CN201860111U - 动态谐波滤波器电抗控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是动态谐波滤波器电抗控制装置，该装置设有电网谐波电能信号检测与处理电路，其包括前置电路，电压、电流采样与A/D转换电路（4），电平转换电路（5），锁相同步采样控制电路（6）和第一微处理器；设有触发脉冲的产生和晶闸管触发电路，其包括第二微处理器、触发脉冲发生器（10）、反并联晶闸管（11）、可变电抗器（12）。本实用新型能够在实际电容器容量变化导致滤波频率发生变化时通过检测电网谐波电能信号的变化控制输出移相脉冲触发反并联晶闸管组工作，从而改变动态谐波滤波器的可变电抗器二次侧控制线圈的电抗值，以此调节可变电抗器一次侧的电抗值，保证动态谐波滤波器在长期工作过程中滤波精度和滤波效果不变。

Description

动态谐波滤波器电抗控制装置

技术领域

本实用新型涉及克服谐波危害，提高电能质量等技术领域，特别是涉及一种用来在电容器容量发生变化时，动态地调节可变电抗器的电抗来稳定谐振频率的动态谐波滤波器电抗控制装置，本实用新型能够通过对晶闸管触发脉冲进行相位控制调节可变电抗器二次侧控制线圈的电抗间接地调节可变电抗器一次侧的电抗，以此保证滤波频率不变。

背景技术

随着工业技术的快速发展，诸多非线性负荷，如直流电机、直流电源、变频调速器、整流设备、电镀电解设备、中高频感应加热设备、电池充电机、晶闸管温控加热设备、电力机车、通讯设备、音像设备、变频器、计算机等接入电网，电网谐波含量逐年升高。电网谐波导致的各种危害日益突出，如增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率；产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热；引起无功补偿电容器谐振和谐波放大，导致电容器因过电流或过电压而损坏或无法投入运行等。这些危害使我们认识到电力谐波进行治理刻不容缓。

申请者申请了专利“动态谐波滤波器（申请号：200910063641.0）”，是一种用于在长期工作过程中保持滤波器滤波精度和滤波效果始终不变的设备，其主要是采用了无源滤波原理，使用自行研制的可变电抗器，通过调节电抗器二次侧控制线圈电抗值从而改变其一次侧电抗值，一次侧电感与滤波电容共同构成了无源调谐滤波器。该“动态谐波滤波器”中，调节可变电抗器二次侧控制线圈电抗值的智能控制装置，主要由电力电子开关器件及微处理器组成，其中电子电子开关器件可选用晶闸管或者IGBT实现。

动态谐波滤波器电抗控制器中电网谐波电能信号的采集、分析和处理是控制策略得以实现的前提，专利“智能绝缘栅双极晶体管双极驱动装置（申请号：200920229072.8）”中采用了智能传感器来获取电能信号并且通过MOD-BUS总线接口与微处理器进行通信。智能传感器实质上是采用高速DSP和MCU控制器，高速采集三相电压和三相电流，可采集电压、电流、功率、功率因素、有功电度、无功电度、计算各相谐波电压和各相谐波电流等。但是，就目前来看智能传感器的价格相对较高。

专利“智能绝缘栅双极晶体管双极驱动装置（申请号：200920229072.8）”所采用的电子电子开关器件选用的是IGBT。申请者采用微处理器控制产生无级可调的PWM波来驱动IGBT工作，在整个控制装置中必须提供可靠的驱动保护电路，以保证IGBT的正常工作。虽然电压驱动型器件IGBT具有良好的特性，如通流能力强，开关速度高，输入阻抗高，热稳定性好等，在中小型容量场合较适用，但是在大容量场合，电流驱动型器件晶闸管应用更加广泛； 此外，IGBT价格较晶闸管而言更加昂贵，保护电路也更加复杂。因此在本实用新型中，鉴于晶闸管或者IGBT都能实现任务要求，使用晶闸管能够相对减少硬软件开支，控制也相对简单。

随着技术的发展，各行各业对电力电子开关器件触发装置提出的性能要求越来越高，特别是大功率的晶闸管模块，不仅要求门极触发脉冲的稳定度高，移相角可调，还要求能够根据特殊应用领域的特点实现全数字化控制和信息化管理。根据以上分析，普通的模拟触发脉冲发生装置存在电路复杂、脉冲对称性差、调试困难，元器件受温度等环境因素影响较大而稳定性较差等缺点不能满足要求，而集控制、运算和触发脉冲产生于一体的数字式触发脉冲发生装置能克服这些缺点。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对现有技术缺陷，提供一种结构相对简单，性能稳定可靠的动态谐波滤波器电抗控制装置，通过控制可变电抗器二次侧控制线圈的电抗来调节其一次侧电抗以保证动态谐波滤波器在长期工作过程中滤波精度和滤波效果始终不变。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：该控制装置设有电网谐波电能信号检测与处理电路，其包括前置电路，电压、电流采样与A/D转换电路，电平转换电路，锁相同步采样控制电路和第一微处理器，其中，前置电路将获取的电压和电流信号转换成连续的模拟信号，该模拟信号经电压、电流采样与A/D转换电路转变成离散的数字信号后经过电平转换送入第一微处理器进行信号分析与处理得到谐波电能信号，锁相同步采样控制电路跟踪电网频率的变化进行精确采样。该控制装置设有触发脉冲的产生和晶闸管触发电路，其包括第二微处理器、触发脉冲发生器、反并联晶闸管、可变电抗器，其中，第二微处理器与第一微处理器通过串行口相连，控制产生移相脉冲触发反并联晶闸管工作，反并联晶闸管与可变电抗器的二次侧控制线圈并联连接。

所述前置电路可以由电压传感器、电流传感器和变送器组成。其中：变送器将电压传感器获取的电压信号和电流传感器获取的电流信号转换成适合于电压、电流采样与A/D转换电路的信号，再输入到电压、电流采样与A/D转换电路中，经电压、电流采样与A/D转换电路处理，使连续的模拟信号转变成离散的数字信号。

所述第一微处理器外接触摸屏。第二微处理器外接报警电路和上位机接口。

本实用新型可控制一个主要由可变电抗器、控制线圈、反并联晶闸管和电容器组组成的动态谐波滤波器主电路。其中：可变电抗器的一端与电容器组串联，反并联晶闸管的两接线端分别与控制线圈的两端相连接构成回路，多组快速熔断器和电容接触器与电容器的串联电路经过并联后形成电容器组。

本实用新型能够在实际电容器容量变化导致滤波频率发生变化时通过检测电网谐波电能信号的变化控制输出移相脉冲触发反并联晶闸管组工作，从而改变动态谐波滤波器的可变电抗器二次侧控制线圈的电抗值，以此来调节可变电抗器一次侧的电抗值保证动态谐波滤波器在长期工作过程中滤波精度和滤波效果始终不变。

本实用新型与现有技术相比具有如下的优点：

1. 使用电网谐波电能信号检测与处理电路来代替高成本的智能电能传感器，精度能够达到测量要求，并且大大降低了成本。

2. 电网谐波电能信号检测与处理电路采用了锁相同步采样控制电路，确保跟踪电网频率的变化，获取信号彼此之间的相位关系，准确测量实时信号，真正实现了同步采样。

3. 电力电子器件采用晶闸管，适用于大容量应用场合，驱动电路与主电路之间的保护隔离装置简单。

4. 采用微处理器，根据反馈信号可实现晶闸管触发脉冲的移相控制，数字式触发脉冲发生方式提高了系统的智能化程度，并且克服了模拟触发脉冲发生器脉冲对称性差等缺点。

5. 采用双处理器智能控制方式，将信号采集处理与触发脉冲产生分离控制，保证了驱动控制过程高效、准确。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是动态谐波滤波器的拓扑结构。

图中：1.电压传感器； 2.电流传感器； 3.变送器； 4.电压、电流采样与A/D转换电路；5.电平转换电路； 6.锁相同步采样控制电路； 7.触摸屏； 8.第一微处理器； 9.第二微处理器； 10.触发脉冲发生器； 11.反并联晶闸管； 12.可变电抗器； 13.报警电路； 14.上位机接口； 15.控制线圈； 16.电容器组； 17.快速熔断器； 18.电容接触器； 19.电容器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步说明。

本实用新型提供的动态谐波滤波器电抗控制装置，包括电网谐波电能信号检测与处理电路，触发脉冲的产生和晶闸管触发电路。该控制装置的具体结构如图1所示。

本实用新型通过电网谐波电能信号检测与处理电路来采集、分析和处理电能信号。

所述电网谐波电能信号检测与处理电路的硬件组成包括：由电压传感器1、电流传感器2和变送器3组成的前置电路，电压、电流采样与A/D转换电路4，电平转换电路5，锁相同步采样控制电路6，第一微处理器8等五大部分。

第一微处理器8可采用DSP，以TMS320LF2407为例，它是一种高性能的16位定点数字信号处理器，特别适用于需要进行数字滤波和大量运算。若微处理器采用TMS320LF2407，它的工作电压是3.3V，因此在数据进入到DSP之前需要添加一个电平转换电路。在电网谐波电能信号检测与处理电路中，采集到的电压、电流信号经过各种处理后进入到DSP中，可以通过傅立叶变换或者小波变换等算法处理得到各次谐波电量。在采样过程中，电网频率并不是恒定不变，而是在50Hz左右变化，因此采样间隔t=T/N（T为采样周期，N为采样点数）也不是恒定不变的，为了跟踪电网频率的变化进行精确采样，在进行采样之前应该加入锁相同步采样电路。

本实施例采用双处理器协同工作，将信号采集处理与触发脉冲产生分离控制，保证了驱动控制过程高效、准确。其中：第一微处理器8主要用来进行谐波电能信号的检测、分析和处理，第二微处理器9主要用来控制触发脉冲发生器工作，两微处理器通过串口相连接。

所述电网谐波电能信号检测与处理电路的工作过程是：电压传感器1获取所需的电压信号，电流传感器2获取所需电流信号，这两种信号经过变送器3进行变送，转换成适合于电压、电流采样与A/D转换电路4的信号，然后由电压、电流采样与A/D转换电路4将连续的模拟信号转变成离散的数字信号后，经过电平转换电路5送入第一微处理器8进行信号分析与处理得到谐波电能信号（如：电流的3,5,7，…次谐波分量；功率因素；电网电压），锁相同步采样控制电路6跟踪电网频率的变化，获取信号彼此之间的相位关系，准确测量实时信号，真正实现了同步采样。

所述触发脉冲的产生和晶闸管触发电路，其包括第二微处理器9、触发脉冲发生器10、反并联晶闸管11、可变电抗器12。其中：第二微处理器9与第一微处理器8通过串行口相连，控制触发脉冲发生器10产生移相脉冲触发反并联晶闸管11工作。反并联晶闸管11与可变电抗器12的二次侧控制线圈15并联连接，通过移相控制来改变二次侧电流，通过互感作用，间接地改变可变电抗器一次侧的电流，从而改变可变电抗器的电抗值。

第一微处理器8外接触摸屏7可以获取或者设置各开关量状态，设置移相角等参数，以及显示谐波电能信号。

第二微处理器9外接报警电路13，可实时监测该装置的使用情况，必要时提供报警。第二微处理器9还外接上位机接口14。

上位机接口14集成了多种通信协议，包括SPI（Serial Peripheral interface，串行外围设备接口）、I2C（Inter Integrated Circuit，双线制串行总线）、USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）等，能方便地外接微处理器或者与上位机通信，建立实时信号测量数据库。

晶闸管11为开关器件，其耐压通流能力强，工作可靠，在大容量应用场合有重要地位。该晶闸管采用相位控制方式，晶闸管触发脉冲的产生使用微处理器控制，移相角可调，脉冲对称性好，稳定性好。

本实用新型所述部分器件可以外购。例如：电压互感器可采用GB1207-86。电流互感器可采用上海二工的LZJC-10。A/D转换器可采用MAXIM公司生产的MAXl25数据采集芯片，它是14位的，转换精度高。第一微处理器8可采用美国TI公司生产的TMS320LF2407，16位定点数字信号处理器，运算速度快。第二微处理器9可选用INTEL公司的89C51型单片机来实现。晶闸管可选用柳晶整流器制造有限公司的KP400A来实现。

本实用新型可控制一个图2所示的主要由反并联晶闸管11、可变电抗器12、控制线圈15和电容器组16组成的具有拓扑结构的动态谐波滤波器主电路。其中：可变电抗器的一次侧一端与电容器组串联；反并联晶闸管的两接线端分别与控制线圈的两端相连接构成回路；多组快速熔断器17和电容接触器18与电容器19的串联电路经过并联后形成电容器组。当电容器组的容抗发生变化时，控制线圈在反并联晶闸管触发电路的作用下开启，动态地调整可变电抗器的电感。本实用新型就是在此动态谐波滤波器的基础上，设计了一种智能型的电抗控制装置，准确有效地触发反并联晶闸管开启，从而改变控制线圈与反并联晶闸管所组成的回路的电流，通过互感作用，间接地改变可变电抗器一次侧的电流，从而改变可变电抗器的电抗值，以此保证滤波频率和滤波效果不变。在图2中只画出了一组反并联晶闸管模块，在实际工作过程中，触发脉冲发生器要输出多路触发脉冲驱动多组反并联晶闸管模块。

本实用新型的工作过程是：

首先通过触摸屏向8进行输入，设定实际需要输出的触发脉冲移相角和频率等参数，反并联晶闸管11在触发电路的作用之下正常工作。电压传感器1、电流传感器2采集所需的电能信号，通过变送器3进行变送，转换成适合于电压、电流采样与A/D转换电路4的信号，在进行采样之前，需要依靠锁相同步采样控制电路6来跟踪电网频率的变化进行精确采样。同步采样的原理是：变送器输出的信号经过一个比较电路，把其波形整成方波，使之在零点发生跃变，这种方波再连接到第一微处理器8（TMS320LF2407）的捕捉引脚CAPl上，利用TMS320LF2407的捕捉功能，当方波在零点发生跃变时，CAPl就能捕捉到并产生一个捕捉中断，同时通过设置定时器记录两个零点之间的时间，这个时间就是此时的电网周期，再把这个值除采样点数，就得到了采样间隔时间，这样，采样间隔能跟着电网周期的变化而变化，做到了真正的同步采样。

然后，电压、电流采样与A/D转换电路4将连续的模拟信号转变成离散的数字信号，经过电平转换电路5后送入第一微处理器8，通过傅立叶变换或者小波变换等算法得到各次谐波分量，当谐波分量含量高于设定值时就需要改变晶闸管触发脉冲的移相角来实现调整可变电抗器12的电抗来稳定滤波频率。第一微处理器8计算出需要调整的移相角，并将计算结果通过串行口发送给第二微处理器9；第二微处理器9得到数据，通过软件编程发出控制信号控制触发脉冲发生器10产生相应的移相脉冲，此移相脉冲加在反并联晶闸管11门极，在控制线圈15与反并联晶闸管11的回路中，反并联晶闸管的导通角的改变将直接改变回路电流，通过互感作用，可变电抗器12一次侧的电流也会发生变化，这样使得控制线圈的电抗按照要求来变化，从而改变了可变电抗器12的电抗值，这样当电容器容量发生变化时，以此来保证LC乘积不变，从而保证了动态谐波滤波器在长期工作过程中滤波精度和滤波效果始终不变。

Claims (5)

1.一种动态谐波滤波器电抗控制装置，其特征是该控制装置设有电网谐波电能信号检测与处理电路，其包括前置电路，电压、电流采样与A/D转换电路（4），电平转换电路（5），锁相同步采样控制电路（6）和第一微处理器（8），其中，前置电路将获取的电压和电流信号转换成连续的模拟信号，该模拟信号经电压、电流采样与A/D转换电路转变成离散的数字信号后经过电平转换送入第一微处理器进行信号分析与处理得到谐波电能信号，锁相同步采样控制电路跟踪电网频率的变化进行精确采样；设有触发脉冲的产生和晶闸管触发电路，其包括第二微处理器（9）、触发脉冲发生器（10）、反并联晶闸管（11）、可变电抗器（12），其中，第二微处理器与第一微处理器通过串行口相连，控制产生移相脉冲触发反并联晶闸管工作，反并联晶闸管与可变电抗器的二次侧控制线圈并联连接。

2.根据权利要求1所述的动态谐波滤波器电抗控制装置，其特征是所述前置电路由电压传感器（1）、电流传感器（2）和变送器（3）组成，其中：变送器（3）将电压传感器获取的电压信号和电流传感器获取的电流信号转换成适合于电压、电流采样与A/D转换电路（4）的信号，再输入到电压、电流采样与A/D转换电路（4）中，经电压、电流采样与A/D转换电路（4）处理，使连续的模拟信号转变成离散的数字信号。

3.根据权利要求1所述的动态谐波滤波器电抗控制装置，其特征是：第一微处理器（8）外接触摸屏（7）。

4.根据权利要求1所述的动态谐波滤波器电抗控制装置，其特征是：第二微处理器（9）外接报警电路（13）和上位机接口（14）。

5.根据权利要求1所述的动态谐波滤波器电抗控制装置，其特征是该装置控制一个主要由反并联晶闸管（11）、可变电抗器（12）、控制线圈（15）和电容器组（16）组成的动态谐波滤波器主电路，其中：可变电抗器的一端与电容器组串联，反并联晶闸管的两接线端分别与控制线圈的两端相连接构成回路，多组快速熔断器（17）和电容接触器（18）与电容器（19）的串联电路经过并联后形成电容器组。

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