本實(shí)用新型涉及涉及一種低壓開關(guān)類裝置，具體涉及一種基于高速ADC采樣的低壓電容器投切電路。

背景技術(shù)：

隨著近年來電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，用電需求的矛盾已得到緩解，但電力用戶對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求卻越來越高。根據(jù)“十三五”規(guī)劃綱要提出的推進(jìn)資源節(jié)約集約利用的目標(biāo)，在全面推動(dòng)能源節(jié)約以及建立健全資源高效利用機(jī)制方面成為重點(diǎn)，因此使用無功補(bǔ)償設(shè)備降低線路損耗顯得尤為重要。在實(shí)際應(yīng)用中，為低壓配電網(wǎng)絡(luò)安裝無功補(bǔ)償裝置可以有效的降低線損，提高變壓器的帶負(fù)載率，提高功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。無功補(bǔ)償裝置主要是通過低壓電容器的投切來達(dá)到無功電流的就地補(bǔ)償，而低壓電容器在投入過程中會(huì)產(chǎn)生較高的涌流及沖擊，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成一定影響?，F(xiàn)有低壓開關(guān)類裝置采用光耦檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)電壓過零點(diǎn)的檢測(cè)，但是光耦檢測(cè)過程中由于光耦自身導(dǎo)通的壓降以及電壓諧波的影響，在檢測(cè)壓差零點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，公開了一種基于高速ADC采樣的低壓電容器投切電路，主要是應(yīng)用在低壓電容器與低壓配電網(wǎng)之間的連接，防止低壓電容器接入低壓配電網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生涌流，利用交流電源的特性，在低壓電容器與系統(tǒng)電壓之間壓差為零時(shí)接通電路，使得低壓電容器接通瞬間的電流為零，從而達(dá)到消除涌流的效果。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于高速ADC采樣的低壓電容器投切電路，其特征在于：包括：CPU模塊、供電模塊、高速ADC采樣模塊、可控硅驅(qū)動(dòng)模塊、磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊；所述信號(hào)檢測(cè)模塊和高速ADC采樣模塊的輸出端連接CPU模塊，所述CPU模塊的輸出端連接可控硅驅(qū)動(dòng)模塊和磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，所述可控硅驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端連接可控硅，所述磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端連接磁保持繼電器，所述磁保持繼電器和可控硅并聯(lián)設(shè)置，所述供電模塊為CPU模塊和高速ADC采樣模塊供電。

進(jìn)一步地，所述供電模塊采用采用DCDC芯片LT1930A芯片與LT1931A芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，其中LT1930A芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成CPU使用的3.3V電壓，LT1931A芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成ADC采樣模塊所需的-5V電壓。

進(jìn)一步地，所述高速ADC采樣模塊包括低壓電容器、電壓互感器、運(yùn)算放大器和AD采樣器，電壓互感器的原邊通過電阻與系統(tǒng)電源的L端連接，通過低壓電容器連接系統(tǒng)電源的N端，電壓互感器的輸出端與運(yùn)算放大器的正極輸入端連接，所述運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端和輸出端連接由電容和電阻并聯(lián)電路，所述運(yùn)算放大器的輸出端與AD采樣器的VIN0引腳連接，所述AD采樣器的DIN、DOUT、SCK、CS引腳端分別連接相連CPU的SPI接口：PA7_SPI1_MOSI，PA6_SPI1_MISO、PA5_SPI1_SCK、PA4_SPI1_NSS。

進(jìn)一步地，所述運(yùn)算放大器采用LM321芯片，所述AD采樣器采用AD7324芯片。

進(jìn)一步地，可控硅驅(qū)動(dòng)模塊包括三極管Q1、脈沖變壓器、雙向可控硅、電阻R62和電容C61；CPU的PA8_TIM1_CH1引腳與三極管Q1的基極連接，三極管Q1的集電極與脈沖變壓器的輸入端連接，三極管Q1的發(fā)射極接地，脈沖變壓器的輸出端分別連接雙向可控硅的第一導(dǎo)通端和門端，第二導(dǎo)通端與低壓電容器連接，電容C61和電阻R52串聯(lián)后并接在雙向可控硅的第一導(dǎo)通端和第二導(dǎo)通端。

進(jìn)一步地，所述雙向可控硅采用JST80CS-1000BW型號(hào)，所述脈沖變壓器采用KCB473型號(hào)。

進(jìn)一步地，所述磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)模塊包括磁保持繼電器控制芯片、光耦隔離器和磁保持繼電器，CPU模塊的PA14、PA15端口通過光耦隔離器、U26與磁保持繼電器控制芯片的INA、INB引腳連接，12V電壓經(jīng)過二極管D33后接入磁保持繼電器控制芯片的VCC端，同時(shí)并聯(lián)大容量電解電容C43，磁保持繼電器控制芯片的輸出端與磁保持繼電器的3、4引腳連接，磁保持繼電器的1引腳與系統(tǒng)電源連接，2引腳與低壓電容器連接。

進(jìn)一步地，所述磁保持繼電器控制芯片采用BL8023芯片，所述磁保持繼電器采用BST902-90A型號(hào)。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)檢測(cè)模塊包括三組檢測(cè)電路，每組檢測(cè)電路均由分壓電阻和光耦隔離器構(gòu)成，其中外部電壓系統(tǒng)通過電阻R63與光耦隔離器U27連接，光耦隔離器U27的輸出端與CPU模塊的PB0端口連接；低壓電容器的壓差通過電阻R64與光耦隔離器U28連接，光耦隔離器U28的輸出端與CPU模塊的PB1端口連接；系統(tǒng)電壓通過電阻R65與光耦隔離器U29連接，光耦隔離器U29的輸出端與CPU模塊的PB2端口連接。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了低壓電容器的過零點(diǎn)投切功能，低壓電容器投切裝置使用ARM平臺(tái)的CPU編程控制，接收外部控制信號(hào)，對(duì)電容器進(jìn)行投切操作；在需要投入電容器時(shí)，通過高速ADC采樣模塊準(zhǔn)確檢測(cè)到電容器與系統(tǒng)電壓之間的電壓差值過零點(diǎn)，并在此時(shí)觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，確保電容器在電壓差值過零點(diǎn)時(shí)刻投入，同時(shí)與可控硅并聯(lián)的磁保持繼電器在可控硅導(dǎo)通后閉合，短暫延時(shí)后撤除可控硅驅(qū)動(dòng)信號(hào)，完成一次投入過程。在需要切除電容器時(shí)，在接收到切除指令后觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，與磁保持繼電器形成并聯(lián)，短暫延時(shí)后斷開磁保持，撤除可控硅的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用可控硅的特性，在電容器上電流過零點(diǎn)時(shí)刻自動(dòng)截止，完成切除過程。

2、本實(shí)用新型可將在投切電容器時(shí)產(chǎn)生涌流降低為額定電流的1倍以內(nèi)，采用可控硅與磁保持繼電器并聯(lián)方式工作，利用可控硅的高速導(dǎo)通能力以及磁保持繼電器的保持能力，完成電容器的投切。

3、本實(shí)用新型提供掉電，在掉電瞬間可切除磁保持繼電器，確保電路處于斷開狀態(tài)。

4、本實(shí)用新型具有體積小，抗干擾性高，可靠性高，安全性高以及電路簡(jiǎn)單易用，在低壓無功補(bǔ)償領(lǐng)域具有較好應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型提供的一種基于高速ADC采樣的低壓電容器投切電路結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本實(shí)用新型提供的一種基于高速ADC采樣的低壓電容器投切電路電氣原理圖。

圖3a為本實(shí)用提供的所述供電模塊的5V輸出3.3V電壓的電路圖；

圖3b為本實(shí)用提供的所述供電模塊5V輸出-5V電壓電路圖；

圖4為本實(shí)用提供的所述高速ADC采樣模塊電路圖；

圖5為本實(shí)用提供的所述可控硅驅(qū)動(dòng)模塊電路圖；

圖6為本實(shí)用提供的所述磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)模塊電路圖；

圖7為本實(shí)用提供的所述信號(hào)檢測(cè)模塊電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例描述本實(shí)用新型具體實(shí)施方式：

參見圖1為本實(shí)用新型提供的一種基于高速ADC采樣的低壓電容器投切電路結(jié)構(gòu)圖。

如圖1所示，一種基于高速ADC采樣的低壓電容器投切電路，其特征在于：包括：CPU模塊、供電模塊、高速ADC采樣模塊、可控硅驅(qū)動(dòng)模塊、磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊；所述信號(hào)檢測(cè)模塊和高速ADC采樣模塊的輸出端連接CPU模塊，所述CPU模塊的輸出端連接可控硅驅(qū)動(dòng)模塊和磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，所述可控硅驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端連接可控硅，所述磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端連接磁保持繼電器，所述磁保持繼電器和可控硅并聯(lián)設(shè)置，所述供電模塊為CPU模塊和高速ADC采樣模塊供電。

本實(shí)用新型實(shí)施例中，CPU模塊通過接收信號(hào)檢測(cè)模塊的檢測(cè)信號(hào)控制電路的投切，在需要投入電容器時(shí)，通過高速ADC采樣模塊準(zhǔn)確檢測(cè)到電容器與系統(tǒng)電壓之間的電壓差值過零點(diǎn)，并在此時(shí)觸發(fā)可控硅驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)可控硅導(dǎo)通，確保電容器在電壓差值過零點(diǎn)時(shí)刻投入；同時(shí)與可控硅驅(qū)動(dòng)模塊并聯(lián)的磁保持繼電器模塊在可控硅導(dǎo)通后閉合，短暫延時(shí)后撤除可控硅驅(qū)動(dòng)信號(hào)，完成一次投入過程。切除電容器時(shí)，在接收到切除指令后觸發(fā)可控硅驅(qū)動(dòng)模塊導(dǎo)通，與磁保持繼電器模塊形成并聯(lián)，短暫延時(shí)后斷開磁保持繼電器模塊，撤除可控硅的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用可控硅的特性，在電容器上電流過零點(diǎn)時(shí)刻自動(dòng)截止，完成切除過程。

本實(shí)用新型實(shí)施例中，當(dāng)信號(hào)檢測(cè)模塊檢測(cè)到低壓電容器斷線或者系統(tǒng)電壓缺失時(shí)刻拒絕投入操作或切除已投入電容器。

參見圖2，為本實(shí)用新型基于高速ADC采樣的低壓電容器投切電路的電氣原理簡(jiǎn)圖。

如圖2所示，可控硅與磁保持繼電器為并聯(lián)關(guān)系，利用可控硅的瞬時(shí)導(dǎo)通性以及磁保持繼電器的保持特性完成對(duì)電容器的投切。電壓互感器將系統(tǒng)電壓與電容器之間的電壓轉(zhuǎn)換后輸出給ADC采樣模塊，在采集到電容上電壓與系統(tǒng)電壓差值為零時(shí)刻觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，隨后閉合磁保持繼電器與可控硅形成并聯(lián)，之后斷開可控硅的觸發(fā)信號(hào)，利用磁保持繼電器的保持性能完成電容器的投入。在切除時(shí)將觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，與已經(jīng)閉合的磁保持繼電器形成并聯(lián)，最后切除磁保持繼電器，并撤除可控硅的觸發(fā)信號(hào)，利用可控硅的特性會(huì)在電容器上電流為零時(shí)刻自動(dòng)斷開電路，完成電容器的切除。

參見圖3a和圖3b，其中圖3a為本實(shí)用提供的所述供電模塊的5V輸出3.3V電壓的電路圖；圖3b為本實(shí)用提供的所述供電模塊5V輸出-5V電壓電路圖；

如圖3a和圖3b所示，供電模塊通過專用DCDC芯片對(duì)輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓及濾波，提供適合CPU工作的穩(wěn)定電源及高速ADC采樣模塊所需的正負(fù)雙電源。供電模塊采用高效率DCDC芯片LT1930A與LT1931A作為電壓轉(zhuǎn)換，LT1930A將5V電壓轉(zhuǎn)換成CPU使用的3.3V電壓，LT1931A將5V電壓轉(zhuǎn)換成ADC采樣模塊所需的-5V電壓。

參見圖4為本實(shí)用提供的所述高速ADC采樣模塊電路圖。

如圖4所示，高速ADC采樣模塊通過高速ADC轉(zhuǎn)換芯片AD7324采集開關(guān)兩端電壓，并將采樣值通過標(biāo)準(zhǔn)SPI接口輸出至CPU，CPU根據(jù)采樣值判斷開關(guān)量測(cè)電壓過零點(diǎn)時(shí)刻并作出相應(yīng)控制。

高速ADC采樣模塊包括低壓電容器、電壓互感器、運(yùn)算放大器和AD采樣器，電壓互感器的原邊通過電阻R61與系統(tǒng)電源的L端連接，通過低壓電容器連接系統(tǒng)電源的N端，電壓互感器的輸出端與運(yùn)算放大器的正極輸入端連接，所述運(yùn)算放大器的負(fù)極輸入端和輸出端連接由電容C42和電阻47并聯(lián)電路，電壓互感器采集低壓電容器與系統(tǒng)電壓之間的壓差，通過高速運(yùn)放LM321將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送至AD7324的輸入端，AD7324將轉(zhuǎn)換過的采樣值通過標(biāo)準(zhǔn)SPI口傳輸至CPU。由于采集的是交流信號(hào)，為確保信號(hào)完整性，運(yùn)放采取正負(fù)5V雙電源供電，而AD7324的采集范圍為-5V~+5V，可以滿足實(shí)際運(yùn)用需求。U33為高速運(yùn)放LM321，CPU的SPI接口，PA7_SPI1_MOSI，PA6_SPI1_MISO、PA5_SPI1_SCK、PA4_SPI1_NSS分別和AD7324的DIN、DOUT、SCK、CS相連。

參見圖5，為本實(shí)用提供的所述可控硅驅(qū)動(dòng)模塊電路圖。

如圖5所示，可控硅驅(qū)動(dòng)模塊包括三極管Q1、脈沖變壓器T4、雙向可控硅SCR1、電阻R62和電容C61；CPU的PA8_TIM1_CH1引腳與三極管Q1的基極連接，三極管Q1的集電極與脈沖變壓器T4的輸入端連接，三極管Q1的發(fā)射極接地，脈沖變壓器T4的輸出端分別連接雙向可控硅SCR1的第一導(dǎo)通端和門端，第二導(dǎo)通端與低壓電容器C連接，電容C61和電阻R52串聯(lián)后并接在雙向可控硅SCR1的第一導(dǎo)通端和第二導(dǎo)通端。

可控硅驅(qū)動(dòng)模塊通過CPU發(fā)出的脈沖信號(hào)經(jīng)過脈沖變壓器隔離后驅(qū)動(dòng)可控硅的導(dǎo)通?？煽毓鑳啥瞬⒙?lián)阻容吸收電路，限制電路電壓上升率，確?？煽毓璋踩\(yùn)行。雙向可控硅SCR1采用JST80CS-1000BW型的雙向可控硅，使用可控硅專用脈沖變壓器KCB473驅(qū)動(dòng)；R62和C61組成并聯(lián)阻容吸收電路，抑制電壓上升率。從CPU的PA8_TIM1_CH1引腳所發(fā)出的PWM波經(jīng)過三極管Q1的放大后，進(jìn)入脈沖變壓器的輸入端，同時(shí)可控硅門極上回感應(yīng)出相同電壓，可控硅導(dǎo)通。由于在交流系統(tǒng)中，電流為零時(shí)可控硅會(huì)自行關(guān)斷，因此撤除PWM信號(hào)后可控硅會(huì)自行關(guān)斷。

圖6為本實(shí)用提供的所述磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)模塊電路圖；

參見圖6，磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，采用BST902-90A型磁保持繼電器，該磁保持繼電器使用一組線圈，線圈上電壓極性的轉(zhuǎn)換可以控制繼電器的分合狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換后無需持續(xù)供電即可保持當(dāng)前狀態(tài)。磁保持繼電器控制芯片U32采用BL8023型號(hào)的磁保持繼電器控制芯片，使用光耦將CPU的PA14、PA15的狀態(tài)隔離后輸出至BL8023的A、B輸入端口，當(dāng)A、B輸入口同時(shí)為高電平或低電平時(shí)，A、B輸出口呈現(xiàn)高阻狀態(tài)；當(dāng)B輸入口為低電平，A輸入口為高電平時(shí)，A，B輸出口驅(qū)動(dòng)磁保持繼電器閉合；當(dāng)A輸入口為低電平，B輸入口為高電平時(shí)，A，B輸出口驅(qū)動(dòng)磁保持繼電器斷開。所需的12V電壓經(jīng)過二極管D33后接入BL8023，同時(shí)并聯(lián)大容量電解電容C43，在CPU檢測(cè)到掉電瞬間時(shí)會(huì)發(fā)出切除信號(hào)，C43上存儲(chǔ)電量可有效保證繼電器切除，而D33可防止掉電瞬間C43存儲(chǔ)電量被其他元器件消耗。

參見圖7，為本實(shí)用提供的所述信號(hào)檢測(cè)模塊電路圖。

如圖7所示，信號(hào)檢測(cè)模塊通過光耦檢測(cè)并隔離信號(hào)，CPU通過IO口檢測(cè)光耦的輸出信號(hào)判斷外部控制信號(hào)、系統(tǒng)掉電、電容器斷線等狀態(tài)。所有的外部信號(hào)經(jīng)過電阻分壓以及光耦隔離后傳輸給CPU的IO口，為防止信號(hào)干擾，使用10K的上拉電阻穩(wěn)定信號(hào)狀態(tài)。外部12V信號(hào)作為控制信號(hào)決定了開關(guān)的狀態(tài)，使用光耦隔離器U27檢測(cè)改信號(hào)并將信號(hào)隔離作為投切信號(hào)后送至CPU的PB0引腳。光耦隔離器U28通過和電阻R64串聯(lián)后接入系統(tǒng)電壓和低壓電容器之間，在低壓電容器接線良好情況下導(dǎo)通，若出現(xiàn)低壓電容器未接線則U28不導(dǎo)通，CPU通過PB1引腳讀取該信號(hào)可判斷電容器是否接線良好。光耦隔離器U29和電阻R65串聯(lián)后連接在系統(tǒng)電壓L、N之間，作為系統(tǒng)掉電檢測(cè)信號(hào)輸出給CPU的PB2引腳。

本實(shí)用新型可將在投切電容器時(shí)產(chǎn)生涌流降低為額定電流的1倍以內(nèi)，采用可控硅與磁保持繼電器并聯(lián)方式工作，利用可控硅的高速導(dǎo)通能力以及磁保持繼電器的保持能力，完成電容器的投切。本實(shí)用新型提供掉電，在掉電瞬間可切除磁保持繼電器，確保電路處于斷開狀態(tài)。

本實(shí)用新型具有體積小，抗干擾性高，可靠性高，安全性高以及電路簡(jiǎn)單易用，在低壓無功補(bǔ)償領(lǐng)域具有較好應(yīng)用前景。

上面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本實(shí)用新型不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本實(shí)用新型宗旨的前提下做出各種變化。

不脫離本實(shí)用新型的構(gòu)思和范圍可以做出許多其他改變和改型。應(yīng)當(dāng)理解，本實(shí)用新型不限于特定的實(shí)施方式，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求限定。