專利名稱：一種系統(tǒng)節(jié)電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電力系統(tǒng)節(jié)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及ー種系統(tǒng)節(jié)電器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，エ廠企業(yè)、商場、辦公大樓、車站碼頭、路燈等集中供電場所，由于在電路中存在有大量的非線性用電設備，導致在一般的供電線路中諧波的含量較高，諧波不僅導致電カ波形失真，同時還會使用電設備產(chǎn)生振動噪音，中線電流増大，如果超出了中線的安全電流，將導致中線過熱甚至燒斷，弓I發(fā)供電事故。電網(wǎng)中的高次諧波同時還會干擾通訊，導致傳感器或者電路中的數(shù)字設備發(fā)生錯誤，因此諧波是電路中危害很大的ー種現(xiàn)象。 必須加以抑制或者消除。現(xiàn)有的節(jié)電產(chǎn)品一般采用單純自藕調(diào)壓降壓原理，在主線路中有切換開關(guān)，在有負載時切換開關(guān)。這樣的方法容易給電カ系統(tǒng)帶來沖擊，造成電カ系統(tǒng)故障率高。并且，這種方法只能夠簡單有階的調(diào)整電壓，不具有閉環(huán)控制功能，基本上不具有保護功能，智能控制功能差。也不具有單相控制功能，同時諧波濾除效果差，不能自動補償功率因數(shù)，自身損耗較大，節(jié)電效果不理想。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提出ー種系統(tǒng)節(jié)電器，用以改善現(xiàn)有節(jié)電裝置帶來的電網(wǎng)運行不穩(wěn)定、高損耗、諧波濾除效果不好以及無法自動補償電網(wǎng)功率因素的問題。為達此目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案—種系統(tǒng)節(jié)電器,包括變壓器，其原邊繞組Rm串接在負載與電網(wǎng)輸入電源之間主回路上；非互補電カ交流IGBT斬波模塊，其輸出連接在所述變壓器的副邊繞組Rb兩端，輸入連接IGBT驅(qū)動模塊；CPLD芯片，其輸出連接受其控制的IGBT驅(qū)動模塊；精密霍爾電流傳感器和電壓傳感器，原邊分別與主回路連接，副邊分別通過運算放大器連接所述CPLD芯片的第一、第二輸入回路；PWM功率開關(guān)元件，輸出連接所述CPLD芯片的第四輸入回路；DSP單片機，其輸入連接精密霍爾電流傳感器，輸出連接所述CPLD芯片的第三輸入回路，并通過控制信號連接受其控制的PWM功率開關(guān)元件。所述變壓器主回路的三相副邊繞組Rb分別串接有輔助繞組Rf ；三相輔助繞組Rf呈三角形連接結(jié)構(gòu)，每相輔助繞組Rf并接有電カ電容器Cf構(gòu)成并聯(lián)諧振環(huán)。所述交流IGBT斬波模塊并接有控制開關(guān)K的常開觸點，所述控制開關(guān)K的控制極連接DSP單片機受其控制。所述變壓器位于輸入電源一端通過無源諧波濾波器接地。[0017]所述變壓器位于負載一端通過無源多階諧波濾波器接地。本實用新型的技術(shù)方案，適用于大多數(shù)用電環(huán)境，在多數(shù)用電場所均可以取得良好的節(jié)電效果。能夠有效改善現(xiàn)有節(jié)電裝置帶來的電網(wǎng)運行不穩(wěn)定、高損耗、諧波濾除效果不好以及無法自動補償電網(wǎng)功率因素的問題。本方案采用非互補電カIGBT交流斬波技木，連續(xù)調(diào)整副邊補償繞組Rb的電感量來達到調(diào)整主回路的電壓，實現(xiàn)可調(diào)磁控調(diào)壓技木。調(diào)壓精度高，反應速度快，可以無級調(diào)節(jié)。三相鐵芯中附加有與主回路無電氣連接的輔助繞組Rf，輔助繞組Rf并聯(lián)有電カ電容器Cf，形成諧振環(huán)路，主要功能是濾除三五次諧波，同時提供補償磁通，改善電カ波形，適當提高功率因數(shù)。在主線路中同時并聯(lián)有無源諧波濾除線路，能夠濾除高次諧波，提高功率因數(shù)。在故障狀態(tài)下，可以自動將補償繞組Rb短接，提供給主繞組抵消磁通，避免由于補償繞組開路而引起的主繞組發(fā)熱和鐵芯エ頻噪音。

圖I為本實用新型具體實施方式
中系統(tǒng)節(jié)電器系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖2為本實用新型具體實施方式
中系統(tǒng)節(jié)電器的主線路結(jié)構(gòu)圖。圖3為本實用新型具體實施方式
中系統(tǒng)節(jié)電器単相主線路的連接圖。圖4為本實用新型具體實施方式
中系統(tǒng)節(jié)電器故障狀態(tài)下的節(jié)電器主線路圖。圖5為本實用新型具體實施方式
中系統(tǒng)節(jié)電器交流斬波部分主電路原理圖。圖6為本實用新型具體實施方式
中系統(tǒng)節(jié)電器交流斬波控制部分系統(tǒng)圖。圖7為本實用新型具體實施方式
中系統(tǒng)節(jié)電器各器件的信號圖以及通過交流斬波后的電壓波形圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖并通過具體實施方式
來進ー步說明本實用新型的技術(shù)方案。如圖I所示，為系統(tǒng)節(jié)電器系統(tǒng)構(gòu)成圖。其中包括原邊繞組Rm串接在負載與電網(wǎng)輸入電源之間主回路上的變壓器；非互補電力交流IGBT斬波模塊的輸出連接在所述變壓器的副邊繞組Rb兩端，輸入連接IGBT驅(qū)動模塊；CPLD芯片的輸出連接受其控制的IGBT驅(qū)動模塊、精密霍爾電流傳感器和電壓傳感器，原邊分別與主回路連接，副邊分別通過運算放大器連接所述CPLD芯片的第一、第二輸入回路；PWM功率開關(guān)元件的輸出連接CPLD芯片的第四輸入回路；DSP單片機的輸入連接精密霍爾電流傳感器，輸出連接所述CPLD芯片的第三輸入回路，并通過控制信號連接受其控制的PWM功率開關(guān)元件。DSP單片機依據(jù)傳感器信號控制PWM功率開關(guān)元件，同時經(jīng)CPLD芯片合成采集到的傳感器信號，輸出控制交流IGBT斬波驅(qū)動模塊，實現(xiàn)對交流IGBT斬波模塊輸出電壓的控制，完成變壓器副邊繞組的磁控電感補償調(diào)壓。進ー步的，交流IGBT斬波模塊并接有控制開關(guān)K的常開觸點，控制開關(guān)K的控制極連接DSP單片機受其控制。如圖2所示，為系統(tǒng)節(jié)電器的主線路結(jié)構(gòu)圖。其中，變壓器主回路的三相副邊繞組Rb分別串接有輔助繞組Rf，三相輔助繞組Rf呈三角形連接結(jié)構(gòu)，每相輔助繞組Rf并接有電カ電容器Cf構(gòu)成并聯(lián)諧振環(huán)。節(jié)電器節(jié)能線圈繞制在三柱式卷鐵芯上，采用了可連續(xù)調(diào)節(jié)的磁控線圈Rb來連續(xù)調(diào)節(jié)電壓、并且具有濾除三、五次諧波的輔助繞組Rf主線路。[0031]如圖3所示，為系統(tǒng)節(jié)電器単相主線路的連接圖。這里以単相表示，其他相與此相同。其中，變壓器位于輸入電源一端通過無源諧波濾波器接地，位于負載一端通過無源多階諧波濾波器接地。同理，如圖4所示，為系統(tǒng)節(jié)電器故障狀態(tài)下的節(jié)電器主線路圖。在節(jié)電器自身的保護方面，除了 IGBT驅(qū)動模塊的自動保護外，在IGBT發(fā)生故障保護的時候，由于補償繞組此時就處于開路狀態(tài)，因此主繞組產(chǎn)生的磁通在線路中無法抵消，會引起以下兩個現(xiàn)象(I)由于主繞組自身電感的存在，會導致電壓損耗，從而導致自身功耗加大，會導致主繞組溫度升高，消耗電能。(2)在補償繞組開路的狀態(tài)下主繞組產(chǎn)生的磁通無法抵消，故而該磁通會通過空氣和鐵芯形成回路，從而使鐵芯產(chǎn)生振動，發(fā)出エ頻噪音。 為了避免以上狀態(tài)，在IGBT發(fā)生故障的時候，DSP處理中心會切斷交流斬波線路的供電，同時驅(qū)動保護電路短接補償繞組，使補償繞組產(chǎn)生抵消磁通，從而避免主繞組產(chǎn)生的電壓降，同時不會產(chǎn)生エ頻噪音，此時節(jié)電設備自身功耗非常低，僅為主繞組的有載損耗(自身電阻的損耗)同時輸出報警信號。如圖5所示，為系統(tǒng)節(jié)電器交流斬波部分主電路原理圖。本實用新型提供的節(jié)電器采用有電壓、電流相位檢測的非互補控制方式控制IGBT斬波模塊調(diào)壓，通過高速單片機對電壓電流以及工作狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測，并具有多種控制功能，可以連續(xù)無級調(diào)節(jié)補償繞組Rb的電感量。從而連續(xù)調(diào)節(jié)主繞組Rm的電感量，達到連續(xù)調(diào)節(jié)電壓的目的。Lf，Cf為濾波電感和電容器。電流控制信號Ik、電壓控制信號Uk、PWM信號Ug以及開關(guān)管SI，S2，S3，S4的工作狀態(tài)如下。Sl=Uk+Uk*lk*UgS2=Uk+Uk*lk*UgS3=UK+Uk*Ik*UgS4=Uk+Uk*lk*Ug如圖6所示，為系統(tǒng)節(jié)電器交流斬波控制部分系統(tǒng)圖。采用雙數(shù)字處理芯片TMS320系列DSP構(gòu)成控制核心，具有単相獨立控制功能，具有完善的保護功能，通過液晶顯示屏可以任意設定相關(guān)功能，通過控制板上的2 32或485接ロ或搭載GSM通訊模塊可以構(gòu)成有線或無線遠程監(jiān)控(需要開發(fā)軟件平臺支持)，適用于路燈的智能節(jié)能控制系統(tǒng)。在輸出端并聯(lián)有多階諧波濾除電路，由于諧波濾除電路在穩(wěn)壓輸出的末端，故其工作狀態(tài)很穩(wěn)定，不會發(fā)生由于供電質(zhì)量發(fā)生變化而使濾除電路的諧振狀態(tài)改變(失諧或者偏移設定的諧振點)。由于SG3525PWM信號發(fā)生器的信號最大占空比為50%，故將SG3525的兩路相反的型號相加后作為一路PWM型號，最大占空比可以達到99%以上。補償繞組上的電壓調(diào)節(jié)范圍可以從0 99%范圍內(nèi)線形調(diào)節(jié)，也就是說，主繞組上的電壓可以在U- (OAU)范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，又有采用DSP芯片自動控制，因此電壓精度可以達到0. 5%以內(nèi)。響應時間在2ms以內(nèi)?？梢娪捎诓捎昧私涣鲾夭ǚ绞骄€形調(diào)節(jié)補償繞組上的電感。從而使電源輸出質(zhì)量大幅提高。不僅可以節(jié)約大量的能源，而且供電電壓得到穩(wěn)定，保護后端設備不受電壓沖擊，延長設備使用壽命。如圖7所示，為系統(tǒng)節(jié)電器各器件的信號圖以及通過交流斬波后的電壓波形圖。由輸出電壓波形圖可以看出。輸出波形的包絡線是完美的正弦波形圖。其僅僅包含很少量的高次諧波。由此可見。經(jīng)過交流斬波后的電壓波形是標準的正弦波，沒有失真，因此供電質(zhì)量得以保證。本實用新型提供的系統(tǒng)節(jié)電器，采用串聯(lián)式磁控電感補償調(diào)壓，每相具有三個繞組，分別為主繞組Rm、補償繞組Rb、以及輔助繞組Rf。通過DSP(TMS320)全數(shù)字電路控制功率電子元器件IGBT(EXB840)，采用有電壓、電流相位檢測的非互補控制方式斬波調(diào)壓，保證調(diào)整電壓連續(xù)無跳躍，對用電設備不會帶來沖擊，對三相負載自動平衡三相電壓。由于采用補償式電壓控制方式，因此控制功率只需實際功率的十分之一就可以滿足10%的電壓調(diào)整范圍。針對電壓電流的相位檢測，采用帶補償?shù)木芑魻杺鞲衅鳎蠖送ㄟ^高速運算放大器(如UPC系列高速電壓比較器)作為零點檢測電路，保證交流斬波部分工作在ZVF (零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài))。斬波信號的合成采用一片CPLD (如XC9752)獲得所需的信號。采用數(shù)字控制的電壓精密調(diào)整和無源濾波繞組合的設計，前端斬控式補償調(diào)壓系統(tǒng)給無源濾波部分提供穩(wěn)定的工作電壓，因此有效的簡化了電路，通過對供電線路電壓、電流、諧波等參數(shù)的檢測，通過DSP的實時計算，控制功率元器件在調(diào)整電壓的同時抵消大多數(shù)高次詣波，并同時能夠補償功率因數(shù)。在三相系統(tǒng)中，為了改善波形，在同一個鐵芯中增設三角形閉合輔助繞組Rf，同時并聯(lián)電カ電容器Cf，該輔助繞組與主線路沒有電的聯(lián)系，僅有磁聯(lián)系，該輔助繞組與電容器構(gòu)成ー個并聯(lián)諧振環(huán)，能夠?qū)╇娋€路中常見的三次和五次諧波提供流通通道，消減三五次諧波，同時能夠有效改善電壓電流波形，自動補償用戶的功率因數(shù)。節(jié)電器在自身出現(xiàn)故障時，能夠自動切斷有源部分的供電，同時短接補償繞組，保證供電電壓不會因為補償繞組的開路而導致電壓的跌落以及鐵芯的過勵磁而發(fā)熱。本實用新型采用全數(shù)字控制方式控制電力功率元器件，通過同時檢測電流和電壓方式的非互補斬波調(diào)節(jié)控制繞組的電流電壓，從而達到連續(xù)調(diào)節(jié)主繞組的電感量。進而連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓(磁控調(diào)壓)，使用電器的用電電壓穩(wěn)定在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，節(jié)約由于高電壓帶來的電カ損耗。采取三相獨立調(diào)節(jié)方式，能夠做到自動三相平衡。減小中線電流，從而 節(jié)約電力損耗。采用DSP全數(shù)字控制方式，能夠完成單相控制、多時段開關(guān)機自動控制、多時段節(jié)電等級的自動控制，能夠方便的組網(wǎng)控制等功能，同時能夠和后臺管理軟件以及GIS系統(tǒng)相結(jié)合(需開發(fā)相應軟件)，在路燈節(jié)能控制方面也具有良好的應用前景。同時具有無源濾波和并聯(lián)電流型有源電カ濾波系統(tǒng)，能夠濾除供電系統(tǒng)中大多數(shù)的高次諧波，并同時能夠自動補償功率因數(shù)，也能夠節(jié)約耗損的電力。本實用新型中，節(jié)電器節(jié)能線圈繞制在三柱式卷鐵芯上，采用了可連續(xù)調(diào)節(jié)的磁控線圈Rb來連續(xù)調(diào)節(jié)電壓、并且具有濾除三、五次諧波的輔助繞組Rf。 采用有電壓、電流相位檢測的非互補控制方式控制IGBT斬波模塊調(diào)壓，通過高速單片機對電壓電流以及工作狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測，并具有多種控制功能，可以連續(xù)無級調(diào)節(jié)補償繞組Rb的電感量。連續(xù)調(diào)節(jié)主繞組Rm的電感量，達到連續(xù)調(diào)節(jié)電壓的目的。采用雙數(shù)字處理芯片TMS320系列DSP構(gòu)成控制核心，具有單相獨立控制功能，具有完善的保護功能，通過液晶顯示屏可以任意設定相關(guān)功能，通過控制板上的2 32或485接ロ或搭載GSM通訊模塊可以構(gòu)成有線或無線遠程監(jiān)控(需要開發(fā)軟件平臺支持)，適用于路燈的智能節(jié)能控制系統(tǒng)。在輸出端并聯(lián)有多階諧波濾除電路，由于諧波濾除電路在穩(wěn)壓輸出的末端，故其工作狀態(tài)很穩(wěn)定，不會發(fā)生由于供電質(zhì)量發(fā)生變化而使濾除電路的諧振狀態(tài)改變(失諧或者偏移設定的諧振點)。[0047]由于SG3525PWM信號發(fā)生器的信號最大占空比為50%，故將SG3525的兩路相反的型號相加后作為一路PWM型號，最大占空比可以達到99%以上。補償繞組上的電壓調(diào)節(jié)范圍可以從0 99%范圍內(nèi)線形調(diào)節(jié)，也就是說，主繞組上的電壓可以在U- (OAU)范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，又有采用DSP芯片自動控制，因此電壓精度可以達到0. 5%以內(nèi)。響應時間在2ms以內(nèi)?？梢娪捎诓捎昧私涣鲾夭ǚ绞骄€形調(diào)節(jié)補償繞組上的電感。從而使電源輸出質(zhì)量大幅提高。不僅可以節(jié)約大量的能源，而且供電電壓得到穩(wěn)定，保護后端設備不受電壓沖擊，延長設備使用壽命。由于在主電路上繞制了第三個三角形解法的輔助繞組Rf。同時并接有電カ電容器，該繞住的主要功能是提供鐵芯中的三次和五次諧波的通路，抑制鐵芯的過勵磁，避免波形的平頂失真。通過附加該輔助繞組，可以使電路中的三次、五次諧波降低50%以上。同時改善波形失真。在節(jié)電器內(nèi)除了采用輔助繞組隊三五次諧波進行抑制外，同時附加有LC無源多階濾波器。能夠濾除大多數(shù)的諧波。保證用電設備的安全。同時也節(jié)約電 カ消耗。在IGBT發(fā)生故障的時候，DSP處理中心會切斷交流斬波線路的供電，同時驅(qū)動保護電路短接補償繞組，使補償繞組產(chǎn)生抵消磁通，從而避免主繞組產(chǎn)生的電壓降，同時不會產(chǎn)生エ頻噪音，此時節(jié)電設備自身功耗非常低，僅為主繞組的有載損耗(自身電阻的損耗)，同時輸出報警信號。因此本實用型提出的節(jié)電器綜合了電カ電子控制技術(shù)、數(shù)字控制技木、無源濾波技木、自動提高功率因數(shù)等多種技術(shù)，適用于大多數(shù)用電環(huán)境的綜合節(jié)能(不適用高能耗企業(yè)、如冶煉行業(yè)等)其主要適用環(huán)境為I)、鋼鐵冶金、礦山、機械加工、電子化工、水泥建材等企業(yè)；a.用電系統(tǒng)電動機負載不高，正常エ況下小于70%;b.配電變壓器負載率在50%以上；c.電動機數(shù)量多，功率相對??；d.供電電壓三相不平衡，用電系統(tǒng)電流變化大，變化頻率快、三相電流不平衡；e.供電網(wǎng)絡中高次諧波畸變分量嚴重超標。以上類型的企業(yè)，綜合平均節(jié)電率一般可達到8-12%左右。2)、輕エ業(yè)、勞動密集型企業(yè)，如棉紡、印染、制衣、制鞋、電子、玩具等；3)、各大、中、小型商場、購物中心、超市、賓館、酒店等；4)、車站、碼頭、隧道、停車場及廣場、機場、港口等所有用場所的集中供電回路。5)、政府機關(guān)、辦公大樓、公共廣場、體育場館、銀行、醫(yī)院、學校、度假村、游樂場和生活小區(qū)等。針對2)，3)，4)，5)等類型的用戶，本實用新型提供的節(jié)電器更可以取得15%左右的節(jié)電效果。而專門針對市政路燈開發(fā)的路燈節(jié)電系統(tǒng)更可以取得25%以上的節(jié)電率，能夠為國家節(jié)約大量的財政開支。綜上，基于本實用新型的設計構(gòu)思，其數(shù)字控制模塊DSP、IBGT, CPLD的型號可以不受本實用新型公開所限制，會隨功率大小有所變化，使用數(shù)字控制芯片控制功率元件，調(diào)節(jié)輸出電壓，控制磁控電感調(diào)壓的設計方案，應在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本實用新型所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。因此，本實用新型的保護范圍應該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
權(quán)利要求1.ー種系統(tǒng)節(jié)電器，其特征在于，包括 變壓器，其原邊繞組Rm串接在負載與電網(wǎng)輸入電源之間主回路上； 非互補電カ交流IGBT斬波模塊，其輸出連接在所述變壓器的副邊繞組Rb兩端，輸入連接IGBT驅(qū)動模塊； CPLD芯片，其輸出連接受其控制的IGBT驅(qū)動模塊； 精密霍爾電流傳感器和電壓傳感器，原邊分別與主回路連接，副邊分別通過運算放大器連接所述CPLD芯片的第一、第二輸入回路； PWM功率開關(guān)元件，輸出連接所述CPLD芯片的第四輸入回路； DSP單片機，其輸入連接精密霍爾電流傳感器，輸出連接所述CPLD芯片的第三輸入回路，并通過控制信號連接受其控制的PWM功率開關(guān)元件。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)節(jié)電器，其特征在于，所述變壓器主回路的三相副邊繞組Rb分別串接有輔助繞組Rf ； 三相輔助繞組Rf呈三角形連接結(jié)構(gòu)，每相輔助繞組Rf并接有電カ電容器Cf構(gòu)成并聯(lián)諧振環(huán)。
3.如權(quán)利要求I或2所述的系統(tǒng)節(jié)電器，其特征在于，所述交流IGBT斬波模塊并接有控制開關(guān)K的常開觸點，所述控制開關(guān)K的控制極連接DSP單片機受其控制。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)節(jié)電器，其特征在于，所述變壓器位于輸入電源一端通過無源諧波濾波器接地。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)節(jié)電器，其特征在干，所述變壓器位于負載一端通過無源多階諧波濾波器接地。
專利摘要本實用新型公開了一種系統(tǒng)節(jié)電器，包括原邊繞組Rm串接在負載與電網(wǎng)輸入電源之間主回路上的變壓器；非互補電力交流IGBT斬波模塊的輸出連接在變壓器的副邊繞組Rb兩端，輸入連接IGBT驅(qū)動模塊；CPLD芯片的輸出連接受其控制的IGBT驅(qū)動模塊、精密霍爾電流傳感器和電壓傳感器，原邊分別與主回路連接，副邊分別通過運算放大器連接CPLD芯片的第一、第二輸入回路；PWM功率開關(guān)組件的輸出連接CPLD芯片的第四輸入回路；DSP單片機的輸入連接精密霍爾電流傳感器，輸出連接CPLD芯片的第三輸入回路，并通過控制信號連接受其控制的PWM功率開關(guān)組件。采用本實用新型的技術(shù)方案，在大多數(shù)的用電場所均能夠獲得較好的節(jié)電率。
文檔編號H02J3/01GK202405788SQ20112057415
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者范傳偉 申請人:深圳市萬禧節(jié)能科技有限公司