CN113054673B - 一种三相不平衡换相开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相不平衡换相开关，所述三相不平衡换相开关包括晶闸管优化控制模块和与所述晶闸管优化控制模块相连接的电流补偿模块；所述晶闸管优化控制模块包括晶闸管开关单元和继电器线圈，所述晶闸管开关单元和所述继电器线圈并联连接；本发明通过电流补偿模块对晶闸管优化控制模块中的可变电容进行充放电，从而实现电容极性的改变，进而实现换相开关的快速换相，大大改善了换相期间断电的情况。

Description

一种三相不平衡换相开关

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种三相不平衡换相开关。

背景技术

伴随着国民经济水平的不断提高，各行各业对于电能的需求也在不断增大，因此，电能质量也成为了电力行业的一个亟需解决的问题。其中，三相不平衡是影响电能质量的一个重要因素。当配电网三相负荷不对称时，系统出现三相电压不平衡，从而引起线路损耗增大、配电变压器出力降低、用电设备损害等问题。因此，对配电网三相不平衡的治理是使得配电网稳定运行的一个关键问题。

目前针对配电网中三相不平衡的问题，其中的一个解决措施是采用智能换相开关对不平衡电流进行换相。常用的换相开关采用的是磁保持继电器和晶闸管2种动作部件，其中磁保持继电器具有体积小，负载能力强且安全可靠、寿命长等特点，但两个反并联的晶闸管由于其通断时间较长，在其换相过程中，对于一些敏感电器设备可能会出现断电情况。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种三相不平衡换相开关，旨在解决换相期间断电的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例第一方面提供了一种三相不平衡换相开关，所述三相不平衡换相开关包括晶闸管优化控制模块和与所述晶闸管优化控制模块相连接的电流补偿模块；

所述晶闸管优化控制模块包括晶闸管开关单元和继电器线圈，所述晶闸管开关单元和所述继电器线圈并联连接；

所述晶闸管开关单元包括晶闸管、二极管、可变电容、电感和与所述继电器线圈匹配的继电器开关，所述二极管的负极端与所述晶闸管的正极端连接，所述二极管的正极端与所述晶闸管的负极端连接，所述二极管的负极端依次通过所述可变电容、所述电感和所述继电器开关进而与所述二极管的正极端连接，所述电流补偿模块与所述可变电容并联连接。

在第一方面的一种实施方式中，所述电流补偿模块包括第一半导体开关、第二半导体开关、第三半导体开关、第四半导体开关、第一电力二极管、第二电力二极管、第三电力二极管、第四电力二极管和蓄能电容，所述第一半导体开关的集电极分别与所述第一电力二极管的负极端、所述第二电力二极管的负极端和所述第二半导体开关的集电极相连接，所述第三半导体开关的发射极分别与所述第三电力二极管的正极端、所述第四电力二极管的正极端和所述第四半导体开关的发射极相连接，所述第一半导体开关的发射极分别与所述第一电力二极管的正极端、所述第三半导体开关的集电极和所述第三电力二极管的负极端相连接，所述第二半导体开关的发射极分别与所述第二电力二极管的正极端、所述第四半导体开关的集电极和所述第四电力二极管的负极端相连接，所述第一半导体开关的集电极通过所述蓄能电容与所述第三半导体开关的发射极连接，所述第一半导体开关的发射极连接到所述可变电容的第一端，所述第二半导体开关的发射极连接到所述可变电容的第二端。

在第一方面的一种实施方式中，所述第一半导体开关、所述第二半导体开关、所述第三半导体开关和所述第四半导体开关均采用晶体管。

在第一方面的一种实施方式中，所述第一半导体开关、所述第二半导体开关、所述第三半导体开关和所述第四半导体开关均采用场效应管。

本申请实施例第二方面提供了一种三相不平衡换相开关装置，包括检测单元、控制单元、驱动模块和如第一方面所述的三相不平衡换相开关，所述检测单元的输出端依次通过所述控制单元、所述驱动模块进而连接至三相不平衡换相开关的输入端。

本发明的上述方案至少包括以下有益效果是：

本发明一种三相不平衡换相开关通过电流补偿模块对晶闸管优化控制模块中的可变电容进行充放电，从而实现电容极性的改变，进而实现换相开关的快速换相，大大改善了换相期间断电的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种三相不平衡换相开关的结构示意图；

图2是本发明一种三相不平衡换相开关中晶闸管优化控制模块的快速打开的示意图；

图3是本发明一种三相不平衡换相开关中晶闸管优化控制模块的快速关断的示意图；

图4是本发明一种三相不平衡换相开关中电流补偿模块的电路示意图；

图5是本发明一种三相不平衡换相开关中电流补偿模块的正向充电示意图；

图6是本发明一种三相不平衡换相开关中电流补偿模块的反向放电示意图；

图7是本发明一种三相不平衡换相开关中电流补偿模块的反向充电示意图；

图8是本发明一种三相不平衡换相开关中电流补偿模块的正向放电示意图；

图9是本发明一种三相不平衡换相开关装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参考图1，本申请实施例提供了一种三相不平衡换相开关，所述三相不平衡换相开关包括晶闸管优化控制模块和与所述晶闸管优化控制模块相连接的电流补偿模块；

所述晶闸管优化控制模块包括晶闸管开关单元和继电器线圈，所述晶闸管开关单元和所述继电器线圈并联连接；

所述晶闸管开关单元包括晶闸管、二极管、可变电容、电感和与所述继电器线圈匹配的继电器开关，所述二极管的负极端与所述晶闸管的正极端连接，所述二极管的正极端与所述晶闸管的负极端连接，所述二极管的负极端依次通过所述可变电容、所述电感和所述继电器开关进而与所述二极管的正极端连接，所述电流补偿模块与所述可变电容并联连接。

本实施中，晶闸管在LC振荡的第一个半周期内关断如图2所示，晶闸管在LC振荡的第二个半周期内关断如图3所示，因为在晶闸管导通期间，图2和图3中电容所充的电压极性不同。在图2中，接通继电器开关后，LC振荡电流先正向流过晶闸管VT并和晶闸管VT中原有负载电流叠加，经半个振荡周期后，振荡电流反向流过晶闸管VT，直到晶闸管VT的合成正向电流减至零后再流过二极管VD，图2的方案可以加速换相开关的开通。在图3中，接通开关S后，LC振荡电流将反向流过晶闸管TV，与TV的负载电流相减，直到VT的合成正向电流减至零后，在流过二极管VD，图3的方案可以加速换相开关的关断；在这两种方案中，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断。

在开关可快速打开时，参考图2，可变电容的极性为上正下负，换相时LC振荡电流先正向流过VT并和VT中原有的负载电流叠加，经过半个振荡周期后，振荡电流反向流过VT，直到VT的合成正向电流减至零后再流过二极管VD，在这种情况下，开关的开通速度可以增快。如图3所示，换相时LC振荡电流先反向流过VT，与VT的负载电流相减，直到VT的合成正向电流减至零后，在流过二极管VD。

本实施例中，通过电流补偿模块对可变电容进行充放电，对可变电容的极性进行控制，保证处于工作状态时的那一相电路中可变电容的极性为下正上负，处于非工作状态下的那一相电路中可变电容的极性为上正下负，通过可变可变电容极性的改变进而实现换相开关的快速换相，大大改善了换相期间断电的情况。而且通过采用一组反并联的晶闸管，当开关需要开通时，两个同向电流的叠加可以使得开关快速开通；当开关需要关断时，两个反向电流的相互抵消，可以使开关快速关断。

在一种实施方式中，参考图4，所述电流补偿模块包括第一半导体开关、第二半导体开关、第三半导体开关、第四半导体开关、第一电力二极管、第二电力二极管、第三电力二极管、第四电力二极管和蓄能电容，所述第一半导体开关的集电极分别与所述第一电力二极管的负极端、所述第二电力二极管的负极端和所述第二半导体开关的集电极相连接，所述第三半导体开关的发射极分别与所述第三电力二极管的正极端、所述第四电力二极管的正极端和所述第四半导体开关的发射极相连接，所述第一半导体开关的发射极分别与所述第一电力二极管的正极端、所述第三半导体开关的集电极和所述第三电力二极管的负极端相连接，所述第二半导体开关的发射极分别与所述第二电力二极管的正极端、所述第四半导体开关的集电极和所述第四电力二极管的负极端相连接，所述第一半导体开关的集电极通过所述蓄能电容与所述第三半导体开关的发射极连接，所述第一半导体开关的发射极连接到所述可变电容的第一端，所述第二半导体开关的发射极连接到所述可变电容的第二端。

本实施例中，采用H桥连接，全桥的四个桥臂分别由4组全控型半导体开关T与电力二极管D反向并联单元组成，对角线支路由蓄能电容C_dc组成，利用电容放电的特性，实现对电容C的电流的补偿。通过控制电容C_dc的充放电过程，在一定程度上降低了损耗，同时也优化了控制策略，使得对换相过程更加灵活的控制。

参考图5～图8，电流补偿模块有4种工作状态，正向充电、反向放电、反向充电和正向放电。当U_AB＞0，二极管D1、D4,电流流径如图5所示：A→D1→C_dc→D4→B，电容处于充电状态；当U_AB＜0，开关T1、T4导通，电流的流径如图6所示：B→T4→C_dc→T1→A，电容处于反向放电状态；同理，当U_AB＜0，其电容的反向充电状态如图7所示，其电流流径为B→D3→C_dc→D2→A；当U_AB＜0，其正向放电状态如图8所示，其电流流径为A→T2→C_dc→T3→B。

在一种实施方式中，所述第一半导体开关、所述第二半导体开关、所述第三半导体开关和所述第四半导体开关均采用晶体管，如CT60AM-20型IGBT。

在一种实施方式中，所述第一半导体开关、所述第二半导体开关、所述第三半导体开关和所述第四半导体开关均采用场效应管，如IRFBC40型MOSFET

参考图9，本申请实施例提供了一种三相不平衡换相开关装置，包括检测单元、控制单元、驱动模块和如第一方面所述的三相不平衡换相开关，所述检测单元的输出端依次通过所述控制单元、所述驱动模块进而连接至三相不平衡换相开关的输入端。

本实施例中，通过对晶闸管模块的电压和电流进行采样检测，然后通过对控制单元对检测的信号进行处理，判断晶闸管的导通状态，由晶闸管的具体情况对晶闸管模块控制模块发出相应的控制信号，控制单元控制晶闸管的开通或关断。同时，通过电流补偿模块对可变电容C进行充放电，在正常运行时，可变电容C的极性为下正上负，其余不工作的两相的电容的极性应为上正下负。

本实施例中，首先对电压电流信号进行检测，对线路中电压电流是否平衡做出判断，当线路中出现不平衡状况时，控制单元产生相应的调制信号，控制晶闸管的关断，同时，在一相晶闸管关断之后，另一相晶闸管瞬间开通，实现不间断换相。保证配电网的安全稳定运行。

从上述内容可知，本发明通过电流补偿模块对晶闸管优化控制模块中的可变电容进行充放电，从而实现电容极性的改变，进而实现换相开关的快速换相，大大改善了换相期间断电的情况。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体/操作/对象与另一个实体/操作/对象区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体/操作/对象之间存在任何这种实际的关系或者顺序；术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种三相不平衡换相开关，其特征在于，所述三相不平衡换相开关包括晶闸管优化控制模块和与所述晶闸管优化控制模块相连接的电流补偿模块；

所述晶闸管优化控制模块包括晶闸管开关单元和继电器线圈，所述晶闸管开关单元和所述继电器线圈并联连接；

所述晶闸管开关单元包括晶闸管、二极管、可变电容、电感和与所述继电器线圈匹配的继电器开关，所述二极管的负极端与所述晶闸管的正极端连接，所述二极管的正极端与所述晶闸管的负极端连接，所述二极管的负极端依次通过所述可变电容、所述电感和所述继电器开关进而与所述二极管的正极端连接，所述电流补偿模块与所述可变电容并联连接。

2.根据权利要求1所述的一种三相不平衡换相开关，其特征在于，所述电流补偿模块包括第一半导体开关、第二半导体开关、第三半导体开关、第四半导体开关、第一电力二极管、第二电力二极管、第三电力二极管、第四电力二极管和蓄能电容，所述第一半导体开关的集电极分别与所述第一电力二极管的负极端、所述第二电力二极管的负极端和所述第二半导体开关的集电极相连接，所述第三半导体开关的发射极分别与所述第三电力二极管的正极端、所述第四电力二极管的正极端和所述第四半导体开关的发射极相连接，所述第一半导体开关的发射极分别与所述第一电力二极管的正极端、所述第三半导体开关的集电极和所述第三电力二极管的负极端相连接，所述第二半导体开关的发射极分别与所述第二电力二极管的正极端、所述第四半导体开关的集电极和所述第四电力二极管的负极端相连接，所述第一半导体开关的集电极通过所述蓄能电容与所述第三半导体开关的发射极连接，所述第一半导体开关的发射极连接到所述可变电容的第一端，所述第二半导体开关的发射极连接到所述可变电容的第二端。

3.根据权利要求2所述的一种三相不平衡换相开关，其特征在于，所述第一半导体开关、所述第二半导体开关、所述第三半导体开关和所述第四半导体开关均采用晶体管。

4.根据权利要求2所述的一种三相不平衡换相开关，其特征在于，所述第一半导体开关、所述第二半导体开关、所述第三半导体开关和所述第四半导体开关均采用场效应管。

5.一种三相不平衡换相开关装置，其特征在于，包括检测单元、控制单元、驱动模块和如权利要求1～4任一项所述的三相不平衡换相开关，所述检测单元的输出端依次通过所述控制单元、所述驱动模块进而连接至三相不平衡换相开关的输入端。

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