CN101581946A - 补偿变压器式调压方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种补偿变压器式调压方法和装置，其中装置包括补偿变压器组、复合开关和系统控制器；所述补偿变压器组以串联的方式连接在电源与负载之间，其中每个补偿变压器的高压绕组的每个端子由两个复合开关交替控制；所述复合开关的投切状态由所述系统控制器来控制；所述系统控制器根据负载的输出电压和用户输入的期望电压确定所述复合开关的投切组合，并根据所述投切组合向所述复合开关发送投切信号。本发明还提供了一种补偿变压器式调压方法。本发明可以消除调压装置在开关投切过程中产生的过电压冲击，有效地减少导通损耗。

Description

补偿变压器式调压方法和装置

技术领域

本发明涉及交流调压技术，尤其涉及一种补偿变压器式调压方法和装置。

背景技术

在包括单相220v线路和三相380v线路的低压配电网中，由于电网波动及负载投切频繁等原因，导致电压存在波动。如果负载电压过高，则导致损耗增加，且会对负载绝缘产生影响，如电机、灯具等负载；如果负载电压过低，则可能导致某些负载无法正常工作。当负载工作在额定电压以下时，可以产生节电的效果。因此，为了达到保护电器、降低损耗的目的，需要对配电网中的线路电压进行调节。

在现有技术中，除了可以通过调节配电变压器的分接开关来实现线路调压，其它的调压方法主要包括晶闸管相控调压式调压方法、电感调压式调压方法、自藕绕组抽头式调压方法和电压补偿式调压方法。其中，晶闸管相控调压式调压方法利用晶闸管的相控原理，通过控制导通角的大小，将供电输入电压的正弦波电压正负对称地切去一部分，从而降低了施加在照明电源上的电压平均值，达到节能的效果。电感调压式调压方法则在线路中串入电抗器，通过调节电抗值来实现降压，其包括有级调节和无级调节，有级调节通过控制接在各抽头的接触器的通断来实现，而无级调节则利用伺服电机带动电刷移动动触头来实现输出电压的连续。自藕绕组抽头式调压方法采用一台带有多个抽头的自耦变压器，自耦变压器与配电变压器副绕组并联，通过调节抽头来实现调压。电压补偿式调压方法是在负载线路中串入一反电势，通过调节该反电势幅值实现调压，补偿用的反电势通过补偿变压器获得，该变压器低压侧串入负载线路，高压侧与电源并联，通过调节高压侧电压实现调压，为了实现多级调节，可以接入多只补偿变压器。

然而，上述调压方法均存在一定的弊端，晶闸管相控调压式调压方法的输出电压存在畸变、谐波大，且不适用于有容性补偿负载。电感调压式调压方法的不足是其体积、重量大，需要多组接触器或电机拖动机构，增加无功消耗。自藕绕组抽头式调压方法的切换过程需要严格控制，不能使负载开路，抽头也不能短路，且实现抽头可靠投切比较困难，存在调节冲击。而电压补偿式调压方法的投切开关采用接触器时，在开关投切过程中存在很高的冲击电压，投切开关采用晶闸管时，则存在导通损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种补偿变压器式调压方法和装置，消除开关切换时产生的电压冲击，减少导通损耗。

为了实现上述目的，本发明提供了一种补偿变压器式调压装置，包括补偿电压器组、复合开关和系统控制器；

所述补偿变压器组以串联的方式连接在电源与负载之间，其中每个补偿变压器的高压绕组的每个端子由两个复合开关交替控制；

所述复合开关的投切状态由所述系统控制器来控制；

所述系统控制器根据负载的输出电压和用户输入的期望电压确定所述复合开关的投切组合，并根据所述投切组合向所述复合开关发送投切信号。

本发明还提供了一种补偿变压器式调压方法，包括：

系统控制器根据确定的复合开关的投切组合向所述复合开关发送投切信号；

复合开关的微处理器根据检测到的开关状态、所述投切信号和预设的投切时序控制所述复合开关的投切状态；

所述复合开关的微处理器根据所述复合开关的投切状态调节所述负载的输出电压。

本发明提供的一种补偿变压器式调压方法和装置，通过系统控制器对符合开关的投切组合进行控制，由复合开关的投切组合来控制补偿变压器组中各变压器的副边绕组电压极性，同时，系统控制器根据开关端电压检测电路返回的开关状态信号来向复合开关发送投切信号，并利用预设的投切时序来对复合开关的投切过程进行控制，该调压装置结构简单、成本低、运行可靠，可以消除调压装置在开关投切过程中产生的电压冲击，有效地减少导通损耗，实现无冲击、无导通损耗的补偿式调压。

附图说明

图1为本发明补偿变压器式调压装置实施例的结构示意图；

图2为本发明补偿变压器式调压装置实施例中复合开关的结构示意图；

图3为本发明补偿变压器式调压装置实施例中开关检测电路的结构示意图；

图4为本发明补偿变压器式调压装置实施例中的投切时序示意图；

图5为本发明补偿变压器式调压装置实施例中的三相四线式调压装置的结构示意图；

图6为本发明补偿变压器式调压方法实施例的流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明补偿变压器式调压装置实施例的结构示意图，如图1所示，本实施例提供了一种补偿变压器式调压装置，该补偿变压器式调压装置可以分为主回路和系统控制器两部分，主回路经空气开关QF1连接到电源端子L和N。主回路中可以包括由补偿变压器T1、T2和T3构成的补偿电压器组、由复合开关F11、F12、F13、F14、F21、F22、F23、F24、F31、F32、F33和F34构成的开关阵列。其中，补偿变压器组以串联的方式连接在电源端子L、负载L_O和N之间，复合开关F11-F34分为F11-F14、F21-F24和F31-F34三组，分别构成三个H桥电路，其中三个补偿变压器T1、T2和T3的高压绕组(也称原边)的两个端子分别连接在三个H桥电路的中间接点，并且分别并联补偿电容器RC1、RC2和RC3，避免补偿变压器的原边出现开路。其中，每个补偿变压器的每个端子由两个复合开关来交替控制，在图1中，补偿变压器T1的原边的正极性端子由复合开关F13和F14来交替控制，补偿变压器T1的原边的负极性端子由复合开关F11和F12来交替控制。复合开关中对应于补偿变压器的一个端子的两个复合开关中只能有一个复合开关处于闭合状态，以对应于补偿变压器T1的原边的正极性端子的复合开关F13和F14为例，其中只能有一个复合开关F13或F14处于闭合状态。

以补偿变压器T1为例来说明具体的调压原理，当复合开关F11和F14闭合时，补偿变压器T1的副边电压与电源电压顺极性，与电源电压叠加，则使得负载L_O的输出电压U_O增加；当复合开关F12和F13闭合时，补偿变压器T1的副边电压与电源电压逆极性，即极性相斥，则使得负载L_O的输出电压U_O减小。其中，负载L_O的输出电压U_O增加或减小的幅度取决于补偿变压器的变比设计，而补偿变压器组中补偿变压器的个数和每个补偿变压器的变比根据最大调节电压容量范围和最小调节电压等级来确定。假设额定电压为U_N，系统的最大调节电压容量范围为P_max，则系统的最大调节电压差U_max为如下公式(1)所示：

U_max＝U_N*P_max    (1)

假设系统的最小调节电压等级为U_min，该最小调节电压等级为最小容量的补偿变压器所对应的最小输出电压，由此可得到最小调节电压比例P_min如下公式(2)所示：

P_min＝U_min/U_N    (2)

则假设补偿变压器组中包含的补偿变压器的个数为n，k表示补偿变压器相当于最小补偿变压器容量的倍数，则得到如下公式(3)所示的关系：

k₁+k₂+...+k_n＝P_max/P_min    (3)

其中，k_i＝P_i/P_min，P_i＝U_i/U_N，i＝1，2，...，n，k_i为第i个补偿变压器相当于最小补偿变压器容量的倍数，U_i为第i个补偿变压器原边施加额定电压时的副边电压。假设最大调节电压容量范围P_max＝0.2，最小调节电压比例P_min＝0.025，则k₁+k₂+...+k_n＝8，可以设置三个补偿变压器，即n＝3，相应地，k₁＝1，k₂＝3，k₃＝4，以此来设计三个补偿变压器的变比。

各复合开关F11-F34的投切状态由系统控制器来控制，系统控制器根据负载的输出电压U_O和用户输入的期望电压U_g确定复合开关的投切组合，并根据投切组合向复合开关发送投切信号。如图1所示，系统控制器采样输入电压U_i、负载的输出电压U_O和输入电流i，由此计算输入输出功率，在系统控制器中包括输入界面，用户可以通过该输入界面输入期望电压U_g，即用户期望通过该补偿式变压器调压装置，将负载的输出电压U_O调节到U_g。系统控制器根据负载的输出电压U_o与用户输入的期望电压U_g之间的差值来确定复合开关的投切组合，当二者的差值为正值时，系统控制器通过控制复合开关的投切组合来减小输出电压U_O的值；当二者的差值为负值时，系统控制器通过控制复合开关的投切组合来增加输出电压U_O的值。

在系统控制器对复合开关的投切组合进行控制时，需要通过检测获得各复合开关实际的开关状态，如图1中所示，各复合开关F11-F34的开关状态信号K_{st_F11}-K_{st_F34}，经过与非门后，产生复合开关的总状态信号K_st至系统控制器中，系统控制系根据该状态信号K_st获取复合开关的当前状态，以确保对复合开关的投切成功，根据该状态信号K_st来向各复合开关F11-F34发送投切信号K_ct。另外，当系统出现异常时，可将旁路接触器S_m投入，以不中断对负载的供电。

图2为本发明补偿变压器式调压装置实施例中复合开关的结构示意图，如图2所示，每个复合开关由开关功率回路和开关控制回路两部分构成，其中，开关功率回路由双向晶闸管和继电器并联构成，或者由两只反并联晶闸管和接触器并联构成。其中，由开关控制回路与系统控制器共同控制复合开关的投切状态，开关控制回路接收系统控制器向复合开关发送的投切信号K_ct，根据该投切信号K_ct产生控制信号，以控制开关功率回路中的晶闸管SCR和继电器K，同时，开关控制回路还接收开关端电压检测电路检测到的开关端电压U，根据该开关端电压U向系统控制器输出开关状态信号K_st。即本实施例提供的补偿变压器式调压装置中每个复合开关还包括开关端电压检测电路，图3为本发明补偿变压器式调压装置实施例中开关检测电路的结构示意图。如图3所示，该开关端电压检测电路通过检测开关端电压确定每个复合开关的开关状态，并连接至开关控制回路。由于每个补偿变压器的并联电容和负载性质的影响，当某个复合开关断开时，该复合开关的电压幅值最高约为电源电压峰值的两倍，而最低约为电源电压峰值的十分之一，因此复合开关的电压变化范围很大，必须通过有效的检测电路，才能获得该复合开关的正确的开关状态。如图3所示，将某个复合开关的端电压U经过整流，送入由RIN1、RIN2、R1、R2和运放U1组成的差分衰减电路中，衰减电压幅值和共模电压设计在运放U1工作范围内，再经R3、R4、R5和运放U2构成的调幅电路，将电压U调整至合适的幅值，经R6、R7和运放U3构成的滞环比较器，与参考电压VR比较，当U低于U_low，表示复合开关处于闭合状态，VO为高电平，当U高于U_low，表示复合开关处于断开状态，VO为低电平，开关控制回路检测该信号并输出开关状态信号K_{st_Fxx}。其中，U_low设计为电源电压峰值的十分之一，该值可以避免负载为容性负载或轻载时引起误判断。所有复合开关的开关状态信号K_{st_Fxx}经与非门处理后形成一路总状态K_st送至系统控制器。在本实施例中，系统控制器对复合开关进行投切控制过程中，每次只控制其中一个复合开关的打开或关闭，通过返回的开关状态信号K_st确定上一个复合开关打开或关闭成功后，才向另外一个复合开关发送打开或关闭的投切信号。

图4为本发明补偿变压器式调压装置实施例中的投切时序示意图，如图4所示，该图表示控制某个复合开关由闭合状态切换至断开状态的时序图，本实施例中的投切时序由系统控制器和复合开关共同配合来实施，而本领域技术人员可以由此类似地得出复合开关由断开状态切换到闭合状态的投切时序。在系统控制器发出该复合开关的断开指令前，该复合开关处于闭合状态，此时下位机(即复合开关的开关控制回路)向开关功率回路中的继电器发出的开关投切信号为高电平，使继电器处于闭合状态。需要指出的是，在本实施例中，无论复合开关处于断开或闭合状态，只要未对各复合开关产生动作，开关控制回路所输出的状态信号便为高电平，经与非门处理后，系统控制器收到的总开关状态信号K_st为低电平，如0～t1时刻所示的时序。当系统控制器发出该复合开关的断开指令后，系统控制器的投切信号在t1时刻变为低电平，该复合开关输出的开关状态信号变为低电平，同时系统控制器接收到的总开关状态信号变为高电平。同时，开关控制回路向晶闸管发送投指令，使得晶闸管的状态信号变为高电平，然后延时一定时间，至时刻t2；确保晶闸管闭合后，向开关功率回路中的继电器发送切指令，同样也延时一定时间，至时刻t3；确保继电器断开后，撤除发送到晶闸管的投指令，再经延时至t4；确保继电器断开后(若使用接触器，则直接撤除接触器线圈电压)，若检测开关端电压的信号变低，表示复合开关断开成功，该开关控制回路输出的开关状态信号变高，同时系统控制器收到的总开关状态信号变低，表示本次开关断开操作成功完成。当该复合开关的断开操作成功完成后，系统控制器通过获取到的总开关状态信号K_st获知上一复合开关投切成功，然后才其他复合开关的投切信号，这样有效消除了开关在投切过程中产生的冲击信号，也避免了电源短路的发生。

本实施例提供了一种补偿变压器式调压装置，通过设置补偿变压器组、复合开关和系统控制器，通过系统控制器对复合开关的投切组合进行控制，由复合开关的投切组合来控制补偿变压器组中各变压器的副边绕组电压极性，同时，系统控制器根据开关端电压检测电路返回的开关状态信号来向复合开关发送投切信号，并利用预设的投切时序来对复合开关的投切过程进行控制，该调压装置结构简单、成本低、运行可靠，可以消除调压装置在开关投切过程中产生的冲击信号，有效地减少导通损耗，实现无冲击、无导通损耗的补偿式调压。

以上图1～图4所示为将本实施例提供的补偿变压器式调压装置应用在单相双线式中的情况，该调压装置还可以扩展到三相四线式系统中，图5为本发明补偿变压器式调压装置实施例中的三相四线式调压装置的结构示意图，如图5所示，电源A、B、C和零线N经开关QF1接入串联连接的各补偿变压器的副边，再与负载连接，旁路开关跨接在补偿变压器回路的两侧，在调压回路出现故障时，可投入旁路开关Sm。TA1、TB1和TC1为一个三相补偿变压器，TA2、TB2和TC2构成另一个三相补偿变压器，TA3、TB3和TC3为第三个补偿变压器，LA、LB和LC为三相负载。本方案为三相同时调压，即单相调压方案中某复合开关的投切信号及时序与其它两相相同位置的开关共用。以单相方案中的复合开关F11为例，系统控制器产生的对复合开关F11的投切信号，应用到三相系统中时，复合开关F11的投切信号同时控制复合开关FA11、FB11和FC11，本领域技术人员可以由此类似地得出其它开关信号，此处不再赘述。

图6为本发明补偿变压器式调压方法实施例的流程图，如图6所示，本实施例提供了一种补偿变压器式调压方法，该方法对应于上述图1～图4所示的装置实施例，具体的调压过程和原理同上所述，此处不再赘述，该补偿变压器式调压方法可以具体包括如下步骤：

步骤601，系统控制器根据确定的复合开关的投切组合向复合开关发送投切信号；

步骤602，复合开关的微处理器根据检测到的开关状态、投切信号和预设的投切时序控制复合开关的投切状态；

步骤603，复合开关的微处理器复合开关的投切状态调节负载的输出电压。

进一步地，本实施例还可以包括如下步骤：系统控制器根据负载的输出电压和用户输入的期望电压确定复合开关的投切组合。

在本实施例中，各复合开关中的投切状态由系统控制系来控制，系统控制器采样输入电压、负载的输出电压和输入电流，由此计算输入输出功率，在系统控制器中包括输入界面，用户可以通过该输入界面输入期望电压，即用户期望通过该补偿式变压器调压装置，将负载的输出电压调节到。系统控制器根据负载的输出电压与用户输入的期望电压之间的差值来确定复合开关的投切组合，当二者的差值为正值时，系统控制器通过控制复合开关的投切组合来减小输出电压的值；当二者的差值为负值时，系统控制器通过控制复合开关的投切组合来增加输出电压的值。电压的具体增加或减小的幅度由各补偿变压器的变比设计来实现，以达到用户所期望的目标电压值。根据负载的输出电压和用户输入的期望电压确定复合开关的投切组合，并根据投切组合向复合开关发送投切信号。

具体地，步骤603可以具体包括如下步骤：复合开关的微处理器根据复合开关的投切状态控制补偿变压器组中各变压器的副边绕组的电压极性，通过补偿变压器组中各变压器的副边绕组的电压极性调节负载的输出电压。参照上述图1，以补偿变压器T1为例来说明具体的调压原理，当复合开关F11和F14闭合时，补偿变压器T1的副边电压与电源电压顺极性，与电源电压叠加，则使得负载L_O的输出电压U_O增加；当复合开关F12和F13闭合时，补偿变压器T1的副边电压与电源电压逆极性，即极性相反，则使得负载L_O的输出电压U_O减小。其中，负载L_O的输出电压U_O增加或减小的幅度取决于补偿变压器的变比设计，而补偿变压器组中补偿变压器的个数和每个补偿变压器的变比根据最大调节电压容量范围和最小调节电压等级来确定。

本实施例提供了一种补偿变压器式调压方法，通过系统控制器对符合开关的投切组合进行控制，由复合开关的投切组合来控制补偿变压器组中各变压器的副边绕组的电压极性，同时，系统控制器根据开关端电压检测电路返回的开关状态信号来向复合开关发送投切信号，并利用预设的投切时序来对复合开关的投切过程进行控制，可以消除调压装置在开关投切过程中产生的冲击信号，有效地减少导通损耗，实现无冲击、无导通损耗的补偿式调压。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1、一种补偿变压器式调压装置，其特征在于，包括补偿电压器组、复合开关和系统控制器；

所述补偿变压器组以串联的方式连接在电源与负载之间，其中每个补偿变压器的高压绕组的每个端子由两个复合开关交替控制；

所述复合开关的投切状态由所述系统控制器来控制；

所述系统控制器根据负载的输出电压和用户输入的期望电压确定所述复合开关的投切组合，并根据所述投切组合向所述复合开关发送投切信号。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述复合开关包括开关功率回路和开关控制回路，所述开关控制回路与所述系统控制器共同控制所述复合开关的投切状态。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述开关功率回路由双向晶闸管和继电器并联构成，或者所述开关功率回路由两只反并联晶闸管和接触器并联构成。

4、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述复合开关还包括开关端电压检测电路，所述开关端电压检测电路检测所述复合开关的开关状态，将所述复合开关的开关状态发送到所述开关控制回路。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述复合开关的投切状态根据检测到的所述开关状态、所述投切信号和预设的投切时序来控制。

6、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述补偿变压器组中补偿变压器的个数和每个补偿变压器的变比根据最大调节电压容量范围和最小调节电压等级来确定。

7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述补偿变压器式调压装置为单相双线式补偿变压器式调压装置或三相四线式补偿变压器式调压装置。

8、一种补偿变压器式调压方法，其特征在于，包括：

系统控制器根据确定的复合开关的投切组合向所述复合开关发送投切信号；

复合开关的微处理器根据检测到的开关状态、所述投切信号和预设的投切时序控制所述复合开关的投切状态；

所述复合开关的微处理器根据所述复合开关的投切状态调节所述负载的输出电压。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

所述系统控制器根据所述负载的输出电压和用户输入的期望电压确定所述复合开关的投切组合。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述复合开关的微处理器根据所述复合开关的投切状态调节所述负载的输出电压包括：

所述复合开关的微处理器根据所述复合开关的投切状态控制补偿变压器组中各变压器的副边绕组的电压极性，通过所述补偿变压器组中各变压器的副边绕组的电压极性调节所述负载的输出电压。

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