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基于AVR嵌入系统的三相660伏电力智能投切开关装置设计

类别：网文精粹

Development of electric power fling-cut device based on AVR singlechip

摘要：本文介绍基于AVR嵌入系统的三相660伏电力智能投切开关装置的开发设计。该装置以ATmega48V为核心器件，采用零电压接通，零电流分断技术，在投入和切断瞬间由可控硅承载线路电流，而在正常闭合工作时由电磁接触器承载电流。可广泛应用于电力谐波治理和无功补偿设备中作为开关部件，具有无冲击电流、响应时间短等特性。

关键词：嵌入系统过零点谐波投切开关

Abstract: It is introduced that development and design of electricity intellectual fling-cut switch embedded systems based on AVR that is three-phase 660 volts in this paper. The Fling-cut switch takes ATmega48V as the core device which connects by zero-voltage and breaks by zero-current, and it Bears electric current by silicon-controlled rectifier at the time of putting-into and cutting-off while by electromagnetic contactor in normal working hours. As the part of the switch, it can be widely used in power harmonics control and reactive power compensation equipment, which has no impact current, short response time and other characteristics.

Key words: embedded systems; Zero crossing spot; harmonics; fling-cut switch

一、前言

在工矿企业用电设备中存在大量的感性负载，如电弧炉、直流电机调速系统、整流逆变设备等，它们在消耗有功功率的同时，也占用了大量感性无功功率，致使电力功率因数下降。由于无功功率虚占了设备容量、增大了线路的电流值，而线路损耗与电流的平方成正比，因此造成电力资源的巨大浪费。另外，这些感性负载工作时还会产生大量的电力谐波，对电网造成谐波污染，使电能质量恶化，电器仪表工作异常。为了提高功率因数、治理谐波，可以采用动态滤波补偿，由电容器和电感器串联形成消谐回路，起到无功补偿和滤除谐波的作用。各种滤波补偿系统，基本都由电力电容器、铁芯电抗器、无功补偿控制器和电力投切装置等构成，其中电力投切装置负责与电网接通、切断任务，是整个补偿系统中关键部件之一。目前，用于电力投切的装置主要有：

(1)普通接触器

其优点是接触电阻很小，适合大电流导通，但它的缺陷也很明显：吸合、释放时间长，不适合快速通断的场合。在接触器触点处易产生火花，使触点粘住、无法分断而损坏，对电网的巨大冲击而产生干扰，可能使周围电子设备无法正常工作。

(2)带预投电阻的专用接触器

这类接触器整体体积较大，事实上在工作时也没有真正解决浪涌电流问题，同时，由于与接触器触点配合不理想使电阻发热而损坏的现象时有发生，所以，这类接触器并不是理想的投切接触器。

(3)过零触发固态继电器

交流继电器的内部往往用2个单向可控硅反并联或双向可控硅构成，当固态继电器接到投切信号时，一旦等待到两端压差接近零电压时，则开关闭合，投入工作；当固态继电器接到切断信号时，则可控硅自然关断，即电流为零时关断。可以看出，固态继电器在投入和切断时的工作状态非常理想，但存在着一个致命的缺陷，即工作过程的器件发热和谐波干扰问题，限制了它在电力投切领域的进一步推广。

（4）分立元件复合开关

集传统电磁式继电器和无触点开关的优点于一体，其中的时序配合关系可以用电阻电容的延时电路完成其功能。但是，由于分立元件的参数分散性以及可靠性差将会影响整个复合开关长期正常的工作。

针对以上现有投切装置的不足，本课题采用高性能嵌入系统作为投切装置的核心控制部件，具有运算速度快、响应时间短、投入浪涌电流小、工作稳定等诸多优点，具有广泛的应用前景。

二、基本组成和工作框图

500)this.style.width=500;" border=0> 图1 原理框图

本课题开发的投切装置由电源电路、投切信号检测、过零检测、脉冲触发、可控硅电路、电磁接触器以及状态指示等部分构成。以美国ATMEL公司AVR系列单片机ATmega48V作为核心部件，具有内部的RC 振荡器，提供1/2/4/8MHz 的工作时钟，无需外加时钟电路元器件即可工作，非常简单和方便。工作电压范围宽2.7V～6.0V，具有系统电源低电压检测功能，电源抗干扰性能强。

投切装置工作原理如图1所示，其基本工作过程是：投切检测电路以查询方式检测投入（通）、切除（断）信号，当检测到投入信号（高电平）时，过零检测电路检测可控硅两端脉动电压，只有电压接近于零时才输出脉冲触发可控硅导通，延迟一定时间后使电磁接触器闭合导通，之后可控硅断开，由接触器承载线路电流，完成一次投入过程。切除（断）时，首先触发可控硅导通，然后控制电磁接触器断开，延迟一定时间当电流过零时可控硅关断，完成切除动作，进入下一个投切循环。如果在工作时电网出现缺相、过电压故障，则投切装置拒绝投入，并由LED指示故障部位，以保证整个设备的安全运行。图2为工作时序图，其中T1－T4分别为电网电压、投切控制信号、可控硅和电磁接触器的波形图。

三、过零点检测与脉冲触发

电压过零检测电路由限流电阻R1、上拉电阻R2、保护二极管D、光耦P等组成，如图3所示。电网交流电压经限流电阻R1到光电耦合器P的输入端，在其输出端得到与电网同频且反相的矩形波。由单片机的“高－低”或“低－高”电平处理程序，即可检测出电网电压的过零点。

脉冲触发电路如图4所示，主要由放大、LC振荡、脉冲变压器组成。单片机引脚输出的矩形脉冲，经过放大、LC谐振、脉冲变压器耦合升压，形成尖峰脉冲，加到两个反并联单向可控硅的控制极和阴极之间，使它们分别在电网电压波形的正、负半周导通。为了保证可控硅可靠导通，触发脉冲宽度不小于100us，这可以由ATmega48V单片机程序设定。

500)this.style.width=500;" border=0> 图2 工作时序 500)this.style.width=500;" border=0> 图3 过零检测电路 500)this.style.width=500;" border=0> 图4 脉冲触发电路

四、单片机程序设计

AVR系列单片机采用了RISC结构，其速度、内存容量、外围接口的集成度、向串行扩展和更适合使用高级语言编程等众多特性，以及其所使用的开发技术和仿真调试技术等方面，都充分体现和代表了当前单片机嵌入式系统发展的趋势。本课题采用AVR系列中的ATmega48V芯片，使用C语言进行开发设计，以提高产品开发效率和系统的可维护性。具有较高的性价比，是ATmega48V的突出优点。它提供23个可编程的I/O口线，4K字节的系统内可编程Flash，256字节的EEPROM，6路10位ADC等配置，能够满足本课题的设计要求。

单片机程序整体是一个循环结构，首先进行程序初始化，包括管脚方向、中断方式、定时器等设置。单片机的一个引脚检测投入控制信号的电平状态，为高电平时，读取并保存过零检测引脚的电平值，当过零检测引脚发生反转（高→低或者低→高）时，单片机对应引脚输出周期为200us占空比50％的矩形脉冲，触发可控硅导通。延迟一定时间（60ms左右）控制电磁接触器闭合，完成投入过程。当收到切除信号（低电平）时，单片机管脚输出矩形脉冲触发可控硅导通，控制断开接触器，延迟一定时间终止输出脉冲，电流为零时可控硅自然关断。

500)this.style.width=500;" border=0> 图5 触发脉冲波形与电网电压波形

五、结论

以ATmega48V为投切装置的核心，外围电路简单，功能设计灵活，产品成本低，工作稳定可靠。投切时的浪涌电流小，可以频繁地进行投、切操作。本装置应用于电力无功补偿和谐波治理设备中，可以增加投切电容器的组数以提高补偿精度，抑制谐波，提高电网电能质量。

图5分别是触发脉冲波形图以及与电网电压波形对比图（因电网电压幅值较大，只显示其部分波形）。

本课题开发的电力投切装置，经现场测试可以达到的性能指标如下：

（1）开通时间<60 ms；关断时间<60 ms。

（2）开关接触电阻≤0.02Ω；控制电路功耗<2 w。

（3）开关在额定电流负载下温升≤25℃。

（4）系统电压处于额定电压的±20%范围内，能正常工作；超过额定电压自动强行跳闸。

（5）缺相时开关拒合闸。正常运行时，出现缺相自动跳闸，响应时间≤0.2 s。

（6）系统停电时，开关自动跳闸响应时间≤0.2 s。

（7）开关工作电源异常时，开关自动跳闸。

（8）采用LED指示，包括开关合闸、跳闸位置以及缺相故障指示。

本文作者创新点：本课题开发的电力投切装置电压等级660伏，切合华北地区冶金、矿山等企业的实际需求；采用AVR系列单片机ATmega48V作为核心部件，使得投切装置功能强、性能稳定。

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