CN207283168U - 一种供电零间断的电力负荷换相电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种供电零间断的电力负荷换相电路，该电力负荷换相电路包括：换相执行电路，用于接收电脉冲信号，以控制继电器的接通或断开，来完成换相操作，还包括与换相执行电路电连接的过零点采集电路、单片机逻辑控制电路和远程控制装置；所述换相执行电路包含UA执行电路、UB执行电路和UC执行电路，UA执行电路、UB执行电路和UC执行电路分别包括：第一继电器，其常开开关的一端电连接电源进端，常开开关的另一端电连接负载端，线圈电连接单片机逻辑控制电路；第二继电器，其常开开关的一端电连接电源进端，常开开关的另一端电连接负载端，线圈电连接单片机逻辑控制电路。本实用新型自动判断各相电压的过零点，利用二极管和磁保持继电器接点以及并联的磁保持继电器接点的逻辑顺序配合，安全的实现供电零间断的单相负荷换相操作。

Description

一种供电零间断的电力负荷换相电路

技术领域

本实用新型涉及一种单相供电的电力负荷的换相电路，特别涉及一种供电零间断的电力负荷换相电路，属于电子技术领域。

技术背景

在电力供应系统中，广泛采用三相电力变压器供电模式。单相电力负荷平均分布在三相火线上，最佳状态是电力变压器的三相负荷完全均衡，此时零线电流为零，变压器及供电线路能量损耗最小，经济性最高。但是由于单相电力负荷的不稳定性，导致很难实现三相负荷平衡。此时需要进行三相负荷调整，将重负荷相的部分负荷转移到轻负荷相，达到接近三相平衡状态。

传统的人工平衡调整需要长时间停电、作业人员登杆作业劳动强度大，存在人身伤害危险，已经被淘汰。目前，普遍采取换相装置来实现三相负荷自动平衡调整，常用的换相电路有两种：一种是采取晶闸管（可控硅）和大电流磁保持继电器接点并联的复合开关模式组成的换相电路；另一种是精确控制大电流磁保持继电器来实现换相的同步开关模式电路。

复合开关模式换相电路工作过程为：在换相操作开始时，断开并联的磁保持继电器接点，晶闸管负责接通负载；利用晶闸管导通速度快的优点，精确捕捉当前负荷所在相和欲切换相的电压相等交叉点，在此交叉点将当前负荷所在相的晶闸管关断、同时将欲切换相的晶闸管触发导通实现负荷切换；晶闸管切换完成后，将切换到的晶闸管并联的磁保持继电器接点接通，晶闸管关闭，降低损耗。这种模式的优点是可以实现零间断换相操作；缺点是由于晶闸管的工作原理缺陷，在出现由于雷电或者操作过电压的情况下，会通过晶闸管的结电容向门极传输电脉冲，引起误触发晶闸管导通，导致两相火线短路，造成设备损坏和大面积停电。

同步开关模式换相电路的工作过程为：控制电路捕捉到当前负荷所在相和欲切换相的电压过零点，在所在相过零点将运行磁保持继电器接点断开、在欲切换相过零点将欲切换相磁保持继电器接点接通，实现负荷换相操作。这种电路的优点是不使用晶闸管，避免了晶闸管被误触发造成相间短路事故；缺点是两个电压过零点之间存在6.67毫秒的间断，会造成供电电压闪断，对用户负荷带来冲击，另外，由于用户负荷性质无法预测，如果以电感性负荷为主的情况下，电压过零的瞬间正是电流的最高峰值，此时切断电流，会形成很高的反冲电压（u=L*di/dt），引起操作过电压，会带来用户设备损坏、电脑重启动等一系列危害。

发明内容

本实用新型要解决的问题是针对以上两种换相电路的不足，提供一种安全性和可靠性好的供电零间断的电力负荷换相电路，能够实现单相负荷的无间断相间转移，不会造成短时间电压间断，不存在相间短路故障的危险和产生操作过电压损害设备的危害。

为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种供电零间断的电力负荷换相电路，该电力负荷换相电路包括：

换相执行电路，用于接收电脉冲信号，以控制继电器的接通或断开，来完成换相操作。

一种供电零间断的电力负荷换相电路，还包括与换相执行电路电连接的过零点采集电路、单片机逻辑控制电路和远程控制装置。

所述换相执行电路包含UA执行电路、UB执行电路和UC执行电路，UA执行电路、UB执行电路和UC执行电路分别包括：

第一继电器，其常开开关的一端电连接电源进端，常开开关的另一端电连接负载端，线圈电连接单片机逻辑控制电路；

第二继电器，其常开开关的一端电连接电源进端，常开开关的另一端电连接负载端，线圈电连接单片机逻辑控制电路。

一种供电零间断的电力负荷换相电路，还包括：

二极管，其正极连接第二继电器常开开关的一端，负极连接第一继电器常开开关的一端。

一种供电零间断的电力负荷换相电路，还包括：

电阻，连接在二极管两端。

一种供电零间断的电力负荷换相电路，还包括：

电感，连接在第二继电器常开开关的一端与二极管正极之间。

所述过零点采集电路，与三相电源火线连接，用于获取各相电压过零点并输出至单片机逻辑控制电路。

所述单片机逻辑控制电路与远程控制装置、过零点采集电路及换相执行电路连接，用来接收远程控制装置发来的换相操作指令并执行。

所述执行过程为：从过零点采集电路取得各相电压过零点，计算出合适的时间点，输出与命令码相对应的驱动电脉冲至换相执行电路。

所述单片机逻辑控制电路包括远程无线通讯电路、继电器驱动电路和过零点输入电路。

本实用新型采取以上技术方案，具有以下优点：本实用新型自动判断各相电压的过零点，利用二极管和磁保持继电器接点以及并联的磁保持继电器接点的逻辑顺序配合，安全的实现供电零间断的单相负荷换相操作，克服了其他方案的安全性和可靠性的缺陷，是一种理想的换相电路。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

附图1为本发明实施例中换相电路的电路框图；

附图2为本发明实施例中换相执行电路的电路图；

附图3为本发明实施例中过零点采集电路的电路图；

附图4为本发明实施例中单片机逻辑控制电路的电路图；

附图5为本发明实施例中UA相换相至UB相时步骤1中的UA相电压波形图；

附图6为本发明实施例中UA相换相至UB相时步骤1换相执行电路的电路图；

附图7为本发明实施例中UA相换相至UB相时步骤2中的UA相电压波形图；

附图8为本发明实施例中UA相换相至UB相时步骤2换相执行电路的电路图；

附图9为本发明实施例中UA相换相至UB相时步骤3中的UA相电压波形图；

附图10为本发明实施例中UA相换相至UB相时步骤3换相执行电路的电路图；

附图11为本发明实施例中UA相换相至UB相时步骤4中的UA相电压波形图；

附图12为本发明实施例中UA相换相至UB相时步骤4换相执行电路的电路图；

附图13为本发明实施例中UA相换相至UB相时步骤5中的UA相电压波形图；

附图14为本发明实施例中UA相换相至UB相时步骤5换相执行电路的电路图；

附图15为本发明实施例中UA相换相至UB相时步骤6中的UA相电压波形图；

附图16为本发明实施例中UA相换相至UB相时步骤6换相执行电路的电路图；

附图17为本发明实施例中UB相换相至UA相时步骤1中的UB相电压波形图；

附图18为本发明实施例中UB相换相至UA相时步骤1换相执行电路的电路图；

附图19为本发明实施例中UB相换相至UA相时步骤2中的UB相电压波形图；

附图20为本发明实施例中UB相换相至UA相时步骤2换相执行电路的电路图；

附图21为本发明实施例中UB相换相至UA相时步骤3中的UB相电压波形图；

附图22为本发明实施例中UB相换相至UA相时步骤3换相执行电路的电路图；

附图23为本发明实施例中UB相换相至UA相时步骤4中的UB相电压波形图；

附图24为本发明实施例中UB相换相至UA相时步骤4换相执行电路的电路图；

附图25为本发明实施例中UB相换相至UA相时步骤5中的UB相电压波形图；

附图26为本发明实施例中UB相换相至UA相时步骤5换相执行电路的电路图。

图中，

1- 过零点采集电路，2-单片机逻辑控制电路，3-换相执行电路，

4-远程控制装置，5-远程无线通讯电路，6-继电器驱动电路,7-过零点输入电路。

具体实施方式

实施例，如图1所示，一种供电零间断的电力负荷换相电路，包含过零点采集电路1、单片机逻辑控制电路2、换相执行电路3、远程控制装置4，单片机逻辑控制电路2包括远程无线通讯电路5、继电器驱动电路6和过零点输入电路7。

过零点采集电路1，与三相电源火线连接，用于获取各相电压过零点并输出至单片机逻辑控制电路2；

单片机逻辑控制电路2与远程控制装置4、过零点采集电路1及换相执行电路3连接，用来接收远程控制装置4发来的的换相操作指令并执行，换相操作指令是一串数字0和数字1构成的编码串，单片机接收到编码串后，计算出命令码，根据命令码的要求执行。执行过程为：从过零点采集电路1取得各相电压过零点，计算出合适的时间点，输出与命令码相对应的驱动电脉冲至换相执行电路3；

换相执行电路3，与单片机逻辑控制电路2连接，用来接收单片机逻辑控制电路2发来的驱动电脉冲，换相执行电路3中的各个磁保持继电器在接受到正电脉冲时接通接点、在接受到负电脉冲时断开接点，完成各种换相操作。

如图3所示，过零点采集电路1包括串联的电阻2R1、光耦合器2U1、二极管2D1,电阻2R1的一端接电源UA相火线，电阻2R1的另一端接光耦合器2U1的2脚，光耦合器2U1的3脚接电源零线；光耦合器2U1的1脚接过零点输入电路7；光耦合器2U1的4脚接弱电系统公共地；二极管2D1正极接电源零线，二极管2D1负极接光耦合器2U1的2脚；

过零点采集电路1还包括串联的电阻2R2、光耦合器2U2、二极管2D2,电阻2R2的一端接电源UB相火线，电阻2R2的另一端接光耦合器2U2的2脚，光耦合器2U2的3脚接电源零线；光耦合器2U2的1脚接过零点输入电路7；光耦合器2U2的4脚接弱电系统公共地；二极管2D2正极接电源零线，二极管2D2负极接光耦合器2U2的2脚；

过零点采集电路1还包括串联的电阻2R3、光耦合器2U3、二极管2D3,电阻2R3的一端接电源UC相火线，电阻2R3的另一端接光耦合器2U3的2脚，光耦合器2U3的3脚接电源零线；光耦合器2U3的1脚接过零点输入电路7；光耦合器2U3的4脚接弱电系统公共地；二极管2D3正极接电源零线，二极管2D3负极接光耦合器2U3的2脚；

远程无线通讯电路5、继电器驱动电路6和过零点输入电路7均为公知电路。

当电源火线处于正半波，光耦合器中的发光二极管导通发光，光敏三极管受到光照导通，ZeroPN1的电平从高变低；当电源火线处于负半波，光耦合器中的发光二极管截止不发光，光敏三极管截止，ZeroPN1的电平从低变高；高低变化点就是要获取的过零点，持续的低电平，标识了电源火线电压处于正半波; 持续的高电平，标识了电源火线电压处于负半波。二极管2D1可以在负半波时将光耦合器反向电压钳制在0.65V，防止光耦合器反向击穿损坏。

如图3所示，换相执行电路3包含UA执行电路、UB执行电路和UC执行电路，UA执行电路、UB执行电路和UC执行电路分别包括：

第一继电器，其常开开关的一端电连接电源进端，常开开关的另一端电连接负载端，线圈电连接单片机逻辑控制电路2；

第二继电器，其常开开关的一端电连接电源进端，常开开关的另一端电连接负载端，线圈电连接单片机逻辑控制电路2；

二极管，其正极连接第二继电器常开开关的一端，负极连接第一继电器常开开关的一端；

电阻，连接在二极管两端；

电感，连接在第二继电器常开开关的一端与二极管正极之间。

UA执行电路中，第一继电器为磁保持继电器J1，第二继电器为磁保持继电器J2，二极管为D1，电阻为压敏电阻R1，电感为电感L1；

UB执行电路中，第一继电器为磁保持继电器J3，第二继电器为磁保持继电器J4，二极管为D2，电阻为压敏电阻R2，电感为电感L2；

UC执行电路中，第一继电器为磁保持继电器J5，第二继电器为磁保持继电器J6，二极管为D3，电阻为压敏电阻R3，电感为电感L3；

具体为：

UA执行电路：电感L1一端接电源UA相火线，电感L1另一端分别接二极管D1的正极和压敏电阻R1的一端；二极管D1负极接磁保持继电器J1的常开开关一端，压敏电阻R1的另一端接二极管D1的负极；磁保持继电器J1的常开开关另一端接单相负荷输出端；磁保持继电器J1的线圈接单片机逻辑控制电路2输出；磁保持继电器J2的常开开关一端接电源UA相火线，磁保持继电器J2的常开开关另一端接单相负荷输出端；磁保持继电器J2的线圈接单片机逻辑控制电路2输出；

UB执行电路：电感L2一端接电源UB相火线，电感L2另一端分别接二极管D2的正极和压敏电阻R2的一端；二极管D2负极接磁保持继电器J3的常开开关一端，压敏电阻R2的另一端接二极管D2的负极；磁保持继电器J3的常开开关另一端接单相负荷输出端；磁保持继电器J3的线圈接单片机逻辑控制电路2输出；磁保持继电器J4的常开开关一端接电源UA相火线，磁保持继电器J4的常开开关另一端接单相负荷输出端；磁保持继电器J4的线圈接单片机逻辑控制电路2输出；

UC执行电路：电感L3一端接电源UC相火线，电感L3另一端分别接二极管D3的正极和压敏电阻R3的一端；二极管D3负极接磁保持继电器J5的常开开关一端，压敏电阻R3的另一端接二极管D3的负极；磁保持继电器J5的常开开关另一端接单相负荷输出端；磁保持继电器J5的线圈接单片机逻辑控制电路2输出；磁保持继电器J6的常开开关一端接电源UA相火线，磁保持继电器J6的常开开关另一端接单相负荷输出端；磁保持继电器J6的线圈接单片机逻辑控制电路2输出；当单片机逻辑控制电路2接收到远程控制装置4发来的换相操作指令编码串，换相操作指令是一串数字0和数字1构成的编码串，单片机接收到编码串后，计算出命令码，根据命令码的要求输出驱动电脉冲至换相执行电路3，进入换相操作过程。

一种供电零间断的电力负荷换相电路的控制方法，包括从超前相换相至滞后相的控制方法和从滞后相换相至超前相的控制方法，从超前相换相至滞后相的控制方法具体包括UA相换UB相、UB相换UC相、UC相换UA相的控制方法，从滞后相换相至超前相的控制方法具体包括UB相换UA相、UC相换UB相、UA相换UC相的控制方法。

如附图5-26所示，从超前相换相至滞后相的控制方法包括如下步骤：

以从UA相换相至UB相为例，重负荷相为UA，轻负荷相为UB：

从超前相换相至滞后相过程，包含了t1到t6总共6个时间点：t1是UA相过零点的时间点；t4是UA相和UB相的波形交点的时间点； t2和t3是把t1到t4的时间段均分为3份的时间点；t5是UB相的波形最高峰值的时间点；t6是UB相的波形最高峰值和UB相的波形过零点时间段的中间值的时间点。

1、换相前，磁保持继电器J2的常开开关接通，负载运行在UA相；

2、换相开始，单片机逻辑控制电路2检测到UA相的电压波形过零点进入正半波后的t1与t2之间时，对磁保持继电器J1发出正驱动电脉冲、接通磁保持继电器J1，紧接着对磁保持继电器J2发出负驱动电脉冲、断开磁保持继电器J2，此时，UA相瞬时值大于0，二极管D1导通，为负载供电；

3、当UA相的电压波形到达t2与t3之间时，单片机逻辑控制电路2对磁保持继电器J3发出正驱动电脉冲、接通磁保持继电器J3，此时UA相瞬时值大于UB相瞬时值，二极管D1导通，二极管D2截止，二极管D1继续为负载供电；

4、当UA相的电压波形到达t4，越过UA相和UB相瞬时值交点后，UB相瞬时值超过UA相瞬时值，二极管D1截止，二极管D2导通，二极管D2开始为负载供电，此时已经切换相至UB相，实现二极管无间断自动换流，换相瞬间会有电压的稍微的变化，电感L2可以有效抑制这种变化对负载带来的影响；

5、当UA相的电压波形到达t4与t5之间时，单片机逻辑控制电路2对磁保持继电器J1发出负驱动电脉冲、断开磁保持继电器J1，此时UA相与负载完全脱离，二极管D2继续为负载供电；

6、当UA相的电压波形到达t5与t6之间时，单片机逻辑控制电路2对磁保持继电器J4发出正驱动电脉冲、接通磁保持继电器J4，二极管D2被短接，磁保持继电器J4为负载供电；紧接着对磁保持继电器J3发出负驱动电脉冲，断开磁保持继电器J3，换相过程完成。

从UB相换相至UC相或者UC相换相至UA相时，需要操作相对应的支路，控制方法与UA相换相至UB相的控制方法相同。

如附图5-26所示，从滞后相换相至超前相的控制方法包括如下步骤：

以从UB相换相至UA相为例，重负荷相为UB，轻负荷相为UA：

从滞后相换相至超前相过程，包含了t1到t5′总共5个时间点：t1是UB相过零点的时间点；t4是UB相和UA相的波形交点的时间点；t2和t3是把t1到t4的时间段均分为3份的时间点；t5′是UB相和UA相的波形交点与UA相过零点之间时间段的中间值的时间点。

1、换相前，磁保持继电器J4的常开开关接通，负载运行在UB相；

2、换相开始，当UB相的电压波形过零点进入正半波后t1与t2之间时，对磁保持继电器J3发出正驱动电脉冲，接通磁保持继电器J3，紧接着对磁保持继电器J4发出负驱动电脉冲，断开磁保持继电器J4；此时UB瞬时值大于0，二极管D2导通，为负载供电；

3、在接近于两相电压交点的t2与t3之间时，对磁保持继电器J1发出正驱动电脉冲，接通磁保持继电器J1，此时UA相瞬时值略大于UB相瞬时值，二极管D1导通，二极管D2截止，二极管D1为负载供电，此时已经切换相至UA相；换相瞬间会有电压的突然变化，电感L1可以有效抑制这种突然变化对负载带来的影响；

4、在两相电压交点之前的t3与t4之间时，对磁保持继电器J3发出负驱动电脉冲，断开磁保持继电器J3，UB相与负载脱离，此时UA相瞬时值大于0，二极管D1导通，为负载供电；

5、在UA相的电压波形瞬时值进入负半波之前的t4与t5之间时，对磁保持继电器J2发出正驱动电脉冲，接通磁保持继电器J2，二极管D1支路被短接，磁保持继电器J2为负载供电；随后对磁保持继电器J1发出负驱动电脉冲，断开磁保持继电器J1，换相过程完成。

从UC相换相至UB相或者UA相换相至UC相时，需要操作相对应的支路，控制方法与从UB相换相至UA相的控制方法相同。

以上，所述两个时间点之间不包含两个时间点本身。

本实用新型实现了单相负载在三相供电电源上的无间断自动换相，克服了其他方案的安全性和可靠性的缺陷，是一种理想的换相电路。

以上所述仅仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种供电零间断的电力负荷换相电路，其特征在于，该电力负荷换相电路包括：

换相执行电路（3），用于接收电脉冲信号，以控制继电器的接通或断开，来完成换相操作；

还包括与换相执行电路（3）电连接的过零点采集电路（1）、单片机逻辑控制电路（2）和远程控制装置（4）；

所述换相执行电路（3）包含UA执行电路、UB执行电路和UC执行电路，UA执行电路、UB执行电路和UC执行电路分别包括：

第一继电器，其常开开关的一端电连接电源进端，常开开关的另一端电连接负载端，线圈电连接单片机逻辑控制电路（2）；

第二继电器，其常开开关的一端电连接电源进端，常开开关的另一端电连接负载端，线圈电连接单片机逻辑控制电路（2）。

2.如权利要求1所述的一种供电零间断的电力负荷换相电路，其特征在于：还包括：

二极管，其正极连接第二继电器常开开关的一端，负极连接第一继电器常开开关的一端。

3.如权利要求2所述的一种供电零间断的电力负荷换相电路，其特征在于：还包括：

电阻，连接在二极管两端。

4.如权利要求3所述的一种供电零间断的电力负荷换相电路，其特征在于：还包括：

电感，连接在第二继电器常开开关的一端与二极管正极之间。

5.如权利要求1所述的一种供电零间断的电力负荷换相电路，其特征在于：所述过零点采集电路（1），与三相电源火线连接，用于获取各相电压过零点并输出至单片机逻辑控制电路（2）。

6.如权利要求1所述的一种供电零间断的电力负荷换相电路，其特征在于：所述单片机逻辑控制电路（2）与远程控制装置（4）、过零点采集电路（1）及换相执行电路（3）连接，用来接收远程控制装置（4）发来的换相操作指令并执行。

7.如权利要求6所述的一种供电零间断的电力负荷换相电路，其特征在于：所述执行过程为：从过零点采集电路（1）取得各相电压过零点，计算出合适的时间点，输出与命令码相对应的驱动电脉冲至换相执行电路（3）。

8.如权利要求1所述的一种供电零间断的电力负荷换相电路，其特征在于：所述单片机逻辑控制电路（2）包括远程无线通讯电路（5）、继电器驱动电路（6）和过零点输入电路（7）。