门之一，在国民经济中具有举足轻 重的作用，它为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供必不可少的动力， 它和我们的日常生活息息相关。电力工业的发展必须优先于其他工业部门的发展，整个 国民经济才能不断前进。 开关作为人机接口和信号检测的重要元件，在电子和电气各领域得到越来越广泛的 应用，品种也发展的越来越多。1 9 8 8 年日本电子机械工业会部品运营会工程研究会对电 子元件重新进行了分类，提出了连接元件( 电子机构元件) 的概念。连接元件的定义是： 用来连接、转换、切断元件、电路、设备相互间的信号和电力传送的有关元件。一般来 说，输入信号的特性不因通过该元件而发生变化。它包括了开关、连接器、插头、端子 板、插座、继电器、印制电路板等。开关按功能分为信号转换开关、电源开关、检测开 关和复合开关四大类。这种分类反应了开关的发展和变化，原来按动作方式分类已不 能说明阀题。由于整机的微机化，开关成为微机的输入信号开关。过去开关的工作电压 达到几百伏，电流达安培级。现在与集成电路直接连接，用途大大增加，工作电压只需 要几伏，甚至更低；电流就是毫安级、微安级的。对适用于低电压、小电流的信号转换 开关的需求量也大量增加。由于通断低电压、小电流的开关与通断高电压、大电流的开 关结构和要求都不相同。因而将信号转换开关和电源开关分开。近来，检测开关作为传 感器使用，发展也十分快。 目前使用的开关大多数采用拔插式结构，国内生产的开关输入的电缆都是采用隔爆 接线腔，接触器回路也都采用固定的芯架来固定。在大电流工作的场合，接触电阻是不 容忽视的，一旦接触不良，将造成插头处压降增大，发热量增大，加速接插件表面的氧 化，进而使接触效果更差，这种恶性循环最终导致插头处烧损1 2 1 。国外的开关使用寿命 华中科技大学硕士学位论文 ：= = ；= = ；= = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = # = = = = = = = 。； 要长一些，主要是机械加工精度高，接触电阻要小。但是它也还是不能避免接插件表面 的氧化。 开关的发展除了提高自身的各种性能，还要能够满足电力系统自动化水平发展的要 求。而从某种程度上说，微机芯片的利用程度体现一个国家工业控制的自动化水平，所 以开关也要实现微机控制。在我国，对微机技术和电力电子技术在电力系统中的应用是 在7 0 年代末期开始的，由于继电保护和励磁的要求，这两样技术一直发展十分迅速， 应用范围也越来越广。随着微机技术和电力电子技术的发展，对开关智能化的研究也越 来越多。在开关中使用微机芯片控制技术和电力电子元器件，一方面可以减少其选择开 关数量，简化硬件电路，很多功能依靠程序实现。另一方面，一些先进的保护，分断技 术以及设备的软启动控制技术等也只能依靠微机芯片来完成。同时，采用微机技术可对 开关设备故障前的状态进行记忆。 1 2 电力电子技术和单片机技术的现状与发展 1 2 1 电力电子技术的现状与发展 电力电子元器件和电力电子技术的迅速发展，大大带动了功率变换技术的发展b 川1 t 5 1 1 6 1 功率变换技术的发展大致可分为三个阶段第一阶段是应用二极管和晶闸管以 及不控或者半控的强迫换流技术；第二阶段主要是应用自关断器件，例如g t o 、b j t 、 功率m o s f e t 、i g b t 等以及普遍采用p w m 控制技术；第三阶段是以采用软开关、功 率因数校正、消除谐波和考虑电磁兼容为特征的。 以品闸管( s c r ) 为代表的第一代电力半导体器件和由它组成的变流装置，解决了传统 电能变换装置中存在的能耗大、效率低和装置笨重问题，一定程度上控制了工业噪声，装 置的寿命也延长了。但这类器件无自关断能力，致使它在逆变器和斩波器的应用中需要庞 杂的换流电路，也由于它的开关频率低( 4 0 0 h z 以下) 又采用相控原理，因而由它组成的装 置会导致电网的谐波成分高以及功率因数恶化的弊病。但它的额定容量是所有电力半导体 器件中最高的，所以在大容量应用中目前还得使用。 进入7 0 年代，随着变换器技术的发展，特别是交流变频技术的兴起，采用脉宽调 制( p w m ) 技术提高变换器的性能，日益迫切的需要高开关频率、有自关断能力的器件。 2 华中科技大学硕士学位论文 相继出现了功率晶体管g t r 、门极可关断的晶闸管g t o 、功率场效应晶体管m o s f e t 。 这些是第二代电力半导体器件。g t r 的工作频率比s c r 高( 达林顿管1 0 k h z 以下，非达 林顿管2 0 k h z ) ，这样p w m 技术在g t r 变换器中得到了广泛的应用，但它是双极性少 数载流子器件。开关频率仍然偏低，还存在二次击穿，不易并联等缺点，所以应用受到 限制。目前容量达1 2 0 0 v 9 0 0 a 。g t o 的开关频率为数k h z 。是门极关断的高压器件， 电压电流可达很高( 4 5 0 0 v 3 0 0 0 a ) ，但它关断增益低，需要个十分庞大的关断驱动电 路。通态压降要比s c r 高( 约2 4 5 v ) ，开通和关断部需要一个庞大的吸收电路，这些 都限制了它的应用。功率m o s f e t 的出现标志着电力半导体器件在高频化进程中的一 次重要进展，它是多数的载流子，电压控制、有自关断能力的电力半导体器件。它具有 工作频率高( 几一t - k h z 到数百k h z ，低压管可达m h z ) ，开关损耗小，安全工作区宽( 几 乎不存在二次击穿问题) ，输入阻抗高，峰值容量大，易并联。 8 0 年代是国际电子技术飞速发展的时代，除了对现有器件进一步提高其开关频率， 降低通态压降，扩大容量之外，又发展起来静电感应晶体管s i t 和静电感应晶闸管s i t h 。 它们是利用门极电场改变空间电荷区的宽度来开闭电流通道的原理制成的器件，都具有 高压、大电流和高频同时兼备的特点，也是工业高频应用中很有发展前途的器件。8 0 年代电力半导体器件较为引人注目的成就之一就是开发出双极复合器件，这是第三代电 力电子器件。研制复合器件的主要目的是实现器件高压、大电流参数同其动态参数之间 最合理的折衷，使其兼有m o s 器件和双极性器件的突出优点，从而产生出较为理想的 高频、高压和大电流器件。目前认为最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极性晶体管 i g b t 和m o s 栅控晶闸管m c t 。这两种器件都是场控器件，其工作频率超过2 0 k h z ， 它们的出现为工业应用领域的高频化开辟了广阔的前景。i g b t 集g t r 和m o s f e t 的 优点于一身，既有电流密度大，通态电压降低( 1 5 3 5 v ) ，耐高压的优点，又有输入阻 抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点1 7 1 t g l t 9 1 1 1 0 1 。 电力电子技术起源于2 0 世纪5 0 年代，经过近5 0 年的发展，如今已形成了一个极 为庞大的阵容e 据调查，1 9 9 9 年全世界电力电子行业工业总产值近2 0 0 亿美元，电力电 子技术已成为世界各发达国家竞争的一个热点。我国电力电子技术的起步与工业发达国 家几乎同时，但发展速度相对较慢。 3 华中科技大学硕士学位论文 1 9 7 4 年。第四届国际电力电子会议首次提出电力电子技术( 或称电力电子学) 的定义， 这就是有名的w n e w e l l 定义：电力电子技术是横跨在电子学、电力学及控制学之间的 边缘学科。经过近5 0 年的发展，电力电子技术已与工农业生产、国防、航空航天、民 用产品密不可分。但直到如今，在国际上还没有一个关于电力电子技术的公认或权威性 定义。1 9 8 0 年前后，美国著名电力电子技术专家b k b o s e 教授对美国w n e w e l l 定义进 行了延伸，提出了电力电子技术新的更加具体化的定义。美国电气和电子工程师协会的 电力电子学会对电力电子技术的描述：电力电子技术是有效地使用电力半导体器件、应 用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的有效变换和控制的技术，包括电压、 电流、频率和波形等方面的变换t i l l 。电力电子技术的构成从广义上说，是由电力半导 体器件、电力电子成套装置及控制理论三大部分组成。 经过近5 0 年的发展，一个面向未来的高科技领域电力电子技术领域已在世界 上形成相当的规模。与其他工业门类相比，虽然它在科学技术领域出现的时间还很短， 然而它已在当今的工业自动化中起着巨大的作用，是信息产业与传统产业之间的重要接 口：是强电和弱电之间联系的桥梁：是现代高效的节能技术。它的发展，为机电一体化 开辟了新的道路，为大幅度节约电能，降低原材料消耗，提供了新的重要的手段。 1 2 2 单片机技术的现状与发展 依靠自己的技术力量来构成一个微机应用系统，是广大微机应用专业人员梦寐以求 的理想。只有在计算机芯片技术取得令人惊叹发展的今天单片机的迅速发展及其控 制技术的广泛应用，这个梦想才得以实现。单片机以其超小型化、高可靠性和高性价比 的特点，广泛应用于各个领域，使传统的电子技术产生了一场巨变，成为计算机发展史 上一个新的里程碑。 单片机在近1 0 年取得了飞速的发展。单片机的种类非常之多，仅以常用的8 位机 为例，自1 9 7 6 年i n t e l 公司推出m c s - 4 8 系列，相继出现的产品就有i n t e l 公司m c s 5 1 、 9 6 系列，m o t o r o l a 公司m c 6 8 0 1 、6 8 0 5 系列等，其中5 l 系列的8 0 3 1 单片机被誉为“控 制领域的最佳8 位机”。单片机发展到今天可以说是种类繁多，性能各异2 1 1 3 1 单片机芯片技术的发展随着微电子技术和大规模、超大规模集成电路技术 4 华中科技大学硕士学位论文 f l s i v l s i ) 的迅速发展，使得单片机不断更新换代，性能越来越强，价格越来越低，单 片机的性价比以1 5 倍年增长率递增。9 0 年代单片机的发展将沿着高速化、通用化、以 专用l s i 和v l s i 提高性价比、大量数据处理以及模拟和数字混合集成等多方向发展， 具体表现在c p u 的高性能化、存贮器的发展和半导体工艺技术的发展上1 1 4 1 。 1 3 智能开关技术在电力系统中的应用前景 电力系统多年来一直面临着可能发生振荡、电压崩溃、频率崩溃等事故的威胁。在 电力系统受到扰动的过渡过程中，如果采取合适的稳定控制措麓，保持电力系统的暂态 稳定把事故消灭在萌芽状态，就可以保证电力系统的相对稳定运行，避免事故的发生。 这就需要一种功能齐全、适应性强、精确度高、动作可靠、快速有效的控制工具。而在 目i i i 的技术领域里，只有微机型的安全稳定控制装置才能担当此重任。我国微机技术在 电力系统中的应用研究始于7 0 年代末，直到1 9 8 4 年才由杨奇逊教授研究的第一台微机 继电保护装置应用于电力系统中 1 s l y 明显落后于美、日等发达国家。 同时，由于经济的快速发展，资源的过度开发，能源越来越成为当前社会所关注的 一个重大问题，电力行业作为整个社会经济发展的基础，节能也是电力行业的发展方向 之一，从国内第一只功率s r 制成是在1 9 5 7 年到今天，在这五十多年时间我国电力电子 技术从无到有，得到了很大的进步，在应用电力电子技术节能方面做了不少工作，一大 批机电设备采用电力电子技术进行改造后，其效率大大提高。据估计，如能进一步在这 些领域内采用先进的电力电子技术，每年可节电2 0 0 亿k w h ，这相当于个装机容量为 2 9 0 万k w 的大型发电厂的年发电量。由此可见，电力电子技术具有巨大节能效果。 智能开关技术正是微机技术和电力电子技术的结合，在电力系统中应用智能开关技 术，不仅可以提高电力系统设备的使用寿命，而且能够提高电力系统的稳定性，同时能 够一定程度的节约电能。正因为智能开关具有明显的优势，所以在电力系统中应用智能 开关技术具有十分光明的前景。 华中科技大学硕士学位论文 ：= 自= = = ；= ；= ；# ；= ；= ；= = = = = = ；= = = = = = = = = ； 1 4 智能开关的作用及类型 1 4 1 智能开关的作用 智能开关的应用有如下作用和意义： 1 、减小对传动元件的机械冲击。消除开关动作过程中的不良影响。提高开关和其他 设备的使用寿命。 2 、在开关中，采用标准的、开放式的现场总线，将具有通讯能力的开关器件与之相 连接( 或通过接口单元) ，能够与上位机( 主站) 进行数据通讯，达到遥控，遥 调及遥测的功能。 3 、实现丌关的各种故障判断和保护，提高设备自动化水平。 4 、具有节能作用1 1 6 1 。 1 4 2 智能开关的类型 按照智能开关由交流电力电子开关和微机组成，对于交流电力电子开关一般分为三 相半桥和三相全桥两种类型： 图1 1 三相半桥图1 2 三相全桥 三相半桥型如图l 一1 所示，从控制方式上看三相半桥其实也是三相半控的方式， 三相半桥型智能开关元件少，控制相对简单，但是其缺点也十分明显，最大的弊端就是 电流波形正负不对称，谐波分量大。 三相全桥型如图1 2 所示，与半桥相比，需要控制六个晶闸管的导通，在控制上 要复杂。但是它能够减少开关在使用过程中带来的谐波分量。 6 华中科技大学硕士学位论文 一= _ = ；= = = = ；= = = 2 = = = ；= ；= ；= = j = = = = = ； 当然，也可以在电力电子开关中使用其他电子元件如i g b t ，g t o 等等更高级的元件。 1 5 课题的目的和意义 本课题的主要任务是研究智能开关在电力系统中的应用，同时研制用于电动器启动 过程中的开关装置。 随着电力电子技术的发展，各种大功率的可控电力电子元器件的出现使电力系统的 无触点开关成为可能。由于可控电子元件( 例如晶闸管) 具有类似于开关的性能：可以 通过控制触发脉冲来控制导通角，从而控制其导通时间；而当其电压自然过零时，晶闸 管会自动关断。而且可控元件在接通和关断的过程中，不存在触点，因此晶闸管能够作 为无触点开关应用到控制电路中7 川驰1 1 9 1 交流无触点开关的应用，为电力系统开辟了 广阔的前景。由于这种无触点的交流开关在完成其使命的过程中，不存在机械触点的位 移和产生电火花的可能，所以具有动作快，维修工作量少和没有噪音等优点，目前已经 在很多领域受到重视并得到了一定的应用。 同时，微机技术和单片机技术的日新月异，使电子开关的控制具备智能化，大大提 高电力系统自动化水平。通过微机技术控制电子元器件的导通，同时对开关所在线路进 行数据采集，提供各种故障保护。而且能够与上位机( 主站) 进行数据通讯。 近几年来，我国农村电网和城市电网进行大范围改革，对电力系统自动化水平和电 能质量要求越来越高。而智能开关不仅能减少各种设备动作对电网的冲击，提高的电能 质量；而且同时微机控制，实现智能化，提高电力系统的自动化水平。在这种情况下， 开发新型的自动化设备，研制智能开关具有显而易见的意义。 智能开关系统综合了电力电子技术和微机技术，它的开发涉及到很多方面，本课题 侧重于硬件的设计和开发。 1 6 本文的主要工作及章节安摔 本文是在智能开关的应用研究与开发的基础上，探讨智能开关对电力系统中电动机 的启动、电容器的投切、变压器的有载调节等各方面的应用：电动机采用传统启动方法 华中科技大学硕士学位论文 容易导致启动电流过大，对电网带来不良影响，可采用智能开关技术避免电动机启动对 电网带来的冲击：智能式动态无功补偿装置由智能开关和电容器组成，其智能控制部分 采用微机技术为核心来实现实时无功功率监视，通过微机计算线路中的无功功率和功率 因素来判断所要投切的电容器容量，并通过控制触发交流电子开关的导通，实现电容器 投入；在电力系统无功功率达到平衡前提下，当电压存在变动时，由微机装置判断电压 的变动是否超过定值，并决定有载调压变压器的抽头在定时问后是否动作，其操作通 过电力电子开关控制。最后设计一种能够实现电动机软启动的智能开关并加以分析。 本文各章节安排如下： 第一章：综述电力电子技术和单片机技术的发展和现状，介绍了智能开关的作用和 和类型，并阐述课题的目的和意义。 第二二章：阐述智能开关的主要功能和基本原理，提出实现智能开关的实现方法，介 绍智能丌关的基本硬件构成。 第三章：智能开关在电力系统的应用，主要是在电动机启动：电力系统无功调节； 变压器的有载调节中的应用。 第四章：电动机软启动的实现，首先介绍实现电动软启动的原理，然后对智能开关 的硬件电路进行分析设计和系统的软件设计。 第五章：叙述智能开关软启动系统所实现的功能，并对采用这种软启动器所带来的 优点和缺点进行介绍。 第六章：总结全文，并提出进一步改进的几点想法。 其中，第三、四、五章为本文的重点。 s 2 智能开关的基本原理和组成 奉幸摘要：首先简单介绍了电力电子元件及其够成电力电子开关的基本原理；随后简述了单片机的 发展，同时的智能开关的组成和基本原理进行阐述 2 i 电力电子开关的基本原理 2 1 1 电力电子元件的介绍 1 9 0 4 年第一只电子二极管的出现被称为电子技术的开端，电力电子元器件便登上了 现代科技舞台。发展到今天，电力电子元器件的容量越来越大，而体积却越来越小，价 格越越来越低。随着电力电子元器件功能的不断增强，其在工业部门的应用也越来越广 泛。 以品闸管为例，介绍一下电力电子元件的工作原理。品闸管又被称为可控硅 ( s i l ic ( m c o n t r o i i e dr e c t i f i e r ) ，它是一种大功率半导体器件，正是由于它的出 现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。 ( a ) g ( b ) 图2 一l 晶闸管内部结构示意图及等效电路 t 2 k 品闸管内部芯片结构如图2 1 ( a ) 所示，可以视中间的n l 和p 2 为两层共用，由 p 2n i p i 构成一个p n p 型晶体管，由n i p 2n 2 构成一个n p n 型晶体管。因此，晶闸管内 部芯片等效于tj 和t 2 两个晶体管的复合结构，如图2 一l ( b ) 所示。 当晶闸管承受正向阳极电压时，从门极加入足够大的正向门极电流，便可由阻断状 9 华中科技大学硕士学位论文 态转为导通状态称为开通。现在用双晶体管结构及其复合作用予以说明。由于门极电 流实际上也是晶体管t 2 的基极电流，该电流通过t 2 的发射极，从而引起晶体管t 2 的放 大系数的增大，并产生t 2 的集电极电流。由等效电路可知，t 2 的集电极电流就是t l 的 基极电流，该电流通过t i 发射极，使t l 的放大系数也增大，并产生t i 的集电极电流， t ，的集电极电流和门极电流又共同构成他的基极电流。如此反复，形成正反馈工作过 程。 上述过程很快使两个晶体管都转为饱和导通状态，晶闸管开通。导通后的晶闸管压 降很小，其阳极电流的大小则决定于外电路的参数。由于正反馈作用，在晶闸管开通后， 门极电流便失去控制作用，所以触发电流( 门极电流) 可采用脉冲型电流。 若晶闸管处于反向阳极电压时，t i 和t 2 均处于反向电压状态，不能构成晶体管工 作条件，因此此时无论有无门极电流，晶闸管均保持反向阻断状态。 总结晶闸管的工作原理，可以得出下列结论： 晶闸管由阻断状态转为导通状态时，应具备两个条件：晶闸管承受正向的阳极电压 同时要有要求的征向门极电流。晶闸管导通以后，只要具备维持导通的主回路条件，门 极便失去控制作用。欲使导通的晶闸管关断，必须使晶闸管阳极电流下降到维持电流一 下，通常还要施加一定时间的反向电压。 在晶闸管的实际使用中，我们一般需要对晶闸管两端并联阻容网络，见图2 2 所 示该网络常称为r c 阻容吸收电路。 随 叶辛 图2 2 晶闸管两端并联阻容网络图图2 - - 3 阻容网络等效图 晶闸管有一个重要特性参数一断态电压临界上升率d v d t 。如果d v d t 过大，由于晶 闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使 l o 华中科技大学硕士学位论文 品闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。即使此时加于晶闸管的正向电压 低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况。因为晶闸管可以看作是由三个p n 结组成， 如图2 - - 3 所示。在晶闸管处于阻断状态下，因各层相距很近，其j 2 结结面相当于一个 电容c o 。当晶闸管阳极电压变化时，便会有充电电流流过电容c 0 ，并通过j 3 结，这个 电流起了门极触发电流作用。如果晶闸管在关断时，阳极电压上升速度太快，则c o 的 充电电流越大，就有可能造成门极在没有触发信号的情况下，晶闸管误导通现象，即常 说的硬，r 通，这是不允许的。因此，对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。 为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，因此需要在晶闸管两端并联 r c 阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总 是存存f 乜感的( 变压器漏感或负载电感) ，所以与电容c 串联电阻r 可起阻尼作用，它可 以防止r 、l 、c 电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。 同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。 由于晶闸管过流和过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。 r c 阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。 2 1 1 电力电子开关的介绍 电力电子器件可以构成专门用于通断电路的无触点开关，称为电力电子开关。电力 电子丌关具有开关速度快、操作方便、无噪声、无机械磨损、开关过程中不产生火花和 电弧等优点，其工作寿命远高于有触点开关，可达百万次以上。但是，电力电子器件在 阻断状态下也不能是电源和负载完全隔离，从外观上无法判断起通断状态。为确保安全 工作，应在电力电子开关电路中设置用于空载操作的有触点开关或采取其他安全措施。 电力电子开关用于通断交流电路时成为交流电力电子开关：用于通断直流电路时成为直 流电力电子开关1 7 川9 2 们 2 l l 。 由晶闸管组成的交流电力电子开关按受控电源相数的不同，可以分为单相和三相： 按其接通模式的不同，可以分为任意接通模式和过零接通模式。采用任意接通模式时， 可以赴任意时刻接通电路；彳用过零接通模式时，只允许在交流电压过零时接通电路。 可见过零接通模式有一定的开通延时，对于5 0 h z 工频交流电，最大延时时间为1 0 m s 。 1 1 华中科技大学硕士学位论文 ：_ _ _ _ 自_ - _ 目目_ i ；。8 。 对于电感性负载，交流电力电子开关只有在负载电流过零时才能关断，也具有一定的关 断延时，延迟时间的长短取决于负载参数。下面对单相交流电力电子开关进行讨论。 v t 马r 。 川尉 v t 2 ( a ) ( b ) 图2 4 简单的晶闸管交流电力电子开关 图2 - 4 ( a ) 所示是一种简单的单相交流电力电子开关电路，用于小功率电路的通 断控制。电路中的v t i 、v t 2 是大功率晶体管，dj ，d 2 是小功率二极管，k 是控制开关， 串接到线路中的电源和负载之间。当k 闭合时，若v t i 为正向电压，电源通过d 1 ，k 向v t 的门极提供触发电流，v t l 导通。当流过v t t 的电流过零时，v t i 关断。如果接 的时电阻性负载，v t i 关断时恰好是在电源电压过零点：如果接的是电感性负载，v t j 在电源电流过零以后才可以关断。v t l 关断后，v t 2 为正向电压，电源通过d 2 和k 为 v t 2 提供触发电流，使v t 2 导通，电流过零时v t 2 关断。综合上面分析可知，v t i 和 v t 2 是交替导通，若忽略晶闸管的开通时间，切换点就是电流的过零点，电路相当于一 个处于接通状态的开关。若k 断开，晶闸管就得不到触发电流，不能导通，电力电子开 关管为阻断状态，相当于开关的断开状态。通过对k 的操作控制，实现以小电流控制打 电流的通断的功能。 图2 4 ( b ) 所示是采用双向晶闸管的单相交流电力电子开关电路，由双向晶闸管 v s 实现对负载电流的通断控制。在控制开关k 闭合的情况下，如果v s 主电极两端电 压t l 极为正，t 2 极为负，触发电流经r 、k 流入门极，晶闸管将以i + 方式触发导通； 如果v s 主电极两端电压t l 极为负，t 2 极为正，触发电流从门极流出，晶闸管将以i 一 方式触发导通。在导通情况下，负载获得电源电压，相当于开关的接通状态。如果控制 开关k 断开，v s 的门极开路，不能触发导通，负载得不到电压，相当于开关的断开状 态。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = = = = = = = # = = = = 自= = = _ 上述的晶闸管交流电力电子开关属于任意接通模式，其优点是电路结构简单，控制 电路中未采用有源器件。不需要辅助电源。在篪加主回路电压后，任意时刻都可以闭合 控制开关k ，是电力电子开关由阻断状态转为导通状态。如果控制开关k 在交流电压瞬 时值较高时闭合，负载电压的突变可形成较大的电流上升率，对电力电子设备产生不良 影响。为避免这种现象的发生，可以采用过零触发电路，启动电子开关时，使晶闸管只 能在电源电压的过零时刻触发。由于过零触发模式的电力电子开关主电路工作原理与任 意接通模式完全一样，只是在触发电路采用一定的限制手段，使其只能在交流电压过零 产生触发电流，因为智能，i = 关是通过微机计算确定触发时刻，这里就不再介绍电力电子 阡关的过零触发模式实现方法。 2 2 智能开关的组成和基本原理 2 2 1 单片机技术的介绍 单片机的发展十分迅速，目前比较多的单片机采用改进的哈佛( h a r v a r d ) 结构，这种 结构基于具有分离地址总线的两个存储器，其中一个放程序，另一个放数据，允许数据 从程序存储器传递到s r a m ，该功能也允许从程序存储器中读取数据表。这种结构的优 点是取指令和存储器数据交换可在多步流水线中同时进行，这意味着当前指令执行时就 可从程序存储器中取出下条指令。这是一种个时钟周期运行完一条指令的并行流水线 操作方式，因此可大大提高指令运行速度。另外目前许多单片机均采用了精简指令集机 构( p d s c ) ，使得单片机所有的指令均为单字节指令，因此其程序空间的效率比较高，代 码也比较紧凑。 从单片机应用的角度看，纵观各种芯片，它们都具有一些共同的特点：小巧、灵活、 集成度高、价格低、易产品化，能方便地组装成各种智能式控制器和仪器，做到机电一 体化：单片机的指令系统中均有极丰富的条件分支转移指令、i o 口的逻辑操作及处理 功能，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而可以获得最佳的性能价格比； 单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，抗工业噪声干扰能力强，可靠性高，适 应温度范围宽，能在各种恶劣环境条件下可靠工作，这也是其它机种无法比拟的优点之 一：单片机大多有串行接口及并行扩展接口，可以方便地实现多机和分布式控制，构成 华中科技大学硕士学位论文 = 自# = = z = = ；= = = = = = = ； = g ；= 口 各种规模的多机系统和网络系统，使系统的效益和规模大为提高。 单片机主要应用于过程控制，其应用大致上可以分为下面几个层次1 ： 1 家电产品单片机在家电产品中的应用，使原产品性能大大提高。特别是模糊 控制技术的应用，使得单片机在消费类应用中快速发展。家电产品对单片机的需求一般 是价格便宜、体积小巧，而性能可以偏低。该类单片机应用的最大特点是“单片”形式， 一块芯片就是一台完整控制器；另一特点是价格便宜。 2 般控制类这类应用包括简单的过程控制、仪器仪表和常规外部设备控制等， 如速度、温度、流量或电压的调节、控制及数据采集系统。作为过程应用。它要求单片 机的实时响应时间快、i o 功能强。 3 数据控制类这类高性能的应用除了要求单片机具有上述功能外，还须具有数 据处理和多机通信的能力。因此，该类单片机有d m a 、f i f o 快速数据传送和多功能串 行通信能力，它们作为高速c p u 的外围接口解决了c p u 与外设的匹配和瓶颈问题。 2 2 。2 微机技术在电力系统中的应用 传统型自动装置的弱点传统型自动装置一般具有以下一些的弱点： l 功能单一，投资相对较大。一套装置一般只有一种控制功能，要实现多种控制功 能必需设置多面屏，占用建筑面积和室内空间较大，相应增加了基建投资。 2 没有智能化，用途受到限制。传统型的继电器，往往在逻辑思维、判断、记忆和 识别能力方面不足甚至欠缺，因而不能胜任一些难度较大的控制功能。例如，防止电压 崩溃的低电压自动减载装置，应该在测量到缺乏无功电源( 或受端用电负荷过重) 引起的 低电压时动作切除部分较次要负荷。引起低电压的原因是多方面的，如接地故障、相问 短路、单相断线等。而这些原因引起的低电压一般不会造成电网的电压崩溃，不应切负 荷，而应由继电保护去跳开故障元件，消除故障。但是，传统型的继电器却无法识别、 判断何种原因造成的低电压，因而也无法闭锁不应动作的行为。它只能设置一个低电压 定值，不论什么原因造成的低电压，达到定值，立即动作，容易造成误切负荷。由于它 的技术性能满足不了低电压切负荷的技术要求，因此，它的开发、应用受到了限制。 3 难与本厂( 站) 的监控系统配合。用于安全稳定控制的自动装置，不但要求本身 1 4 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = = j = = = = = = = = = = = = = = = = = 能正确、可靠动作，还要将自己的工作状态、信号传送到本厂( 站) 的监控中心；有时还 根据安全运行的需要，与通信系统配合，实现遥测、遥控的综合自动化监控。而目前的 监控中心或综合自动化控制系统，由于技术、性能要求高，都属微机型的。传统型的稳 定控制装置，无论从工作原理还是设备( 硬件) 接口都无法与监控中心或综合自动化控 制系统接轨和配套。 4 出口时延、速度和精度不理想。传统型自动装置的动作时延精度一般在0 i s 等级。 一套装置往往要经过多个继电器的动作，每个继电器的动作都要消耗一些时延，因而出 口时延较长且不精确。对于要求快速动作且时延精确度高的控制工作，其满足不了技术 要求。 微机型自动装置是现代科学的产物，它在电力系统稳定控制工作中，充分显示了它 的优点和发展潜力。微机型自动装置是在软件程序指挥下协调运行的。微机型自动装置 还有如下显著优点2 2 1 ： l 通过软件算法可以提供各种逻辑判断，使装置有能力满足电力系统各种稳定控制 工作的需要。 2 通过数据采集，可以实旎遥测、遥控的集中稳定控制。 3 装置可以具有事件( 包括发生的事故以及切机、切负荷等) 记录和故障记录功能， 便于事故分析和掌握事故时的动态过程，为稳定控制提供了依据。 4 装置有方便的自测自检功能，可以通过软件而不需外加设备就能进行全面的检查 和校验。 2 2 3 智能开关基本原理和功能 智能开关是将电力电子开关和单片机技术结合起来，采用电力电子开关实现线路的 无触点闭合和断开，同时采用微机技术实现开关的智能化。微机处理技术的发展是实现 智能化控制的前提，它是集测量、运算、决策、控制、保护及遥控于一体的综合化智能 体系，可以安装于开关设备内部，直接面向一次设备或设备组合，能完成各自对象的继 电保护、实时电量监控、状态信息记录及历史记录等功能；微机处理技术还可作为计算 机分层网络的终端，具有多种可选的通用网络接口，便于事故分析和状态监视；形成微 华中科技大学硕士学位论文 机防误操作和安全保障系统，适应电力系统自动化的需要。例如，对于智能开关来说， 首先通过数据采集系统获得监测信息，然后利用微机处理技术对获得的信息进行处理、 判断与决策，其处理机构可分为前置处理单元和后置管理单元两部分：前置处理单元由 数据采集系统的模拟量转换为数字量，然后进行算术和逻辑运算，并与给定的报警、跳 闸、操作等条件进行比较，当满足动作条件时执行动作任务；后置管理单元则完成对数 据的打印管理、事故记录等。微机处理装置必须预留通信接口，以使软件系统与已在线 运行的其他软件环境能方便地连接n 3 1 t 2 4 1 如图2 5 所示，智能开关系统组成由电力电子开关、同步检测装置、电流电压检 测装置、单片机等组成。系统由电力电子开关代替常规开关来断开或闭合线路，并结合 单片机进行智能控制。 单片微机系统是智能单元的核心，它由c p u 和r a m 、e 2 p r o m ( e p r o m ) 等扩展 芯片构成。对于智能型开关柜，可采用8 位或1 6 位的单c p u 结构。如果需要测量和保 护的数值计算量大，并且要记录故障发生前后的波形，所以外扩大容量r a m 和e 2 p r o m ( e p r o m ) 用于存放保护定值和装置运行控制字等信息，可在线就地或远方调整修改。 智能开关要通过数据采集系统采集的信息包括交流模拟量和开关量。模拟信号来自 电流互感器和电压互感器，但这些互感器的二次侧电流和电压量不能适应模数变换器的 输入范围要求，故需对它们进行变换。同时，智能开关还要实现强弱电系统隔离。隔离 1 6 华中科技大学硕士学位论文 变换和电压形成一般采用各种中间变换器来实现。 智能开关与上位机之间的通信一般采用串行通信方式。在变电站内，开关设备与主 控室连接的二次电缆实际配线距离通常为几十米到上百米，但只需要采用半双工通信。 因而，r s - - 4 8 5 就是适用于智能开关电器与系统机之间的串行通信标准之一。 2 3 小结 本章是后面章节的基础，首先介绍了电力电子元件的性能，并对其构成的电力屯子 开关原理进行论述，同时在介绍单片机技术的基础上，对微机技术在电力系统中的应用 微机自动装置进行介绍。最后对结合了电力电子技术和微机技术所组成智能开关的 一些基本情况，为后面章节智能开关的应用和设计提供了基础。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 智能开关技术在电力系统的应用 奉幸摇：对智能开关在如何在电力系统中应用加以介绍，主要是讨论电动机启动、无功补偿器的 投切、有栽调压变压器的调节三个方面 3 1 智鸵开关在电动机软启动中的应用 3 1 1 电动机的传统启动方法 对于传统的直接启动、电抗器启动、电容器启动、自耦变压器降压启动等等 2 5 1 1 2 6 1 , 无论采用何种启动方法，其等效电路都相当于电网电压旖加于其上的多阻抗串联电路。 在启动期间，这些阻抗主要是电抗性的。 直接启动是启动电动机经常使用的方法。电网电压经过刀开