CN110266019A - 一种三相共补智能同步开关及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相共补智能同步开关及其控制方法，具体涉及一种上电涌流控制电路，电容器无涌流投入控制方法，无时间间隔投切控制方法，属于同步开关技术领域。本发明基于磁保持继电器在电压过零点投入的控制方法，解决了传统同步开关两次投切间隔时间长的问题，真正做到了实时投切；解决了传统预充电电路上电涌流大，限流电阻、二极管和电容器易被损伤的问题；解决了磁保持继电器和非磁保持继电器带电闭合的问题，延长了继电器的寿命，实现电容器无涌流投入；相序检测和过零检测由主控电路计算实现，不需要复杂的相位检测电路、过零检测电路，电路结构更加简单，节约成本。

Description

一种三相共补智能同步开关及其控制方法

技术领域

本发明属于同步开关技术领域，具体涉及一种三相共补智能同步开关及其控制方法。

背景技术

国内的多数同步开关，虽能实现开关两端电压为零点投入，但投入时刻正是电压变化率最高，控制点稍有偏差，就会使得投切时开关两端存在较大电压，进而产生较大涌流，影响继电器触点寿命。

有的同步开关在磁保持继电器两端并联二极管，达到给电容器预充电目的，以减小磁保持继电器闭合时的涌流，但是继电器闭合之前，三相电上电瞬间会产生较大涌流，对二极管造成冲击，有可能损坏二极管及电容器。有的同步开关为了解决上电涌流问题，在二极管前面串联高阻值限流电阻，并与高阻值限流电阻并联辅助继电器，辅助继电器串接低阻值限流电阻，但该方案缺点在于串联电阻后会影响相位关系，需要对相位进行重新计算，而且所加的低阻值限流电阻如果取值太大，会导致开关两端电压过零偏离峰值点，而取值太小，限流作用会非常弱，低阻值限流电阻容易被烧毁，更不能解决对二极管及电容器的冲击问题。

有厂家采用预充电电路，以达到抬升磁保持继电器两端电压的目的，但是在完成一次投切后，先断开的继电器两端电压抬升超过零点，达到200V左右，再次投入就是带电状态，触点容易打火，缩短寿命，因此必须等待电压自然下降到零点。因此，几乎所有的同步开关存在投切间隔时间过长的问题，60S-105S不等，主控电路再次接到投入命令时，不能立刻闭合该继电器，必须等待电压降到零点，使得两次投切的间隔时间过长，因此不能有效实现无功补偿。

本专利将从根本上解决磁保持继电器零点投入问题，上电涌流冲击问题，投切间隔时间过长问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种三相共补智能同步开关及其控制方法，基于磁保持继电器在电压过零点投入的控制方法，可解决上电涌流大的问题，克服两次投入间隔时间长的技术难题。

本发明采用的技术方案如下：

1、一种三相共补智能同步开关，包括：

用于接收控制信号并投入电容的主投切电路；

用于检测主投切电路两端电压以及A相和C相电压的电压采样电路；

用于控制上电涌流的上电涌流控制电路；

用于接收电压采样信号和发出控制信号的主控电路；

所述主投切电路串接在电源与电容器之间，主控电路分别与主投切电路、上电涌流控制电路、电压采样电路相连；电压采样电路和上电涌流控制电路分别与主投切电路相连。

优选地，所述电源为三相电，所述主投切电路为磁保持继电器K1、K3，所述上电涌流控制电路由连在电源A相的第一上电涌流控制电路和连在电源C相的第二上电涌流控制电路组成，所述磁保持继电器K1、K3由其驱动电路控制，驱动电路接收主控电路发出的控制信号。

优选地，所述第一上电涌流控制电路包括非磁保持继电器K2、二极管D1、二极管D2、二极管D3，以及与二极管D1并联的电阻R2、电阻R3、电阻R4，与二极管D2并联的电阻R5、电阻R6、电阻R7，与二极管D3并联的电阻R8、电阻R9、电阻R10；二极管D1的输出端和非磁保持继电器K2相连，二极管D1输入端和二极管D2的输出端相连，二极管D2输入端和二极管D3输出端相连，二极管D3输入端和电容器C1与磁保持继电器K1的交点相接；

所述第二上电涌流控制电路包括非磁保持继电器K4，二极管D4、二极管D5、二极管D6，以及与二极管D4并联的电阻R、电阻R、电阻R，与二极管D2并联的电阻R、电阻R、电阻R，与二极管D3并联的电阻R、电阻R、电阻R；二极管D4的输出端和非磁保持继电器K4相连，二极管D4输入端和二极管D5的输出端相连，二极管D5输入端和二极管D6输出端相连，二极管D6输入端和电容器C3与磁保持继电器K3的交点相接；

所述非磁保持继电器K2和K4分别由其驱动电路控制，驱动电路接收主控电路发出的控制信号。

2、本发明另提供一种三相共补智能同步开关的控制方法，包括步骤如下：

第一步、非磁保持继电器闭合--电压采样电路实时采集磁保持继电器两端电压，并在正半周期(0-180°)峰值点(90°)处先后投入A相和C相的非磁保持继电器，由于与之并联的二极管均处于截止状态，此时非磁保持继电器两端既无电流也无电压，电容未投入；

第二步、电容器预充电--当由正半周期进入负半周期(180°-360°)，二极管导通，电容器开始充电；

第三步、磁保持继电器闭合--电压采样电路实时采集电容预投入后的磁保持继电器两端电压为零点的时刻，以AC线电压过零点为基准，由主控电路计算磁保持继电器零点电压与AC线电压基准点的时间差，控制磁保持继电器的驱动电路，先后将C相磁保持继电器K3和A相磁保持继电器K1闭合，电容器投入；

第四步、主控电路检测到磁保持继电器闭合之后，发出命令关断非磁保持继电器；

第五步、关断磁保持继电器--根据电压延后电流90°的相位关系，判断电流正过零点，同时主控电路发送控制信号到磁保持继电器驱动电路，先后关断A相和C相的磁保持继电器，切除电容器；

第六步、完成一次投切；

第七步、第二次投切--无需延时等待，主控电路发送驱动信号先后闭合C相和A相磁保持继电器，电容器投入；

第八步、磁保持继电器关断--主控电路发送驱动信号先后关断A相和C相磁保持继电器，电容器切除，完成第二次投切。

本发明的一种三相共补智能同步开关及其控制方法，与现有技术相比所产生的有益效果是：

通过优化上电涌流控制电路结构，实现上电涌流控制，保护二极管、电容器不被涌流损伤；通过控制非磁保持继电器的投入时间，保证其在无电流、电压状态下投入，延长非磁保持继电器使用寿命；通过控制A相磁保持继电器K1和C相磁保持继电器K3的闭合、断开顺序，保证磁保持继电器投入时无漂移电压，保证两次投切无时间间隔；通过控制磁保持继电器投入时间，保证其在电压过零点和电流过零点投入，真正实现投入无涌流；电压采样电路采集磁保持继电器两端电压和相间电压，并发送给主控电路，相序检测和过零检测由主控电路计算实现，不需要复杂的相位检测电路、过零检测电路，电路结构更加简单，节约成本。

附图说明

附图1是本发明同步开关的原理框图；

附图2是本发明上电涌流控制电路及主投切电路原理图；

附图3是本发明三角形连接电容器电路原理图；

附图4是本发明磁保持继电器K1和K3断开时的电压变化曲线；

附图5是本发明磁保持继电器K1和K3闭合时的电压变化曲线；

附图6是本发明电容器投切流程图。

具体实施方式

下面结合附图1-6，对本发明的一种优化开关拓扑的三相智能换相开关装置及控制方法作以下详细说明。

结合图1，本发明的一种三相共补智能同步开关，包括用于接收控制信号并投入电容的主投切电路，用于检测主投切电路两端电压以及A相和C相电压的电压采样电路，用于控制上电涌流的上电涌流控制电路，用于接收电压采样信号和发出控制信号的主控电路。主投切电路串接在电源与电容器之间，主控电路分别与主投切电路、上电涌流控制电路、电压采样电路相连。电压采样电路和上电涌流控制电路分别与主投切电路相连。

所述电源为三相电，所述主投切电路为磁保持继电器K1、K3，所述上电涌流控制电路由连在电源A相的第一上电涌流控制电路和连在电源C相的第二上电涌流控制电路组成，所述磁保持继电器K1、K3由其驱动电路控制，驱动电路接收主控电路发出的控制信号。电压采样电路既能采集磁保持继电器两端电压，也能采集相间电压，电压采样电路为业内常用电路，可以有多种形式，现给出其中一种电路结构，电压采样电路由第一到十二电阻依次串连，第六电阻的输入端和第七电阻的输出端分别接主控电路。参考附图3，所述电容器由电容C1、电容C2、电容C3通过三角形接法连接而成。

参考图2、3，所述第一上电涌流控制电路包括非磁保持继电器K2、二极管D1、二极管D2、二极管D3，以及与二极管D1并联的电阻R2、电阻R3、电阻R4，与二极管D2并联的电阻R5、电阻R6、电阻R7，与二极管D3并联的电阻R8、电阻R9、电阻R10；二极管D1的输出端和非磁保持继电器K2相连，二极管D1输入端和二极管D2的输出端相连，二极管D2输入端和二极管D3输出端相连，二极管D3输入端和电容器C1与磁保持继电器K1的交点相接；

所述第二上电涌流控制电路包括非磁保持继电器K4，二极管D4、二极管D5、二极管D6，以及与二极管D4并联的电阻R、电阻R、电阻R，与二极管D2并联的电阻R、电阻R、电阻R，与二极管D3并联的电阻R、电阻R、电阻R；二极管D4的输出端和非磁保持继电器K4相连，二极管D4输入端和二极管D5的输出端相连，二极管D5输入端和二极管D6输出端相连，二极管D6输入端和电容器C3与磁保持继电器K3的交点相接；

所述非磁保持继电器K2和K4分别由其驱动电路控制，驱动电路接收主控电路发出的控制信号。

结合图4、5、6，本发明的同步开关控制方法为：

第一步、非磁保持继电器闭合--电压采样电路实时采集磁保持继电器两端电压，并在正半周期(0-180°)峰值点(90°)处先后投入A相和C相的非磁保持继电器，由于与之并联的二极管均处于截止状态，此时非磁保持继电器两端既无电流也无电压，电容未投入。

第二步、电容器预投入--当由正半周期进入负半周期(180°-360°)，二极管导通，电容器投入。

第三步、磁保持继电器闭合--电压采样电路实时采集电容预投入后的磁保持继电器两端电压为零点的时刻，以AC线电压过零点为基准，由主控电路计算磁保持继电器零点电压与AC线电压基准点的时间差，控制磁保持继电器的驱动电路，先后将C相和A相的磁保持继电器投入。

第四步、主控电路检测到磁保持继电器闭合之后，发出命令关断非磁保持继电器。

第五步、关断磁保持继电器--根据电压延后电流90°的相位关系，判断电流正过零点，同时主控电路发送控制信号到磁保持继电器驱动电路，先后关断A相和C相的磁保持继电器，切除电容器。

第六步、完成一次投切。

第七步、第二次投切--无需延时等待，主控电路发送驱动信号先后闭合C相和A相磁保持继电器，电容器投入。

第八步、磁保持继电器关断--主控电路发送驱动信号先后关断A相和C相磁保持继电器，电容器切除，完成第二次投切。

本发明中，将开关投切顺序列于表1。

表1开关投切顺序

投入操作	先A后C	先C后A
			切除操作	先C后A	先A后C
动作次数	1	1

本专利所述上电涌流控制电路，根据第一步和第二步，在正半周期(0-180°)的峰值点处(90°)先后投入A相和C相的非磁保持继电器，由于二极管均处于截止状态，进一步地，即使非磁保持继电器动作时间一致性稍差，因为选择的闭合时刻为峰值点，也能保证此时非磁保持继电器两端既无电流也无电压，延长非磁保持继电器寿命，此时电容并未投入。当由正半周期进入负半周期(180°-360°)时，二极管导通，电容器投入，上电涌流控制电路两端电压和电流由零逐渐增大，因此二极管和电容器无涌流冲击，进一步地，与二极管并联的电阻起到均压保护作用，保证三个二极管分担电压一致。随着电容器不断充电，磁保持继电器两端电压逐渐抬升。

本专利所述的无时间间隔投切的方法，特别强调磁保持继电器的关断顺序，闭合顺序。根据以上第五步到第七步，第一次投切过程，先关断A相磁保持继电器，会导致该磁保持继电器两端的零点电压漂移到200V左右，再关断C相磁保持继电器，该磁保持继电器两端的零点电压不会发生漂移；进入下一次投切过程，由于C相磁保持继电器两端电压达到稳态，而A相接磁保持继电器尚未到达稳态，在C相磁保持继电器的过零点将其闭合，电路拓扑结构同时发生改变。由于电路拓扑结构发生变化且与C相磁保持继电器并联的二极管的箝位作用，导致A相磁保持继电器的漂移电压重新降到零点，在投入A相磁保持继电器时，就不会存在漂移电压，因此无需等待漂移电压的自然下降，达到无间隔投切的效果。

本专利所述磁保持继电器零点投入控制方法，主控电路判断AC线电压正过零点，并计算磁保持继电器两端电压为零时刻与AC线电压正过零点的时间间隔，又根据电容器电流超前电压90°，此时电流为零。真正做到在磁保持继电器两端电压和电流都为零时投入。磁保持继电器两端电压为零点时电压变化率最低，即使磁保持继电器闭合时刻稍有偏差，电压变化也很小，几乎为零，真正做到无涌流投入。

Claims (4)

1.一种三相共补智能同步开关，其特征在于，包括：

用于接收控制信号并投入电容的主投切电路；

用于检测主投切电路两端电压以及A相和C相电压的电压采样电路；

用于控制上电涌流的上电涌流控制电路；

用于接收电压采样信号和发出控制信号的主控电路；

所述主投切电路串接在电源与电容器之间，主控电路分别与主投切电路、上电涌流控制电路、电压采样电路相连；电压采样电路和上电涌流控制电路分别与主投切电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种三相共补智能同步开关，其特征在于，所述电源为三相电，所述主投切电路为磁保持继电器K1、K3，所述上电涌流控制电路由连在电源A相的第一上电涌流控制电路和连在电源C相的第二上电涌流控制电路组成，所述磁保持继电器K1、K3由其驱动电路控制，驱动电路接收主控电路发出的控制信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种三相共补智能同步开关，其特征在于，所述第一上电涌流控制电路包括非磁保持继电器K2、二极管D1、二极管D2、二极管D3，以及与二极管D1并联的电阻R2、电阻R3、电阻R4，与二极管D2并联的电阻R5、电阻R6、电阻R7，与二极管D3并联的电阻R8、电阻R9、电阻R10；二极管D1的输出端和非磁保持继电器K2相连，二极管D1输入端和二极管D2的输出端相连，二极管D2输入端和二极管D3输出端相连，二极管D3输入端和电容器C1与磁保持继电器K1的交点相接；

所述第二上电涌流控制电路包括非磁保持继电器K4，二极管D4、二极管D5、二极管D6，以及与二极管D4并联的电阻R、电阻R、电阻R，与二极管D2并联的电阻R、电阻R、电阻R，与二极管D3并联的电阻R、电阻R、电阻R；二极管D4的输出端和非磁保持继电器K4相连，二极管D4输入端和二极管D5的输出端相连，二极管D5输入端和二极管D6输出端相连，二极管D6输入端和电容器C3与磁保持继电器K3的交点相接；

所述非磁保持继电器K2和K4分别由其驱动电路控制，驱动电路接收主控电路发出的控制信号。

4.如权利要求1、2或3所述的一种三相共补智能同步开关的控制方法，其特征在于，包括步骤如下：

第一步、非磁保持继电器闭合--电压采样电路实时采集磁保持继电器两端电压，并在正半周期(0-180°)峰值点(90°)处先后投入A相和C相的非磁保持继电器，由于与之并联的二极管均处于截止状态，此时非磁保持继电器两端既无电流也无电压，电容未投入；

第二步、电容器预充电--当由正半周期进入负半周期(180°-360°)，二极管导通，电容器开始充电；

第三步、磁保持继电器闭合--电压采样电路实时采集电容预投入后的磁保持继电器两端电压为零点的时刻，以AC线电压过零点为基准，由主控电路计算磁保持继电器零点电压与AC线电压基准点的时间差，控制磁保持继电器的驱动电路，先后将C相磁保持继电器K3和A相磁保持继电器K1闭合，电容器投入；

第四步、主控电路检测到磁保持继电器闭合之后，发出命令关断非磁保持继电器；

第五步、关断磁保持继电器--根据电压延后电流90°的相位关系，判断电流正过零点，同时主控电路发送控制信号到磁保持继电器驱动电路，先后关断A相和C相的磁保持继电器，切除电容器；

第六步、完成一次投切；

第七步、第二次投切--无需延时等待，主控电路发送驱动信号先后闭合C相和A相磁保持继电器，电容器投入；

第八步、磁保持继电器关断--主控电路发送驱动信号先后关断A相和C相磁保持继电器，电容器切除，完成第二次投切。