CN109586321A - 复合开关中双向晶闸管的驱动电路、三相智能换相系统及换相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合开关中双向晶闸管的驱动电路、三相智能换相系统及换相方法，包括：在双向晶闸管的两端并联电容，所述双向晶闸管串联连接电阻与常开继电器的并联支路后接入A、B或C相线路；在A、B、C三相线路与零线之间以及A、B、C三相线路之间串联压敏电阻。保证了电路工作的可靠性，避免了晶闸管主电路误触发的情况产生；在主电路中串联电阻器，避免了两相可能发生的相间大电流短路，在换相过程中将电阻短路，又不会影响大电流换相过程，在提高换相电路可靠性的同时，避免了配电网系统出现故障的可能。采用低电压、低功率触发驱动电路，触发驱动可靠，换相过程中输出电压波形失真小，对用户影响小。

Description

复合开关中双向晶闸管的驱动电路、三相智能换相系统及换 相方法

技术领域

本发明属于三相不平衡自动换相调节技术领域，尤其涉及一种复合开关中双向晶闸管的驱动电路、三相智能换相系统及换相方法。

背景技术

在低压配电网系统中，存在着大量的单相、不对称、非线性、冲击性负荷，这些负荷随机变化且不同时，使配电系统产生严重的三相不平衡。三相不平衡对于电网的稳定运行具有极大的危害，导致供电系统三相电流的不平衡，影响供电质量。同时，三相不平衡会导致零线产生电流，由于零线比较细、线路电阻和线路电感都较大，增加了线路的损耗，并可进一步导致三相电压不平衡，降低供电可靠性。

传统解决三相不平衡的技术方案主要有人工调相、附加不平衡补偿装置和三相不平衡自动调节装置。人工换相调整的成本较低，方法操作简单，但是换相操作需要大量的工作人员，工作量较大，人力成本较高，同时实时性差，效果不理想，管理不便。附加不平衡补偿装置在理论上拥有很多优势，但是限于目前全控型电力电子器件的电压、电流水平，要做到大容量补偿，成本太高，并不太适用于低压台区；同时全控型电力电子装置自身损耗大，增加了低压网络的线损，因此在实际现场应用不多。常用的是三相不平衡自动换相调节系统，它根据相平衡控制算法，通过自动切换用户的相序，减小系统的三相不平衡度。三相不平衡自动调节系统主要由智能换相终端和智能换相开关组成，其中，智能换相开关是系统的核心执行机构。

从保护设备的角度出发，对负荷进行合理分配。解决的方案是在变压器的出线侧增加了智能换相终端与分布于用户侧的若干换相开关单元。智能换相终端安装在变压器出线侧，用于采集配电变压器电压、电流、功率等指标信息；换相开关安装在用户侧，如图1所示，电网都是三相四线制，但是用户供电只有火线和零线，所以，我们通过换相开关单元从A、B、C三相电中选择其中一相电给用户供电，得到一相输出。采用先进的切换算法技术，通过智能化控制方式，自动平衡三相的电流，是理想的三相不平衡治理开关。

为了实现三相负荷的动态调整和安全稳定换相，必须采用动作快速、投入无涌流、切除无电弧的静止开关，不影响用户的供电可靠性。

在现有的技术中，换相开关装置中的切换开关最先采用传统的机械开关，但换相时间较长，无法保证负载的正常供电。目前普遍采用晶闸管与磁保持继电器并联的复合开关，其结构如图2所示。复合开关采用磁保持继电器和双向晶闸管双重开关。双向晶闸管配合算法可发挥零电流断开、零电压导通的控制功能，同时具有响应快，动作可靠的特点。磁保持继电器具有无机械触点、无开关电弧、功耗小的特点。

换相时，运行相的继电器原来处于导通状态，此时，给与运行相继电器并联的晶闸管驱动信号，同时断开运行相的继电器。在此继电器断开时，晶闸管立刻导通，电流全部转移到晶闸管上，因此断开过程中继电器一直没有承受高电压，属于继电器零电压关断，没有电弧产生。此时，目标相继电器并联的晶闸管处于断开状态，若想换到目标相，撤掉运行相继电器并联的晶闸管驱动信号，一旦检测到输出电流为零，立刻给与目标相继电器并联的晶闸管驱动信号，同时打开目标相的继电器。在此继电器开通时，目标相晶闸管立刻导通，电流全部转移到此晶闸管上，因此，吸合过程中继电器一直没有承受高电压，属于零电压吸合继电器，不会产生浪涌和电弧，对电网的设备没有冲击，同时了避免晶闸管两端产生过电压，延长晶闸管的寿命，使其无限接近机械寿命。在目标相继电器吸合之后，断开目标相晶闸管，此晶闸管上的电流转换到目标相继电器上，此时没有功率损耗。如图1所示，可以使负荷在A、B、C三相之间自由切换，满足可控性的要求，是一种理想的快速负荷开关。同时，晶闸管静止开关的两端并联一个磁保持继电器，消除了晶闸管在导通工作过程中存在的压降，从而降低设备的功率损耗。目前，复合开关及其控制系统一般采用图3所示结构，主要由两个串联的光电双向晶闸管驱动器、双向晶闸管、磁保持继电器、静态均压电阻构成。由磁保持继电器的低阻抗机械触点实现正常情况下对用户的连续供电，降低线损；由晶闸管在开关切换过程中实现各相之间的快速切换，保证用户供电不受切换影响。双向晶闸管作为三相智能换相系统中的执行机构，是调节三相不平衡的核心。双向晶闸管触发的可靠性高低直接决定着整个系统能否稳定运行。在电网中由于高频信号出现频率高，尖峰干扰信号较为严重，致使双向晶闸管两端电压的变化率增大，产生大的冲击电流，损坏晶闸管。因此，晶闸管的触发驱动保护电路尤为重要。

常见的双向晶闸管触发驱动电路工作过程如图3所示：当输入端为低电平时，光电双向晶闸管驱动器1和2的输入端发光二极管通电，导通光触发晶闸管，此时经过电阻R6给双向晶闸管一个自上而下的电流，导通驱动右边的晶闸管。当输入端为高电平时，光电双向晶闸管1和2均不导通，晶闸管VT1电流过零后自然关断。

由于晶闸管在截止一段时间内承受的反向峰值电压较大，所以采用2个双向晶闸管反向串联来增加抗压能力。在400V交流系统下，串联两个以上MOC3052器件，可以弥补单个器件额定耐压不足的现象，同时，需要在每个串联的MOC3052中并联一个静态均压电阻，以确保器件在阻断状态电压均衡。

该技术虽然在一定程度上减小了冲击电流，降低了故障率，改善了晶闸管触发的可靠性，但是上电瞬间并没有完全消除过电压干扰，仍存在导通瞬间涌流大，损害晶闸管的现象。此过程虽然时间很短，但在长期频繁的应用中，存在很大的隐患，晶闸管触发的可靠性仍存在一定问题。

在谐波复杂的低压配电网中，由于电压波形严重偏离正弦波且du/dt较大，致使系统中的晶闸管易受干扰，导致误触发，造成两相短路，冲击电流过大，晶闸管易受损坏，可靠性下降，严重影响电网的安全稳定运行。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种复合开关中双向晶闸管的驱动电路、三相智能换相系统及换相方法，可以有效提高换相开关的换相可靠性，对于电网和电器设备的安全和经济运行有重要意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

在一个或多个实施方式中公开的一种复合开关中双向晶闸管的驱动电路，包括：在双向晶闸管的两端并联电容，所述双向晶闸管串联连接电阻与常开继电器的并联支路后接入A、B或C相线路；在A、B、C三相线路与零线之间以及A、B、C三相线路之间串联压敏电阻。

进一步地，还包括：触发电路，所述触发电路包括：依次连接的隔离电源和光电耦合器，所述光电耦合器的输出端连接双向晶闸管的门极。

进一步地，所述双向晶闸管的触发信号为连续电流信号。

进一步地，所述隔离电源从开关电源的副绕组产生。

在一个或多个实施方式中公开的一种负荷开关，包括：并联连接的磁保持继电器和双向晶闸管，所述双向晶闸管采用上述的双向晶闸管驱动电路。

在一个或多个实施方式中公开的一种三相智能换相系统，包括上述的复合开关。

在一个或多个实施方式中公开的一种三相智能换相系统的换向方法，假设从A相换到B相，具体为：

接到换向命令之前，A相磁保持继电器导通，A相双向晶闸管及其相应的继电器K1电压均为零；

接到换向命令后，首先A相的继电器K1完全导通，然后控制A相晶闸管在A相磁保持继电器完全断开后导通；

控制在A相晶闸管关断后，A相的继电器K1断开；同时控制B相的继电器K2导通；

B相的继电器K2导通后，驱动B相晶闸管和B相磁保持继电器导通；

控制B相晶闸管在B相的继电器K2完全关断之前关断。

进一步地，从B相换到C相、C相换到A相、B相换到A相、C相换到B相以及A相换到C相的过程与从A相换到B相的原理相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用在晶闸管支路中串联电阻、并联电容的方式，并且在电阻上并联小功率继电器。虽然增加了换相时的工作状态，但保证了电路工作的可靠性，避免了晶闸管主电路误触发的情况产生。

在主电路中串联电阻器，避免了两相可能发生的相间大电流短路，在换相过程中将电阻短路，又不会影响大电流换相过程，在提高换相电路可靠性的同时，避免了配电网系统出现故障的可能。

采用低电压、低功率触发驱动电路，触发驱动可靠，换相过程中输出电压波形失真小，对用户影响小。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是三相智能换相系统示意图；

图2是复合开关结构示意图；

图3是现有技术中晶闸管驱动电路示意图；

图4是改进后的晶闸管驱动电路示意图；

图5是正序换相波形；

图6是反序换相波形。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在三相智能换相系统中，为了保证电网用户的安全稳定运行，需要确保上电瞬间以及复合开关转换过程中晶闸管不产生误动作或者损坏。

在一个或多个实施方式中公开了一种复合开关中双向晶闸管的驱动电路，采用在晶闸管VT1的两端并联电容C1，并且VT1与电阻R7和常开继电器K1的并联支路串联后，与A相线路Ua连接，实现了保护晶闸管VT1的作用。

电阻R7和C1的作用是抗干扰，吸收双向晶闸管的电压突变，有利于减小电压上升率，不会产生较大的充电电流流过结电容，起不到触发电流的作用(可控硅阴极和阳极之间的电压变化率过快，可导致晶闸管误导通)，同时还起到滤波的作用。

在三相线路Ua、Ub、Uc和零线之间以及Ua、Ub和Uc之间增加了压敏电阻，利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。

在瞬时电压脉冲出现时，压敏电阻保护先起作用，晶闸管两端电压由于RC滤波电路的因素，变化较慢，不会使晶闸管误导通。

在图3所示晶闸管驱动电路中，使用光电隔离晶闸管对双向晶闸管进行控制。由于电网相与相之间电压高，单一的光电隔离晶闸管无法满足耐压要求，需要两个光电隔离晶闸管串联使用。光电隔离晶闸管自身存在对电网电压瞬变比较敏感，容易误触发的问题。光电隔离晶闸管误触发后，会导致主电路中的双向晶闸管触发，引起两相短路。并且高压电路中使用光电隔离晶闸管触发电路，配套的均压电阻、串联电阻等都需要较大功率电阻，体积大，占用空间多。另外，此电路还有一个问题是，只有在光电隔离晶闸管两端电压达到某个开启阈值时，才能使其流过较大的电流，为主电路晶闸管产生足够的触发电流，使主电路晶闸管有效触发。因此在电网线电压过零点附近，不能有效使主电路双向晶闸管有效导通，导致输出电压发生畸变。

本实施方式中图4处采用普通光电耦合器和隔离电源对主电路晶闸管进行触发，隔离电源从开关电源的副绕组产生；光电耦合器的输出端连接双向晶闸管的门极。避免了图3采用光电隔离晶闸管触发产生的问题。由于图4处的隔离电源仅为5-7V的直流低压电源，所采用的器件体积小，功率小，占用面积小，触发可靠。主电路双向晶闸管在正负脉冲电流均可触发。实际应用中证实，本触发电路在同样条件下，触发可靠，主电路输出波形畸变极小，主电路断开时双向晶闸管两端测量阻抗远高于图3方案阻抗。

采用上述电路形式进行换相可分成两种，一种为正序换相，另一种为反序换相，其中正相的换相时间为6.67ms，包括A相换到B相，B相换到C相，C相换到A相；反相的换相时间为3.33ms，包括B相换到A相，C相换到B相，A相换到C相。

图5为正序换相波形，假定从A相换到B相，双向晶闸管的触发信号为连续电流信号，在t₀点之前A相大功率磁保持继电器处于导通状态，A相双向晶闸管支路电压为零，继电器K1电压也为零。在t₀点接到换相命令，此时闭合A相继电器K1，则继电器K1为零电压开通。一般小功率继电器的动作时间为5ms左右，等到达时间t₁点，继电器K1完全导通，此时触发A相晶闸管，但A相晶闸管两端电压为零，并没有立即导通。同时使大功率磁保持继电器断开。磁保持继电器断开需要一定时间，一般小于15ms，在t₁点和t₂点之间的某一点，磁保持继电器断开，此时晶闸管立即导通，大功率磁保持继电器为零电压断开，没有电弧。

为实现快速换相，则由A相和B相的晶闸管完成换相。在t₂点撤掉双向晶闸管的触发信号，A相电压向下过零后，根据不同的负载性质，在1/4个周期内A相晶闸管关闭。在t₃点撤掉继电器K1的驱动信号，继电器K1需要大约5ms以上时间断开，此时A相晶闸管已经断开，则继电器K1属于零电流断开，无电弧。

在t₂点驱动继电器K2导通，继电器K2导通延迟时间小于7ms，则在t₄点继电器K2已经导通。

此时驱动B相晶闸管和大功率磁保持继电器导通，B相晶闸管为零电压开通，B相磁保持继电器延迟导通。在t5点撤掉B相晶闸管和继电器K2的驱动信号，此时B相磁保持继电器已经导通，B相晶闸管已经事实上断开。在t6点继电器K2完全断开，完成了整个换相过程。

图6为反序换相波形，假设从A相换到C相，双向晶闸管的触发信号依然为连续的电流信号，在t₇点之前A相大功率磁保持继电器处于导通状态，A相双向晶闸管支路电压以及继电器K1电压都为零。在t₇点接到换相命令，此时闭合A相继电器K1，则继电器K1为零电压开通。在等待5ms左右，即到达t₈点，继电器K1完全导通，此时触发A相晶闸管，但A相晶闸管两端电压为零，并没有立即导通。同时使大功率磁保持继电器断开。磁保持继电器断开时间一般小于15ms，在t₈点和t₉点之间的某一点，磁保持继电器断开，此时晶闸管立即导通，大功率磁保持继电器为零电压断开，没有电弧。为实现快速的换相，换相过程是由A相和C相的晶闸管完成。在t₉点撤掉双向晶闸管的触发信号，A相电压向下过零后，根据不同的负载性质，在1/4个周期内A相晶闸管关闭。在t₁₀点撤掉继电器K1的驱动信号，继电器K1需要大约5ms以上时间断开，此时A相晶闸管已经断开，则继电器K1属于零电流断开，无电弧。在t₉点驱动继电器K3导通，继电器K3导通延迟时间小于7ms，则在t₁₁点继电器K3已经导通。此时驱动C相晶闸管和大功率磁保持继电器导通，C相晶闸管为零电压开通，C相磁保持继电器延迟导通。在t₁₂点撤掉C相晶闸管和继电器K3的驱动信号，此时C相磁保持继电器已经导通，C相晶闸管已经断开。在t₁₃点继电器K3完全断开，完成了整个换相过程。

从B相换到C相、C相换到A相、从B相换到A相以及C相换到B相的过程与上面的原理相同，具体过程不再赘述。

整个过程中，晶闸管、继电器、大功率磁保持继电器均为零电压或零电流导通关断，电路无电弧。继电器K1、K2、K3有耐受短时大电流的能力，因此不需要使用大功率继电器，成本也没有明显提高。正常状态下继电器K1、K2、K3断开，晶闸管均串联有大电阻，并联有电容，电压变化率很小，不会出现du/dt过高误导通情况，极大地提高了电路的工作可靠性。换相时间极短，正常情况下每个断开相中，双向晶闸管均串联有一个电阻。即使在万一情况下，程序运行错误导致晶闸管导通，最坏结果无非是电阻烧坏，不会产生相间短路，保证了电力配电系统的稳定运行。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种复合开关中双向晶闸管的驱动电路，其特征在于，包括：在双向晶闸管的两端并联电容，所述双向晶闸管串联连接电阻与常开继电器的并联支路后接入A、B或C相线路；在A、B、C三相线路与零线之间以及A、B、C三相线路之间串联压敏电阻。

2.如权利要求1所述的一种复合开关中双向晶闸管的驱动电路，其特征在于，还包括触发电路，所述触发电路包括：依次连接的隔离电源和光电耦合器，所述光电耦合器的输出端连接双向晶闸管的门极。

3.如权利要求2所述的一种复合开关中双向晶闸管的驱动电路，其特征在于，所述双向晶闸管的触发信号为连续电流信号。

4.如权利要求2所述的一种复合开关中双向晶闸管的驱动电路，其特征在于，所述隔离电源从开关电源的副绕组产生。

5.一种负荷开关，包括：并联连接的磁保持继电器和双向晶闸管，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的双向晶闸管的驱动电路。

6.一种三相智能换相系统，其特征在于，包括权利要求5所述的复合开关。

7.一种三相智能换相系统的换向方法，其特征在于，假设从A相换到B相，具体为：

接到换向命令之前，A相磁保持继电器导通，A相双向晶闸管及其相应的继电器K1电压均为零；

接到换向命令后，首先A相的继电器K1完全导通，然后控制A相晶闸管在A相磁保持继电器完全断开后导通；

控制在A相晶闸管关断后，A相的继电器K1断开；同时控制B相的继电器K2导通；

B相的继电器K2导通后，驱动B相晶闸管和B相磁保持继电器导通；

控制B相晶闸管在B相的继电器K2完全关断之前关断。

8.如权利要求7所述的一种三相智能换相系统的换向方法，其特征在于，从B相换到C相、C相换到A相、B相换到A相、C相换到B相以及A相换到C相的过程与从A相换到B相的原理相同。