補償變壓器式調壓方法和裝置的製作方法
2023-09-13 00:16:25
專利名稱：補償變壓器式調壓方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及交流調壓技術，尤其涉及一種補償變壓器式調壓方法和裝置。
背景技術：
在包括單相220v線3各和三相38Ov線i 各的^氐壓配電網中，由於電網波動 及負載投切頻繁等原因，導致電壓存在波動。如杲負載電壓過高，則導致損 耗增加，且會對負載絕緣產生影響，如電機、燈具等負載；如果負載電壓過 低，則可能導致某些負載無法正常工作。當負載工作在額定電壓以下時，可 以產生節電的效果。因此，為了達到保護電器、降低損耗的目的，需要對配 電網中的線路電壓進行調節。
壓，其它的調壓方法主要包括晶閘管相控調壓式調壓方法、電感調壓式調壓 方法、自藕繞組抽頭式調壓方法和電壓補償式調壓方法。其中，晶閘管相控 調壓式調壓方法利用晶閘管的相控原理，通過控制導通角的大小，將供電輸 入電壓的正弦波電壓正負對稱地切去一部分，從而降4氐了施加在照明電源上 的電壓平均值，達到節能的效果。電感調壓式調壓方法則在線路中串入電抗 器，通過調節電抗值來實現降壓，其包括有級調節和無級調節，有級調節通 過控制接在各抽頭的接觸器的通斷來實現，而無級調節則利用伺服電機帶動 電刷移動動觸頭來實現輸出電壓的連續。自藕繞組抽頭式調壓方法採用一臺 帶有多個抽頭的自耦變壓器，自耦變壓器與配電變壓器副繞組並聯，通過調 節抽頭來實現調壓。電壓補償式調壓方法是在負載線路中串入一反電勢，通 過調節該反電勢幅值實現調壓，補償用的反電勢通過補償變壓器獲得，該變 壓器低壓側串入負載線路，高壓側與電源並聯，通過調節高壓側電壓實現調壓，為了實現多級調節，可以接入多隻補償變壓器。
然而，上述調壓方法均存在一定的弊端，晶閘管相控調壓式調壓方法的 輸出電壓存在畸變、諧波大，且不適用於有容性補償負載。電感調壓式調壓 方法的不足是其體積、重量大，需要多組接觸器或電機拖動機構，增加無功 消耗。自藕繞組抽頭式調壓方法的切換過程需要嚴格控制，不能使負載開路， 抽頭也不能短路，且實現抽頭可靠投切比較困難，存在調節衝擊。而電壓補 償式調壓方法的投切開關採用接觸器時，在開關投切過程中存在很高的衝擊 電壓，投切開關採用晶閘管時，則存在導通損耗。
發明內容
本發明的目的在於提供一種補償變壓器式調壓方法和裝置，消除開關切 換時產生的電壓沖擊，減少導通損耗。
為了實現上述目的，本發明提供了一種補償變壓器式調壓裝置，包括補
償電壓器組、複合開關和系統控制器；
所述補償變壓器組以串聯的方式連接在電源與負載之間，其中每個補償 變壓器的高壓繞組的每個端子由兩個複合開關交替控制；
所述複合開關的投切狀態由所述系統控制器來控制； 所述系統控制器根據負載的輸出電壓和用戶輸入的期望電壓確定所述復 合開關的投切組合，並根據所述投切組合向所述複合開關發送投切信號。 本發明還提供了一種補償變壓器式調壓方法，包括 系統控制器根據確定的複合開關的投切組合向所述複合開關發送投切信
—，
複合開關的微處理器根據檢測到的開關狀態、所述投切信號和預設的投 切時序控制所述複合開關的投切狀態；
所述複合開關的微處理器根據所述複合開關的投切狀態調節所述負載的
車lr出電壓。本發明提供的一種補償變壓器式調壓方法和裝置，通過系統控制器對符 合開關的投切組合進行控制，由複合開關的投切組合來控制補償變壓器組中 各變壓器的副邊繞組電壓極性，同時，系統控制器根據開關端電壓檢測電路 返回的開關狀態信號來向複合開關發送投切信號，並利用預設的投切時序來 對複合開關的投切過程進行控制，該調壓裝置結構簡單、成本低、運行可靠， 可以消除調壓裝置在開關投切過程中產生的電壓衝擊，有效地減少導通損耗， 實現無沖擊、無導通損^^的補償式調壓。
圖1為本發明補償變壓器式調壓裝置實施例的結構示意圖2為本發明補償變壓器式調壓裝置實施例中複合開關的結構示意圖3為本發明補償變壓器式調壓裝置實施例中開關檢測電路的結構示意
圖4為本發明補償變壓器式調壓裝置實施例中的投切時序示意圖； 圖5為本發明補償變壓器式調壓裝置實施例中的三相四線式調壓裝置的 結構示意圖6為本發明補償變壓器式調壓方法實施例的流程圖。
具體實施例方式
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。 圖1為本發明補償變壓器式調壓裝置實施例的結構示意圖，如圖1所示， 本實施例提供了一種補償變壓器式調壓裝置，該補償變壓器式調壓裝置可以 分為主迴路和系統控制器兩部分，主迴路經空氣開關QF1連接到電源端子L 和N。主迴路中可以包括由補償變壓器Tl、 T2和T3構成的補償電壓器組、 由複合開關Fll、 F12、 F13、 F14、 F21、 F22、 F23、 F24、 F31、 F32、 F33和 F34構成的開關陣列。其中，補償變壓器組以串聯的方式連接在電源端子L、負載丄。和N之間，複合開關F11-F34分為Fll-F14、 F21-F24和F31-F34三 組，分別構成三個H橋電路，其中三個補償變壓器T1、 T2和T3的高壓繞組 (也稱原邊)的兩個端子分別連接在三個H橋電路的中間接點，並且分別並 聯補償電容器RC1、 RC2和RC3，避免補償變壓器的原邊出現開路。其中，每 個補償變壓器的每個端子由兩個複合開關來交替控制，在圖1中，補償變壓 器Tl的原邊的正極性端子由複合開關F13和F14來交替控制，補償變壓器 Tl的原邊的負極性端子由複合開關Fll和F12來交替控制。複合開關中對應 於補償變壓器的一個端子的兩個複合開關中只能有一個複合開關處於閉合狀 態，以對應於補償變壓器Tl的原邊的正極性端子的複合開關F13和F14為例， 其中只能有一個複合開關F13或F14處於閉合狀態。
以補償變壓器Tl為例來說明具體的調壓原理，當複合開關Fll和F14閉 合時，補償變壓器T1的副邊電壓與電源電壓順極性，與電源電壓疊加，則使 得負載丄。的輸出電壓C/。增加；當複合開關F12和F13閉合時，補償變壓器 Tl的副邊電壓與電源電壓逆極性，即極性相斥，則使得負載丄。的輸出電壓t/。 減小。其中，負載丄。的輸出電壓t/。增加或減小的幅度取決於補償變壓器的變 比設計，而補償變壓器組中補償變壓器的個數和每個補償變壓器的變比根據 最大調節電壓容量範圍和最小調節電壓等級來確定。假設額定電壓為t^，系 統的最大調節電壓容量範圍為屍，，則系統的最大調節電壓差t/皿為如下公
式(1)所示
formula see original document page 7
假設系統的最小調節電壓等級為C/min,該最小調節電壓等級為最小容量
的補償變壓器所對應的最小輸出電壓，由此可得到最小調節電壓比例P^如
下公式(2)所示
formula see original document page 7
貝'J假設補償變壓器組中包含的補償變壓器的個數為n,k表示補償變壓器相當於最小補償變壓器容量的倍數，則得到如下公式(3)所示的關係 ^ + ^ +…+ 、-P應/P畫 (3)
其中，A:,;f/屍min, f =R/^， "1，2,…,"，^為第i個補償變壓器相當 於最小補償變壓器容量的倍數，^為第i個補償變壓器原邊施加額定電壓時 的副邊電壓。假設最大調節電壓容量範圍/>皿=0.2,最小調節電壓比例 屍^=0.025，則^+^+…+ ^^8，可以設置三個補償變壓器，即n-3，相應 ^ki, 、=1， &=3， ^=4，以此來i殳計三個補償變壓器的變比。
各複合開關F11-F34的投切狀態由系統控制器來控制，系統控制器根據 負載的輸出電壓C7。和用戶輸入的期望電壓f/g確定複合開關的投切組合，並
根據投切組合向複合開關發送投切信號。如圖1所示，系統控制器採樣輸入 電壓f/,.、負載的輸出電壓C/。和輸入電流/，由此計算輸入輸出功率，在系統
控制器中包括輸入界面，用戶可以通過該輸入界面輸入期望電壓f/g，即用戶
期望通過該補償式變壓器調壓裝置，將負載的輸出電壓f/。調節到C/g。系統
控制器根據負載的輸出電壓C7。與用戶輸入的期望電壓t/g之間的差值來確定
複合開關的投切組合，當二者的差值為正值時，系統控制器通過控制複合開 關的投切組合來減小輸出電壓C/。的值；當二者的差值為負值時，系統控制器 通過控制複合開關的投切組合來增加輸出電壓t/。的值。
在系統控制器對複合開關的投切組合進行控制時，需要通過檢測獲得各 複合開關實際的開關狀態，如圖1中所示，各複合開關F11-F34的開關狀態 信號&C&,—^,經過與非門後，產生複合開關的總狀態信號&,至系統 控制器中，系統控制系根據該狀態信號《,獲取複合開關的當前狀態，以確保 對複合開關的投切成功，根據該狀態信號A,來向各複合開關Fll-F34發送投 切信號《"。另外，當系統出現異常時，可將旁路接觸器&投入，以不中斷 對負載的供電。圖2為本發明補償變壓器式調壓裝置實施例中複合開關的結構示意圖， 如圖2所示，每個複合開關由開關功率迴路和開關控制迴路兩部分構成，其 中，開關功率迴路由雙向晶閘管和繼電器並聯構成，或者由兩隻反並聯晶閘 管和接觸器並聯構成。其中，由開關控制迴路與系統控制器共同控制複合開 關的投切狀態，開關控制迴路接收系統控制器向複合開關發送的投切信號 A,，根據該投切信號A,產生控制信號，以控制開關功率迴路中的晶閘管SCR 和繼電器K,同時，開關控制迴路還接收開關端電壓檢測電路檢測到的開關 端電壓U， 4艮據該開關端電壓U向系統控制器輸出開關狀態信號《,。即本實 施例提供的補償變壓器式調壓裝置中每個複合開關還包括開關端電壓檢測電 路，圖3為本發明補償變壓器式調壓裝置實施例中開關檢測電路的結構示意 圖。如圖3所示，該開關端電壓檢測電路通過檢測開關端電壓確定每個複合 開關的開關狀態，並連接至開關控制迴路。由於每個補償變壓器的並聯電容 和負載性質的影響，當某個複合開關斷開時，該複合開關的電壓幅值最高約 為電源電壓峰值的兩倍，而最低約為電源電壓峰值的十分之一，因此複合開 關的電壓變化範圍很大，必須通過有效的檢測電路，才能獲得該複合開關的 正確的開關狀態。如圖3所示，將某個複合開關的端電壓U經過整流，送入 由RIN1、 RIN2、 Rl、 R2和運放U1組成的差分衰減電路中，衰減電壓幅值和 共才莫電壓"^殳計在運》文U1工作範圍內，再經R3、 R4、 R5和運》文U2構成的調幅 電路，將電壓U調整至合適的幅值，經R6、 R7和運放U3構成的滯環比較器， 與參考電壓VR比較，當U低於"^，表示複合開關處於閉合狀態，VO為高電 平，當U高於"w，表示複合開關處於斷開狀態，VO為低電平，開關控制回 路檢測該信號並輸出開關狀態信號&^。其中，R。w設計為電源電壓峰值的 十分之一，該值可以避免負載為容性負載或輕載時引起誤判斷。所有複合開 關的開關狀態信號I—fe經與非門處理後形成一路總狀態《,送至系統控制 器。在本實施例中，系統控制器對複合開關進行投切控制過程中，每次只控 制其中 一個複合開關的打開或關閉，通過返回的開關狀態信號確定上一個外一個複合開關發送打開或關閉的投切 信號。
圖4為本發明補償變壓器式調壓裝置實施例中的投切時序示意圖，如圖 4所示，該圖表示控制某個複合開關由閉合狀態切換至斷開狀態的時序圖， 本實施例中的投切時序由系統控制器和複合開關共同配合來實施，而本領域 技術人員可以由此類似地得出複合開關由斷開狀態切換到閉合狀態的投切時 序。在系統控制器發出該複合開關的斷開指令前，該複合開關處於閉合狀態， 此時下位機(即複合開關的開關控制迴路)向開關功率迴路中的繼電器發出 的開關投切信號為高電平，使繼電器處於閉合狀態。需要指出的是，在本實 施例中，無論複合開關處於斷開或閉合狀態，只要未對各複合開關產生動作， 開關控制迴路所輸出的狀態信號便為高電平，經與非門處理後，系統控制器 收到的總開關狀態信號&為低電平，如0-tl時刻所示的時序。當系統控制 器發出該複合開關的斷開指令後，系統控制器的投切信號在tl時刻變為低電 平，該複合開關輸出的開關狀態信號變為低電平，同時系統控制器接收到的 總開關狀態信號變為高電平。同時，開關控制迴路向晶閘管發送投指令，使 得晶閘管的狀態信號變為高電平，然後延時一定時間，至時刻t2;確保晶閘 管閉合後，向開關功率迴路中的繼電器發送切指令，同樣也延時一定時間， 至時刻t3;確保繼電器斷開後，撤除發送到晶閘管的投指令，再經延時至t4; 確保繼電器斷開後(若使用接觸器，則直接撤除接觸器線圈電壓)，若檢測 開關端電壓的信號變低，表示複合開關斷開成功，該開關控制迴路輸出的開 關狀態信號變高，同時系統控制器收到的總開關狀態信號變低，表示本次開 關斷開操作成功完成。當該複合開關的斷開操作成功完成後，系統控制器通 過獲取到的總開關狀態信號獲知上一複合開關投切成功，然後才其他複合 開關的投切信號，這樣有效消除了開關在投切過程中產生的衝擊信號，也避 免了電源短路的發生。
本實施例提供了一種補償變壓器式調壓裝置，通過設置補償變壓器組、複合開關和系統控制器，通過系統控制器對複合開關的投切組合進行控制， 由複合開關的投切組合來控制補償變壓器組中各變壓器的副邊繞組電壓極 性，同時，系統控制器根據開關端電壓檢測電路返回的開關狀態信號來向復 合開關發送投切信號，並利用預設的投切時序來對複合開關的投切過程進行 控制，該調壓裝置結構簡單、成本低、運行可靠，可以消除調壓裝置在開關 投切過程中產生的衝擊信號，有效地減少導通損耗，實現無衝擊、無導通損 耗的補償式調壓。
以上圖1~圖4所示為將本實施例提供的補償變壓器式調壓裝置應用在
單相雙線式中的情況，該調壓裝置還可以擴展到三相四線式系統中，圖5為
本發明補償變壓器式調壓裝置實施例中的三相四線式調壓裝置的結構示意
圖，如圖5所示，電源A、 B、 C和零線N經開關QF1接入串聯連接的各補償 變壓器的副邊，再與負載連接，旁路開關跨接在補償變壓器迴路的兩側，在 調壓迴路出現故障時，可才殳入旁路開關Sm。 TA1、 TBI和TC1為一個三相補償 變壓器，TA2、 TB2和TC2構成另一個三相補償變壓器，TA3、 TB3和TC3為第 三個補償變壓器，LA、 LB和LC為三相負載。本方案為三相同時調壓，即單 相調壓方案中某複合開關的投切信號及時序與其它兩相相同位置的開關共 用。以單相方案中的複合開關Fll為例，系統控制器產生的對複合開關Fll 的投切信號，應用到三相系統中時，複合開關Fll的投切信號同時控制複合 開關FAll、 FB11和FCll，本領域技術人員可以由此類似地得出其它開關信 號，此處不再贅述。
圖6為本發明補償變壓器式調壓方法實施例的流程圖，如圖6所示，本 實施例提供了一種補償變壓器式調壓方法，該方法對應於上述圖1~圖4所 示的裝置實施例，具體的調壓過程和原理同上所述，此處不再贅述，該補償 變壓器式調壓方法可以具體包括如下步驟
步驟601，系統控制器根據確定的複合開關的投切組合向複合開關發送 投切信號；步驟602，複合開關的微處理器根據檢測到的開關狀態、投切信號和預 設的投切時序控制複合開關的投切狀態；
步驟603,複合開關的微處理器複合開關的投切狀態調節負載的輸出電壓。
進一步地，本實施例還可以包括如下步驟系統控制器根據負載的輸出 電壓和用戶輸入的期望電壓確定複合開關的投切組合。
在本實施例中，各複合開關中的投切狀態由系統控制系來控制，系統控 制器採樣輸入電壓、負載的輸出電壓和輸入電流，由此計算輸入輸出功率， 在系統控制器中包括輸入界面，用戶可以通過該輸入界面輸入期望電壓，即 用戶期望通過該補償式變壓器調壓裝置，將負載的輸出電壓調節到。系統控 制器根據負載的輸出電壓與用戶輸入的期望電壓之間的差值來確定複合開關 的投切組合，當二者的差值為正值時，系統控制器通過控制複合開關的投切 組合來減小輸出電壓的值；當二者的差值為負值時，系統控制器通過控制復 合開關的投切組合來增加輸出電壓的值。電壓的具體增加或減小的幅度由各 補償變壓器的變比設計來實現，以達到用戶所期望的目標電壓值。根據負載 的輸出電壓和用戶輸入的期望電壓確定複合開關的投切組合，並根據投切組 合向複合開關發送才殳切信號。
具體地，步驟603可以具體包括如下步驟複合開關的微處理器根據復 合開關的投切狀態控制補償變壓器組中各變壓器的副邊繞組的電壓極性，通 過補償變壓器組中各變壓器的副邊繞組的電壓極性調節負載的輸出電壓。參 照上述圖1,以補償變壓器T1為例來說明具體的調壓原理，當複合開關Fll 和F14閉合時，補償變壓器T1的副邊電壓與電源電壓順極性，與電源電壓疊 加，則使得負載丄。的輸出電壓t/。增加；當複合開關F12和F13閉合時，補償 變壓器Tl的副邊電壓與電源電壓逆極性，即極性相反，則使得負載丄。的輸 出電壓f/。減小。其中，負載丄。的輸出電壓t/。增加或減小的幅度取決於補償 變壓器的變比設計，而補償變壓器組中補償變壓器的個數和每個補償變壓器的變比根據最大調節電壓容量範圍和最小調節電壓等級來確定。
本實施例提供了一種補償變壓器式調壓方法，通過系統控制器對符合開 關的投切組合進行控制，由複合開關的投切組合來控制補償變壓器組中各變 壓器的副邊繞組的電壓極性，同時，系統控制器根據開關端電壓檢測電路返 回的開關狀態信號來向複合開關發送投切信號，並利用預設的投切時序來對 複合開關的投切過程進行控制，可以消除調壓裝置在開關投切過程中產生的 沖擊信號，有效地減少導通損耗，實現無沖擊、無導通損耗的補償式調壓。
最後應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其 限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術 人員應當理解其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者 對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些^^改或者替換，並不使相應技術
方案的本質脫離本發明實施例技術方案的精神和範圍。
權利要求
1、一種補償變壓器式調壓裝置，其特徵在於，包括補償電壓器組、複合開關和系統控制器；所述補償變壓器組以串聯的方式連接在電源與負載之間，其中每個補償變壓器的高壓繞組的每個端子由兩個複合開關交替控制；所述複合開關的投切狀態由所述系統控制器來控制；所述系統控制器根據負載的輸出電壓和用戶輸入的期望電壓確定所述複合開關的投切組合，並根據所述投切組合向所述複合開關發送投切信號。
2、 根據權利要求l所述的裝置，其特徵在於，所述複合開關包括開關功 率迴路和開關控制迴路，所述開關控制迴路與所述系統控制器共同控制所述複合開關的投切狀態。
3、 根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述開關功率迴路由雙向 晶閘管和繼電器並聯構成，或者所述開關功率迴路由兩隻反並聯晶閘管和接 觸器並聯構成。
4、 根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述複合開關還包括開關 端電壓糹企測電路，所述開關端電壓#企測電路檢測所述複合開關的開關狀態， 將所述複合開關的開關狀態發送到所述開關控制迴路。
5、 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述複合開關的投切狀態 根據檢測到的所述開關狀態、所述投切信號和預設的投切時序來控制。
6、 根據權利要求l所述的裝置，其特徵在於，所述補償變壓器組中補償 變壓器的個數和每個補償變壓器的變比根據最大調節電壓容量範圍和最小調 節電壓等級來確定。
7、 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述補償變壓器式調壓裝 置為單相雙線式補償變壓器式調壓裝置或三相四線式補償變壓器式調壓裝 置。
8、 一種補償變壓器式調壓方法，其特徵在於，包括系統控制器根據確定的複合開關的投切組合向所述複合開關發送投切信號；複合開關的微處理器根據檢測到的開關狀態、所述投切信號和預設的投 切時序控制所述複合開關的投切狀態；所述複合開關的微處理器根據所述複合開關的投切狀態調節所述負載的車lr出電壓。
9、 根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，還包括 所述系統控制器根據所述負載的輸出電壓和用戶輸入的期望電壓確定所述複合開關的投切組合。
10、 根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述複合開關的微處理 器根據所述複合開關的投切狀態調節所述負載的輸出電壓包括所述複合開關的微處理器根據所述複合開關的投切狀態控制補償變壓器 組中各變壓器的副邊繞組的電壓極性，通過所述補償變壓器組中各變壓器的 副邊繞組的電壓極性調節所述負載的輸出電壓。
全文摘要
本發明公開了一種補償變壓器式調壓方法和裝置，其中裝置包括補償變壓器組、複合開關和系統控制器；所述補償變壓器組以串聯的方式連接在電源與負載之間，其中每個補償變壓器的高壓繞組的每個端子由兩個複合開關交替控制；所述複合開關的投切狀態由所述系統控制器來控制；所述系統控制器根據負載的輸出電壓和用戶輸入的期望電壓確定所述複合開關的投切組合，並根據所述投切組合向所述複合開關發送投切信號。本發明還提供了一種補償變壓器式調壓方法。本發明可以消除調壓裝置在開關投切過程中產生的過電壓衝擊，有效地減少導通損耗。
文檔編號G05F1/10GK101581946SQ20091008729
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月15日 優先權日2009年6月15日
發明者唐雲峰, 杜海江, 楊仁剛, 王文成, 趙鳳展 申請人:中國農業大學