一種新型節能電力調節器的製作方法

2023-07-19 02:00:51 1

專利名稱：一種新型節能電力調節器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電能轉換技術領域，特別涉及一種自身功耗較小、可以 調節電壓幅值和相角以平衡三相電壓的、帶有串聯可變電容的電力調節 器及其電力調節方法。
背暈技術
由於電網中的非線性負荷、大功率可控整流裝置以及電力電子器件 的不斷增加，使公用電網的波形產生了嚴重畸變，這對電網的安全運行 或對一些敏感用戶的正常生產，產生了較大的影響，尤其是三相不平衡 問題。
三相不平衡是指三相電源各相的電壓不對稱。是各相電源所加的負 荷不均衡所致，屬於基波負荷配置問題。發生三相不平衡即與用戶負荷 特性有關，同時與電力系統的規劃、負荷分配也有關。三相不平衡問題 的負面影響主要體現在以下兩點
1、對用電設備的影響。三相電壓不平衡的發生將導致達到數倍電 流不平衡的發生。誘導電動機中逆扭矩增加，從而使電動機的溫度上升， 效率下降，能耗增加，發生震動，輸出虧耗等影響。各相之間的不平衡
會導致用電設備使用壽命縮短，加速設備部件更換頻率，增加設備維護 的成本。斷路器允許電流的餘量減少，當負載變更或交替時容易發生超 載、短路現象。中性線中流入過大的不平衡電流，導致中性線增粗。
82、對線損的影響。三相四線制結線方式，當三相負荷平衡時線損最
小；當一相負荷重，兩相負荷輕的情況下線損增量較小；當一相負荷重， 一相負荷輕，而第三相的負荷為平均負荷的情況下線損增量較大；當一 相負荷輕，兩相負荷重的情況下線損增量最大。當三相負荷不平衡時， 無論何種負荷分配情況，電流不平衡度越大，線損增量也越大。
為了解決三相電壓不平衡的問題，通常使用基於zig-zag變壓器的三 相平衡系統，這種方法的不足之處是大容量的變壓器體積很大。
另外，接在電網中的大多數用電設備是利用電磁感應實現能量轉換 和傳遞的感性負載。其中有很多大功率電器產品，如變壓器、電動機、 壓縮機、繼電器、日光燈等等。感性負載在各種負載中的比例一般佔到 99。％，引起了負載電路中的電壓相角的很大變化，必須進行調整以保證 電路的足夠功率因數。
為了調節電壓幅值和相角，就需要在電路中安裝穩壓器和相角調節 器。在使用電容進行無功補償時，根據電容與負載的聯接關係可分為兩 種補償方式並聯電容補償和串聯電容補償。
以感性負載中的變壓器為例，如圖1所示，在進行電容無功補償時， 現有技術中在變壓器輸出端首先連接有穩壓器(圖中未示)通常使用並 聯電容補償的方法，在穩壓器輸出端並聯了電容，圖l虛線框表示感性 負載變壓器的等效負載，通過在負載電壓輸入端並聯加入一個固定值的 電容C可以提高一些功率因素，但是這種方法的不足在於因為電容C是
並聯在負載輸入端的，它可以淨化電網，保證負載對電網無汙染，但是 卻不能補償負載迴路的電感量，也就不能提高負載迴路內部的功率因 數。
如圖1所示，在使用負載端並聯電容補償的時候，通過調整電容的電流Ic，可以使電網的輸出電壓和輸出電流In達到同相，即電網側沒有
無功功率。然而負載的電流L本身沒有變化，不能解決負載裡無功電流
的問題。如圖2所示，在使用串聯電容補償時，改變電容使In中無功電 流減小時，由於負載中的電流就是In，負載中的無功電流同樣減小了。 然而串聯無功補償的不足之處在於當調節電容C進行無功補償時，由 於電容是串聯在負載迴路中的，這會引起負載兩端的電壓幅值發生變 化。所以，雖然串聯電容的方法具有補償負載迴路中無功功率的優點， 但是還是未得到採用。
因此，如果有一種新技術，既能夠解決三相電壓幅值不平衡的問題、 又能夠調節三相電壓相角、還具有無功補償的優點，勢必是業界所期望 的。

發明內容
本發明的目的是提供一種電力調節電路、調節器及其電力調節方 法，通過在三相電路中的穩壓器中串聯可變電容單元，可以平衡三相電 壓，即使三相電壓既可達到幅度相等，又可相互相角相差120度。
為了實現上述目的，本發明提出了以下幾種技術方案
首先是一種交流電力調節器 1、 一種交流電力調節器，連接於三相交流電力系統的每一相電路的負 載側中，在所述每一相電路的負載側所述交流電力調節器至少包括 穩壓器，具有變壓比d'，與所述每一相電路的輸出端相連接，用於調 節本相電路的輸出電壓的幅值；在所述每一相電路的負載側所述交流電 力調節器還包括可變電容單元，串聯連接於所述穩壓器輸出端，所 述可變電容單元包括相互並聯的具有變壓比d的交流斬波器和電容
10(Cl);以及控制單元，與每一相電路的所述穩壓器和所述可變電容單 元相連接，通過調整每一相穩壓器的變壓比d'和所述交流斬波器的變 壓比d，而使三相電路的輸出電壓具有相同幅值以及相互之間的相角差 為120度。
2、 所述穩壓器和所述可變電容單元的交流斬波器分別為交流
buck/boost斬波器。
3、 所述交流buck/b00St斬波器包括電力開關管；所述電力開關管由以
下電晶體器件之一和二極體組成雙極型結型電晶體、IGBT、金屬氧化
物場效應管、磁控管、或門控斷流器。
4、 所述交流buck/boost斬波器由4個固態開關組成，每個所述固態開關 包括IGBT和二極體，所述控制器通過產生不同佔空比的P麗信號控制這 些所述固態開關的導通與斷開時間，進而調整所述穩壓器的變壓比d' 和所述交流斬波器的變壓比d。
5、 在所述每一相電路的負載側所述交流電力調節器還包括
變壓器，變壓比為a，所述可變電容單元串聯連接於所述穩壓器輸出端 與所述變壓器的初級線圈之間，所述變壓器的次級線圈串聯在每一相電 路和負載之間，用於對本相電路的輸入電壓進行補償。
6、所述控制單元還包括採樣電路，採樣所述工頻變壓器一次側
輸入電流I2、所述三相交流電力系統的輸入電壓VS;信號處理電路，接 收所述採樣電路所採樣的信號並進行模數轉換；以及控制電路，分別計 算A、 B、 C相輸入電壓Vs的相角6a、 0b、 9c，從而計算出每兩者之間
的相角差分別為0ab、 ebe、 e^，各相需要調整的相角即下面式3中的e分別
為，各相輸出電壓與輸入電壓之間的相角差；另一方面，計算出一次側 輸入電流l2中與Vs同相角的分量^，以及比Vs超前90度的分量I加，各相輸出電壓Vout需要調整的幅值即下面式4中的A由三相電系統中的額定 電壓確定，然後通過下面的式3和式4即可得出需要調整的d和d'的值
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wC 1
(式4)
上式中以輸入電壓Vs的相角為參考相角，即Vs的相角為0 ，其中L 為所述交流斬波器的輸出濾波電路中的電感，w為交流電壓角頻率。
7、 一種交流電力調節電路，連接於三相交流電力系統的每一相電路的' 負載側中，在所述每一相電路的負載側所述交流電力調節電路至少包 括穩壓器，具,變壓比d'，與所述每一相電路的輸出端相連接，用 於調節本相電路的輸出電壓的幅值；在所述每一相電路的負載側所述交 流電力調節電路還包括可變電容單元，串聯連接於所述穩壓器輸出 端，所述可變電容單元包括相互並聯的具有變壓比d的交流斬波器和電 容(Cl);以及控制單元，與每一相電路的所述穩壓器和所述可變電容 單元相連接，通過調整每一相穩壓器的變壓比d'和所述交流斬波器的 變壓比d，而使三相電路的輸出電壓具有相同幅值以及相互之間的相角 差為120度。
8、 所述穩壓器和所述可變電容單元的交流斬波器分別為交流 buck/boost斬波器。
9、 所述交流buck/boost斬波器包括電力開關管；所述電力開關管由以 下電晶體器件之一和二極體組成雙極型結型電晶體、IGBT、金屬氧化 物場效應管、磁控管、或門控斷流器。10、 所述交流buck/boost斬波器由4個固態開關組成，每個所述固態開 關包括IGBT和二極體，所述控制器通過產生不同佔空比的P麗信號控制 這些所述固態開關的導通與斷開時間，進而調整所述穩壓器的變壓比 cT和所述交流斬波器的變壓比d。
11、 在所述每一相電路的負載側所述交流電力調節電路還包括變壓器，
變壓比為a，所述可變電容單元串聯連接於所述穩壓器輸出端與所述變 壓器的初級線圈之間，所述變壓器的次級線圈串聯在每一相電路和負載 之間，用於對本相電路的輸入電壓進行補償。
12、 所述控制單元還包括採樣電路，採樣所述工頻變壓器一次側輸入 電流12、所述三相交流電力系統的輸入電壓V^信號處理電路，接收所 述採樣電路所採樣的信號並進行模數轉換；以及控制電路，分別計算A、 B、 C相輸入電壓Vs的相角9a、 9b、 9 c，從而計算出每兩者之間的相
角差分別為9ab、 ebe、 eea，各相需要調整的相角即下面式3中的e分別為，
各相輸出電壓與輸入電壓之間的相角差；另一方面，計算出一次側輸入 電流l2中與Vs同相角的分量^，以及比Vs超前90度的分量Ih，各相輸出 電壓Vout需要調整的幅值即下面式4中的A由三相電系統中的額定電壓 確定，然後通過下面的式3和式4即可得出需要調整的d和d'的值formula see original document page 13上式中以輸入電壓Vs的相角為參考相角，即Vs的相角為0 ，其中L 為所述交流斬波器的輸出濾波電路中的電感，w為交流電壓角頻率。13、 一種三相交流電路的電壓調節方法，用於調節如權利要求l-7所述
的交流電力調節器三相輸出電路的電壓幅值和相角，或者用於調節如權
利要求8-14所述的電路中的三相輸出電路的電壓幅值和相角，包括如下 步驟(a)採樣所述工頻變壓器一次側輸入電流12、所述三相交流電力
系統的輸入電壓VS; (b)接收所述採樣信號並進行模數轉換；(C)通過 調整穩壓器的變壓比d'和所述交流斬波器的變壓比d，而使三相電路的
輸出電壓具有相同幅值以及相互之間的相角差為120度。
14、 在步驟(c)中所述控制電路通過產生不同佔空比的PWM信號控制這 些所述固態開關的導通與斷開時間，進而調整所述穩壓器的變壓比d' 和所述交流斬波器的變壓比d。
15、 在步驟(c)中所述控制電路執行下列步驟
①分別計算A、 B、 C相輸入電壓Vs的相角6a、 eb、 9c，從而計算
出每兩者之間的相角差分別為eab、 ebe、 eea，各相需要調整的相角即下面 式3中的e分別為，各相輸出電壓與輸入電壓之間的相角差；②計算出一
次側輸入龜流I2中與VS同相角的分量k，以及比Vs超前90度的分量l2m，
各相輸出電壓Vout需要調整的幅值即下面式4中的A由三相電系統中的 額定電壓確定；③然後通過下面的式3和式4即可得出需要調整的d和d' 的值
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(式3)
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(式4)
上式中以輸入電壓Vs的相角為參考相角，即Vs的相角為O ，其中L為所述交流斬波器的輸出濾波電路中的電感，W為交流電壓角頻率。
16、步驟①中使用鎖相環模塊計算所述相角；步驟①中通過有效值計算
模塊計算出各相輸入電壓Vs的有效值。
本發明通過在交流三相供電電路中，在串聯工頻變壓器對輸入電壓 進行補償的基礎上,串聯了一個可變電容單元,可以調整輸出端的三相電 壓的幅值和相角,從而平衡三相電壓，進而對負載進行無功補償，消除了 感性負載對電路的影響，很大程度上減少了無功功率的損耗，提高了功 率因數。


圖l是現有技術的並聯電容補償方法的原理示意圖。 圖2是串聯可變電容補償方法的原理方框圖。
圖3是本發明的具有串聯可變電容補償電路的電力調節電路的原理 方框圖。
圖4是本發明的基於圖3原理的電力調節系統單相的結構示意圖。 -圖5是本發明的節能電力調節電路的三相電路拓撲圖。 圖6是本發明的節能電力調節器功能方框圖。
圖7是A相輸入電壓Vs和工頻變壓130—次側電流的幅值和相角的計 算方法示意圖。 '
圖8是計算各相輸入電壓之間相角差的計算方法示意圖。
具體實施例方式
本發明的技術原理主要是在三相電系統中的負載側，採用串聯工頻變壓器對輸入電壓進行補償，同時串聯了一個穩壓器、還串聯了一個 可變電容單元,既可以調整輸出端的三相電壓的幅值同時還可調節相角, 這樣不僅穩定了輸出電壓，而且可以平衡三相電壓。
基於上述原理，本發明提出了一種電力調節器電路設計模型如圖3
所示，需要說明的是，圖3所示只是本發明三相電系統中的其中單相負載
側的等效示意圖，本發明實際使用中是針對三相電路的。
圖3中Vs代表電網供電電壓、LS代表電網端變壓器等效電感。虛線 框即指本發明的電力調節器100，它包括兩個部分穩壓器110，用於電 壓幅值的調節；以及在穩壓器110的輸出端串聯了可變電容120，用於相 角的調節。
為了實現圖3所示的原理結構，本發明提出了一個具體實施例，如 圖4為本發明的電力調節電路用於單相電力調節系統的結構示意圖，該 實施例中採用了交流buck/boost斬波器，下面先就buck/boost電路做出 適用於本發明的定義
其中buck電路的基本原理電源通過一個電感給負載供電，同時電 感儲存一部分能量，然後將電源斷開，這個過程稱之為斬波，只由電感給 負載供電。如此周期性的工作，通過調節電源接通的相對時間，來實現 輸出電壓的調節。
而boost電路的基本原理電源先給電感儲能，然後，將儲了能的 電感，-當作電源，與原來的電源串聯，從而提高輸出電壓。如此周期性 的重複。
Buck/boost電路是採用斬波的方式實現電壓升壓和降壓調整的電 路。根據buck/boost電路工作的輸入電壓，又分為直流buck/boost電路 和交流buck/boost電路。本發明使用的交流buck/boost斬波器由電力開
16關器件構成，通過控制開關的導通和斷開來實現對輸入電壓的斬波，從 而實現對輸出電壓的控制。對輸入電壓斬波通常是採用一種脈寬調製 (PWM)信號來控制的，信號的佔空比D決定了輸出電壓的大小，設交流
buck/boost斬波器的輸入電壓為Vi，輸出電壓為Vo，控制開關的P觀信 號的佔空比為D，則輸出電壓由下式給出
Vo=ViXD
正如本領域的技術人員所知，交流buck/boost斬波器的拓撲結構和 控制方法是多種多樣的，本發明中採用的交流buck/boost斬波器並不局
限於某一種拓撲結構和控制方法。
為了說明本發明的技術方案，本發明採用了向量的方法表示電壓和 電流。需要說明的是，本發明採用的是有效值向量的表示方法，即電壓 或電流在用複數向量表示時，向量的模為電壓或電流的幅值，電壓或電 流的幅值為有效值的v^倍。 ，
圖4為本發明的一個實施例，是本發明的電力調節電路用於單相電
力調節系統的結構示意圖，在該實施例中，本發明通過將一個交流
buck/boost斬波器和一個電容並聯，而起到一個可變電容的作用。
其中穩壓器110由交流buck/boost斬波器A實現，工頻變壓器130將 穩壓器產生的補償電壓串聯到電網與負載之間，採用補償式穩壓的方 法。而可變電容120則由交流buck/boost斬波器B與電容Cl並聯實現，交 流buck/boost斬波器B的作用是將輸入電壓改變後輸出，我們設交流 buck/boost斬波器B的輸入電壓為V^輸入電流為I,，輸出電壓為V2，輸 出電流為12，交流buck/boost斬波器B輸出端等效電容為C2，即交流 buck/boost斬波器B可以相當於一種變壓器，輸入輸出電壓Vi， V2比值為1: d，即"—"；交流buck/b00St斬波器B輸人阻抗為 >C1，輸出
丄
等效阻抗為 。其中j是虛數單位，W是交流電壓角頻率，那麼可
以得到以下各式
根據變壓器的性質可得
formula see original document page 18
因為 formula see original document page 18
所以formula see original document page 18
可以看到，當Cl和交流電壓角頻率w為固定值時，交流buck/boost 斬波器B輸出端等效阻抗Z2是根據變壓比d變化的，所以說可以通過改變 交流buck/boost斬波器B的變壓比d，來改變電容C2的大小。交流 buck/boost斬波器B輸出端就是一個等效的可變電容，也就得到了可變 電容120，其值即C2。
在圖4中V3是交流buck/boost斬波器A的輸入電壓，V3等於電網輸入 電壓Vs， V4是交流buck/boost斬波器A的輸出電壓。交流buck/boost斬
波器A的變壓比為^:^。
由上述內容可得Cl和交流buck/boost斬波器B構成可變電容C2， 現在設輸入電壓向量Vs的相角為O，由於補償迴路中的電流I2由有功電流和無功電流兩部分組成，12與VS之間就有一個相角差，用複數的形式表 示向量12可以得到I2=I2r十jI加其中l2r分量為與Vs同相位電流分量，I2m
分量為比VS相位超前90度的電流分量。那麼可以得出補償電壓^由V4、 V2和電感上電壓VL三部分構成，具體如下
將上述三者相加，得到補償電壓^:
,=r4+r2+K=化+/2 (~^+/wi)
f ，C2 其中L是斬波器的輸出濾波電路中的電感，如圖4所示。
將I2用虛數表示，則^':
"""丄-(式D 設工頻變壓器130的變壓比為a，那麼工頻變壓器二次側電壓 L^"^，根據圖4所示，並代入式l可以得出電力調節器輸出電壓為
V0Ut:
FOW = Fs + Ksec = " + "r戸=(1 + + 。/2,"(丄—+ >/2r(w—_
2 2
C2』
將 w代入，貝u
Kow = (1 + 。W)Ks + a/2m_ w丄)+ j"/2r (W￡ _ 4)
wCl wCl (式2)
。在式2中，Vs是電網電壓由採樣裝置測得，電流I2是工頻變壓器一
次側電流也由採樣裝置測得，Cl是固定電容。根據式2，在已知I2向量
的情況下，控制d和d'即可控制Vout的幅值和相角。
根據向量的相角和幅值的定義，以輸入電壓Vs的相角為參考相角，
19vs相角為o，輸出電壓vout的相角e——即本發明需要調整的角度——由
下式給出
0 = arctan
a/2, (w丄-
(1 + + a/2ff) (--w丄)
(式3)
輸出電壓Vout幅值A為
(1 + a6r)R + a/2;H (■
+
(式4)
由式3和式4可以得出使用本發明的電力調節器，可以通過調整 交流buck/boost斬波器A和B的變壓比d'和d，來改變輸出電壓的相角和
幅值。其中式3中的e是輸出電壓相對於輸入電壓需要調整的角度，而
式4中的A則是輸出電壓的幅值。
圖4是一個單相的電路框圖，只是用來解釋調壓和調相的原理的， 是圖5的一部分，因為在本發明中，調相的主要目的是使三相電壓平衡 (幅度相等，角度相差120度)，對單相電路來說是沒有意義的，所以圖 5才是本發明在實際應用中的示意圖，當然，本發明還需要通過比如控 制電路(圖4和圖5中未示)對三相的可變電容120都進行總體控制，容 後再述o
圖5為本發明的電力調節電路用於三相電力調節系統的結構示意 圖，其中交流buck/boost斬波器A的具體電路如圖5中110所示，圖5中120 由電容和交流buck/boost斬波器B構成，其中buck/boost斬波器B與110 電路相同。現以圖5中110為例說明一種適用於本發明的交流buck/boost 斬波器的電路結構。圖5中交流buck/boost斬波器A，交流buck/boost斬 波器B中的電力開關管可以通過電晶體器件和二極體組合實現，如BJT(雙極型結型電晶體)，IGBT ，或MOSFET(金屬氧化物場效應管)電晶體， 甚至是晶體閘流管如MET(磁控管)或GTO (門控斷流器)。在這裡圖5中我 們使用了IGBT作為開關進行說明，但也可以使用其他種類的電晶體作為 開關。在本發明的一個實施例中交流buck/boost斬波器由4個固態開關 組成，固態開關採用IGBT和二極體組成，二極體並聯於IGBT的集電極和 發射極之間，二極體的陰極與IGBT的集電極連接，我們稱這一端為開關 的陰極；二極體的陽極與IGBT的發射極連接，我們稱這一端為開關的陽 極。那麼，開關就可以控制從陰極到陽極方向的電流導通和斷開。構成 交流buck/boost斬波器的4個開關連接方式如下開關S1的陽極與開關 S2的陰極相連；開關S2的陽極與開關S3的陽極相連；開關S4的陽極與開 關S3的陰極相連；開關Sl和S4的陰極為交流buck/boost斬波器的輸入 端；開關Sl和S4的陽極為交流buck/boost斬波器的輸出端。控制器通過 控制這些開關的導通與斷開時間來控制交流buck/boost斬波器的變壓 比，在實施過程中可以使用P麗信號來控制開關的導通與斷開，P麗信號 的佔空比就決定了交流buck/boost斬波器的變壓比，即控制電路通過產 生不同佔空比的Pmi信號控制交流buck/boos t斬波器的變壓比。
以上是本發明的帶有串聯可變電容的電力調節電路的詳細說明，下 面進一步提出了帶有這樣的電路的電力調節器。
請看圖6是本發明的電力調節器功能方框圖。仍然需要說明的是， 圖6隻是單相示意圖，實際應用中三相分別包含了圖7所示的電路，即圖 6中的信號處理和控制電路要同時對三相進行數據採集並控制。根據圖 6，本發明的電力調節器主要包括-
採樣電路(1、 2)，採樣工頻變壓器130—次側輸入電流I2、電網輸 入電壓Vs。當然，在實際應用中，該採樣電路還採集包括電力調節器實
21際輸出電壓V0llt在內的其他信號，因與本發明的方法關係不大，在此略 去。
信號處理電路，接收上述採樣信號並進行模數轉換等處理； 控制電路，通過接收到的各相的輸入電壓計算出各相需要補償的電
壓幅值和相角，根據前面的公式3和4計算出交流斬波器的變壓比d和 d，，並確定輸出P麵的斬控比以控制各組電力開關管的通斷時間。從而 達到調壓的目的；本實施例中該控制電路採用了 m i c r o c h i p公司的 dispc6010作為控制器。
穩壓器IIO，由交流buck/boost斬波器A電路實現，根據控制電路 發出的指令調整其輸出和輸出的電壓比d';
可變電容120，由交流buck/boost斬波器B與電容Cl並聯，交流 buck/boost斬波器B根據控制電路發出的指令調節其輸出和輸出的電壓 比d，從而改變可變電容120的電容量。'
工頻變壓器(130)，將產生的補償電壓串聯到電網和負載之間，其 -一次側電壓為Vpri， 二次側電壓為Vsec。
控制電路通過對d和d'的控制達到對其中每一相電壓的幅值和相 角的控制，如前所述，在此不再贅述。
其基本工作原理採樣電路(1、 2)採樣工頻變壓器130—次側輸 入電流I2、電網輸入電壓Vs，這些採樣得到的值——每一相工頻變壓器 130—次側輸入電流I2和電網輸入電壓Vs都是向量，需要經過信號處理 後，才能得到各自的幅值和相角信息，並將這些信息傳送至控制電路。
以下以A相為例說明如何計算輸入電壓.Vs (g卩Va)和工頻變壓器一 次側電流I2 (即Ia)的幅值和相角。然後將計算出的Va和Ia的幅值和相 角數值代入式2，進而可表明A相輸出電壓向量Vout的幅值和相角可以通過d和d'來確定。
圖7是A相輸入電壓Vs和工頻變壓130—次側電流I2的幅值和相角的 計算方法，B相和C相的計算方法相同。圖7中Va是A相的輸入電壓信號Vs， 由採樣電路2獲取。Ia是A相工頻變壓器130—次側電流I2，由採樣電路l 獲取。通過有效值計算模塊801計算出電壓信號Va即Vs的有效值Varms， V^^v^即電壓va即vs的幅值。同時使用鎖相環(PLL)模塊802計算出 電壓Va的相角wt。
根據有效值計算模塊801和鎖相環(PLL)模塊802的計算結果，可
以將圖7中的Va用三角函數表示成「" = V^F^m^7"(iv《w是輸入電壓 的角頻率。同理也可以得到B相和C相的輸入電壓
電流Ia的角頻率w與Va的相同，兩者相角相差cpa，則Ia用三角函數可
以表示為J" = 4^"(M + %)， Ah為電流Ia的幅值，《Co觀為Ia與Va同
相的分量，4&7^。為Ia超前Va相位90度的分量。由於電流信號變化較快
而且含有諧波，在計算電流的幅值和相角時採用下述方法首先使用一 個帶通濾波器濾除Ia中的諧波。然後通過下述方法計算Ia與Va同相的分 量以及Ia超前Va相位90度的分量。 根據三角函數公式可得
To = 4&'" + 0。) = 4 )Coy & + Coy (wZ )57" pa ]
= 4 Cos pa S7" (wZ) + J,,'" P。Coi1 (wZ)
將Ia與Sin(wt)相乘可得
23會4Qw & — |^/aCos p。Ow (2wO +會O W" (2m^ ) =會O Pa
從上式可以看出Ia與Sin(wt)相乘後，其中*40>^。為直流分量，
因此將Ia與Sin(wt)相乘後再通過一個低通濾波器就可以得到 會4Ca^。，再乘以2就得到4C，。。
同理，將la與Cos(wt)相乘再通過一個低通濾波器並乘以2就可以得 到4^/^v公式如下
x Cos (wf) x 2 = 4Cos p。57" (M )Cos ) + 457" paCos (wf )2 「 JfoCos p"57w (2w。 +P + P"Cos (2w。 x 2
如果以Va的相角為參考相角，即設Va的相角為O， A相輸入電壓Vs (即Va)和工頻變壓器一次側電流I2 (即Ia)的值為^=^ "微； 12 = 4 +4 = 4。^。 。將這些計算得出的vs和j2帶入式2 後，A相輸出電壓向量Vout的幅值和相角就可以通過d和d'來確定了。
根據得到的A、 B、 C相輸入電壓「"二^^，^'"(w。、 = V^F^msS/w (M — 6>1) 、 Fc = V^Vcrms5V"(wf - 6> 2 )，可
以計算出各相之間的相角差，計算方法如圖8所示其中ea、 eb、 ec，分別 為A、 b、 c相的相角，其中ei二ea-eb， e2=ea-ec。 A相與b相電壓相角相 減得至ijA相和B相之間的相角差e^同理可得其他各相之間的相角差ebc、
0ca。由於三相電平衡時，應當是eab-ebc-eca^20。，而當三相輸入電壓之間相角差不為i2o。時，可以通過調整輸出電壓與輸入電壓之間的相角e
(即式3中的e)，而使輸出電壓之間相角平衡(相角相差120。)，例如， 以A相輸入電壓相角為參考相角，假設通過上述計算得出01=122°、 92=242°，， AB相之間相角偏差122。，而BC相之間相差120。，可以將A相 輸出電壓相角減小2°，即A相需要調整的角度為-2。，使得輸出電壓的
e^eb^e^i2(f。所以通過上述方法可以確定各相電壓需要調整的相角。
根據得到的各相輸入電壓VS和工頻變壓器一次側電流I2，以及各相
輸出電壓Vout需要調整的幅值和相角，通過式3和式4即可得出需要調整 的d和d'的值。現以計算A相中d和d，為例，說明具體的計算過程。設A 相輸出電壓Vout需要調整的相角為e3， A相輸出電壓Vout的額定電壓的 有效值為220V。當以Varms的相角為參考相角O時，式3、式4中的各向量 為乙=7歸；/2 =/2r+/2w =0<^+風"5—。°帶入式3、 4 則可以算出需要調整的d和d'。公式如下
夕3 = arctan
i/2
(1 + + (■
wZ)
(1 + ad + /a5Vw p。 --w丄)
wC 1
+
.B、 C兩相的電壓調整方法與上述過程相同。 綜上所述，本發明的電力調節器與市場上多數電力調節器相比，通 過串聯了可變電容，不僅可以調節三相電壓幅值，還可調節三相電壓的 相角，這樣從根本上達到平衡電壓的目的，消除了感性負載對電路的影 響，很大程度上減少了無功功率的損耗，提高了功率因素，是真正意義
25上的節能電力調節器。
雖然本發明已經參考其中的具體實施例進行了描述，但是本領域的 技術人員仍然可進行很多變通，改進等等。只要不超出本發明精神，都 應該在本發明的範圍內。
權利要求
1、一種交流電力調節器，連接於三相交流電力系統的每一相電路的負載側中，在所述每一相電路的負載側所述交流電力調節器至少包括穩壓器，具有變壓比d』，與所述每一相電路的輸出端相連接，用於調節本相電路的輸出電壓的幅值；其特徵是在所述每一相電路的負載側所述交流電力調節器還包括可變電容單元，串聯連接於所述穩壓器輸出端，所述可變電容單元包括相互並聯的具有變壓比d的交流斬波器和電容(C1)；以及控制單元，與每一相電路的所述穩壓器和所述可變電容單元相連接，通過調整每一相穩壓器的變壓比d』和所述交流斬波器的變壓比d，而使三相電路的輸出電壓具有相同幅值以及相互之間的相角差為120度。
2、 如權利要求l所述的交流電力調節器，其特徵是所述穩壓器和所述可變電容單元的交流斬波器分別為交流buck/boost斬波器。
3、 如權利要求2所述的交流電力調節器，其特徵是所述交流buck/boost 斬波器包括電力開關管；所述電力開關管由以下電晶體器件之一和二極 管組成雙極型結型電晶體、IGBT、金屬氧化物場效應管、磁控管、或門控斷流器。
4、 如權利要求3所述的交流電力調節器，其特徵是所述交流buck/boost 斬波器由4個固態開關組成，每個所述固態開關包括IGBT和二極體，所 述控制器通過產生不同佔空比的P麗信號控制這些所述固態開關的導通 與斷開時間，進而調整所述穩壓器的變壓比d'和所述交流斬波器的變 壓比d。
5、 如權利要求1或4所述的交流電力調節器，其特徵是在所述每一相 電路的負載側所述交流電力調節器還包括變壓器，變壓比為a，所述可變電容單元串聯連接於所述穩壓器輸出端 與所述變壓器的初級線圈之間，所述變壓器的次級線圈串聯在每一相電 路和負載之間，用於對本相電路的輸入電壓進行補償。
6、 如權利要求5所述的交流電力調節器，其特徵是所述控制單元還包 括採樣電路，採樣所述工頻變壓器一次側輸入電流12、所述三相交流 電力系統的輸入電壓VS;信號處理電路，接收所述採樣電路所採樣的信號並進行模數轉換；以及控制電路，分別計算A、 B、 c相輸入電壓Vs的相角e a、 eb、 ec， 從而計算出每兩者之間的相角差分別為eab、 ebe、 eea，各相需要調整的相 角即下面式3中的e分別為，各相輸出電壓與輸入電壓之間的相角差；另一方面，計算出一次側輸入電流I2中與VS同相角的分量I&，以及比Vs超前90度的分量121 ，各相輸出電壓Vout需要調整的幅值即下面式4中的A 等於三相電系統中的額定電壓的幅值，然後通過下面的式3和式4即可得 出需要調整的每一相的d和d'的值formula see original document page 3上式中以輸入電壓Vs的相角為參考相角，即Vs的相角為0 ，其中L為所述交流斬波器的輸出濾波電路中的電感，W為交流電壓角頻率。
7、 一種交流電力調節電路，連接於三相交流電力系統的每一相電路的 負載側中，在所述每一相電路的負載側所述交流電力調節電路至少包 括穩壓器，具有變壓比d'，與所述每一相電路的輸出端相連接，用於調 節本相電路的輸出電壓的幅值；其特徵是在所述每一相電路的負載側所述交流電力調節電路還包括 可變電容單元，串聯連接於所述穩壓器輸出端，所述可變電容單元包 括相互並聯的具有變壓比d的交流斬波器和電容(Cl);以及 控制單元，與每一相電路的所述穩壓器和所述可變電容單元相連接，通 過調整每一相穩壓器的變壓比d'和所述交流斬波器的變壓比d，而使三 相電路的輸出電壓具有相同幅值以及相互之間的相角差為120度。
8、 如權利要求7所述的交流電力調節電路，其特徵是所述穩壓器和所述可變電容單元的交流斬波器分別為交流buck/boost斬波器。
9、 如權利要求8所述的交流電力調節電路，其特徵是所述交流 buck/b00St斬波器包括電力開關管；所述電力開關管由以下電晶體器件之一和二極體組成雙極型結型電晶體、IGBT、金屬氧化物場效應管、磁控管、或門控斷流器。
10、 如權利要求9所述的交流電力調節電路，其特徵是所述交流buck/boost斬波器由4個固態開關組成，每個所述固態開關包括IGBT和 二極體，所述控制器通過產生不同佔空比的P麗信號控制這些所述固態 開關的導通與斷開時間，進而調整所述穩壓器的變壓比d'和所述交流 斬波器的變壓比d。 '
11、 如權利要求7或10所述的交流電力調節電路，其特徵是在所述每一相電路的負載側所述交流電力調節電路還包括變壓器，變壓比為a，所述可變電容單元串聯連接於所述穩壓器輸出端 與所述變壓器的初級線圈之間，所述變壓器的次級線圈串聯在每一相電 路和負載之間，用於對本相電路的輸入電壓進行補償。
12、如權利荽求ll所述的交流電力調節電路，其特徵是所述控制單元 還包括採樣電路，採樣所述工頻變壓器一次側輸入電流12、所述三相交流 電力系統的輸入電壓VS; -信號處理電路，接收所述採樣電路所採樣的信號並進行模數轉換；以及控制電路，分別計算A、 B、 c相輸入電壓Vs的相角ea、 eb、 ec， 從而計算出每兩者之間的相角差分別為e^ ebe、 eea，各相需要調整的相 角即下面式3中的e分別為，各相輸出電壓與輸入電壓之間的相角差；另一方面，計算出一次側輸入電流l2中與Vs同相角的分量^，以及比Vs超 前90度的分量I^，各相輸出電壓Vout需要調整的幅值即下面式4中的A 等於三相電系統中的額定電壓的幅值，然後通過下面的式3和式4即可得 出需要調整的每一相的d和d，的值formula see original document page 5上式中以輸入電壓Vs的相角為參考相角，即Vs的相角為0 ，其中L 為所述交流斬波器的輸出濾波電路中的電感，w為交流電壓角頻率。
13、 一種三相交流電路的電壓調節方法，用於調節如權利要求l-7所述的交流電力調節器三相輸出電路的電壓幅值和相角，或者用於調節如權利要求8-14所述的電路中的三相輸出電路的電壓幅值和相角，其特徵是包括如下步驟(a) 採樣所述工頻變壓器一次側輸入電流12、所述三相交流電力系 統的輸入電壓VS;(b) 接收所述採樣信號並進行模數轉換；(C)通過調整穩壓器的變壓比d'和所述交流斬波器的變壓比d，而使三相電路的輸出電壓具有相同幅值以及相互之間的相角差為120度。
14、 如權利要求13所述的電壓調節方法，在步驟(c)中所述控制電路通過產生不同佔空比的p麗信號控制這些所述固態開關的導通與斷開時 間，進而調整所述穩壓器的變壓比d'和所述交流斬波器的變壓比d。
15、 如權利要求13或14所述的電壓調節方法，所述控制電路執行下列步 驟① 分別計算A、 B、 C相輸入電壓Vs的有效值，以及A、 B、 C相輸入電壓Vs的相角ea、 eb、 ec，從而計算岀每兩者之間的相角差分別為0必、 ebc、 eea，各相需要調整的相角即下面式3中的e分別為，各相輸出電壓與 輸入電壓之間的相角差；② 計算出一次側輸入電流I2中與VS同相角的分量&，以及比Vs超前 90度的分量l2m，各相輸出電壓Vout需要調整的幅值即下面式4中的A由三 相電系統中的額定電壓確定； .③ 然後通過下面的式3和式4即可得出需要調整的d和d'的值formula see original document page 7(式3)formula see original document page 7(式4)上式中以輸入電壓Vs的相角為參考相角，即Vs的相角為0 ，其中L為所述交流斬波器的輸出濾波電路中的電感，w為交流電壓角頻率。
16、如權利要求15所述的電壓調節方法，其特徵是步驟①中使用鎖相環模塊計算所述相角；步驟①中通過有效值計算模塊計算出各相輸入電壓Vs的有效值。
全文摘要
本發明提供了一種電力調節電路、調節器及三相交流電路的電壓調節方法，其中交流電力調節器，連接於三相交流電力系統的每一相電路的負載側中，在串聯了穩壓器及工頻變壓器對輸入電壓進行補償的基礎上，還串聯了一個可變電容單元，通過調整每一相穩壓器的變壓比d』和所述交流斬波器的變壓比d，而使三相電路的輸出電壓具有相同幅值以及相互之間的相角差為120度。從而平衡三相電壓，進而對負載進行無功補償，消除了感性負載對電路的影響，很大程度上減少了無功功率的損耗，提高了功率因數。
文檔編號H02J3/18GK101588072SQ20081016721
公開日2009年11月25日 申請日期2008年10月15日 優先權日2008年1月11日
發明者徐雅梅 申請人:北京博旺天成科技發展有限公司