智能复合开关在航天地面供电设备中的应用分析*

董琳琳 杜 鹏

(91550部队91分队 大连 116023)

1 引言

航天系统试验中的设备用电通常采用交流220V、交流380V和开关电源等几种形式。在各种电源供电形式中均存在干扰,尤其是在电源开关机的瞬间存在的冲击负荷,容易引起电压的闪变、网损增加、功率因素降低等各种问题。如某试验中,曾出现56V电源开机瞬间造成另一28V电源的浮动,从而影响到遥测数据的采集,最终导致部分数字量信号丢帧的情况。用数字示波器监测在56V电源空载启动过程中,另一28V地线的电压波动。可以看到,在56V电源空载开机过程中,在另一电源28V地上产生了一连串的干扰波形。将此干扰波形放大,其宽度约为 12μ S、峰值约为20V,如图1所示。此干扰电压经遥测的隔离电阻,传导到遥测二次电源地上,影响了遥测对综控机、惯导数字量的采集,造成了综控机、惯导数字量信号丢帧。

图1 56V电源开机瞬间,产生干扰的相关波形

对于这种干扰,如不采取有效措施,不仅不能保证供电系统的可靠性,还会影响到试验现场测试设备的正常工作,严重时会造成设备的损伤。

2 无功补偿方法的应用

无功补偿是解决这一问题的有效措施。无功补偿常用的投切开关有三种[1]:1)普通接触器,用这种方式最大缺点是浪涌电流大,还有其它危害如在接触器触点上产生“火花”,烧毁接触器;缩短电容器的使用寿命;巨大冲击带来的干扰可能使其他电子设备无法正常工作等[2]。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彻底解决浪涌电流问题,同样易被烧毁,另外因电阻发热而造成损伤的现象也时有发生。3)纯可控硅固态继电器。这种方式可以实现过零投切,是电容投切比较理想的器件。但它也存在缺陷:可控硅会受到电网谐波干扰,影响电容器的正常投切;导通功率较大,长期运行会因温升影响其正常工作[3]。

近几年来,大量的研究表明,在供电设备中采用复合开关是解决电容投切的理想方法[4]。复合开关是采用可控硅与继电器并联工作的方式实现电容器的投切。既有可控硅过零投切的优点,又有继电器闭合时无功损的优点,而且容易实现小型化,便于搬运,这无疑可以缩短试验设备的准备时间。

3 复合开关的工作原理[5]

3.1 结构框图

如图2所示,这种基于单片机的智能复合开关,控制电路主要由两部分组成,一部分控制触发可控硅,另一部分控制使磁保持继电器触头闭合或断开。单片机在本系统中完成电压检测、相序检测、过零检测、运行状态指示以及对磁保持继电器和可控硅的控制。

图2 电路结构框图

3.2 控制原理

当单片机接受到投合信号时,通过触点电压过零检测,由单片机控制脉冲并经隔离放大后,再过零触发可控硅导通,然后通过智能判断让磁保持继电器闭合实现电容器的正确投合,在电容投合后,大部分电流流经磁保持继电器触点,实现零功耗(纯可控硅导通时损耗达几十瓦);当单片机接收到投合信号撤销时,先发出触发脉冲,导通可控硅,再断开继电器,然后停止脉冲的发出,使可控硅电流过零时自动切断。

3.3 功能

1)投合

电路接收到控制信号后单片机首先在可控硅SCR电压过零时刻发出脉冲信号,使可控硅SCR导通,将电容器C平稳可靠的接入电网,并维持导通状态;紧接着单片机发出磁保持继电器的控制信号,使其导通,此时,由于触点接触电阻极小,一般在2mΩ以下,主回路电流大部分由可控硅向继电器触点分流,使其同可控硅电子开关处于并联工作的状态;再撤去可控硅触发信号,电流全部由磁保持继电器独立承担,电路处于稳定工作状态。

2)切除

CPU接到退切电容信号后,首先发出可控硅触发脉冲,一部分电流由继电器触点分流经过可控硅,使可控硅SCR同磁保持继电器处于并联工作的状态;接着断开磁保持继电器,此刻,电容器与电网的连通电流短时内由可控硅独立承担;再切出可控硅的触发信号,使可控硅在电流过零时自然切断。

4 应用分析

从智能复合开关的原理、功能上可以看出,无论磁保持继电器是闭合时刻还是断开时刻,可控硅SCR都是处于脉冲触发导通状态。因此,在开关的主触点上基本不会产生电弧,从而使磁保持继电器和电容的使用寿命得到了很大提高,同时消除了电路的电弧干扰。使整个系统更加安全可靠。

图3是智能复合开关的时序波形图,从图中可知,应用了这种开关的供电设备,电压平稳,能很好的消除干扰。实践证明,智能复合开关的使用,使电源在基本安全、电源影响、保护功能,功耗等各方面,均有改善。在电力工业无功补偿成套装置的质量检测中,均符合指标及功能要求。鉴于我们工作中,曾因电源开关机瞬间的干扰造成的影响,建议在航天测试系统的供电设备中选用这种智能复合开关。

图3 时序波形图

5 结语

在航天系统地面试验中,地面测试设备较多,供电电源也相应较多。同时用电时,现场电磁环境十分恶劣。要很好地抑制开关电源在供电瞬间的干扰,就必须进行综合考虑,逐一分析。往往单纯采用一种措施不能提供完整的干扰防护,必须综合考虑各种因素制定出有效的抑制干扰措施,保证试验现场测试工作的安全性、可靠性。

[1]赵崇西,赵克明.DJ型电网监测无功补偿装置及新一代电容器投切器件—复合开关[J].电力设备,2005(6)

[2]赵金云,秦大为.机电一体复合开关的设计[J].电子技术,2006(11)

[3]陈怀忠.基于单片机无功补偿复合开关的研制[J].广西电力,2006(5)

[4]杨晓萍.复合开关投切电容器无功补偿装置的研究[J].现代电子技术,2005(11)

[5]沈金荣.基于PIC单片机的智能复合开关的设计[J].计算机测量与控制,2008(9)