CN2891469Y - 全数字控制综合节电器 - Google Patents

Abstract

一种全数字控制综合节电器，是用在工厂企业、办公大楼、路灯等用电环境的节电装置。包括原边绕组Rm串接在负载与电网输入电源之间主回路上的变压器，非互补电力交流IGBT斩波模块、IGBT驱动模块、CPLD芯片、精密霍尔电流传感器和电压传感器、PWM功率开关元件、DSP单片机。IGBT斩波模块的输出连接变压器的副边绕组Rb两端，输入连接IGBT驱动模块。DSP单片机依据传感器信号控制PWM功率开关元件，同时经CPLD芯片合成采集到的传感器信号，输出控制交流IGBT斩波驱动模块，实现对交流IGBT斩波模块输出电压的控制，完成变压器副边绕组的磁控电感补偿调压。采用DSP单片机进行数字控制，具有完善的功能，在大多数的用电场所均能够获得较好的节电率，改善电力质量。

Description

全数字控制综合节电器

技术领域

本实用新型涉及一种用于综合调整工厂、办公大楼、路灯等大多数用电环境的电力系统质量的节电装置，具体涉及一种全数字控制综合节电器。

背景技术

目前象工厂企业、商场、办公大楼、车站码头、路灯等集中供电场所，现有节电产品一般采用单纯自藕调压降压原理，在主线路中有切换开关，在有负载时切换开关，容易给电力系统带来冲击，电力系统故障率高，只能够简单有阶的调整电压，不具有闭环控制功能，基本上不具有保护功能，智能控制功能差。也不具有单相控制功能，同时谐波滤除效果差，不能自动补偿功率因数，自身损耗较大。节电效果不理想。

实用新型内容

为了解决普通节电器存在的以上缺点，本实用新型的目的在于提供一种全新的全数字控制综合节电器，可以实现连续无级调压，有效改善电网运行稳定性，低损耗，谐波滤除效果好，还可以自动补偿电网功率因素。

为此目的，本实用新型提供以下技术方案，一种全数字控制综合节电器，包括原边绕组Rm串接在负载与电网输入电源之间主回路上的变压器，节电器还包括，

非互补电力交流IGBT斩波模块，其输出连接在所述变压器的副边绕组Rb两端，输入连接IGBT驱动模块；

CPLD芯片，其输出连接受其控制的IGBT驱动模块；

精密霍尔电流传感器和电压传感器，原边分别与主回路连接，副边分别通过运算放大器连接所述CPLD芯片的第一、第二输入回路；

PWM功率开关元件，输出连接所述CPLD芯片的第四输入回路；

DSP单片机，其输入连接精密霍尔电流传感器，输出连接所述CPLD芯片的第三输入回路，并通过控制信号连接受其控制的PWM功率开关元件；

DSP单片机依据传感器信号控制PWM功率开关元件，同时经CPLD芯片合成采集到的传感器信号，输出控制交流IGBT斩波驱动模块，实现对交流IGBT斩波模块输出电压的控制，完成变压器副边绕组的磁控电感补偿调压。

作为本实用新型的一个优选方案，上述变压器主回路的三相副边绕组Rb分别串接有辅助绕组Rf，三相辅助绕组Rf呈三角形连接结构，每相辅助绕组Rf并接有电力电容器Cf构成并联谐振环。

作为本实用新型的另一个优选方案，上述交流IGBT斩波模块并接有控制开关k的常开触点，控制开关k的控制极连接DSP单片机受其控制。

作为本实用新型的再一个优选方案，上述变压器位于输入电源一端通过无源谐波滤波器接地。

作为本实用新型的还一个优选方案，上述变压器位于负载一端通过无源多阶谐波滤波器接地。

与现有节电装置相比较，本实用新型提供的全数字控制综合节电器，具有以下优点：

(1)采用非互补电力IGBT交流斩波技术，连续调整副边补偿绕组Rb的电感量来达到调整主回路的电压，实现可调磁控调压技术。调压精度高，反应速度快，可以无级调节。

(2)三相铁芯中附加有与主回路无电气连接的辅助绕组Rf，辅助绕组Rf并联有电力电容器Cf，形成谐振环路，主要功能是滤除三五次谐波，同时提供补偿磁通，改善电力波形，适当提高功率因数。

(3)在主线路中同时并联有无源谐波滤除线路，能够滤除高次谐波，提高功率因数。

(4)在故障状态下，可以自动将补偿绕组Rb短接，提供给主绕组抵消磁通，避免由于补偿绕组开路而引起的主绕组发热和铁芯工频噪音。

该节电器适用于大多数用电环境，在多数用电场所均可以取得良好的节电效果。

下面将结合附图对本实用新型作进行一步的详细说明。

附图说明

图1是全数字控制综合节电器的主线路结构图。

图2是全数字控制综合节电器单相主线路的连接图。

图3是全数字控制综合节电器交流斩波部分主电路原理图。

图4是全数字控制综合节电器交流斩波控制部分系统图。

图5是全数字控制综合节电器故障状态下的节电器主线路图。

图6是全数字控制综合节电器系统构成图。

图7是节电器各器件的信号图以及通过交流斩波后的电压波形图。

具体实施方式

参见图1至图6，图1是本实用新型最佳方案全数字控制综合节电器的主线路结构图，图6是全数字控制综合节电器系统构成图。参见图1、图2，节电器包括原边绕组Rm串接在负载与电网输入电源之间主回路上的变压器，参见图4、图6，非互补电力交流IGBT斩波模块，其输出连接在所述变压器的副边绕组Rb两端，输入连接IGBT驱动模块；CPLD芯片，其输出连接受其控制的IGBT驱动模块；精密霍尔电流传感器和电压传感器，原边分别与主回路连接，副边分别通过运算放大器连接所述CPLD芯片的第一、第二输入回路；PWM功率开关元件，输出连接所述CPLD芯片的第四输入回路；DSP单片机，其输入连接精密霍尔电流传感器，输出连接所述CPLD芯片的第三输入回路，并通过控制信号连接受其控制的PWM功率开关元件；DSP单片机依据传感器信号控制PWM功率开关元件，同时经CPLD芯片合成采集到的传感器信号，参见图3、图4，输出控制交流IGBT斩波驱动模块，实现对交流IGBT斩波模块输出电压的控制，完成变压器副边绕组的磁控电感补偿调压。

参见图1，变压器主回路的三相副边绕组Rb分别串接有辅助绕组Rf，三相辅助绕组Rf呈三角形连接结构，每相辅助绕组Rf并接有电力电容器Cf构成并联谐振环。参见图6，交流IGBT斩波模块并接有控制开关k的常开触点，控制开关k的控制极连接DSP单片机受其控制。参见图2、图5，变压器位于输入电源一端通过无源谐波滤波器接地。变压器位于负载一端通过无源多阶谐波滤波器接地。

本实用新型的功能可以这样详细解释。该节电器采用串联式磁控电感补偿调压，每相具有三个绕组，分别为主绕组Rm，补偿绕组Rb，以及辅助绕组Rf。通过DSP(TMS320)全数字电路控制功率电子元器件IGBT(EXB840)，采用有电压、电流相位检测的非互补控制方式斩波调压，保证调整电压连续无跳跃，对用电设备不会带来冲击，对三相负载自动平衡三相电压。由于采用补偿式电压控制方式，因此控制功率只需实际功率的十分之一就可以满足10％的电压调整范围。针对电压电流的相位检测，采用带补偿的精密霍尔传感器，后端通过高速运算放大器(如UPC系列高速电压比较器)作为零点检测电路，保证交流斩波部分工作在ZVF(零电压开关转换状态)。斩波信号的合成采用一片CPLD(如xc9752)获得所需的信号。采用数字控制的电压精密调整和无源滤波绕组合的设计，前端斩控式补偿调压系统给无源滤波部分提供稳定的工作电压，因此有效的简化了电路，通过对供电线路电压、电流、谐波等参数的检测，通过DSP的实时计算，控制功率元器件在调整电压的同时抵消大多数高次谐波，并同时能够补偿功率因数。在三相系统中，为了改善波形，在同一个铁芯中增设三角形闭合辅助绕组Rf，同时并联电力电容器Cf，该辅助绕组与主线路没有电的联系，仅有磁联系，该辅助绕组与电容器构成一个并联谐振环，能够对供电线路中常见的三次和五次谐波提供流通通道，消减三五次谐波，同时能够有效改善电压电流波形，自动补偿用户的功率因数。该节电器在自身出现故障时，能够自动切断有源部分的供电，同时短接补偿绕组，保证供电电压不会因为补偿绕组的开路而导致电压的跌落以及铁芯的过励磁而发热。

可见，本实用新型的优点具体解释为：采用全数字控制方式控制电力功率元器件，通过同时检测电流和电压方式的非互补斩波调节控制绕组的电流电压，从而达到连续调节主绕组的电感量，进而连续调节输出电压(磁控调压)，是用电器的用电电压稳定在适当的范围内，节约由于高电压带来的电力损耗。采取三相独立调节方式，能够做到自动三相平衡。减小中线电流，从而节约电力损耗。采用DSP全数字控制方式，能够完成单相控制、多时段开关机自动控制、多时段节电等级的自动控制，能够方便的组网控制等功能，同时能够和后台管理软件以及GIS系统相结合(需开发相应软件)，在路灯节能控制方面也具有良好的应用前景。同时具有无源滤波和并联电流型有源电力滤波系统，能够滤除供电系统中大多数的高次谐波，并同时能够自动补偿功率因数，也能够节约耗损的电力。

本实用新型的具体工作原理这样解释：该节电器节能线圈绕制在三柱式卷铁芯上，采用了可连续调节的磁控线圈Rb来连续调节电压、并且具有滤除三、五次谐波的辅助绕组Rf。主线路图结构图如附图1所示。主电路连接方式如附图2(以单相表示。其他相相同)。

采用有电压、电流相位检测的非互补控制方式控制IGBT斩波模块调压，通过高速单片机对电压电流以及工作状态连续监测，并具有多种控制功能，可以连续无级调节补偿绕组Rb的电感量。从而连续调节主绕组Rm的电感量，达到连续调节电压的目的。斩波调压方式主线路图见附图3，非互补控制方式的控制模式系统图如附图4(Lf，Cf为滤波电感和电容器)。电流控制信号Ik、电压控制信号Uk、PWM信号Ug以及开关管S1，S2，S3，S4的工作状态如下。

各个器件的信号图以及通过交流斩波后的电压波形如图7所示。

S1＝ Uk+Uk*Ik*Ug

S2＝Uk+ Uk* Ik*Ug

S3＝ Uk+Uk* Ik* Ug

S4＝Uk+ Uk*Ik* Ug

由输出电压波形图可以看出。输出波形的包络线是完美的正弦波形图。其仅仅包含很少量的高次谐波。由此可见。经过交流斩波后的电压波形是标准的正弦波，没有失真，因此供电质量得以保证。

采用双数字处理芯片TMS320系列DSP构成控制核心，具有单相独立控制功能，具有完善的保护功能，通过液晶显示屏可以任意设定相关功能，通过控制板上的232或485接口或搭载GSM通讯模块可以构成有线或无线远程监控(需要开发软件平台支持)，适用于路灯的智能节能控制系统。

在输出端并联有多阶谐波滤除电路，由于谐波滤除电路在稳压输出的末端，故其工作状态很稳定，不会发生由于供电质量发生变化而使滤除电路的谐振状态改变(失谐或者偏移设定的谐振点)。

由于SG3525PWM信号发生器的信号最大占空比为50％，故将SG3525的两路相反的型号相加后作为一路PWM型号，最大占空比可以达到99％以上。补偿绕组上的电压调节范围可以从0-99％范围内线形调节，也就是说，主绕组上的电压可以在U-(0-ΔU)范围内平滑调节，又有采用DSP芯片自动控制，因此电压精度可以达到0.5％以内。响应时间在2ms以内。

可见由于采用了交流斩波方式线形调节补偿绕组上的电感。从而使电源输出质量大幅提高。不仅可以节约大量的能源，而且供电电压得到稳定，保护后端设备不受电压冲击，延长设备使用寿命。

由于在主电路上绕制了第三个三角形解法的辅助绕组Rf。同时并接有电力电容器，该绕住的主要功能是提供铁芯中的三次和五次谐波的通路，抑制铁芯的过励磁，避免波形的平顶失真。通过附加该辅助绕组，可以使电路中的三次、五次谐波降低50％以上。同时改善波形失真。

由于在电路中存在有大量的非线性用电设备，导致在一般的供电线路中谐波的含量较高，谐波不仅导致电力波形失真。同时还会使用电设备产生振动噪音，中线电流增大，如果超出了中线的安全电流，将导致中线过热甚至烧断。引发供电事故。电网中的高次谐波同时还会干扰通讯，导致传感器或者电路中的数字设备发生错误，因此谐波是电路中危害很大的一种现象。必须加以抑制或者消除。

在该节电器内除了采用辅助绕组队三五次谐波进行抑制外，同时附加有LC无源多阶滤波器。能够滤除大多数的谐波。保证用电设备的安全。同时也节约电力消耗。

在节电器自身的保护方面。除了IGBT驱动模块的自动保护外，在IGBT发生故障保护的时候。由于补偿绕组此时就处于开路状态，因此主绕组产生的磁通在线路中无法抵消。会引起以下两个现象

(1)由于主绕组自身电感的存在，会导致电压损耗，从而导致自身功耗加大，会导致主绕组温度升高。消耗电能

(2)在补偿绕组开路的状态下主绕组产生的磁通无法抵消，故而该磁通会通过空气和铁芯形成回路。从而使铁芯产生振动，发出工频噪音。

为了避免以上状态，在IGBT发生故障的时候，DSP处理中心会切断交流斩波线路的供电，同时驱动保护电路短接补偿绕组，使补偿绕组产生抵消磁通，从而避免主绕组产生的电压降，同时不会产生工频噪音，此时节电设备自身功耗非常低，仅为主绕组的有载损耗(自身电阻的损耗)(如附图5所示)，同时输出报警信号。

该节电器的系统构成图如图6所示。

因此该节电器综合了电力电子控制技术、数字控制技术、无源滤波技术、自动提高功率因数等多种技术，是目前较为先进的综合节电设备，适用于大多数用电环境的综合节能(不适用高能耗企业、如冶炼行业等)其主要适用环境为：

1)、钢铁冶金、矿山、机械加工、电子化工、水泥建材等企业；

a.用电系统电动机负载不高，正常工况下小于70％；

b.配电变压器负载率在50％以上；

c.电动机数量多，功率相对小；

d.供电电压三相不平衡，用电系统电流变化大，变化频率快、三相电流不平衡。

e.供电网络中高次谐波畸变分量严重超标。以上类型的企业，综合平均节电率一般可达到8-12％左右。

2)、轻工业、劳动密集型企业，如棉纺、印染、制衣、制鞋、电子、玩具等；

3)、各大、中、小型商场、购物中心、超市、宾馆、酒店等；

4)、车站、码头、隧道、停车场及广场、机场、港口等所有用场所的集中供电回路。

5)、政府机关、办公大楼、公共广场、体育场馆、银行、医院、学校、度假村、游乐场和生活小区等......

针对2，3，4，5等类型的用户，更可以取得15％左右的节电效果。

而专门针对市政路灯开发的路灯节电系统更可以取得25％以上的节电率，能够为国家节约大量的财政开支。

基于本实用新型的设计构思，其数字控制模块DSP、IBGT、CPLD的型号可以不受本实用新型公开所限制，会随功率大小有所变化，使用数字控制芯片控制功率元件，调节输出电压，控制磁控电感调压的设计方案，应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种全数字控制综合节电器，包括原边绕组(Rm)串接在负载与电网输入电源之间主回路上的变压器，其特征在于：所述节电器还包括，

非互补电力交流IGBT斩波模块，其输出连接在所述变压器的副边绕组(Rb)两端，输入连接IGBT驱动模块；

CPLD芯片，其输出连接受其控制的IGBT驱动模块；

精密霍尔电流传感器和电压传感器，原边分别与主回路连接，副边分别通过运算放大器连接所述CPLD芯片的第一、第二输入回路；

PWM功率开关元件，输出连接所述CPLD芯片的第四输入回路；

DSP单片机，其输入连接精密霍尔电流传感器，输出连接所述CPLD芯片的第三输入回路，并通过控制信号连接受其控制的PWM功率开关元件；

DSP单片机依据传感器信号控制PWM功率开关元件，同时经CPLD芯片合成采集到的传感器信号，输出控制交流IGBT斩波驱动模块，实现对交流IGBT斩波模块输出电压的控制，完成变压器副边绕组的磁控电感补偿调压。

2、根据权利要求1所述的节电器，其特征在于：所述变压器主回路的三相副边绕组(Rb)分别串接有辅助绕组(Rf)，三相辅助绕组(Rf)呈三角形连接结构，每相辅助绕组(Rf)并接有电力电容器(Cf)构成并联谐振环。

3、根据权利要求1或2所述的节电器，其特征在于：所述交流IGBT斩波模块并接有控制开关(K)的常开触点，控制开关的控制极连接DSP单片机受其控制。

4、根据权利要求3所述的节电器，其特征在于：所述变压器位于输入电源一端通过无源谐波滤波器接地。

5、根据权利要求4所述的节电器，其特征在于：所述变压器位于负载一端通过无源多阶谐波滤波器接地。

6、根据权利要求3所述的节电器，其特征在于：所述变压器位于负载一端通过无源多阶谐波滤波器接地。

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