CN208753998U

CN208753998U - 一种配电变压器三相负荷不平衡治理装置

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Publication number: CN208753998U
Application number: CN201821449310.1U
Authority: CN
Inventors: 郑元昌; 张良杨; 王丽娟; 季苹; 向云松
Original assignee: SHANGHAI FATO ENTERPRISE GROUP CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI FATO ENTERPRISE GROUP CO Ltd
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2018-09-05
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2028-09-05

Abstract

本实用新型提供了一种配电变压器三相负荷不平衡治理装置，其特征在于，它包括三相输入、供电模块、采样板、主控模块、驱动模块、滤波模块、三相矫正模块和直流母线电容模块，三相输入与滤波模块的输入端连接，滤波模块的输出端与主控模块的输入端连接，主控模块的输出端与直流母线电容模块的输入端连接；本实用新型优点在于：由滤波电路单元、APF采样、SPC、APF主控、驱动电路单元、SPC、APF主板依次连接组成，设有通讯接口与其它智能设备或智能网络连接，有效治理电网运行中出现的无功功率、谐波电流、三相负载不平衡损耗等电能质量问题，提高电网运行的安全性、可靠性和稳定性。

Description

一种配电变压器三相负荷不平衡治理装置

技术领域

本实用新型涉及电能输送领域，尤其涉及一种配电变压器三相负荷不平衡治理装置。

背景技术

在低压三相四线制的城市居民和农网供电系统中：由于用电户多为单相负荷或单相和三相负荷混用，并且负荷大小不同和用电时间的不同。所以，电网中三相间的不平衡电流是客观存在的，并且这种用电不平衡状况无规律性，也无法事先预知。导致了低压供电系统三相负载的长期性不平衡。对于三相不平衡电流，电力部门除了尽量合理地分配负荷之外几乎没有什么行之有效的解决办法。

电网中的不平衡电流会增加线路及变压器的铜损，还会增加变压器的铁损，降低变压器的出力甚至会影响变压器的安全运行，最终会造成三相电压的不平衡。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种配电变压器三相负荷不平衡治理装置。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种配电变压器三相负荷不平衡治理装置，其特征在于，它包括三相输入和供电模块，其特征在于，它还包括采样板、主控模块、驱动模块、滤波模块、三相矫正模块和直流母线电容模块，供电模块分别接至采样板、主控模块和三相矫正模块，所述三相输入与滤波模块的输入端连接，所述滤波模块的输出端与主控模块的输入端连接，所述主控模块的输出端与直流母线电容模块的输入端连接，所述三相输入包括A相输入、B相输入、C相输入和零线，所述供电模块分别与采样板、主控模块以及三相矫正模块连接，所述采样板与主控模块连接，所述主控模块与驱动模块连接，所述驱动模块与三相矫正模块连接；

所述采样板包括三个电压互感器和三个电流互感器，

所述A相输入、B相输入和C相输入各与一电压互感器的输入端连接，所述电压互感器的输出端连接至第一运算放大器的输入端，所述第一运算放大器的输出端连接至第二运算放大器的输入端，所述A相输入、B相输入和C相输入还各与一电流互感器的输入端连接，所述电流互感器的输出端连接至第三运算放大器的输入端，

所述主控模块包括第一采集芯片、第二采集芯片、第三采集芯片和微控制器，所述电压互感器的输出端分别接第一采集芯片，所述电流互感器的双端输出接第三采集芯片，第一采集芯片、第二采集芯片和第三采集芯片接微控制器，

主控模块还包括第一收发芯片、第二收发芯片和第三收发芯片，所述微控制器连接至第一收发芯片、第二收发芯片和第三收发芯片；

所述主控模块还包括485通信模块、232通信模块和以太网通信模块，

485通信模块包括第一光耦合芯片、第二光耦合芯片和第三光耦合芯片，以及485收发芯片，第一光耦合芯片的输出端接485收发芯片，微控制器的输出端接第一光耦合芯片的负向输入端，485收发芯片接静电抑制器，

232通信模块包括232收发芯片，微控制器接232收发芯片的输入端，232收发芯片的输出端接9针D-sub连接器，

以太网通信模块包括物理层收发芯片，微控制器接至物理层收发芯片的，物理层收发芯片接排针。

进一步地，485通信模块包括第一光耦合芯片EL357N(B)(TA)-G、第二光耦合芯片和第三光耦合芯片6N137S，以及485收发芯片SP485EEN-L/TR，第一光耦合芯片的输出端接至485收发芯片的2脚，将微控制器的89、90、91脚中任意一引脚接至第一光耦合芯片的负向输入端，第一光耦合芯片的输出端接至485收发芯片的2、3脚，微控制器的101脚接第二光耦合芯片的3脚，第二光耦合芯片的6脚接485收发芯片的4脚，微控制器的102脚接第三光耦合芯片的6脚，第三光耦合芯片的2脚接485收发芯片的1脚，485收发芯片的5、6、7脚分别接静电抑制器PSM712-LF-T7的3、1、2脚，485收发芯片的5、6、7脚作485收发芯片的三端输出；

232通信模块包括232收发芯片SP3232EEY-L/TR，微控制器的19、18脚接至232收发芯片的10、9脚，232收发芯片的7、8脚接至9针D-sub连接器2、3脚；

以太网通信模块包括物理层收发芯片DP83848CVVX，微控制器的70、73、74、44、45、27、36、35脚分别接至物理层收发芯片的2、3、4、43、44、31、30、34脚，物理层收发芯片的17、16、14、13脚接排针的1、2、3、4脚。

本实用新型的优点在于：一种配电变压器三相负荷不平衡治理装置，由滤波电路单元、APF采样（A/D转换电路单元）、SPC、APF主控（数字处理器单元、D/A输出电路）、驱动电路单元、SPC、APF主板（IGBT模块主电路单元）依次连接组成，设有通讯接口（485）与其它智能设备或智能网络连接，有效治理电网运行中出现的无功功率、谐波电流、三相负载不平衡损耗等电能质量问题，提高电网运行的安全性、可靠性和稳定性；采用电压互感器、电流互感器的采样及A/D转换电路，经DSP运算、IGBT逆变，产生一个三相不平衡的补偿电流，回输到电网，可有效自动实现三相负荷不平衡的动态治理，使各相电压稳定正常。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型中电压互感器的结构示意图；

图3为本实用新型中电流互感器的结构示意图；

图4为本实用新型中第一采集芯片和第二采集芯片的结构示意图；

图5为本实用新型中第三采集芯片的结构示意图；

图6为本实用新型中主控制器的结构示意图；

图7为本实用新型中第一收发芯片、第二收发芯片和第三收发芯片的结构示意图；

图8为本实用新型中485通信模块的结构示意图；

图9为本实用新型中232通信模块的结构示意图；

图10为本实用新型中以太网通信模块的结构示意图；

图11为本实用新型中第一驱动芯片和第二驱动芯片的结构示意图（第三~第六驱动芯片省略）；

图12为本实用新型中供电模块的结构示意图。

附图标记：

1三相输入 11 A相输入 12 B相输入 13 C相输入 14零线

2供电模块 3采样板 4主控模块 5驱动模块 6滤波模块 7三相矫正模块

8直流母线电容

U1第一运算放大器 U2第二运算放大器 U3第三运算放大器

U4第一采集芯片 U5第二采集芯片 U6第三采集芯片

U7微控制器 U8第一收发芯片 U9第二收发芯片 U10第三收发芯片

U11第一驱动芯片 U12第二驱动芯片 U13第三驱动芯片 U14第四驱动芯片

U15第五驱动芯片 U16第六驱动芯片

U17第一光耦合芯片 U18第二光耦合芯片 U19第三光耦合芯片

U20 485收发芯片 U21 232收发芯片 U22物理层收发芯片。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型公开了一种配电变压器三相负荷不平衡治理装置，其特征在于，它包括三相输入1和供电模块2，参见图12，供电模块2采用UC2844作开关电源，其特征在于，如图1所示，它还包括采样板3、主控模块4、驱动模块5、滤波模块6、三相矫正模块7和直流母线电容8模块，供电模块2分别接至采样板3、主控模块4和三相矫正模块7，所述三相输入1与滤波模块6的输入端连接，所述滤波模块6的输出端与主控模块4的输入端连接，所述主控模块4的输出端与直流母线电容8模块的输入端连接，所述三相输入1包括A相输入11、B相输入12、C相输入13和零线14，所述供电模块2分别与采样板3、主控模块4以及三相矫正模块7连接，所述采样板3与主控模块4连接，所述主控模块4与驱动模块5连接，所述驱动模块5与三相矫正模块7连接。

如图2所示，电压互感器T1的输出端分别接第一电阻R1和第二电阻R2的一端，所述第一电阻R1的另一端接第一运算放大器U1的反相输入端，所述第二电阻R2的另一端接第二运算放大器U2的反相输入端，所述第二电阻R2的另一端还通过第三电阻R3接地，所述第一运算放大器U1的反相输入端与第四电阻R4和第五电阻R5的一端连接，所述第四电阻R4的另一端与第一电容C1的一端连接，所述第一电容C1的另一端与第一运算放大器U1的输出端连接，所述第一运算放大器U1的输出端通过第二电容C2接地，所述第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第四电阻R4组成差动放大器，所述第五电阻R5配合第一电容C1滤波，使温度变化、电源电压波动以及外界干扰这类共模信号在电压互采样时的输出很小。

所述第一运算放大器U1的输出端与第六电阻R6的一端连接，所述第六电阻R6的另一端与第二运算放大器U2的正相输入端连接，所述第二运算放大器U2的反相输入端与第二运算放大器U2的输出端连接，所述第二运算放大器U2的输出端作电压互感器T1的输出，第二运算放大器U2作为电压跟随器，输入阻抗高，输出阻抗低，起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。

如图3所示，电流互感器T2的输出端分别接第七电阻R7和第八电阻R8的一端，所述第七电阻R7的另一端与第三电容C3和第五电容C5的一端，所述第八电阻R8的另一端与第四电容C4的一端连接，所述第三电容C3和第四电容C4的另一端均接地，所述第八电阻R8的另一端还与第五电容C5的另一端连接，所述第五电容C5的一端与第三运算放大器U3的正相输入端连接，所述第五电容C5的另一端与第三运算放大器U3的反相输入端连接，第三运算放大器U3的+5V输入通过第六电容C6接地，所述第三运算放大器U3的输出端与第九电阻R9的一端连接，所述第九电阻R9的另一端通过第八电容C8接地，所述第三运算放大器U3的偏置电压输入端与第十电阻R10的一端连接，所述第十电阻R10的另一端通过第七电容C7接地，所述第九电阻R9和第十电阻R10的另一端作电流互感器T2的双端输出，第三运算放大器U3作为比较器使用，用于检测电流互感器T2双端输入的大小关系，如果同相输入大于反相输入，则输出高电平，否则输出低电平。

所述主控模块4包括第一采集芯片U4、第二采集芯片U5、第三采集芯片U6和微控制器U7，如图4和图5所示，第一采集芯片U4、第二采集芯片U5和第三采集芯片U6采用AD7606，如图6所示，所述微控制器U7采用STM32F407ZET6，所述电压互感器T1的输出端分别接第一采集芯片U4的61、59、57三个电压输入脚，所述电流互感器T2的双端输出端分别接第三采集芯片U6的49、51、53、57、59、61脚，第一采集芯片U4、第二采集芯片U5和第三采集芯片U6的16、17、18、19、20、21、22、24、25、27、28、29、30、31、32、33脚一一对应接微控制器U7的FSMC，即85、86、114、115、58、59、60、63、64、65、66、67、68、77、78、79脚，微控制器U7通过这些FSMC引脚对于三相电压和电流的采样信息进行静态存储。

如图7所示，主控模块4包括第一收发芯片U8、第二收发芯片U9和第三收发芯片U10，所述第一收发芯片U8、第二收发芯片U9和第三收发芯片U10采用LVC245A，所述微控制器U7的96、10、141、97、11、140这些USART（通用同步/异步串行接收/发送器）引脚一一对应连接至第一收发芯片U8的2、3、4、5、6、7这些输入引脚，微控制器U7的98、12、139、99、13、136这些USART脚一一对应连接至第二收发芯片U9的2、3、4、5、6、7这些输入引脚，微控制器U7的100、14、135、103、15、134这些USART脚一一对应连接至第三收发芯片U10的2、3、4、5、6、7这些输入引脚。

如图11所示，所述驱动模块5包括第一驱动芯片U11、第二驱动芯片U12、第三驱动芯片U13、第四驱动芯片U14、第五驱动芯片U15和第六驱动芯片U16，第三驱动芯片U13、第四驱动芯片U14、第五驱动芯片U15和第六驱动芯片U16的结构与第一驱动芯片U11、第二驱动芯片U12一致，在图11中予以省略，第一~第六驱动芯片U16采用HCPL-316J，第一收发芯片U8的18、17、16脚分别接第一驱动芯片U11的1、5、6脚，第一收发芯片U8的15、14、13脚分别接第二驱动芯片U12的1、5、6脚，第二收发芯片U9的18、17、16脚分别接第三驱动芯片U13的1、5、6脚，第二收发芯片U9的15、14、13脚分别接第四驱动芯片U14的1、5、6脚，第三收发芯片U10的18、17、16脚分别接第五驱动芯片U15的1、5、6脚，第三收发芯片U10的15、14、13脚分别接第六驱动芯片U16的1、5、6脚。

第一~第六驱动芯片U16的14脚相互连接，第一~第六驱动芯片U16的13、12脚接+15V电压，第一~第六驱动芯片U11~16的10、9脚接-9V电压，将15V电压接至NMOS管漏极，NMOS管源极与PMOS管漏极连接作为输出端，将-9V电压接至PMOS管源极，第一~第六驱动芯片U11~16的11脚输入至NMOS管和PMOS管的栅极，NOMS和PMOS管构成双向开关，NOMS管作充电开关，而PMOS管在没有元器件连接时消耗驱动芯片的电能，消除体二极管的影响，防止向外漏电。

所述三相矫正模块7包括第一IGBTQ1、第二IGBTQ2、第三IGBTQ3、第四IGBTQ4、第五IGBTQ5和第六IGBTQ6，第一~第六驱动芯片U16中，NMOS管源极与PMOS管漏极与第一~第六IGBTQ6的基极一一对应连接。

所述主控模块4还包括485通信模块41、232通信模块42和以太网通信模块43。

如图8所示，485通信模块41具体包括第一光耦合芯片U17EL357N(B)(TA)-G、第二光耦合芯片U18和第三光耦合芯片U196N137S，以及485收发芯片U20SP485EEN-L/TR，第一光耦合芯片U17的输出端接至485收发芯片U20的2脚，将微控制器U7的89、90、91脚中任意一引脚接至第一光耦合芯片U17的负向输入端，第一光耦合芯片U17的输出端接至485收发芯片U20的2、3脚，微控制器U7的101脚接第二光耦合芯片U18的3脚，第二光耦合芯片U18的6脚接485收发芯片U20的4脚，微控制器U7的102脚接第三光耦合芯片U19的6脚，第三光耦合芯片U19的2脚接485收发芯片U20的1脚，485收发芯片U20的5、6、7脚分别接静电抑制器PSM712-LF-T7的3、1、2脚，485收发芯片U20的5、6、7脚作485收发芯片U20的三端输出，通过三个光耦进行异步收发传输，双向通信，实现全双工传输和接收。

如图9所示，232通信模块42包括232收发芯片U21SP3232EEY-L/TR，微控制器U7的19、18脚接至232收发芯片U21的10、9脚，232收发芯片U21的7、8脚接至9针D-sub连接器2、3脚。

如图10所示，以太网通信模块43包括物理层收发芯片U22DP83848CVVX，微控制器U7的70、73、74、44、45、27、36、35脚分别接至物理层收发芯片U22的2、3、4、43、44、31、30、34脚，物理层收发芯片U22的17、16、14、13脚接排针的1、2、3、4脚。

具体实施时，如图1所示，所述滤波模块6包括第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3，A相输入11与采样板3的输入端连接，A相输入11还分别与第九电容C9的一端和第一电感L1的一端连接，所述第九电容C9的另一端与零线14连接，B相输入12与采样板3的输入端连接，所述B相输入12还分别与第十电容C10的一端和第二电感L2的一端连接，所述第十电容C10的另一端与零线14连接，C相输入13与采样板3的输入端连接，所述C相输入13还分别与第十一电容C11的一端和第三电感L3的一端连接，所述第十一电容C11的另一端与零线14连接。

三相矫正模块7包括第一IGBTQ1、第二IGBTQ2、第三IGBTQ3、第四IGBTQ4、第五IGBTQ5和第六IGBTQ6，所述第一电感L1的另一端与第一IGBTQ1的发射极和第四IGBTQ4的集电极连接，所述第二电感L2的另一端与第二IGBTQ2的发射极和第五IGBTQ5的集电极连接、所述第三电感L3的另一端与第三IGBTQ3的发射极和第六IGBTQ6的集电极连接。

所述直流母线电容8模块包括第十二电容C12和第十三电容C13，所述第一IGBTQ1、第二IGBTQ2和第三IGBTQ3的集电极均与第十二电容C12的一端连接，所述第四IGBTQ4、第五IGBTQ5和第六IGBTQ6的发射极均与第十三电容C13的一端连接，所述第十二电容C12和第十三电容C13的另一端与零线14连接。

所述三相矫正模块7具体的工作步骤参见本领域现有技术，正常工作下电网输入端的三相电流均为I，A、B、C三相负载端电流为I_A、I_B、I_C，且I_A+I_B+I_C=3I；当I_A大于I，I_B=I，I_C小于I，微控制器U7根据A相负载电流的偏移量△I_A，控制第六IGBTQ6导通及截止时间，为直流母线电容模块8充电，直至A相负载端的I_A’=I；然后微控制器U7再根据C相负载电流端电流的偏移量△I_C，控制第二IGBTQ2的导通和截止时间，所述直流母线电容模块8放电至C相负载端，直至C相负载端电流I_C’=I；其它情况同理。

采样板3、主控模块4、驱动模块5、滤波模块6、三相矫正模块7和直流母线电容8模块构成SPC模块，SPC根据系统电流，进行dq坐标旋转，提取正序负序的不平衡分量，三相发出与不平衡分量大小相等相位相反的电流，将不平衡部分补偿到零，就能将三相不平衡电流校正成三相平衡电流。不论有功三相不平衡还是无功三相不平衡，都能100%校正到完全平衡。

SPC根据系统的无功功率，通过六个IGBT功率变换器Q1~6产生容性或感性的基波电流，实现动态无功补偿的目的，补偿目标值可以通过操作面板设定，不会出现过补偿，并且补偿平滑，不会产生对负载和电网的涌流冲击。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种配电变压器三相负荷不平衡治理装置，它包括三相输入和供电模块，其特征在于，它还包括采样板、主控模块、驱动模块、滤波模块、三相矫正模块和直流母线电容模块，供电模块分别接至采样板、主控模块和三相矫正模块，所述三相输入与滤波模块的输入端连接，所述滤波模块的输出端与主控模块的输入端连接，所述主控模块的输出端与直流母线电容模块的输入端连接，所述三相输入包括A相输入、B相输入、C相输入和零线，所述供电模块分别与采样板、主控模块以及三相矫正模块连接，所述采样板与主控模块连接，所述主控模块与驱动模块连接，所述驱动模块与三相矫正模块连接；

所述采样板包括三个电压互感器和三个电流互感器，

2.根据权利要求1所述的一种配电变压器三相负荷不平衡治理装置，其特征在于，485通信模块包括第一光耦合芯片EL357N(B)(TA)-G、第二光耦合芯片和第三光耦合芯片6N137S，以及485收发芯片SP485EEN-L/TR，第一光耦合芯片的输出端接至485收发芯片的2脚，将微控制器的89、90、91脚中任意一引脚接至第一光耦合芯片的负向输入端，第一光耦合芯片的输出端接至485收发芯片的2、3脚，微控制器的101脚接第二光耦合芯片的3脚，第二光耦合芯片的6脚接485收发芯片的4脚，微控制器的102脚接第三光耦合芯片的6脚，第三光耦合芯片的2脚接485收发芯片的1脚，485收发芯片的5、6、7脚分别接静电抑制器PSM712-LF-T7的3、1、2脚，485收发芯片的5、6、7脚作485收发芯片的三端输出；

3.根据权利要求1所述的一种配电变压器三相负荷不平衡治理装置，其特征在于，所述驱动模块包括第一驱动芯片、第二驱动芯片、第三驱动芯片、第四驱动芯片、第五驱动芯片和第六驱动芯片，第一收发芯片的输出端连接至第一驱动芯片和第二驱动芯片，第二收发芯片的输出端连接至第三驱动芯片和第四驱动芯片的输入端，第三收发芯片的输出端连接至第五驱动芯片和第六驱动芯片的输入端，所述三相矫正模块包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT和第六IGBT，第一驱动芯片、第二驱动芯片、第三驱动芯片、第四驱动芯片、第五驱动芯片和第六驱动芯片的输出端分别与第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT和第六IGBT的基极对应连接。