CN201594745U - 三相电流平衡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型为三相电流平衡器，解决用户三相电流不平衡的问题。变压器通过三相线和零线与不平衡负载连接，每相线上有电流互感器与单片机的输入连接，每相线分别与零线通过电压互感器与单片机的输入连接，单片机的输出分别与负序A相电压逆变器、负序B相电压逆变器、负序C相电压逆变器，第1-3零序电压逆变器连接，A相线与负序A相补偿电流发生器，负序A相电压逆变器和第1零序电压逆变器连接，B相线与负序B相补偿电流发生器、负序B相电压逆变器和第2零序电压逆变器连接，C相线与负序C相补偿电流发生器、负序C相电压逆变器和第3零予电压逆变器连接，负序A相电压逆变器与负序A相补偿电流发生器连接，负序B相电压逆变器与负序B相补偿电流生器连接，负序C相电压逆变器与负序C相补偿电流发生器连接，第1-3零序电压逆变器分别与对应的第1-3零序补偿电流生器连接。

Description

三相电流平衡器

技术领域：

本实用新型涉及电力三相供电系统的用户负载三相电流平衡装置。

背景技术：

电力供电系统都是三相供电制，系统要求负载是三相平衡的，即三相电流数值一样，相位相差120度。但许多都是单相负载，如城市照明和生活用电以及工业生产中大量单相设备。如工频感应炉、电渣炉、盐浴炉、电焊机等。虽然可以将单相负载调整到三相电路中，也可以加电感和电容器使单相负载成为平衡的三相负载。如工频感应炉中的功率平衡器，图1为该设备的原理图和向量图。但是由于单相电器用电的不同步和加装功率平衡器后负载的变化都会引起电流的不平衡，所以不平衡总是存在的。

三相电压或电流不平衡产生的主要危害：

1、旋转电机在不对称状态下运行，会使转子产生附加损耗及发热，从而引起电机整体或局部升温，此外负序电流的反向磁场产生附加力矩会使电机出现振动。对发电机而言，在定子中还会形成一系列高次谐波。

2、引起以负序分量为启动元件的多种保护发生误动作，直接威胁电网运行。

3、不平衡电压使硅整流设备出现非特征性谐波。

4、对发电机、变压器而言，当三相负荷不平衡时，如控制最大相电流为额定值，则其余两相就不能满载，因而设备利用率下降，反之如要维持额定容量，将会造成负荷较大的一相过负荷，而且还会出现磁路不平衡致使波形畸变，设备附加损耗增加等。

5、在三相四线制供电线路中不平衡电压会造成零点漂移，使相电压降低或升高，连接在电压降低那一相的电器无法工作，连接在电压升高相的电器就会烧毁。

6、不平衡的三相系统，存在大量的谐波和无功。不仅对用电设备造成危害，而且也增加了能耗。

作为供电系统除了满足电能的供求需要外，也必须保障供电系统及用户对电能质量的要求。电能是电力系统的唯一产品，电能质量的好坏，直接影响到电网和工业生产，及人民生活的正常秩序。大量非线性设备及负荷的干扰会使电网电能质量下降，其对电网及用户的危害是多方面的，严重时会造成设备损坏和电网事故。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种能动态补偿负序、零序电流，使负载的电流平衡的三相电流平衡器。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型三相电流平衡器，变压器通过三相线和零线与不平衡负载连接，每相线上有电流互感器与单片机的输入连接，每相线分别与零线通过电压互感器与单片机的输入连接，单片机的输出分别与负序A相电压逆变器、负序B相电压逆变器、负序C相电压逆变器，第1-3零序电压逆变器连接，A相线与负序A相补偿电流发生器，负序A相电压逆变器和第1零序电压逆变器连接，B相线与负序B相补偿电流发生器、负序B相电压逆变器和第2零序电压逆变器连接，C相线与负序C相补偿电流发生器、负序C相电压逆变器和第3零序电压逆变器连接，负序A相电压逆变器与负序A相补偿电流发生器连接，负序B相电压逆变器与负序B相补偿电流生器连接，负序C相电压逆变器与负序C相补偿电流发生器连接，第1-3零序电压逆变器分别与对应的第1-3零序补偿电流生器连接。

所述的六个电压逆变器的结构相同，由直流电桥、滤波电容和四只绝缘门极晶体管组成，直流电桥由四只二极管1组成，其输入分别接相线和零线，其输出接并联的滤波电容2和两个绝缘门极晶体管串联电路，两串联电路的串连处各有一输出线与补偿电流发生器输入端连接，四只绝缘门极晶体的门极各与单片机的一输出端连接，六个补偿电流生器的结构相同，由变压器组成、变压器的一次绕组与电压逆变器的输出端连接，二次绕组的一端与零线连接，另一端经电力电容器5与对应的相线连接。

本实用新型在于将电力系统中的三相不对称的电流或电压，按照对称分量法分析出其中的负序分量和零序分量。然后用由计算机控制的大功率的逆变器产生与系统中的负序分量和零序分量大小相等、相位相反的两组分量，完全抵消了引起系统不平衡的负序和零序电流。这样在任何时候系统都是对称的，平衡的。这就是动态补偿负序、零序电流的三相电流平衡器。

为了能说明问题，下面简单地介绍对称分量法的原理。

对称分量法的原理是把一组不对称的三相电压或电流看成是三相对称的电压或电流的叠加，后者称为前者的对称分量。见图3。

图3中a，b和c，是三相互不相关的三相电流，它们都是三相对称的，但是有不同的相序。在图3-a中，i_A领先i_B120°，i_B领先i_C120°，这种相序关系称为正相序，或称正序；在图3-b中，i_A领先i_C120°，i_C领先i_B120°，这种相序关系称为负相序，或称负序；在图3-c中三相电流都同相，不分先后，称为零序。正序、负序和零序的值分别在上角注以“+”、“-”及“0”的符号。如果这三组对称的电流同时存在在一系统中，它们的合成电流如图3-d中所示，将是一组三相不对称的电流，其中

i_A＝i⁺ _A+i^- _A+i⁰ _A，

i_B＝i⁺ _B+i^- _B+i⁰ _B，           (i)

i_C＝i⁺ _C+i^- _C+i⁰ _C，

因此可以看出，三相对称的但相序不同的分量电流叠加在一起时可以得到一组三相不对称的的电流。

反过来，任何一组不对称的三相电流可以分析出一定的三相对称分量。从图3可以看出，各相序分量中各相电流之间的关系是

i⁺ _B＝a²i⁺ _A，i⁺ _C＝ai⁺ _A，

i^- _B＝ai^- _A，i^- _C＝a²i^- _A，(2)

i⁰ _A＝i⁰ _B＝i⁰ _C

上式中的符号a是复数运算符号，

它的作用是使一个向量向前转120°。将上列关系带入式(1)，就得

i_A＝i⁺ _A+i^- _A+i⁰ _A，

i_B＝a²i⁺ _A+ai^- _A+i⁰ _A，(3)

i_C＝ai⁺ _A+a²i^- _A+i⁰ _A，

用上式可以从不对称的三相电流i_A、i_B和i_C找出A相的各对称分量值i⁺ _A、i^- _A和i⁰ _A，即

$i_A^{+}=\frac{1}{3}(i_A+a{i}_B+a^2{i}_C)$

${i^{-}}_A=\frac{1}{3}(i_A+a^2{i}_B+a{i}_C)---\left(4\right)$

${i^0}_A=\frac{1}{3}(i_A+i_B+i_C),$

因为各相序分量都是对称的，找出A相的分量以后，B相和C相的分量就可以根据式(2)来确定。

为了进一步说明电流补偿的原理，以补偿系统A相负序电流为例(忽略限流电阻6的电压降)，图7中：

为系统中A相负序电压，

为逆变变压器二次绕组电压，为电容器电压，

为系统中A相负序电流，

为电容器电流，为A相负载的负序电流，其中的关系为：

${\stackrel{\·}{I}}_A^{-}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AC}}^{-}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Af}}^{-}...\left(5\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AE}}^{-}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ac}}^{-}\×j\frac{1}{\mathrm{\ωc}}={\stackrel{\·}{U}}_E^{-}+{\stackrel{\·}{U}}_A^{-}...\left(6\right)$

根据公式(5)为了使系统中的 ${\stackrel{\·}{I}}_A^{-}=0,$ 即有 ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ac}}^{-}=-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Af}}^{-},$ 于是根据公式(6)可求出逆变器输出电压

${\stackrel{\·}{U}}_E^{-}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ac}}^{-}\×j\frac{1}{\mathrm{\ωc}}-{\stackrel{\·}{U}}_A^{-}=-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Af}}^{-}\×j\frac{1}{\mathrm{\ωc}}-{\stackrel{\·}{U}}_A^{-}...\left(7\right)$

变压器在这里具有两个作用：

1、逆变器输出的是脉宽调制波，要成为正弦波，必须要连接电抗器进行滤波。变压器的电感即可以将脉宽调制波(PWM波)转变为正弦波。使用变压器就可省去电抗器。

2、变压器二次绕组可以与逆变器隔离。

电容器提供的容性补偿电流，既抵消了系统中的负序电流和零序电流，使系统达到平衡；又补偿了系统中的感性无功电流，提高了系统的功率因数。

综上所述，本实用新型有以下特点：

利用计算机检测用电系统中的负序电流和零序电流，再由计算机控制逆变器产生大小相同、相位相反的负序和零序补偿电流。实现了动态补偿的功能，彻底解决了用户三相电流不平衡的问题。

附图说明：

图1为功率平衡器原理及向量图。

图2为本实用新型的原理框图。

图3为对称分量法的原理向量图。

图4为单相电压逆变器原理图。

图5为负序、零序补偿电流向量图。

图6为补偿电流发生器原理图。

图7为电流补偿原理图。

图中序号说明

(1)硅整流二极管

(2)电解电容器

(3)绝缘门极晶体管(简称IGBT)

(4)双绕组变压器

(5)电力电容器

(6)限流电阻

具体实施方式：

图2框图中的单片机8031将电流互感器的二次电流及电压互感器的二次电压，经用对称分量法将三相不平衡电流中的负序电流、零序电流处理后，通过FPGA接口转变为控制信号Q1～Q16。其中Q1～Q4、Q5～Q8、Q9～Q12分别控制三个单相逆变器，以产生三相负序电压；将Q13～Q16这一组信号中的每一个信号又一分为三，形成三组Q13～Q16控制信号分别控制另外三个单相逆变器，以产生三个相同的零序电压。

六个逆变器都是相同结构，其原理图如图4。从电网取得的单相220V交流电经桥式整流后变为直流，再经电解电容去除纹波，然后由四只绝缘门极晶体管(简称IGBT)逆变为50赫兹的单相交流电压。IGBT的门极的导通信号由单片机8031发出。

六只单相逆变器分别输出不同相位和幅值的、满足产生负序电流和零序电流需要的电压。逆变器的负载就是补偿变压器——电容器组合。补偿变压器的一次绕组与逆变器的输出端相连，二次绕组一端与系统的零线连接，另一端通过电力电容器与系统的相对应的相线连接，不同相位和大小的容性补偿电流便流入系统。

Claims (2)

1.三相电流平衡器，其特征在于变压器通过三相线和零线与不平衡负载连接，每相线上有电流互感器与单片机的输入连接，每相线分别与零线通过电压互感器与单片机的输入连接，单片机的输出分别与负序A相电压逆变器、负序B相电压逆变器、负序C相电压逆变器，第1-3零序电压逆变器连接，A相线与负序A相补偿电流发生器，负序A相电压逆变器和第1零序电压逆变器连接，B相线与负序B相补偿电流发生器、负序B相电压逆变器和第2零序电压逆变器连接，C相线与负序C相补偿电流发生器、负序C相电压逆变器和第3零序电压逆变器连接，负序A相电压逆变器与负序A相补偿电流发生器连接，负序B相电压逆变器与负序B相补偿电流生器连接，负序C相电压逆变器与负序C相补偿电流发生器连接，第1-3零序电压逆变器分别与对应的第1-3零序补偿电流生器连接。

2.根据权利要求1所述的三相电流平衡器，其特征在于所述的六个电压逆变器的结构相同，由直流电桥、滤波电容和四只绝缘门极晶体管组成，直流电桥由四只二极管(1)组成，其输入分别接相线和零线，其输出接并联的滤波电容(2)和两个绝缘门极晶体管串联电路，两串联电路的串连处各有一输出线与补偿电流发生器输入端连接，四只绝缘门极晶体的门极各与单片机的一输出端连接，六个补偿电流生器的结构相同，由变压器组成、变压器的一次绕组与电压逆变器的输出端连接，二次绕组的一端与零线连接，另一端经电力电容器(5)与对应的相线连接。

Images