零毫秒三相不平衡治理换相开关及其换相时序控制方法与流程

本发明涉及配电网辅助设备领域，具体是涉及零毫秒三相不平衡治理换相开关及其换相时序控制方法。

背景技术：

我国低压变压器及供电线路采用三相四线制供电方式，低压供电台区用电用户大多数为单相用电用户，单相用户数量在三相上的不平均分布及用电的不同期性导致三相负荷不平衡，三相瞬时电流差异较大。由此给供电变压器及供电线路带来了诸多危害，例如三相电流不平衡导致供电变压器铁芯中的磁通不能完全抵消，涡流效应使得变压器铁芯发热严重，加剧了变压器老化，严重的可能导致火灾发生；三相供电线路电流不平衡，重载相电流很大而轻载相电流较小，这使得中性线电流非常大。由于电缆的趋肤效应及电缆存在线路阻抗，重载相及中性线的损耗加剧，同时也会导致电缆温度升高，加速电缆老化；重载相的电流过大，可能会超过台区运行保护装置发生过载保护动作，导致整个台区中断供电；不平衡导致的中性线电流过大，供电线路在中性线上的线路压降增大，这导致台区末端用户的电压降低，影响用户正常用电。

目前的换相开关适用于低压供电台区配网中，作为将单相负载在三相之间自动切换的智能装置使用，可以有效的调控三相负载均衡分配，有利于供电设备运行安全、降低供电损耗。现有的换相开关工作方式为接收到换相指令后，将负载从当前连接相上切除，然后再投入到负载较轻的另一相上。这样就会从当前连接相切除后，还未投入到另一相期间，用户供电会中断的现象，这段时间称为换相时间，一般为10-20毫秒。换相时间带来的几个不利影响是对供电敏感的用电设备，会发生关机、停机、闪烁、功能紊乱等现象。严重的会导致用电电器烧毁，其次重新投入到轻载相时会产生涌流，这对供电网络及供电设备会带来不利影响。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供零毫秒三相不平衡治理换相开关。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

零毫秒三相不平衡治理换相开关，包括上电路板、晶闸管、磁保持继电器和下电路板，所述晶闸管和所述磁保持继电器均通过管脚插接在所述下电路板上，所述晶闸管设置有3个，分别为a相晶闸管、b相晶闸管和c相晶闸管，所述磁保持继电器也设置有3个，分别为a相磁保持继电器、b相磁保持继电器和c相磁保持继电器，所述下电路板上还设置有换相单元电路用于换相，所述上电路板上安装有数码管，所述上电路板上还设置有用于控制和信号处理的cpu单元、驱动单元电路、数码管及指示灯显示电路、rf单元电路和电源单元电路，所述cpu单元分别与所述驱动单元电路、所述数码管及指示灯显示电路、所述换相单元电路、所述rf单元电路和所述电源单元电路通信连接。

进一步的，所述上电路板一侧设置有面盖，所述上电路板通过螺丝安装固定在所述面盖内侧，所述面盖外侧表面固定有按钮，所述按钮与所述上电路板接触连接便于输送按钮控制信号。

进一步的，所述下电路板一侧设置有底盖，所述下电路板通过螺丝固定在所述底盖的内侧，所述底盖和所述面盖通过螺栓固定安装在一起。

进一步的，所述面盖底部还安装有接线端子，所述接线端子用于压接电源线。

进一步的，所述接线端子上扣盖有下盖，所述下盖的两端铆接在所述接线端子上便于翻盖和扣盖。

进一步的，所述cpu单元基于stm32f103rc芯片进行数据信号的处理。

进一步的，所述换相单元电路中设置有防雷管tv1、tv2、tv3、tv4，所述防雷管tv1、tv2、tv3、tv4的in+管脚连接在一起后接入可变电阻vr1，tv1、tv2、tv3、tv4，所述防雷管tv1、tv2、tv3、tv4的in-管脚分别接有电阻r1、r2、r3、r8，所述可变电阻vr1的两端分别连接到模块电源芯片acdc的acl管脚和acn管脚，所述模块电源芯片acdc的的4脚接地，3脚串接电感l1后接入电源正极，3脚和4脚之间还连接有瞬态抑制二极管tvs用于作为静电过压保护器，所述可变电阻vr1并联接有电容c1，所述防雷管tv1、tv2、tv3、tv4的in+管脚还通过可变电阻vr2连接到所述a相磁保持继电器、所述b相磁保持继电器和所述c相磁保持继电器,所述a相磁保持继电器、所述b相磁保持继电器和所述c相磁保持继电器的triger、release、pullin管脚连接到滤波电路。

进一步的，零毫秒三相不平衡治理换相开关换相过程控制步骤如下：

（1）在a相的相电压由负半周向正半周过渡的过零点t1处，发出a相磁保持继电器mr_a释放脉冲及a、b相晶闸管导通触发电平信号，磁保持继电器释放过程需要4至5毫秒时间，磁保持继电器释放时a相晶闸管同时导通，b相晶闸管由于反向偏置电压而仍处于反向阻断状态。主回路经scr_a向负载供电；

（2）b相的相电压由负半周向正半周过渡的过零点t2与t1的相位差为120°，故t2时刻滞后于t1时刻20ms÷3=6.66毫秒，在t2处发出b相磁保持继电器mr_b吸合脉冲，磁保持继电器吸合需要5至10毫秒时间，主回路仍经scr_a向负载供电。

（3）再经过30°后的t3时刻（即1.66毫秒），a相相电压与b相相电压相等（线电压过零点，即a、b相等电位点），scr_a、scr_b的触发信号仍然存在，此时两只晶闸管互为闭锁，即若scr_a导通则scr_b必然截止，若scr_b导通则scr_a必然截止，其中只能有一只晶闸管处于导通状态。等电位点是一个时刻点，没有持续时间，一旦越过此点，由于b相电压高于a相电压，b相晶闸管scr_b导通，它的导通立即给a相的晶闸管scr_a施加反向偏置电压使其立即阻断。此后主回路经scr_b向负载供电；

（4）自t2时刻经过5至8毫秒后，b相磁保持继电器mr_b吸合完毕，此后主回路经mr_b向负载供电；

（5）在c相的相电压由负半周向正半周过渡的过零点t4时刻，停止a、b相晶闸管scr_a、scr_b的触发信号，由于晶闸管是半控器件，此时即使b相磁保持继电器未完成吸合动作，b相晶闸管scr_b仍维持导通状态，直至b相磁保持继电器mr_b完成吸合后，b相晶闸管scr_b由于被旁路而截至；

（6）在b相磁保持继电器mr_b完成吸合后，主回路经b相磁保持继电器mr_b向负载供电；

（7）至此整个换相过程完毕，由上述过程可以看出，换相过程中始终有供电回路构成，无中断供电时间；

（8）换相过程的完成时间点是在a、b相电压相等的时刻完成，负载的dv/dt没有与正弦工频的dv/dt有显著的改变，因此没有涌流产生，实现了平稳、可靠的换相过程。

有益效果在于：通过设计了一种换相开关的内部主回路拓扑结构，由磁保持继电器及单向晶闸管构成三组切换开关，在控制时序的严格控制下，可以很好的实现无中断供电的0毫秒带载换相，使得带载换相开关在换相时不中断供电，而只是输出电压相位发生跳变，无需换相时间，这样既解决了供电配网的三相不平衡问题，又不会对用户用电带来不良影响。

附图说明

图1是本发明零毫秒三相不平衡治理换相开关的爆炸图；

图2是本发明零毫秒三相不平衡治理换相开关的电路板电路模块连接示意图；

图3是本发明零毫秒三相不平衡治理换相开关的主回路结构图；

图4是本发明零毫秒三相不平衡治理换相开关的a相到b相状态迁移图；

图5是本发明零毫秒三相不平衡治理换相开关的cpu单元电路图；

图6是本发明零毫秒三相不平衡治理换相开关的滤波电路；

图7是本发明零毫秒三相不平衡治理换相开关的数码管显示电路图；

图8是本发明零毫秒三相不平衡治理换相开关的移相单元电路图；

图9是本发明零毫秒三相不平衡治理换相开关的rf单元电路图；

图10是本发明零毫秒三相不平衡治理换相开关的电源单元电路图；

图11是本发明零毫秒三相不平衡治理换相开关的单片机管脚示意图。

附图标记说明如下：

1、下盖；2、接线端子；3、按钮；4、面盖；5、数码管；6、上电路板；7、晶闸管，701、a相晶闸管，702、b相晶闸管，703、c相晶闸管；8、磁保持继电器，801、a相磁保持继电器，802、b相磁保持继电器，803、c相磁保持继电器；9、下电路板；10、底盖；11、驱动单元电路；12、cpu单元；13、数码管及指示灯显示电路；14、换相单元电路；15、rf单元电路；16、电源单元电路。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-11所示，零毫秒三相不平衡治理换相开关，包括上电路板6、晶闸管7、磁保持继电器8和下电路板9，晶闸管7和磁保持继电器8均通过管脚插接在下电路板9上，晶闸管7设置有3个，分别为a相晶闸管701、b相晶闸管702和c相晶闸管703，磁保持继电器8也设置有3个，分别为a相磁保持继电器801、b相磁保持继电器802和c相磁保持继电器803，下电路板9上还设置有换相单元电路14用于换相，上电路板6上安装有数码管5，上电路板6上还设置有用于控制和信号处理的cpu单元12、驱动单元电路11、数码管及指示灯显示电路13、rf单元电路15和电源单元电路16，cpu单元12分别与驱动单元电路11、数码管及指示灯显示电路13、换相单元电路14、rf单元电路15和电源单元电路16通信连接。

在本实施例中，上电路板6一侧设置有面盖4，上电路板6通过螺丝安装固定在面盖4内侧，面盖4外侧表面固定有按钮3，按钮3与上电路板6接触连接便于输送按钮控制信号。

在本实施例中，下电路板9一侧设置有底盖10，下电路板9通过螺丝固定在底盖10的内侧，底盖10和面盖4通过螺栓固定安装在一起。

在本实施例中，面盖4底部还安装有接线端子2，接线端子2用于压接电源线。

在本实施例中，接线端子2上扣盖有下盖1，下盖1的两端铆接在接线端2上便于翻盖和扣盖。

在本实施例中，cpu单元12基于单片机进行数据信号的处理。

在本实施例中，在a、b、c各相至输出的切换开关回路中，采用三组晶闸管与磁保持继电器并联的切换电路，晶闸管采用非过零触发控制电路，换相时在程序控制下在相邻两相的同半周等电位点（线电压过零点）由晶闸管实现自然换相；跨相换相时经顺时针邻相过渡换相，其中顺时针换相是指a=>b、b=>c、c=>a，跨相换相是指a=>c、b=>a、c=>b，

在本实施例中，以a相切换至b相为例（参考图4）,在收到换相指令后，换相开关的单片机在程序的控制下，开始一个换相过程控制,其换相时序控制方法步骤如下：

（1）在a相的相电压由负半周向正半周过渡的过零点t1处，发出a相磁保持继电器mr_a释放脉冲及a、b相晶闸管导通触发电平信号，磁保持继电器释放过程需要4至5毫秒时间，磁保持继电器释放时a相晶闸管同时导通，b相晶闸管由于反向偏置电压而仍处于反向阻断状态。主回路经scr_a向负载供电；

（2）b相的相电压由负半周向正半周过渡的过零点t2与t1的相位差为120°，故t2时刻滞后于t1时刻20ms÷3=6.66毫秒，在t2处发出b相磁保持继电器mr_b吸合脉冲，磁保持继电器吸合需要5至10毫秒时间。主回路仍经scr_a向负载供电。

（3）再经过30°后的t3时刻（即1.66毫秒），a相相电压与b相相电压相等（线电压过零点，即a、b相等电位点），scr_a、scr_b的触发信号仍然存在，此时两只晶闸管互为闭锁，即若scr_a导通则scr_b必然截止，若scr_b导通则scr_a必然截止，其中只能有一只晶闸管处于导通状态。等电位点是一个时刻点，没有持续时间，一旦越过此点，由于b相电压高于a相电压，b相晶闸管scr_b导通，它的导通立即给a相的晶闸管scr_a施加反向偏置电压使其立即阻断。此后主回路经scr_b向负载供电；

（4）自t2时刻经过5至8毫秒后，b相磁保持继电器mr_b吸合完毕，此后主回路经mr_b向负载供电；

（5）在c相的相电压由负半周向正半周过渡的过零点t4时刻，停止a、b相晶闸管scr_a、scr_b的触发信号，由于晶闸管是半控器件，此时即使b相磁保持继电器未完成吸合动作，b相晶闸管scr_b仍维持导通状态，直至b相磁保持继电器mr_b完成吸合后，b相晶闸管scr_b由于被旁路而截至；

（6）在b相磁保持继电器mr_b完成吸合后，主回路经b相磁保持继电器mr_b向负载供电；

（7）至此整个换相过程完毕，由上述过程可以看出，换相过程中始终有供电回路构成，无中断供电时间；

（8）换相过程的完成时间点是在a、b相电压相等的时刻完成，负载的dv/dt没有与正弦工频的dv/dt有显著的改变，因此没有涌流产生，实现了平稳、可靠的换相过程。

在本实施例中，若需要将负荷跨相换相，例如从a相切换至c相，应首先将负荷由a相切换至b相，然后将其由b相切换至c相。

在本实施例中，换相单元电路（参考图8）中防雷管设置有4个，分别为tv1、tv2、tv3、tv4，tv1、tv2、tv3、tv4的in+管脚连接在一起后接入可变电阻vr1，tv1、tv2、tv3、tv4，tv1、tv2、tv3、tv4的in-管脚分别接有电阻r1、r2、r3、r8，可变电阻vr1的两端分别连接到模块电源芯片acdc的acl管脚和acn管脚，模块电源芯片acdc的的4脚接地，3脚串接电感l1后接入电源正极，3脚和4脚之间还连接有瞬态抑制二极管tvs用于作为静电过压保护器，可变电阻vr1并联接有电容c1，tv1、tv2、tv3、tv4的in+管脚还通过可变电阻vr2连接到a相磁保持继电器801、b相磁保持继电器802和c相磁保持继电器803,a相磁保持继电器801、b相磁保持继电器802和c相磁保持继电器803的triger、release、pullin管脚连接到滤波电路（参考图6）。

在本实施例中，所述cpu单元（参考图5）基于stm32f103rc芯片开发控制，stm32f103rc芯片的第56管脚更改为lck管脚，第11管脚去掉后增加出线电压过零检测vzout，第31、12、47、18、63管脚接地。

在本实施例中，所述rf单元电路（参考图9）基于lm2596s-5芯片开发。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。