专利名称：将单相电源变换为三相电源的控制方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将单相电源变换为三相电源的控制方法及其装置，本发明属于供配电领域。
背景技术：
电气化铁路系统有将单相电源变换为三相电源的广泛需求。利用交直交变频调制技术是一种较为合适的途径。但是目前依靠变频调制技术的单相电源变换为三相电源的技术具有如下缺点第一、变换后的三相电源产生大量高次谐波；第二、交直交变频调制技术使电源输出特性变软；第三、实现交直交变频调制技术的设备价格昂贵；第四、交直交变频调制技术难以用于高电压、大功率和可靠性等要求高场合。
这些缺点都给这项技术的推广应用带来了很大困难。
如果不采用交直交变频调制的方法，而采用另外一种方法，也就是通过并联电容电感以从单相电源获得三相电源。由于传统的并联电容电感不能动态的跟踪负荷的变换，也难以使用在要求严格的场合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够随时跟踪负载的变化，以提供稳定的三相对称电压的单相电源变换为三相电源的控制方法及其装置，以克服现有技术中的不足之处。
按此目的设计的一种将单相电源变换为三相电源的控制方法，其特征在于实时检测线路中的负载电流和负载电压，计算出负载电流和负载电压的幅值和相角以及负载功率因素；然后得到为保持三相对称电压应该在其它两相间接入的电纳值，计算该两相间晶闸管控制电抗器分别应该提供的电纳值，由此电纳值计算两相间晶闸管的触发角，脉冲发生单元根据同步电压信号和两相间晶闸管的触发角，向晶闸管发出满足晶闸管可靠触发一定宽度的触发脉冲。
根据傅立叶算法，对于电压基波分量，有
au1=2NΣk=1Nu(k)cos2πkNbu1=2NΣk=1Nu(k)sin2πkN---(a)]]>其中u(k)-电压实时采样值；N-采样点数；对于电流基波分量，有ai1=2NΣk=1Ni(k)cos2πkNbi1=2NΣk=1Ni(k)sin2πkN---(b)]]>其中i(k)-电流实时采样值；N-采样点数；由此可以得到计算负载电压和负载电流的幅值和相角的计算公式 式中U1-负载电压基波幅值；u-负载电压基波相角； 式中I1-负载电流基波幅值；i-负载电流基波相角；由式(c)和(d)，可以求得负载功率因素cos＝cos(i-u) (e)式中cos-负载功率因素。
(3)根据公式(a)计算为保持三相电压对称BC、AC间应该接入的电纳值；
式中U1-负载电压基波幅值；I1-负载电流基波幅值；-电压电流相角差；Bbcc-BC相间应该接入的电纳值；Bacc-AC相间应该接入的电纳值；(4)计算BC、AC相间晶闸管控制电抗器应该提供的电纳值；Btcr·bc=Bbcc+BbcfcBtcr·ac=Bacc+Bacfc---(g)]]>其中Bbcfc-BC相间固定接入的滤波器组的导纳；Bacfc-AC相间固定接入的滤波器组的导纳；Btcr·bc-BC相间晶闸管控制电抗器应该提供的电纳值；Btcr·ac-AC相间晶闸管控制电抗器应该提供的电纳值；(5)计算BC、AC相间晶闸管的触发角；将式(g)计算的电纳值代入下式，BL(α)=-2(π-α)+sin2απXL---(h)]]>XL-晶闸管控制电抗器的基波阻抗值；α-晶闸管触发角；BL-晶闸管控制电抗器输出的电纳值；(6)脉冲发生单元根据接受的同步电压信号和(h)计算的触发角，向晶闸管发出满足晶闸管可靠触发一定宽度的触发脉冲。
本将单相电源变换为三相电源的控制装置，其结构特征在于该控制装置包括主电路和控制保护装置两部分，主电路包括串联在单相电源输入线路中的单相变压器，滤波支路，晶闸管控制电抗器支路，串接在分离式电抗器中间的晶闸管阀。
单相变压器，将单相电源变换为所需要的电压等级；滤波支路，由串联的交流滤波电感和电容组成，肩负滤波和提供固定容性无功功率两个作用；
分离式电抗器，与并联的滤波支路配合以提供连续可变的感性和容性无功功率；晶闸管阀，由反并联对的晶闸管串联而成，串接在分离式电抗器的中间；控制保护装置主要包括相互串联的电压互感器和电压变送器，电压互感器的输入端与电源电压相连，电压变送器输出端与控制器的模拟信号输入端相连；相互串联的电流互感器和电流变送器，电流互感器的输入端是负载电流信号，电流变送器输出端与控制器的模拟信号输入端相连；控制器，由基于数字信号处理器DSP或其它高性能CPU和外围电路组成；控制器根据上述输入信号，控制脉冲发生单元向晶闸管发出触发脉冲；其它模拟量和开关量信号通过数字量输入通道DI接入控制器；控制器通过数字量输出通道DO输出控制保护信号。
本发明提出的单相电源变三相对称电源装置结合了传统的基于并联电容电感的方法和广泛应用于静止型动态无功补偿和高压直流输电系统中的晶闸管相控技术，它的显著特点是能够根据负载的大小和功率因素实时调整晶闸管的触发角以获得稳定的三相对称电压，以满足高电压、大功率和高可靠性的单相变三相电源的要求。
图1为本发明一实施例电路结构示意图。
图2为控制装置工作流程示意图。
图3是将单相电源变换为三相电源的控制装置投入运行前、后的负载三相电压波形图。
图4是将单相电源变换为三相电源的控制装置投入运行前、后的负载三相电压正负序分量图。
图5是将单相电源变换为三相电源的控制装置投入运行前、后的负载三相电流波形图。
图6是将单相电源变换为三相电源的控制装置投入运行前、后的负载三相电流正负序分量图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
参见图1-图2，本将单相电源变换为三相电源的控制方法，实时检测线路中的负载电流和负载电压，计算出负载电流和负载电压的幅值和相角以及负载功率因素；然后得到为保持三相对称电压应该在其它两相间接入的电纳值，计算该两相间晶闸管控制电抗器分别应该提供的电纳值，由此电纳值计算两相间晶闸管的触发角，脉冲发生单元根据同步电压信号和两相间晶闸管的触发角，向晶闸管发出满足晶闸管可靠触发一定宽度的触发脉冲。
根据傅立叶算法，对于电压基波分量，有au1=2NΣk=1Nu(k)cos2πkNbu1=2NΣk=1Nu(k)sin2πkN---(a)]]>其中u(k)-电压实时采样值；N-采样点数。
对于电流基波分量，有ai1=2NΣk=1Ni(k)cos2πkNbi1=2NΣk=1Ni(k)sin2πkN---(b)]]>其中i(k)-电流实时采样值；N-采样点数。
由此可以得到计算负载电压和负载电流的幅值和相角的计算公式 式中U1-负载电压基波幅值；u-负载电压基波相角。
式中I1-负载电流基波幅值；i-负载电流基波相角；由式(c)和(d)，可以求得负载功率因素cos＝cos(i-u) (e)式中cos-负载功率因素。
(3)根据公式(a)计算为保持三相电压对称BC、AC间应该接入的电纳值； 式中U1-负载电压基波幅值；I1-负载电流基波幅值；-电压电流相角差；Bbcc-BC相间应该接入的电纳值；Bacc-AC相间应该接入的电纳值。
(4)计算BC、AC相间晶闸管控制电抗器应该提供的电纳值；Btcr·bc=Bbcc+BbcfcBtcr·ac=Bacc+Bacfc---(g)]]>其中Bbcfc-BC相间固定接入的滤波器组的导纳；Bacfc-AC相间固定接入的滤波器组的导纳；Btcr·bc-BC相间晶闸管控制电抗器应该提供的电纳值；Btcr·ac-AC相间晶闸管控制电抗器应该提供的电纳值；(5)计算BC、AC相间晶闸管的触发角；将式(g)计算的电纳值代入下式，该公式是晶闸管控制电抗器的一个基本公式，出自专业书籍；BL(α)=-2(π-α)+sin2απXL---(h)]]>XL-晶闸管控制电抗器的基波阻抗值；α-晶闸管触发角；BL-晶闸管控制电抗器输出的电纳值；(6)脉冲发生单元根据同步电压信号和(h)计算的触发角，向晶闸管发出满足晶闸管可靠触发一定宽度的触发脉冲。
本将单相电源变换为三相电源的控制装置，该控制装置包括主电路和控制保护装置两部分，主电路包括串联在单相电源输入线路中的单相变压器，滤波支路，晶闸管控制电抗器支路，串接在分离式电抗器中间的晶闸管阀；单相变压器，将单相电源变换为所需要的电压等级；见图1，输入线路ab间27.5KV的直流电压经单相变压器1降压处理为10KV的直流电压；图中1为单相变压器，2为三相均匀负载。
滤波支路，由串联的交流滤波电感和电容组成，肩负滤波和提供固定容性无功功率两个作用；分离式电抗器，与并联的滤波支路配合以提供连续可变的感性和容性无功功率；晶闸管阀，由反并联对的晶闸管串联而成，串接在分离式电抗器的中间，见图1，控制、保护和监测装置随时收集晶闸管阀上的信号；控制保护装置主要包括相互串联的电压互感器和电压变送器，电压互感器的输入端与电源电压相连，电压变送器输出端与控制器的模拟信号输入端相连；相互串联的电流互感器和电流变送器，电流互感器的输入端是负载电流信号，电流变送器输出端与控制器的模拟信号输入端相连；控制器，由基于数字信号处理器DSP或其它高性能CPU和外围电路组成；控制器根据上述输入信号，控制脉冲发生单元向晶闸管发出触发脉冲；其它模拟量和开关量信号通过数字量输入通道DI接入控制器；控制器通过数字量输出通道DO输出控制保护信号，见图2。
以下为一具体实施例某机车车辆厂进行机车试验需要3000KVA/10KV三相对称电源，但其变电站只有27.5kV单相电源，为获得10KV三相对称电源，可以采用本发明提出的控制方法和控制装置来实现。
参见图3，本图是将单相电源变换为三相电源的控制装置投入运行前、后的负载三相电压波形图。图中，曲线3为A相电压，曲线4为B相电压，曲线5为C相电压。
在第5秒前，本控制装置还没有投入运行；从第5秒开始，控制装置开始运行，从图中可以很明显的看出，本控制装置投入前，也就是第5秒前，三相电压严重不对称，本控制装置投入运行后，从第5秒开始，经过一个短暂的过渡过程(约20ms)，就一直稳定的保持对称。
参见图4，本图是将单相电源变换为三相电源的控制装置投入运行前、后的负载三相电压正负序分量图。图中，曲线6为电压正序分量，曲线7为电压负序分量，在第5秒前，本控制装置没有投入运行，从第5秒开始，本控制装置投入运行。从图中可以很明显的看出，本控制装置投入前，即第5秒以前，三相电压不对称度约为100％，当本控制装置投入后，即从第5秒开始，三相电压不对称度约为1％。
参见图5，本图是将单相电源变换为三相电源的控制装置投入运行前、后的负载三相电流波形图。图中，曲线8为A相电流波形，曲线9为B相电流波形，曲线10为C相电流波形，在第5秒前，本控制装置没有投入运行，从第5秒开始，本控制装置投入运行，由图中可见，本控制装置投入前，即第5秒之前，负载三相电流严重不对称，本控制装置投入运行后，即从第5秒开始，经过一个短暂的过渡过程(约20ms)，负载三相电流保持平衡状态，满足三相对称负载的要求。
参见图6，本图是将单相电源变换为三相电源的控制装置投入运行前、后的负载三相电流正负序分量图。图中，曲线11为电流正序分量，曲线12为电流负序分量，在第5秒前，本控制装置没有投入运行，从第5秒开始，本控制装置投入运行。从图中可以清楚看到，本控制装置投入前，即第5秒之前，负载三相电流不对称度约为100％，当控制装置投入运行后，即从第5秒开始，负载三相电流不对称度约为1％，满足三相对称的要求。
权利要求
1.一种将单相电源变换为三相电源的控制方法，其特征在于实时检测线路中的负载电流和负载电压，计算出负载电流和负载电压的幅值和相角以及负载功率因素；然后得到为保持三相对称电压应该在其它两相间接入的电纳值，计算该两相间晶闸管控制电抗器分别应该提供的电纳值，并由此电纳值计算出两相间晶闸管的触发角，脉冲发生单元根据同步电压信号和两相间晶闸管的触发角，向晶闸管发出满足晶闸管可靠触发一定宽度的触发脉冲；根据傅立叶算法，对于电压基波分量，有au1=2NΣk=1Nu(k)cos2πkNbu1=2NΣk=1Nu(k)sin2πkN---(a)]]>其中u(k)-电压实时采样值；N-采样点数；对于电流基波分量，有ai1=2NΣk=1Ni(k)cos2πkNbi1=2NΣk=1Ni(k)sin2πkN---(b)]]>其中i(k)-电流实时采样值；N-采样点数；由此可以得到计算负载电压和负载电流的幅值和相角的计算公式 式中U1-负载电压基波幅值；u-负载电压基波相角； 式中I1-负载电流基波幅值；i-负载电流基波相角；由式(c)和(d)，可以求得负载功率因素cos＝cos(i-u) (e)式中cos-负载功率因素；(3)根据公式(a)计算为保持三相电压对称BC、AC间应该接入的电纳值； 式中U1-负载电压基波幅值；I1-负载电流基波幅值；-电压电流相角差；Bbcc-BC相间应该接入的电纳值；Bacc-AC相间应该接入的电纳值；(4)计算BC、AC相间晶闸管控制电抗器应该提供的电纳值；Btcr·bc=Bbcc+BbcfcBtcr·ac=Bacc+Bacfc---(g)]]>其中Bbcfc-BC相间固定接入的滤波器组的导纳；Bacfc-AC相间固定接入的滤波器组的导纳；Btcr·bc-BC相间晶闸管控制电抗器应该提供的电纳值；Btcr·ac-AC相间晶闸管控制电抗器应该提供的电纳值；(5)计算BC、AC相间晶闸管的触发角；将式(g)计算的电纳值代入下式，BL(α)=-2(π-α)+sin2απXL---(h)]]>XL-晶闸管控制电抗器的基波阻抗值；α-晶闸管触发角；BL-晶闸管控制电抗器输出的电纳值；(6)脉冲发生单元根据接受的同步电压信号和(h)计算的触发角，向晶闸管发出满足晶闸管可靠触发一定宽度的触发脉冲。
2.一种将单相电源变换为三相电源的控制装置，其特征在于该控制装置包括主电路和控制保护装置两部分，主电路包括串联在单相电源输入线路中的单相变压器，滤波支路，晶闸管控制电抗器支路，串接在分离式电抗器中间的晶闸管阀；单相变压器，将单相电源变换为所需要的电压等级；滤波支路，由串联的交流滤波电感和电容组成，肩负滤波和提供固定容性无功功率两个作用；分离式式电抗器，与并联的滤波支路配合以提供连续可变的感性和容性无功功率；晶闸管阀，由反并联对的晶闸管串联而成，串接在分离式电抗器的中间；控制保护装置主要包括相互串联的电压互感器和电压变送器，电压互感器的输入端与电源电压相连，电压变送器输出端与控制器的模拟信号输入端相连；相互串联的电流互感器和电流变送器，电流互感器的输入端是负载电流信号，电流变送器输出端与控制器的模拟信号输入端相连；控制器，由基于数字信号处理器(DSP)或其它高性能CPU和外围电路组成；控制器根据上述输入信号，控制脉冲发生单元向晶闸管发出触发脉冲；其它模拟量和开关量信号通过数字量输入通道(DI)接入控制器；控制器通过数字量输出通道(DO)输出控制保护信号。
全文摘要
一种将单相电源变换为三相电源的控制方法，实时检测线路中的负载电流和负载电压，计算出负载电流和负载电压的幅值和相角以及负载功率因素；然后得到为保持三相对称电压应该在其它两相间接入的电纳值，计算该两相间晶闸管控制电抗器分别应该提供的电纳值，并由此电纳值计算两相间晶闸管的触发角，脉冲发生单元根据同步电压信号和两相间晶闸管的触发角，向晶闸管发出满足晶闸管可靠触发一定宽度的触发脉冲。本发明提出的装置结合了传统的基于并联电容电感的方法和广泛应用于静止型动态无功补偿装置和高压直流输电系统中的晶闸管相控技术，它的显著特点是能够根据负载的变化，实时调整晶闸管的触发角以获得稳定的三相对称电压。
文档编号H02M5/451GK1794550SQ200510101598
公开日2006年6月28日 申请日期2005年11月29日 优先权日2005年11月29日
发明者傅闯, 刘燕, 陈刚, 于良中, 卢志良 申请人:顺特电气有限公司