CN112186784A - 三相电压平衡装置及方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种三相电压平衡装置，属于电力领域。所述三相电压平衡装置包括输入电压采样装置、输出电压采样装置、输出电压设定装置、核心控制器、电压调整开关、电压调整变压器；其中所述输入电压采样装置用于采样各相的输入电压；所述输出电压采样装置用于采样各相的输出电压；输出电压设定装置用于对各相的输出电压进行设定；各相的电压调整开关分别与该相的电压调整变压器连接；核心控制器，用于接收采样的所述输入电压、采样的所述输出电压以及设定的各相的输出电压，以控制各相的电压调整开关与电压调整变压器调整各相的电压档位。本方案可自动安全调整并平衡三相电压值。

Description

三相电压平衡装置及方法
技术领域
本发明涉及电力领域，尤其涉及一种用于提高电压质量的电压平衡装置及方法。
背景技术
电力系统电压的稳定事关电力用户用电的可靠性，影响电器设备的安全运行寿命，因此，保证产品质量甚至是关系到生命安全。由于电力系统供电电压的不稳定，引起的各种事故的案例很多。例如，电梯的安全运行，医院的医疗设备，生命维护系统，因电力电压不稳引起的火灾等。
现有的电力稳压器主要有以下技术手段：
⑴、可控硅调压
可控硅调压的主要原理为调相调压，在电压调节过程中会产生一定的电力谐波及附加损耗，尤其是电流较大时，需要加以风冷或水冷环节用于降温，其附加损耗更高，对供、用电设备的正常工作会造成一定影响，特别是会引起变压器、电动机、电容等设备工作发热；对通讯设备等造成一定干扰。
⑵、接触型调压器
在调整过程中，接触型调压器的电刷与线圈之间有一定压力的物理接触，尤其是在电压调整时有匝间短路。
短路现象，引起“打火放电”现象，在调整过程中的电流很有限，只能做成容量较小的设备，而且，由于长时间调整，线圈和电刷都因磨损有更换的必要。
⑶、电力变压器的有载调压
电力变压器的有载调压只能在高压侧，现行有载调压开关设备的建设及运行成本均较高，且安全工作寿命较短，平均则每次调整的成本亦较高，对于每天都要经过几次调整的场合，极不合适。目前，社会上的有载调压，尤其是大容量，没有任何附加谐波，而且无需停电调整，调整过程中无电压凸起及陷落的调压技术尚未出现。
⑷、变压器抽头调整电压
现行的变压器抽头调压主要有以下几种：
①、机械开关调整：中间有切换过程中的停电过程，对于供、用电设备的正常工作都会造成影响。
②、电力电子开关调整：除了在切换过程中有与机械开关调整相同(中间有停电过程)的问题之外，电力电子开关的抗冲击能力极其有限，极易损坏，而且一旦出现故障，例如可控硅，将有形成不可控制的通路状态。
以上两种电压调整方式，均有短时停电过程，而且对供、用电设备都形成冲击，存在安全隐患。
而对于三相或两相供电的负荷，供电电压的相间不平衡将带来以下问题：
①、对用电负荷的安全工作有一定影响；
②、造成电力变压器的工作电流不平衡，从而引起多相电压的进一步不平衡；功率因数的不平衡；
③、引起变压器和线路、开关的损耗增加；
④、引起多种供电设备的损坏；
⑤、造成变压器及线路的供电能力下降；
因此，电压的稳定与平衡是影响电能质量首要的技术指标。电力系统电压的稳定事关电力用户用电的可靠性，影响电器设备的安全运行寿命，因此，保证产品质量甚至是关系到生命安全。由于电力系统供电电压的不稳定，引起的各种事故的案例很多。例如，电梯的安全运行，医院的医疗设备，生命维护系统，因电力电压不稳引起的火灾等。
现有的电力稳压器主要有以下技术手段：
⑴、可控硅调压
可控硅调压的主要原理为调相调压，在电压调节过程中会产生一定的电力谐波及附加损耗，尤其是电流较大时，需要加以风冷或水冷环节用于降温，其附加损耗更高，对供、用电设备的正常工作会造成一定影响，特别是会引起变压器、电动机、电容等设备工作发热；对通讯设备等造成一定干扰。
⑵、接触型调压器
在调整过程中，接触型调压器的电刷与线圈之间有一定压力的物理接触，尤其是在电压调整时有匝间短路。
短路现象，引起“打火放电”现象，在调整过程中的电流很有限，只能做成容量较小的设备，而且，由于长时间调整，线圈和电刷都因磨损有更换的必要。
⑶、电力变压器的有载调压
电力变压器的有载调压只能在高压侧，现行有载调压开关设备的建设及运行成本均较高，且安全工作寿命较短，平均则每次调整的成本亦较高，对于每
天都要经过几次调整的场合，极不合适
目前，社会上的有载调压，尤其是大容量，没有任何附加谐波，而且无需停电调整，调整过程中无电压凸起及陷落的调压技术尚未出现。
⑷、变压器抽头调整电压
现行的变压器抽头调压主要有以下几种：
①、机械开关调整：中间有切换过程中的停电过程，对于供、用电设备的正常工作都会造成影响。
②、电力电子开关调整：除了在切换过程中有与机械开关调整相同(中间有停电过程)的问题之外，电力电子开关的抗冲击能力极其有限，极易损坏，而且一旦出现故障，例如可控硅，将有形成不可控制的通路状态。
以上两种电压调整方式，均有短时停电过程，而且对供、用电设备都形成冲击，存在安全隐患。
而对于三相或两相供电的负荷，供电电压的相间不平衡将带来以下问题：
①、对用电负荷的安全工作有一定影响；
②、造成电力变压器的工作电流不平衡，从而引起多相电压的进一步不平衡；功率因数的不平衡；
③、引起变压器和线路、开关的损耗增加；
④、引起多种供电设备的损坏；
⑤、造成变压器及线路的供电能力下降；
尤其是对于电能质量的影响，电压的稳定与平衡是首要的技术指标。
发明内容
为了克服上述缺陷，解决目前没有大容量带载安全调压，没有无任何附加谐波，以及电压突起或突陷，尤其在无断电过程中进行调整，保证供电过程中电压的稳定等技术问题，本发明提供了一种控制三相电压全自动平衡的装置和方法。
根据本发明的一个方面，提出了一种三相电压平衡装置，所述三相电压平衡装置包括输入电压采样装置、输出电压采样装置、输出电压设定装置、核心控制器、电压调整开关、电压调整变压器；其中所述输入电压采样装置用于采样各相的输入电压；所述输出电压采样装置用于采样各相的输出电压；输出电压设定装置用于对各相的输出电压进行设定；各相的电压调整开关分别与该相的电压调整变压器连接；核心控制器，用于接收采样的所述输入电压、采样的所述输出电压以及设定的各相的输出电压，以控制各相的电压调整开关与电压调整变压器调整各相的电压档位。
根据本发明的一个方面，所述三相电压平衡装置还包括工作控制开关和旁路开关，所述旁路开关用于对各相的电压调整变压器进行旁路，工作控制开关用于调整各相的电压调整开关和电压调整变压器的工作状态。
根据本发明的一个方面，所述核心控制器是由PLC或MCU或逻辑门电路硬件控制电路构成。
根据本发明的一个方面，所述电压调整变压器是由三个单相变压器或由一个三相变压器构成。
根据本发明的一个方面，所述输入或输出电压采样装置是由电压互感器构成。
根据本发明的一个方面，所述输出电压设定装置由硬件数字键盘或触摸屏构成，可以远程通讯或无线遥控。
根据本发明的一个方面，所述工作控制开关由接触器构成。
根据本发明的一个方面，所述电压调整开关由继电器及接触器或电子开关电路构成。
根据本发明的一个方面，所述旁路开关由控制继电器及接触器构成。
根据本发明的一个方面，各相的旁路开关Ko分别与各相的输入电压和电压调整变压器连接；所述电压调整开关包括过渡电阻开关KR、电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N；其中K1、K2、KN、KN+1、KN+N同时也为短路开关，即电压选择档位开关也作为短路开关使用；工作控制开关包括火线控制开关K-、K+N以及接地开关K+、K-N；各相的电压调整变压器包括分别与对应的电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N连接的一次线圈N1、N2、NN、N+1、铁芯M、以及二次线圈N’；KR与过渡电阻串联后与KN并联。
根据本发明的一个方面，所述过渡电阻可以由电阻、电容、电抗任意一个或它们的任意组合体构成。
一种基于上述三相电压平衡装置的三相电压平衡方法，该方法包括：输出电压设定装置设定各相的输出电压Vsd；输入电压采样装置采样各相的输入电压Vi；核心控制器接收输出电压设定装置的各相设定数值Vsd；核心控制器接收输入电压采样环节采集的各相输入电压Vi；核心控制器计算Vi-Vsd的数值，根据Vi-Vsd控制各相的电压调整开关与电压调整变压器调整各相电压的档位。
根据本发明的一个方面，所述调整各相电压的档位包括：将电压调整变压器的一次回路短路；打开旁路开关K0；合上过渡电阻开关KR；打开短路开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N；合上电压调整开关的火线控制开关K-、K+N；合上电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N中的一个或多个；断开过渡电阻开关KR；核心控制器获取输出电压采样装置采样的输出电压Vo，当采样的输出电压Vo与设定的输出电压Vsd的差值Vo-Vsd超过预定范围时，根据差值Vo-Vsd选择新的电压调整开关的档位，即新的需闭合的电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N中的一个或多个；合上过渡电阻控制开关KR；断开已合上的电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N中的一个或多个；合上新的电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N中的一个或多个；断开过渡电阻开关KR；打开电压调整开关的火线控制开关K-、K+N；合上旁路开关K0；其中，提高电压合K+、K+N，降低电压合K-、K-N。
本方案利用电磁机构原理，通过逻辑控制电路实现自动检测三相电压，根据检测的三相电压的电压差值，以及设定的目标电压值自动分相调整三相电压，使之三相电压自动保持平衡；并在电压值偏离目标值时，自动调整。调整过程中，无电压突变情况，且可带载安全调整，无任何附加谐波及断电情况。
附图说明
图1为本发明三相电压平衡装置的结构原理图。
图2为本发明三相电压平衡装置的电路连接图。
具体实施方式
参见图1和图2，对本申请提出的三相电压平衡装置的结构和工作流程进行介绍。
首先参见图1，本发明提出的电压平衡装置包括直流工作电源、输入和输出电压采样装置、输出电压设定装置、核心控制器、工作控制开关、电压调整开关、电压调整变压器、旁路开关。
其中，所述直流工作电源为该装置中各环节的直流工作部分提供工作电源；输入和输出电压采样装置由电压互感器为主要构成，输入电压采样装置用于采样各相的输入电压，输出电压采样装置用于采样各相的输出电压；输出电压设定装置，由硬件数字键盘或触摸屏构成，可以远程通讯或无线遥控，用于对各相的输出电压进行设定；核心控制器，由PLC或MCU或逻辑门电路硬件控制电路等构成，用于接收采样的所述输入电压、采样的所述输出电压以及设定的各相的输出电压，以控制各相的电压调整开关与电压调整变压器调整各相的电压档位；工作控制开关，由接触器构成，与各相的电压调整开关连接，工作控制开关用于调整各相的电压调整开关和电压调整变压器的工作状态；各相的电压调整开关，由继电器及接触器构成或由电子开关电路构成，分别与该相的电压调整变压器连接；各相的电压调整变压器，可以由三个单相变压器或由一个三相变压器构成；旁路开关，由控制继电器及接触器构成，所述旁路开关用于对各相的电压调整变压器进行旁路。
现在参见图2，对三相电压平衡装置的具体结构进行描述。
在图2中，K0a、K0b、K0c为A、B、C三相的旁路开关，分别与A、B、C三相的输入电压和电压调整变压器连接，下文为简单起见，使用K0表示各相的旁路开关；KR为过渡电阻开关；K1、K2、KN、KN+1、KN+N为电压选择档位开关；K1、K2、KN、KN+1、KN+N同时也为短路开关，即电压选择档位开关也可作为短路开关使用；K-、K+N为火线控制开关；K+、K-N为接地开关；N’为二次线圈；N1、N2、NN、N+1、N+N为一次线圈，分别与对应的电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N连接；M为铁芯；R为过渡电阻，根据一个实施例，过渡电阻也可以是电阻R、电容C、电抗L或它们的任意组合体；KR与R串联后与KN并联。如图2所示，各相的电压选择档位开关和一次、二次线圈等的电路结构相同，因此使用了相同的符号来表示。上述电压选择档位开关及过渡电阻开关等构成了上文的电压调整开关，一次和二次线圈及铁芯组成了上述的电压调整变压器。
下面，结合图1和图2介绍三相电压平衡装置的工作方法。
输出电压设定装置设定各相的输出电压Vsd；其中，A、B、C三相设定的输出电压可分别为Vsda、Vsdb、Vsdc，下面为了简化，仅通过Vsd进行描述。
输入电压采样装置采样各相的输入电压Vi；与上文相同，这里使用Vi进行简单描述。
核心控制器接收输出电压设定装置的各相设定数值Vsd；
核心控制器接收输入电压采样环节采集的各相输入电压Vi；
核心控制器计算Vi-Vsd的数值，根据Vi-Vsd控制各相的电压调整开关与电压调整变压器调整各相电压的档位。
具体的档位调整方法包括：
将电压调整变压器的一次回路短路；
打开旁路开关K0；
合上过渡电阻开关KR；
打开短路开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N；
合上电压调整开关的火线控制开关K-、K+N；
合上电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N中的一个或多个；
断开过渡电阻开关KR；
核心控制器获取输出电压采样装置采样的输出电压Vo，当采样的输出电压Vo与设定的输出电压Vsd的差值Vo-Vsd超过预定范围时，根据差值Vo-Vsd选择新的电压调整开关的档位，即新的需闭合的电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N中的一个或多个；
合上过渡电阻控制开关KR；
断开已合上的电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N中的一个或多个；
合上新的电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N中的一个或多个；
断开过渡电阻开关KR；
打开电压调整开关的火线控制开关K-、K+N；
合上旁路开关K0。
其中，需提高电压即当Vi<Vsd时合K+、K+N；需降低电压即Vi>Vsd时合K-、K-N。
在图2中，※为同名端。
本发明有效解决了长期困扰电力系统三相电压不平衡的难题，既保护供电设备和用电设备，又降低线损，提高供电质量，起到节能降耗的作用。
上述实施例仅为说明本申请的方案而提出，其并非限制本申请的保护范围，本领域技术人员可以依据本申请所提出的思想对上述实施例进行调整，这些调整后的方案也落入本申请的保护范围内。

Claims (13)

1.一种三相电压平衡装置，其特征在于：
所述三相电压平衡装置包括输入电压采样装置、输出电压采样装置、输出电压设定装置、核心控制器、电压调整开关、电压调整变压器；其中
所述输入电压采样装置用于采样各相的输入电压；
所述输出电压采样装置用于采样各相的输出电压；
输出电压设定装置用于对各相的输出电压进行设定；
各相的电压调整开关分别与该相的电压调整变压器连接；
核心控制器，用于接收采样的所述输入电压、采样的所述输出电压以及设定的各相的输出电压，以控制各相的电压调整开关与电压调整变压器调整各相的电压档位。
2.根据权利要求1所述的三相电压平衡装置，其特征在于：
所述三相电压平衡装置还包括工作控制开关和旁路开关，所述旁路开关用于对各相的电压调整变压器进行旁路，工作控制开关用于调整各相的电压调整开关和电压调整变压器的工作状态。
3.根据权利要求1所述的三相电压平衡装置，其特征在于：
所述核心控制器是由PLC或MCU或逻辑门电路硬件控制电路构成。
4.根据权利要求1所述的三相电压平衡装置，其特征在于：
所述电压调整变压器是由三个单相变压器或由一个三相变压器构成。
5.根据权利要求1所述的三相电压平衡装置，其特征在于：
所述输入或输出电压采样装置是由电压互感器构成。
6.根据权利要求1所述的三相电压平衡装置，其特征在于：
所述输出电压设定装置由硬件数字键盘或触摸屏构成，可以远程通讯或无线遥控。
7.根据权利要求2所述的三相电压平衡装置，其特征在于：
所述工作控制开关由接触器构成。
8.根据权利要求1所述的三相电压平衡装置，其特征在于：
所述电压调整开关由继电器及接触器或电子开关电路构成。
9.根据权利要求2所述的三相电压平衡装置，其特征在于：
所述旁路开关由可由三个单相开关或一个三相开关构成。
10.根据权利要求2所述的三相电压平衡装置，其特征在于：
各相的旁路开关Ko分别与各相的输入电压和电压调整变压器连接；所述电压调整开关包括过渡电阻开关KR、电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N；其中K1、K2、KN、KN+1、KN+N同时也为短路开关，即电压选择档位开关也作为短路开关使用；工作控制开关包括火线控制开关K-、K+N以及接地开关K+、K-N；各相的电压调整变压器包括分别与对应的电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N连接的一次线圈N1、N2、NN、N+1、铁芯M、以及二次线圈N’；KR与过渡电阻串联后与KN并联。
11.根据权利要求10所述的三相电压平衡装置，其特征在于：
所述过渡电阻可以由电阻、电容、电抗任意一个或它们的任意组合体构成。
12.一种根据权利要求1所述的三相电压平衡装置的三相电压平衡方法，其特征在于，该方法包括：
输出电压设定装置设定各相的输出电压Vsd；
输入电压采样装置采样各相的输入电压Vi；
核心控制器接收输出电压设定装置的各相设定数值Vsd；
核心控制器接收输入电压采样环节采集的各相输入电压Vi；
核心控制器计算Vi-Vsd的数值，根据Vi-Vsd控制各相的电压调整开关与电压调整变压器调整各相电压的档位。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：
所述调整各相电压的档位包括：
将电压调整变压器的一次回路短路；
打开旁路开关K0；
合上过渡电阻开关KR；
打开短路开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N；
合上电压调整开关的火线控制开关K-、K+N；
合上电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N中的一个或多个；
断开过渡电阻开关KR；
核心控制器获取输出电压采样装置采样的输出电压Vo，当采样的输出电压Vo与设定的输出电压Vsd的差值Vo-Vsd超过预定范围时，根据差值Vo-Vsd选择新的电压调整开关的档位，即新的需闭合的电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N中的一个或多个；
合上过渡电阻控制开关KR；
断开已合上的电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N中的一个或多个；
合上新的电压选择档位开关K1、K2、KN、KN+1、KN+N中的一个或多个；
断开过渡电阻开关KR；
打开电压调整开关的火线控制开关K-、K+N；
合上旁路开关K0；
其中，提高电压合K+、K+N，降低电压合K-、K-N。
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