一、引言目前，国内外进行无功补偿投切电容器采用的方式主要有2大类：一是晶闸管投切电容器技术（TSC），晶闸管属无触头开关，工作寿命长，操作简便，能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约电能，但是其造价偏高，晶闸管具有一定导通压降（约1V），在大电流补偿时，其能耗不容忽视；采用接触器或断路器投切电容器（MSC）是一种传统的电容投切方式，优点是价格便宜，导通压降小，在大电流系统中应用广泛。目前，接触器投切电容器的工作方式在国民生产各部门广泛应用，其致命弱点是接通电容器时将可能出现大的涌流，对电网造成冲击，电容器和接触器的寿命将缩短，故限制涌流倍数成为切换电容器接触器的主要性能指标，一般规定涌流倍数不能超过20倍。接通电容器的涌流倍数与电网容量、变压器、回路开关设备的阻抗以及并联电容器组充放电的状态有关。为了抑制巨大的涌流对接触器和电容器的损害，用作切换电容器的接触器在我国经历了一个较长的发展过程。早期，我国普遍采用在通用交流接触器（CJ10或CJ20系列）和电源之间串接电抗器的办法来限制涌流倍数。但抑制涌流效果不显著，在接通多组电容器时，涌流倍数会超过50倍，对接触器和电容器仍存在较大的隐患；电抗器体积大、耗铜量多、长期串在运行电路中耗电量大。近年来，我国研制成功在直动式交流接触器上派生的CJX4～kd， CJX2A和CJ41等系列切换电容器接触器，它们由CJX2系列交流接触器、辅助触头组和6根限流电阻线组成。此类接触器与CJ16或CJ19系列相比，更加成熟可靠。本研究将电力电子、单片机和通信技术等引人交流接触器，设计了一种性能优良、价格便宜、可靠性高、使用方便的智能型切换电容器式交流接触器。该接触器采用3台单极小型交流接触器作为开关本体，通过单片机控制模块控制三相电路中的电容器组投切工作，实现零电压投切，有效减少了线路中出现的涌流，极大地提高了接触器的各项性能指标。二、工作原理采用3台单极交流接触器进行电容器组投切的主电路接线示意图如图1所示。

分别将3台交流单极接触器与需要投切的电容器组Cab、Cac、Cbc串联，动作顺序由单片机控制。在三相交流电路中，通常可能出现两种不同的相序，必须采用不同的控制方案。

图2为三相电路正相序时的电压波形图。图中：1、2，3分别代表线路上3台单极交流接触器合闸时刻，分别对应线电压UAB、UCA、UBC的过零点，时间间隔为3.3 ms。

通过单片机控制模块，控制接触器C1的触头在线电压UAB过零时闭合，投入电容器Cab，经过3. 3 ms后，接触器C2触头闭合，在线电压UCA零点投入电容器Cac，再经过3.3 ms后，接触器C3的触头闭合，在 UBC零点投人电容器Cbc。可大大消除或减弱因电容器两端电压畸变而产生的浪涌电流。因此，正相序情况下电容器的投切顺序为，各自相差3.3 ms，

如果将三相电压接成反相序，那么电容器的投切顺序必须改变（见图3）。

如果将三相电源的相序接反，此时C1将与电容器Cac相连，C2将与电容器Cab相连，C3将与电容器Cbc相连。所以，如果不改变接触器的合闸顺序1→2→3，那么时间间隔将变为6. 6 ms，电容器投切时间太长，不可取。电容器投切时间的快速性和准确性是衡量投切电容器接触器性能的一个重要因素。接触器分断动作时间具有一定的分散性，投切电容器时间间隔过长容易造成投切时刻不准确，甚至引起零电压投切失败。因此，采用改变接触器合闸顺序的控制方案，将接触器的合闸顺序变为1→3→2，时间间隔仍为3. 3 ms。

由此可见，采用3台单极交流接触器分别独立控制三相电路中的电容器投切，控制方案简单、可靠，动作时间短，增强了投切电容器的准确性，提高了智能交流接触器的各项性能指标。

三、切换电容式智能交流接触器的仿真

（一）控制原理

采用美国MathWorks公司生产的Matlab计算机仿真软件中的电力系统工具箱（Power SystemBlockset）进行系统仿真。该工具箱基于图形交互式仿真软件Simulink环境，编制的程序具有源程序可视化及仿真过程可视化的双重可视化特点。波形可用仿真示波器直接观察，同时还可将过渡过程的数据存人内存变量或数据文件中作为进一步分析的依据。

对不同的投切相角、不同投切时刻投切电容器组的工作状态进行模拟仿真，确定单片机的最佳控制时间，实现智能交流接触器的最优控制方案。图4为正相序情况下三相电路线电压与相电压的向量图。图中0为坐标原点，X轴为正实轴。图中显示的是A相相角为150度、线电压UAB。刚好过零时的三相电路相电压和线电压的向量。如果以A相电压合闸相角为基准进行仿真，那么当A相电压相角为150度时，就是UAB的电压零点。当三相电路相序接反时，其示意图如图5所示。

由图可见，变为因此，线电压过零的先后顺序发生了变化，变为相隔时间也是3.3 ms。这样，电容器投切的顺序同样也发生了变化，电容器在电压反相序时的投切顺序就变成了。

（二）仿真研究

在三相电压为正相序时，以A'相电压合闸相角为基准，当A'相电压相角为150度，120度，90度，60度，30度，0度时，对投切电容器的过程分别进行模拟仿真。仿真环境：主电路线电压380 V，稳态额定电流117 A。A'相电压合闸相角是指第1组电容器投切进电网时A'相电压向量所处的角度。

三相的投切过程中三相线电流的浪涌电流波形仿真图如图6所示。

仿真环境为三相电路，总运行时间0～0.8s，将最初的A'相的初相角设为需要的合闸相角的值，程序设定在0.2 s时候将第一组电容器Cab投入电网，由于三相电压周期为20 ms，所以在0.2 s时A'相相角值就是设定的初相角的值，也就是合闸相角值。其余两组电容器Cac、Cbc则按上文阐述的工作原理，相隔3. 3 ms依次投入。由于在0.207 s后投切结束，故图中截取了0. 18 ～0.30 s的局部放大波形，以便更好地观察浪涌电流峰值。

将合闸相角从0～170度每隔10度进行仿真计算，投切过程所得到的三相线电流浪涌电流峰值如表1所示。

根据仿真计算可知，投切电容器时，如果不在线电压的零点，则投切过程将产生较大的浪涌电流，只有在150度投切第一台电容时，产生较为理想工作状况，浪涌电流很小。按照此相位，编制单片机控制程序，进行智能优化控制。

四、吸合控制方案

吸合动作时间由两部分组成：

1．接到吸合信号，单片机开始起动、判断、计算，发出指令信号触发主控元件工作，由于单片机工作的精确性和快速性，此部分时间十分稳定；

2．接触器的机械机构固有动作时间。单片机发出信号，触发主控元件，接触器线圈得电，在磁路中产生磁通，衔铁开始工作。经过实测发现，机构的动作时间，其时间相差＜±0.5ms。因此，可将投切电容器的时间控制在电压零点附近的0.5 ms内，即在一个小区域内投人电容器，控制方便、浪涌电流小、易于实现产品化。

实现合闸相角1500前后各0.5 ms处投切电容，即投切相角分别为141度和159度，其产生的三相电流浪涌波形如图7所示。在控制范围内，浪涌电流最大为252 A，较无智能控制的情况大幅度下降。

五、结束语

新型智能交流接触器是一款设计思路新颖、控制效果优良的交流接触器。由于采用了单片机控制模块，实现了起动、吸持、分断全过程的优化控制，尤其实现了零电压投切电容器的控制方案，大大减少了线路中的涌流。通过仿真计算，可以确定合理的控制投切方案，实现零电压投切，且节能，运行无声，价格便宜，具有一定的发展前景。