CN103532358B - 可抑制谐波的可控硅调压装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可抑制谐波的可控硅调压装置，涉及交流工频电压调压装置技术领域。包括过零检测及触发电路、可控硅调压单元Q1、变压器T1和变压器T2，三相输入电压LA、LB、LC相线第一路依次与变压器T1和变压器T2的低压侧串联连接，三相输入电压LA、LB、LC相线的第二路分别与过零检测及触发电路的输入端和可控硅调压单元Q1的输入端连接，过零检测及触发电路的输出端与可控硅调压单元Q1的控制端连接。所述装置具有成本低、容量大、响应速度快的特点，同时具有输出电压谐波成分低的优点。

Description

可抑制谐波的可控硅调压装置

技术领域

本发明涉及交流工频电压调压装置技术领域。

背景技术

随着我国工业用电量的增长，终端供电线路条件日趋复杂，靠近配电变压器的市电电压普遍偏高，而且电压随供电负荷的变化而波动，夜间大的工业负荷减轻，导致周边的供电线路的电压进一步升高。在遭遇供电负荷高峰时，部分地区的市电电压又会偏低。这种市电电压的波动对设备的安全可靠运行带来不利影响，尤其是当前大多数情况下，市电电压偏高，会造成用电设备经常处于过载运行状态，能耗增大，运行的可靠性降低，故障率提高，增加了用户的电费支出，设备检修费用也随之提高。

如果通过电网侧的配电变压器进行电压调节，虽然在一定程度上改善了这种市电电压的波动，但因为用电负荷分布在供电线路的不同位置，难以兼顾大多数用户的实际运行需求。

通过用户侧的调压装置进行电压调节，来适应设备的用电需求是一个比较可行的办法，至少可以使用电设备的电压稳定在标称的额定电压之下，更进一步还可以根据用电设备的特性进一步降低电压，使设备处在更低的能耗之下，达到节能的效果。目前调节电压的方法有1、自耦变压器调压，如图4所示；2、可控硅调压，如图5所示；3、IGBT调压，如图6所示。自耦变压器调压比较容易实现，但其电压是通过切换不同的抽头来实现，只能实现分级调节，且响应速度慢。使用可控硅进行相控斩波，可以实现电压的平滑调节，且成本低廉，响应速度快，但输出电压的谐波含量高。使用IGBT进行高频斩波调压，可以实现完美的正弦波输出，同样具有响应速度高的特点，但其技术较复杂，且成本高，不易实现较大容量的调压。因此，以上三种调压技术都有各自的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可抑制谐波的可控硅调压装置，所述装置具有成本低、容量大、响应速度快的特点，同时具有输出电压谐波成分低的优点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种可抑制谐波的可控硅调压装置，其特征在于：包括过零检测及触发电路、可控硅调压单元Q1、变压器T1和变压器T2，三相输入电压LA、LB、LC相线第一路依次与变压器T1和变压器T2的低压侧串联连接，三相输入电压LA、LB、LC相线的第二路分别与过零检测及触发电路的输入端和可控硅调压单元Q1的输入端连接，过零检测及触发电路的输出端与可控硅调压单元Q1的控制端连接，所述可控硅调压单元Q1的输出端分别与电压器T1和电压器T2的高压侧连接，变压器T1的高压侧采用三角形连接，变压器T2的高压侧采用星形连接且中性点悬空，所述调压装置通过过零检测及触发电路检测每一相电压的过零点，并延迟一个角度后产生触发脉冲使可控硅调压单元Q1内部对应的晶闸管导通。

优选的，三相输入电压LA、LB、LC相线的输出端设有低通滤波器。

优选的，所述过零检测及触发电路包括三个结构相同的检测及触发单元和MCU，所述可控硅调压单元Q1包括三只可控硅；检测及触发单元包括电阻R1-R4、二极管D1-D3、光耦U1、电容C1、变压器T3、三极管Q3，电阻R1的一端接相线，另一端经双向稳压二极管D1接光耦U1的一个输入端，光耦U1的另一个输入端接零线；光耦输出三极管Q2的集电极第一路接上拉电阻R2，光耦输出三极管Q2的发射极接地，光耦输出三极管Q2的集电极第二路接MCU的一个输入端；MCU的一个输出端电阻R4接三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与变压器T3的初级连接，电阻R3、电容C1和二极管D4构成钳位电路与变压器T3的初级连接，变压器T3设有二两次级绕阻，每个绕阻通过两个二极管整流，驱动一只可控硅。

优选的，所述低通滤波器包括串联在LA、LB、LC相线输出端的滤波电感Lx、并联在输出端的包括电容Cx和电阻r的RC支路和并联在输出端的包括电容Cy的电容支路。

优选的，所述调压装置通过过零检测及触发电路检测每一相电压的过零点，并延迟0-180°后产生触发脉冲使可控硅调压单元Q1内部对应的晶闸管导通。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：（1）可控硅调压单元Q1本身会产生较多的谐波，主要是3、5、7、9……等奇次谐波，但调压出来的电压通过变压器降压叠加在输入的市电电压之上，使得可控硅调压单元Q1的电压只占输出电压的一小部分，所以输出电压的谐波成分大大减小；（2）通过变压器的三角形连接或者星型连接不接中性线的方式，使得可控硅调压单元Q1输出的含有谐波成分的电压中的3、9、15……等3n次谐波被抵消掉，于是输出电压就只包含5、7、11、13……次谐波。（3）一台高压侧星型连接的变压器和一台高压侧三角型连接的变压器组合，使得5、7、17、19次谐波被衰减至原来的一半。（4）综合上述三种谐波抑制的效果，系统中只含有较少的5、7、11、13次谐波，更高次的谐波虽然存在，但含量非常少。总谐波可控制在2%以内。且变压器和可控硅的容量都只是总容量的一部分，因此与自耦变压器调压方案相比所需的变压器的容量大大减小，与单纯的可控硅调压方案相比，所需的可控硅控制容量大大减小。（5）在此基础上增加低通滤波器，使高次谐波进一步衰减，因为此时需要处理的谐波次数较高，所需滤波元件体积比较小，成本低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明不具有低通滤波器的原理框图；

图2是本发明过零检测及触发电路与可控硅调压单元Q1的原理框图；

图3是本发明具备低通滤波器的原理框图；

图4是传统自耦变压器调压方法示意图；

图5是传统可控硅调压方法示意图；

图6是IGBT调压方法示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种可抑制谐波的可控硅调压装置，包括过零检测及触发电路、可控硅调压单元Q1、变压器T1和变压器T2。三相输入电压LA、LB、LC相线第一路依次与变压器T1和变压器T2的低压侧串联连接，三相输入电压LA、LB、LC相线的第二路分别与过零检测及触发电路的输入端和可控硅调压单元Q1的输入端连接，过零检测及触发电路的输出端与可控硅调压单元Q1的控制端连接；所述可控硅调压单元Q1的输出端分别与电压器T1和电压器T2的高压侧连接。变压器T1的高压侧采用三角形连接，变压器T2的高压侧采用星形连接且中性点悬空，所述调压装置通过过零检测及触发电路检测每一相电压的过零点，并延迟0-180°后产生触发脉冲使可控硅调压单元Q1内部对应的晶闸管导通。

可控硅调压单元Q1输出的电压包含3、5、7、9……等奇次谐波成分，其输出的电压连接到变压器T1和变压器T2的高压侧时，因为T1的高压侧为三角形连接，没有中性点，而T2的高压侧为星形连接且中性点悬空，导致3、9、15……等3n次谐波相互抵消，不会输出到变压器的低压侧；而变压器T1的三角型连接使得低压侧电压和相电压相比，存在30°的相位偏移，变压器T2因为使用星形连接，低压侧电压和相电压不存在相位偏移，随着变压器T1和T2低压侧电压的串联叠加，其中的5、7次谐波因为这个相位差被放大到180°左右，使其幅度被削减1倍左右。

综上所述，奇次谐波成分被抵消了3n次的成分，谐波就只剩5、7、11、13次，更高次谐波的含量非常少，可以忽略不计。而5、7次谐波又被削减一倍左右，因此输出电压只含有少量的5、7、11、13次谐波。

因为变压器T1、T2均为降压变压器，其输出电压仅仅是总输出电压的一部分，因此输出谐波占总输出电压的比例被进一步压缩。同时因为变压器T1、T2只承担输出容量的一小部分，所以变压器的体积、成本都不大。而可控硅因为也只提供变压器T1、T2的驱动容量，因此也不需要很大的容量。例如变压器T1、T2采用8:1的变比，则输出电压可以在75-100%范围内可调，每台变压器只需要12.5KVA的容量，就能够向负载提供100KVA的容量，而可控硅只需要使用70A/1200V的型号即可。

如图2所示，所述过零检测及触发电路包括三个结构相同的检测及触发单元和MCU，所述可控硅调压单元Q1包括三只可控硅。三个检测及触发单元的输入端分别与三条相线连接，并分别控制可控硅调压单元Q1中的一只可控硅。检测及触发单元包括电阻R1-R4、二极管D1-D4、光耦U1、电容C1、变压器T3、三极管Q3。电阻R1的一端接相线，另一端经双向稳压二极管D1接光耦U1的一个输入端，光耦U1的另一个输入端接零线；光耦输出三极管Q2的集电极第一路接上拉电阻R2，光耦输出三极管Q2的发射极接地，光耦输出三极管Q2的集电极第二路接MCU的一个输入端；MCU的一个输出端电阻R4接三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与变压器T3的初级连接，电阻R3、电容C1和二极管D4构成钳位电路与变压器T3的初级连接，变压器T3设有二两次级绕阻，每个绕阻通过两个二极管整流，驱动一只可控硅。MCU根据当前输出电压目标值计算出所需的延迟时间，并在相应的时刻输出一串脉冲波形，通过变压器将脉冲施加到可控硅门极上。

优选的，当设备需要求供电电压具有更低的谐波电压时，可以在本发明的输出端附加一个低通滤波器，如图3所示。所述低通滤波器包括串联在LA、LB、LC相线输出端的滤波电感Lx、并联在输出端的包括电容Cx和电阻r的RC支路和并联在输出端的包括电容Cy的电容支路。由于通过上述各种技术措施，已经将主要的谐波成分抑制得只剩很少的成分，对剩余的谐波成分，谐波次数较高，所需的滤波电抗Lx、RC支路、电容支路的元件无需很大的容量和体积。

本发明的有益效果在于：（1）可控硅调压单元Q1本身会产生较多的谐波，主要是3、5、7、9……等奇次谐波，但调压出来的电压通过变压器降压叠加在输入的市电电压之上，使得可控硅调压单元Q1的电压只占输出电压的一小部分，所以输出电压的谐波成分大大减小；（2）通过变压器的三角形连接或者星型连接不接中性线的方式，使得可控硅调压单元Q1输出的含有谐波成分的电压中的3、9、15……等3n次谐波被抵消掉，于是输出电压就只包含5、7、11、13……次谐波。（3）一台高压侧星型连接的变压器和一台高压侧三角型连接的变压器组合，使得5、7、17、19次谐波被衰减至原来的一半。（4）综合上述三种谐波抑制的效果，系统中只含有较少的5、7、11、13次谐波，更高次的谐波虽然存在，但含量非常少。总谐波可控制在2%以内。且变压器和可控硅的容量都只是总容量的一部分，因此与自耦变压器调压方案相比所需的变压器的容量大大减小，与单纯的可控硅调压方案相比，所需的可控硅控制容量大大减小。（5）在此基础上增加低通滤波器，使高次谐波进一步衰减，因为此时需要处理的谐波次数较高，所需滤波元件体积比较小，成本低。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及其实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用来帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种可抑制谐波的可控硅调压装置，其特征在于：包括过零检测及触发电路、可控硅调压单元Q1、变压器T1和变压器T2，三相输入电压LA、LB、LC相线第一路依次与变压器T1和变压器T2的低压侧串联连接，三相输入电压LA、LB、LC相线的第二路分别与过零检测及触发电路的输入端和可控硅调压单元Q1的输入端连接，过零检测及触发电路的输出端与可控硅调压单元Q1的控制端连接，所述可控硅调压单元Q1的输出端分别与变压器T1和变压器T2的高压侧连接，变压器T1的高压侧采用三角形连接，变压器T2的高压侧采用星形连接且中性点悬空，所述调压装置通过过零检测及触发电路检测每一相电压的过零点，并延迟一个角度后产生触发脉冲使可控硅调压单元Q1内部对应的晶闸管导通；

所述过零检测及触发电路包括三个结构相同的检测及触发单元和三个结构相同的MCU，所述可控硅调压单元Q1包括三只可控硅；检测及触发单元包括电阻R1-R4、二极管D1-D3、光耦U1、电容C1、变压器T3、三极管Q3，电阻R1的一端接相线，另一端经双向稳压二极管D1接光耦U1的一个输入端，光耦U1的另一个输入端接零线；光耦输出三极管Q2的集电极第一路接上拉电阻R2，光耦输出三极管Q2的发射极接地，光耦输出三极管Q2的集电极第二路接MCU的一个输入端；MCU的一个输出端经电阻R4接三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与变压器T3的初级连接，电阻R3、电容C1和二极管D4构成钳位电路与变压器T3的初级连接，变压器T3设有两个次级绕阻，每个绕阻通过两个二极管整流，驱动一只可控硅。

2.根据权利要求1所述的可抑制谐波的可控硅调压装置，其特征在于：三相输入电压LA、LB、LC相线的输出端设有低通滤波器。

3.根据权利要求2所述的可抑制谐波的可控硅调压装置，其特征在于：所述低通滤波器包括串联在LA、LB、LC相线输出端的滤波电感Lx、并联在输出端的包括电容Cx和电阻r的RC支路和并联在输出端的包括电容Cy的电容支路。

4.根据权利要求1所述的可抑制谐波的可控硅调压装置，其特征在于：所述调压装置通过过零检测及触发电路检测每一相电压的过零点，并延迟0-180°后产生触发脉冲使可控硅调压单元Q1内部对应的晶闸管导通。