三相電流平衡器的製作方法

2023-04-28 19:09:26

專利名稱：三相電流平衡器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力三相供電系統的用戶負載三相電流平衡裝置。
技術背景電力供電系統都是三相供電制，系統要求負載是三相平衡的，即三相電流數值一 樣，相位相差120度。但許多都是單相負載，如城市照明和生活用電以及工業生產中大量單 相設備。如工頻感應爐、電渣爐、鹽浴爐、電焊機等。雖然可以將單相負載調整到三相電路 中，也可以加電感和電容器使單相負載成為平衡的三相負載。如工頻感應爐中的功率平衡 器，圖1為該設備的原理圖和向量圖。但是由於單相電器用電的不同步和加裝功率平衡器 後負載的變化都會引起電流的不平衡，所以不平衡總是存在的。三相電壓或電流不平衡產生的主要危害1、旋轉電機在不對稱狀態下運行，會使轉子產生附加損耗及發熱，從而引起電機 整體或局部升溫，此外負序電流的反向磁場產生附加力矩會使電機出現振動。對發電機而 言，在定子中還會形成一系列高次諧波。2、引起以負序分量為啟動元件的多種保護髮生誤動作，直接威脅電網運行。3、不平衡電壓使矽整流設備出現非特徵性諧波。4、對發電機、變壓器而言，當三相負荷不平衡時，如控制最大相電流為額定值，則 其餘兩相就不能滿載，因而設備利用率下降，反之如要維持額定容量，將會造成負荷較大的 一相過負荷，而且還會出現磁路不平衡致使波形畸變，設備附加損耗增加等。5、在三相四線制供電線路中不平衡電壓會造成零點漂移，使相電壓降低或升高， 連接在電壓降低那一相的電器無法工作，連接在電壓升高相的電器就會燒毀。6、不平衡的三相系統，存在大量的諧波和無功。不僅對用電設備造成危害，而且也 增加了能耗。作為供電系統除了滿足電能的供求需要外，也必須保障供電系統及用戶對電能質 量的要求。電能是電力系統的唯一產品，電能質量的好壞，直接影響到電網和工業生產，及 人民生活的正常秩序。大量非線性設備及負荷的幹擾會使電網電能質量下降，其對電網及 用戶的危害是多方面的，嚴重時會造成設備損壞和電網事故
實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種能動態補償負序、零序電流，使負載的電流平衡的 三相電流平衡器。本實用新型是這樣實現的本實用新型三相電流平衡器，變壓器通過三相線和零線與不平衡負載連接，每相 線上有電流互感器與單片機的輸入連接，每相線分別與零線通過電壓互感器與單片機的輸 入連接，單片機的輸出分別與負序A相電壓逆變器、負序B相電壓逆變器、負序C相電壓逆 變器，第1-3零序電壓逆變器連接，A相線與負序A相補償電流發生器，負序A相電壓逆變器和第1零序電壓逆變器連接，B相線與負序B相補償電流發生器、負序B相電壓逆變器和 第2零序電壓逆變器連接，C相線與負序C相補償電流發生器、負序C相電壓逆變器和第3 零序電壓逆變器連接，負序A相電壓逆變器與負序A相補償電流發生器連接，負序B相電壓 逆變器與負序B相補償電流生器連接，負序C相電壓逆變器與負序C相補償電流發生器連 接，第1-3零序電壓逆變器分別與對應的第1-3零序補償電流生器連接。所述的六個電壓逆變器的結構相同，由直流電橋、濾波電容和四隻絕緣門極晶體 管組成，直流電橋由四隻二極體1組成，其輸入分別接相線和零線，其輸出接並聯的濾波電 容2和兩個絕緣門極電晶體串聯電路，兩串聯電路的串連處各有一輸出線與補償電流發生 器輸入端連接，四隻絕緣門極晶體的門極各與單片機的一輸出端連接，六個補償電流生器 的結構相同，由變壓器組成、變壓器的一次繞組與電壓逆變器的輸出端連接，二次繞組的一 端與零線連接，另一端經電力電容器5與對應的相線連 接。本實用新型在於將電力系統中的三相不對稱的電流或電壓，按照對稱分量法分析 出其中的負序分量和零序分量。然後用由計算機控制的大功率的逆變器產生與系統中的負 序分量和零序分量大小相等、相位相反的兩組分量，完全抵消了引起系統不平衡的負序和 零序電流。這樣在任何時候系統都是對稱的，平衡的。這就是動態補償負序、零序電流的三 相電流平衡器。為了能說明問題，下面簡單地介紹對稱分量法的原理。對稱分量法的原理是把一組不對稱的三相電壓或電流看成是三相對稱的電壓或 電流的疊加，後者稱為前者的對稱分量。見圖3。圖3中a，b和C，是三相互不相關的三相電流，它們都是三相對稱的，但是有不同的 相序。在圖3-a中，iA領先iB120°，iB領先i。120°，這種相序關係稱為正相序，或稱正序； 在圖3-b中，iA領先i。120°，i。領先iB120°，這種相序關係稱為負相序，或稱負序；在圖 3-c中三相電流都同相，不分先後，稱為零序。正序、負序和零序的值分別在上角注以「 + 」、 「_」及「0」的符號。如果這三組對稱的電流同時存在在一系統中，它們的合成電流如圖3-d 中所示，將是一組三相不對稱的電流，其中iA = i+A+rA+i0A，iB = i+B+i—B+i、，(i)ic = i.c+rc+i0c，因此可以看出，三相對稱的但相序不同的分量電流疊加在一起時可以得到一組三 相不對稱的的電流。反過來，任何一組不對稱的三相電流可以分析出一定的三相對稱分量。從圖3可 以看出，各相序分量中各相電流之間的關係是i+B = a2i+A, i+c = ai+A,ΓΒ = arA，i: = a2rA，(2)i°A = i°B = i°c上式中的符號a是複數運算符號，a=yf，它的作用是使一個向量向前轉120°。將 上列關係帶入式(1)，就得iA = i+A+rA+i0A，iB = a2i+A+arA+i。A，(3)[0030] 用上式可以從不對稱的三相電流iA、找出A相的各對稱分量值i+A、&和 i°A,即 因為各相序分量都是對稱的，找出A相的分量以後，B相和C相的分量就可以根據 式(2)來確定。為了進一步說明電流補償的原理，以補償系統A相負序電流為例(忽略限流電阻 6的電壓降)，圖7中！^為系統中A相負序電壓，為逆變變壓器二次繞組電壓，為電 容器電壓，^為系統中A相負序電流，i_Ae為電容器電流，^為A相負載的負序電流，其中的關 係為
...........................· (5)
........................· (6)根據公式(5)為了使系統中的 _Α=0，即有 & = — Μ，於是根據公式(6)可求出逆 變器輸出電壓 Ε:
:......... (7)變壓器在這裡具有兩個作用1、逆變器輸出的是脈寬調製波，要成為正弦波，必須要連接電抗器進行濾波。變壓 器的電感即可以將脈寬調製波(PWM波)轉變為正弦波。使用變壓器就可省去電抗器。2、變壓器二次繞組可以與逆變器隔離。電容器提供的容性補償電流，既抵消了系統中的負序電流和零序電流，使系統達 到平衡；又補償了系統中的感性無功電流，提高了系統的功率因數。綜上所述，本實用新型有以下特點利用計算機檢測用電系統中的負序電流和零序電流，再由計算機控制逆變器產生 大小相同、相位相反的負序和零序補償電流。實現了動態補償的功能，徹底解決了用戶三相 電流不平衡的問題。

圖1為功率平衡器原理及向量圖。圖2為本實用新型的原理框圖。圖3為對稱分量法的原理向量圖。圖4為單相電壓逆變器原理圖。圖5為負序、零序補償電流向量圖。[0052]圖6為補償電流發生器原理圖。圖7為電流補償原理圖。圖中序號說明(1)矽整流二極體(2)電解電容器(3)絕緣門極電晶體(簡稱IGBT)(4)雙繞組變壓器(5)電力電容器(6)限流電阻
具體實施方式
圖2框圖中的單片機8031將電流互感器的二次電流及電壓互感器的二次電壓，經 用對稱分量法將三相不平衡電流中的負序電流、零序電流處理後，通過FPGA接口轉變為控 制信號Ql Q16。其中Ql Q4、Q5 Q8、Q9 Q12分別控制三個單相逆變器，以產生三 相負序電壓；將Q13 Q16這一組信號中的每一個信號又一分為三，形成三組Q13 Q16控 制信號分別控制另外三個單相逆變器，以產生三個相同的零序電壓。六個逆變器都是相同結構，其原理圖如圖4。從電網取得的單相220V交流電經橋 式整流後變為直流，再經電解電容去除紋波，然後由四隻絕緣門極電晶體(簡稱IGBT)逆變 為50赫茲的單相交流電壓。IGBT的門極的導通信號由單片機8031發出。六隻單相逆變器分別輸出不同相位和幅值的、滿足產生負序電流和零序電流需要 的電壓。逆變器的負載就是補償變壓器——電容器組合。補償變壓器的一次繞組與逆變器 的輸出端相連，二次繞組一端與系統的零線連接，另一端通過電力電容器與系統的相對應 的相線連接，不同相位和大小的容性補償電流便流入系統。
權利要求三相電流平衡器，其特徵在於變壓器通過三相線和零線與不平衡負載連接，每相線上有電流互感器與單片機的輸入連接，每相線分別與零線通過電壓互感器與單片機的輸入連接，單片機的輸出分別與負序A相電壓逆變器、負序B相電壓逆變器、負序C相電壓逆變器，第1-3零序電壓逆變器連接，A相線與負序A相補償電流發生器，負序A相電壓逆變器和第1零序電壓逆變器連接，B相線與負序B相補償電流發生器、負序B相電壓逆變器和第2零序電壓逆變器連接，C相線與負序C相補償電流發生器、負序C相電壓逆變器和第3零序電壓逆變器連接，負序A相電壓逆變器與負序A相補償電流發生器連接，負序B相電壓逆變器與負序B相補償電流生器連接，負序C相電壓逆變器與負序C相補償電流發生器連接，第1-3零序電壓逆變器分別與對應的第1-3零序補償電流生器連接。
2.根據權利要求1所述的三相電流平衡器，其特徵在於所述的六個電壓逆變器的結 構相同，由直流電橋、濾波電容和四隻絕緣門極電晶體組成，直流電橋由四隻二極體(1)組 成，其輸入分別接相線和零線，其輸出接並聯的濾波電容(2)和兩個絕緣門極電晶體串聯 電路，兩串聯電路的串連處各有一輸出線與補償電流發生器輸入端連接，四隻絕緣門極晶 體的門極各與單片機的一輸出端連接，六個補償電流生器的結構相同，由變壓器組成、變壓 器的一次繞組與電壓逆變器的輸出端連接，二次繞組的一端與零線連接，另一端經電力電 容器(5)與對應的相線連接。
專利摘要本實用新型為三相電流平衡器，解決用戶三相電流不平衡的問題。變壓器通過三相線和零線與不平衡負載連接，每相線上有電流互感器與單片機的輸入連接，每相線分別與零線通過電壓互感器與單片機的輸入連接，單片機的輸出分別與負序A相電壓逆變器、負序B相電壓逆變器、負序C相電壓逆變器，第1-3零序電壓逆變器連接，A相線與負序A相補償電流發生器，負序A相電壓逆變器和第1零序電壓逆變器連接，B相線與負序B相補償電流發生器、負序B相電壓逆變器和第2零序電壓逆變器連接，C相線與負序C相補償電流發生器、負序C相電壓逆變器和第3零予電壓逆變器連接，負序A相電壓逆變器與負序A相補償電流發生器連接，負序B相電壓逆變器與負序B相補償電流生器連接，負序C相電壓逆變器與負序C相補償電流發生器連接，第1-3零序電壓逆變器分別與對應的第1-3零序補償電流生器連接。
文檔編號H02J3/26GK201594745SQ201020037678
公開日2010年9月29日 申請日期2010年1月12日 優先權日2010年1月12日
發明者劉代青, 劉江 申請人:成都盛翔航天科技開發有限責任公司