一种自动调节工频交流负载三相平衡装置的制作方法

1.本发明涉及电力技术领域，具体是一种自动调节工频交流负载三相平衡装置。


背景技术：

2.目前数据中心配电机房和电力配电网(城市中大型住宅小区、城市综合体等)等负载端未对三相不平衡负载率进行治理，只在供配电设计阶段，对负载按设计规范进行初次分配，实际投运的设备多、负载率动态变化，通常不会按照设计的负载比例运行。而配电变压器和ups电源，长期运行在三相负载不平衡状态，其效率、可靠性、使用寿命都将显著降低。
3.依据供配电设计规范，数据中心机房和电力配电网的三相平衡设计是在勘察设计阶段中完成。方法是对供电电源如10kv配电变压器所带负载进行勘察设计和负荷计算，将其负载按照用电系数、负载率系数等以一定设计规范和公式得到的所有负载的计算负荷后，平均分配到该供电电源的三相中。由于参与平均分配的负荷值是计算估计值，而实际上所有负荷的实时功率并不稳定，是处于一种动态变化状态。数据中心机房中存在电源三相不平衡问题，单相负载较多且集中，负载实际功率时刻变化，且同一时刻并非所有负荷都在运行，每相电源带的负荷率也在动态变化。由于以上原因，此类配电系统存在三相不平衡的状态。
4.电源负载端三相不平衡对不间断电源(ups)、变压器、线路、用电设备都有一定影响，影响程度与三相不平衡度、不间断电源、变压器、线路和用电设备的抗干扰能力、性能有关。
5.对ups的影响，ups三相负载严重不平衡时，会导致ups转旁路运行。一般ups可以承受100％的三相不平衡，即两相满载一相空载运行，但满载功率不能超过总容量的三分之一。
6.对变压器危害，三相负荷不平衡运行会造成相电流过大引起绕组和变压器油过热，减少变压器寿命，甚至烧毁。同时产生零序磁通流经变压器金属部件组成的回路使变压器发热，影响运行安全。
7.对线路的影响，三相不平衡会产生零序磁通，在中性线上感应中性线电流，相线、中性线都产生损耗，从而增加线路损耗。三相不平衡度越大，线路损耗增量越大。
8.对用电设备的影响，三相不平衡导致用电设备使用寿命缩短，加快部件的更换频率。在不平衡状况下供电，即容易造成电压高的一相接带的用户用电设备烧坏，而电压低的一相接带的用户用电设备则可能无法使用。
9.对于电动机的危害，三相不平衡也会使电动机中逆扭矩增加，从而使电动机的温度上升，效率下降，能耗增加，发生震动，输出亏耗等影响。对于断路器来讲，三相不平衡会使断路器允许电流的裕量减少，当负载变更或交替时容易发生超载、短路现象等。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供一种自动调节工频交流负载三相平衡装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
11.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
12.一种自动调节工频交流负载三相平衡装置，包括：
13.控制器，用于整个低压配电三相负载自动调节平衡系统的状态检测、指示告警、信息处理、通讯和自动调度控制；
14.模块化相线自动切换单元，设置在三相线上，并与控制器相连接，用于控制各开关组所带单相负载的相线切换；
15.检测单元，与控制器相连接，用于检测相线自动切换单元前端和后端的电流和电压；
16.通讯单元，与控制器相连接，配置信号传输模块接口，用于装置间或装置与后台监控系统的通讯；具备有线通讯组网和无线通讯组网两种方式；
17.指示告警单元，与控制器相连接，用于对治理装置的工作状态和通讯状态指示和告警。
18.作为本发明的进一步技术方案：所述控制器采用stm32系列微控制器。
19.作为本发明的进一步技术方案：所述检测单元包括母线电压采样模块、母线电流采样模块以及多个支路电流采样模块。
20.作为本发明的进一步技术方案：所述有线通讯组包括网如以太网和rs485。
21.作为本发明的进一步技术方案：所述无线通讯组网为gprs通讯。
22.作为本发明的进一步技术方案：所述模块化相线自动切换单元包括多个相线自切单元，每个相线自切单元均通过独立的光耦隔离模块连接控制器。
23.作为本发明的进一步技术方案：所述相线自切单元通过断路器并联至内部母线上，内部母线的端子连接外部电源，每个相线自切单元的输入端为三相交流输入，输出为单相交流输出，单相交流输出端相线上配置有用于检测线路电流的电流互感器。
24.作为本发明的进一步技术方案：所述控制器上还连接有装置对外输入输出接口，装置对外输入输出接口包括设置通讯接口、装置壳体的前面下部设置端子排。
25.作为本发明的进一步技术方案：所述指示告警单元包括面板配置指示灯和功能设定按钮。
26.作为本发明的进一步技术方案：所述相线自切单元igbt、晶闸管、接触器或继电器开关。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
28.本发明适用于数据中心机房配电、电力配电网(城市中大型住宅小区、城市综合体等)等负载独立且区位集中、单相负载数量占比大、负载功率时刻动态变化、电源的三相负载率不平衡且不稳定的配电领域。该自动调节工频交流负载三相平衡装置具有应用简便，主控和相线自动切换单元一体化、结构模块化、可扩展性强的优点。通过电源负载端监控各相实时负载率，利用多组自动控制的换相开关调节各相负载，使三相负载保持动态平衡，减少三相不平衡对变压器、ups、线路和用电设备的危害。
附图说明
29.图1为本发明的结构图。
30.图2为本发明的功能框图。
31.图3为低压配电智能相线自动切换装置电路图。
32.图4为低压配电智能相线自动切换装置应用系统图。
33.图1中：1-功能设定与指示告警面板、2-装置壳体、3-电源端子、4-电源端子、5-通讯和扩展接口端子板。
具体实施方式
34.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做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。
35.实施例1：请参阅图2，一种自动调节工频交流负载三相平衡装置，包括设置在三相线上的多路模块化相线自动切换单元，其用于控制各开关组所带单相负载的相线切换。自动调节工频交流负载三相平衡装置可灵活配置多路模块化换相开关模组，根据配电系统对三相不平衡度的要求配置，一般情况下，组数越多，三相平衡度的可控能力越好，多路模块化相线自动切换单元与控制器连接，控制器主要用于整个治理系统的状态检测、指示告警、信息处理、通讯和自动控制，控制器上还连接有检测单元、通讯单元和指示告警单元，其中，检测单元用于检测相线自动切换单元前端和后端的电流和电压，通讯单元配置信号传输模块接口，用于装置间或装置于后台监控系统的通讯。有线通讯组网如以太网、rs485，无线通讯组网如gprs通讯等，指示告警用于对自动调节工频交流负载三相平衡装置的工作状态和通讯状态指示和告警。
36.实施例2，在实施例1的基础上，本设计的控制器上还连接有对外输入输出接口，装置对外输入输出接口包括设置通讯接口、装置壳体的前面下部设置端子排。
37.如图1所示，本设计的结构包括功能设定与指示告警面板1、装置壳体2、电源端子3、电源端子4、通讯和扩展接口端子板5，通讯和扩展接口端子板5包括通讯接口和电源端子，通讯接口用于装置间和装置与后台系统通讯，电源端子在壳体的背板，包括进线电源端子和出线电源端子；对于指示告警功能，在装置壳体的面板配置指示灯、功能设定按钮。
38.对于负荷是大分散、小集中的配电系统，可将负荷按照空间分布分区后给每个单独的区域配置自动调节工频交流负载三相平衡装置。装置之间通讯方式采用环网通讯方式，用于协调大配电系统的三相负载平衡。
39.工作原理如下：
40.如图2所示，控制器采用stm32系列微控制器采用微控制器用于信息采集处理、发出指令和通讯，检测功能有总线和支路电压和电流检测电路，执行部分是相线切换单元，每个相线切换单元均包括igbt或晶闸管、接触器、继电器开关组成，通讯接口为rs485通讯接口，并可接入另外的指示告警单元。
41.如图3中所示，每个相线切换单元均包括开关ka、ka’、kb、kb’、kc、kc’和开关元件da、db、dc，通过控制开关ka、ka’、kb、kb’、kc、kc’的动作，可以分别实现a、b、c相的不同连接
方式，同时如图4中所示，通过控制kf1-kfn的动作，可以实现x1-xn相间的切换。
42.在自动调节工频交流负载三相平衡装置运行后，装置可单机独立运行或组网运行提高治理水平，可达到更优化的三相负载平衡程度。单机独立运行时，装备该装置的配电柜可对本柜负载的三相平衡自动调节，通过三相平衡选线算法将部分负荷切换至低负载率相线，以达到使三相负载相对平衡的目的。多机系统组网运行时，可实现多个配电柜协同调节，实现上级配电柜下更大范围、更优化平衡，提高负载平衡率。
43.装置运行时，控制器可通过通讯模块将装置运行状态信息、负载平衡信息、负载率、实时电压、实时电流、开关状态等重要电力信息上传至后台监控系统等电力监控平台，便于进行运维预警和电能质量等数据分析。
44.指示告警功能，用于指示各级开关的工作状态、系统网络状态。
45.为控制器供电的交流转直流电源的电路，采用工频变压器降压再连续降压稳压的方式得到微控制器工作电源dc3.3v，保证控制器供电不受电网杂波干扰。
46.电压采样包括母线电压采样。使用电压互感器同时检测三相线电压即uac、uab、ubc，微控制器采集电压信号后数据处理。
47.电流采样包括母线电流采样和支路电流采样。对于母线电流，使用电流互感器同时检测三相线电流即ia、ib、ic,对于支路负载电流，使用电流互感器检测n个支路单相电流i1～in，微控制器采集电流信号后数据处理。通过低频电流互感器隔离取样出电流信号，在经过采样电路将电流互感器输出电流信号转换为可被微控制器检测的电压信号。
48.相线自动切换单元的功能说明；
49.通过微控制器检测母线三相电流的实时数据，经算法判断三相不平衡度，在需要执行自动调平衡程序时，将相应负载率高的相线所带负载切换至最低负载率的相线，达到平衡三相负载的功能。相线自动切换单元的内部相线切换是利用igbt或晶闸管等电力电子器件和继电器开关的配合，通过微控制器精确执行切换过程，在10ms内完成单次切换过程，达到不间断供电使母线三相负载动态平衡。切换相线时间0ms,切换过程由电力电子器件完成，不产生电弧，切换结束时由永磁开关保持稳态，无电能损耗。且切换相线过程只在两相电压相等时相位跳变120
°
，无涌流，平稳安全。
50.采用程序算法和物理连接对相线切换精确控制，保证切换负载电气安全。具有瞬时短路、短时过流、短时过载、母线过压、欠压保护等完善的保护及预警功能。
51.相线自动切换单元可扩展的说明；
52.相线自动切换单元在结构上为模块化设计，每个支路的相线切换单元和检测单元为一组，可成组增减，便于快速运维、检修和扩容。
53.三相平衡度自动调整与相线自动切换单元数的关系。
54.配电系统在设计时各相负载分配已相对平衡，但是由于单相负载数量多、且实际功率变化大，导致三相不平衡度处于动态变化状态。通过配置低压配电智能相线自动切换装置，协调单个负载接入的电源相序，只可离散性调整各相负载的负载率，不能达到线性调整的程度。相线自动切换单元数量越多，负载的离散性调整愈趋近于线性调平衡，所达到的调平衡效果越好。而由于装置外形尺寸、材料等限制，相线自动切换单元的数量不适宜多。由于以上原因，相线自动切换单元可根据配电系统对不平衡度调整精度的要求具体配置。
55.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在
不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
56.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。