本實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)劃綱要提出的推進資源節(jié)約集約利用的目標，在全面推動能源節(jié)約以及建立健全資源高效利用機制方面成為重點，因此使用無功補償設備降低線路損耗顯得尤為重要。在實際應用中，為低壓配電網(wǎng)絡安裝無功補償裝置可以有效的降低線損，提高變壓器的帶負載率，提高功率因數(shù)，達到節(jié)能降耗的目的。無功補償裝置主要是通過低壓電容器的投切來達到無功電流的就地補償，而低壓電容器在投入過程中會產(chǎn)生較高的涌流及沖擊，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成一定影響?，F(xiàn)有低壓開關(guān)類裝置采用光耦檢測方法實現(xiàn)電壓過零點的檢測，但是光耦檢測過程中由于光耦自身導通的壓降以及電壓諧波的影響，在檢測壓差零點時會產(chǎn)生較大的誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(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接通電路，使得低壓電容器接通瞬間的電流為零，從而達到消除涌流的效果。

本實用新型解決其技術(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)動模塊、磁保持繼電器驅(qū)動模塊、信號檢測模塊；所述信號檢測模塊和高速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)動模塊和磁保持繼電器驅(qū)動模塊，所述可控硅驅(qū)動模塊的輸出端連接可控硅，所述磁保持繼電器驅(qū)動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)設置，所述供電模塊為CPU模塊和高速ADC采樣模塊供電。

進一步地，所述供電模塊采用采用DCDC芯片LT1930A芯片與LT1931A芯片進行電壓轉(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算放大器的正極輸入端連接，所述運算放大器的負極輸入端和輸出端連接由電容和電阻并聯(lián)電路，所述運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。

進一步地，所述運算放大器采用LM321芯片，所述AD采樣器采用AD7324芯片。

進一步地，可控硅驅(qū)動模塊包括三極管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通端和門端，第二導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通端和第二導通端。

進一步地，所述雙向可控硅采用JST80CS-1000BW型號，所述脈沖變壓器采用KCB473型號。

進一步地，所述磁保持繼電器驅(qū)動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。

進一步地，所述信號檢測模塊包括三組檢測電路，每組檢測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。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

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

2、本實用新型可將在投切電容器時產(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單易用，在低壓無功補償領域具有較好應用前景。

附圖說明

圖1為本實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為本實用提供的所述供電模塊5V輸出-5V電壓電路圖；

圖4為本實用提供的所述高速ADC采樣模塊電路圖；

圖5為本實用提供的所述可控硅驅(qū)動模塊電路圖；

圖6為本實用提供的所述磁保持繼電器驅(qū)動模塊電路圖；

圖7為本實用提供的所述信號檢測模塊電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例描述本實用新型具體實施方式：

參見圖1為本實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)動模塊、磁保持繼電器驅(qū)動模塊、信號檢測模塊；所述信號檢測模塊和高速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)動模塊和磁保持繼電器驅(qū)動模塊，所述可控硅驅(qū)動模塊的輸出端連接可控硅，所述磁保持繼電器驅(qū)動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)設置，所述供電模塊為CPU模塊和高速ADC采樣模塊供電。

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

本實用新型實施例中，當信號檢測模塊檢測到低壓電容器斷線或者系統(tǒng)電壓缺失時刻拒絕投入操作或切除已投入電容器。

參見圖2，為本實用新型基于高速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，利用可控硅的瞬時導通性以及磁保持繼電器的保持特性完成對電容器的投切。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)電壓差值為零時刻觸發(fā)可控硅導通，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，利用磁保持繼電器的保持性能完成電容器的投入。在切除時將觸發(fā)可控硅導通，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，利用可控硅的特性會在電容器上電流為零時刻自動斷開電路，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芯片對輸入電壓進行穩(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，并將采樣值通過標準SPI接口輸出至CPU，CPU根據(jù)采樣值判斷開關(guān)量測電壓過零點時刻并作出相應控制。

高速ADC采樣模塊包括低壓電容器、電壓互感器、運算放大器和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算放大器的正極輸入端連接，所述運算放大器的負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，通過高速運放LM321將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號送至AD7324的輸入端，AD7324將轉(zhuǎn)換過的采樣值通過標準SPI口傳輸至CPU。由于采集的是交流信號，為確保信號完整性，運放采取正負5V雙電源供電，而AD7324的采集范圍為-5V~+5V，可以滿足實際運用需求。U33為高速運放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，為本實用提供的所述可控硅驅(qū)動模塊電路圖。

如圖5所示，可控硅驅(qū)動模塊包括三極管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的第一導通端和門端，第二導通端與低壓電容器C連接，電容C61和電阻R52串聯(lián)后并接在雙向可控硅SCR1的第一導通端和第二導通端。

可控硅驅(qū)動模塊通過CPU發(fā)出的脈沖信號經(jīng)過脈沖變壓器隔離后驅(qū)動可控硅的導通?？煽毓鑳啥瞬⒙?lián)阻容吸收電路，限制電路電壓上升率，確保可控硅安全運行。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；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，進入脈沖變壓器的輸入端，同時可控硅門極上回感應出相同電壓，可控硅導通。由于在交流系統(tǒng)中，電流為零時可控硅會自行關(guān)斷，因此撤除PWM信號后可控硅會自行關(guān)斷。

圖6為本實用提供的所述磁保持繼電器驅(qū)動模塊電路圖；

參見圖6，磁保持繼電器驅(qū)動模塊，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)供電即可保持當前狀態(tài)。磁保持繼電器控制芯片U32采用BL8023型號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A、B輸入口同時為高電平或低電平時，A、B輸出口呈現(xiàn)高阻狀態(tài)；當B輸入口為低電平，A輸入口為高電平時，A，B輸出口驅(qū)動磁保持繼電器閉合；當A輸入口為低電平，B輸入口為高電平時，A，B輸出口驅(qū)動磁保持繼電器斷開。所需的12V電壓經(jīng)過二極管D33后接入BL8023，同時并聯(lián)大容量電解電容C43，在CPU檢測到掉電瞬間時會發(fā)出切除信號，C43上存儲電量可有效保證繼電器切除，而D33可防止掉電瞬間C43存儲電量被其他元器件消耗。

參見圖7，為本實用提供的所述信號檢測模塊電路圖。

如圖7所示，信號檢測模塊通過光耦檢測并隔離信號，CPU通過IO口檢測光耦的輸出信號判斷外部控制信號、系統(tǒng)掉電、電容器斷線等狀態(tài)。所有的外部信號經(jīng)過電阻分壓以及光耦隔離后傳輸給CPU的IO口，為防止信號干擾，使用10K的上拉電阻穩(wěn)定信號狀態(tài)。外部12V信號作為控制信號決定了開關(guān)的狀態(tài)，使用光耦隔離器U27檢測改信號并將信號隔離作為投切信號后送至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通，若出現(xiàn)低壓電容器未接線則U28不導通，CPU通過PB1引腳讀取該信號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)掉電檢測信號輸出給CPU的PB2引腳。

本實用新型可將在投切電容器時產(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單易用，在低壓無功補償領域具有較好應用前景。

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

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