低压三相四线供电有源不平衡治理N线过流保护器的制作方法

本发明涉及IPC分类H02H紧急保护电路装置，属于电力电子谐波治理及三相电流不平衡治理技术领域，尤其是低压三相四线供电有源不平衡治理N线过流保护器。

背景技术：

按照GB9089.2的规定：PE保护导体是为满足某些需要，用来与下列任一部件作电气连接的导体：外露可导电部分、外界可导电部分、主接地端子、接地极、电源接地点或人工接地点。中性N导体是与系统中性点连接并能起传输电能作用的导体。可见，N线是中性线，是工作线，在单相系统中又被称为“零线”；没有它，设备可能就不能正常工作。而PE线是和设备外壳相连接的地线，没有它，设备可能能够工作，但外壳可能带电；它可以防止触电事故发生。

低压三相四线，即A相、B相、C相、N相供电系统中存在大量的单相负荷设备，在实际运行时，各个单相设备间独立运行，此时会造成三相电流严重的不平衡，此不平衡电流会流经N线，再加上大量电力电子设备的应用使系统中的三次谐波电流也会在N线上进行叠加，最终N线会因系统不平衡电流及谐波电流叠加存在而出现过流、发热，加速N线绝缘老化，己经对供配电系统的安全构成了严重的危害，同时本发明装置具备N线电流分段式过流保护功能，不仅可对低压三相四线系统的不平衡电流进行补偿，也可以对系统不平衡电流严重大于装置电流输出时，进行实施报警或切断负荷等安全措施。

三相负载对称时，三相线路流入中性线的电流矢量和为零，但对于单独的一相来讲，电流不为零。三相负载不对称时，中性线的电流矢量和不为零，会产生对地电压。

在三相四线制供电中由于三相负载不平衡时和低压电网的零线过长且阻抗过大时，零线将有零序电流通过，过长的低压电网，由于环境恶化，导线老化，受潮等因素，导线的漏电电流通过零线形成闭合回路，致使零线也带一定的电位，这对安全运行十分不利；在零干线断线的特殊情况下，断线以后的单相设备和所有保护接零的设备产生危险的电压，这是不允许的，如采用三相五线制供电方式，用电设备上所连接的工作零线N和保护零线PE是分别敷设的，工作零线上的电位不能传递到用电设备的外壳上，这样就能有效隔离了三相四线制供电方式所造成的危险电压，使用电设备外壳上电位始终处在“地”电位，从而消除了设备产生危险电压的隐患。

在实际实用中，人们常常接成“保护中性导体”，即接成PEN线，兼具PE线和N线的功能。

采用TN系统做保护接零时，工作零线即N线必须通过总漏电保护器，PE保护零线必须由电源进线零线重复接地处或总漏电保护器电源侧零线处，引出形成局部TN—S接零保护系统。

作为相关技术，公开的缺中线保护电路技术，通常需要检测母线电压：具体实施方案主要是检测PFC的母线电压，即当中性线脱落时，经过实验发现，在出现缺N线时的直流母线电压不可控，AC220V输入在缺少N线时母线电压为586V远超出正常的直流母线设计电压400V，也超过了三相的整流电压537V，为不可控状态。通过理论分析可知，在有N线的情况下，三台并联的电源模块工作时产生的不平衡电流可以通过N线流回到电网，在缺N线时如果其中一台电源模块的输入电流较大，那么不平衡电流就会通过其它的两台电源模块，这样就造成电源模块对自身的母线电压不可控的状态，而受到其它电源模块工作情况的影响，也就出现了实验中母线电压会超过正常工作时的电压400V。常用的PFC母线电容一般耐压值为450V,而检测母线电压的方式只有出现母线过压时才能检测到，缺中性线时的母线电压瞬间超过了耐压值的极限值，导致母线电容击穿短路，严重损坏其他功率器件，所以此种保护方式暂告不可靠。

许继电气在中国专利申请201510818040.1中公开一种电源装置及其缺N线保护电路，电源装置包括分别连接在A、B、C三相上的三个充电电源子模块，三个子模块的输出端并联在直流母线上，缺N线保护电路包括一个差分电路和一个比较电路，差分电路分别输入连接N线和地线，输出信号经过比较电路，形成用于连接CPU的故障信号。

总之，三相四线制供电中N线的有效保护技术尚未见公开。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种低压三相四线供电有源不平衡治理N线过流保护器，解决了现有技术中存在的隐患，能够有效减少N线不平衡及谐波电流造成的N线过流损害。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：装置包括但不限于互感器采样电路、稳压电路和逆变输出三部分；稳压电路为三相不控整流电路，稳压电路通过绝缘栅双极型晶体管IGBT依次先后连接储能电路、IGBT开关电路和输出滤波电路，输出滤波电路通过交流接触器KM1连接三相四线制电源系统中，同时，DSP信号处理器分别连接IGBT驱动电路和储能电路，IGBT驱动电路分别连接IGBT开关电路和绝缘栅双极型晶体管IGBT。

尤其是，适用在三相四线制系统中，设备上电后，通过稳压电路给电容器组CB充电，DSP信号处理器通过实时监测稳压值在预定限值后，设备进入下一个工作模式，继续给电容器升压到一定值达到稳态；主线路上的互感器器件通过实时采集主线路电流信号，将采集信号发送给DSP信号处理器上指令电流产生模块的指令电流运算电路，通过相应的算法，将三相不平衡电流分别算出并且给出需要抵消的不平衡电流；然后，通过电流跟踪控制电路给IGBT驱动电路以相应的驱动信号，控制功率模块IGBT开关电路工作，从而产生相应的补偿电流来是抵消不平衡电流对电网的影响；整个过程中，控制电路也会实时根据稳压电路采集的电压信号，来补偿电容器组CB两端的电压，使其一直处于稳态；通过对三相电流不平衡的补偿进而使N线电流趋于0。

尤其是，三相不控整流电路建立基于MATLAB的三相不控整流电路仿真平台,并通过自建模块实现功率因数的自动显示，通过分析电网不平衡时的输出电压波动、功率因数和输入电流谐波失真等参数,指出三相不控整流的最优LC滤波截止频率范围，三相不控整流电路经过最优化设计。

尤其是，三相电流信号经过电流互感器CT采样后送入DSP信号处理器，DSP信号处理器通过计算得出三相电流中有功不平衡电流与无功不平衡电流，然后DSP信号处理器控制逆变部分IGBT驱动电路或储能电路发出大小相等相位相反的有功不平衡电流与无功不平衡电流并注入到电网中，进而将三相电流中的不平衡电流抵消掉，达到三相四线系统中N线电流接近于零的目的；其中：在稳压电路部分，采用三相不控整流电路，三相电经过不控整流后整流成脉动直流电，存储至电容器CA中，CA,L1,IGBT1组成BOOST可控稳压电路，由DSP信号处理器计算出电容器CA目标稳压值与测量电压值的差值送至PI调节模块和指令电流产生模块，进而，通过滞环比较器控制IGBT驱动电路驱动IGBT1,从而将目标电压稳定在800V DC，并存储在电容器CB中；在逆变电路部分，由采样电路通过采集负载侧不平衡电流，将采样信号传送给DSP信号处理器，通过相应的算法计算出各相的不平衡电流的大小与夹角，将需要补偿的电流通过算法处理，将指令发送到IGBT驱动电路；直流电压800v DC,经过IGBT开关电路5的IGBT(A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4)，组成的桥式逆变电路通过输出滤波电路的电感Lfa,Lfb,Lfc,Lfn合成所需要的不平衡电流，并注入到电网中；在DSP信号处理器和IGBT驱动电路中，其中LEM为电压互感器，实时采样不控整流后CA1,CA2上电压，Vcr为目标电压值800V dc经过PI调节模块运放后，产生指令电流信号；滞环比较器201将指令电流i_c*和实际电流i_c进行比较，两者的偏差△ic作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制电路主电路中开关通断的PWM信号由滞环比较器中有PWM信号输出模块输出，该PWM信号经驱动电路控制功率器件的通断，从而控制电流i的变化；滞环电流控制原理是指令电流和实际电流的实时值比较，实际电流达到上限指令电流，随即转入衰减，衰减至下限指令电流，重新开始上升，如此反复，实际电流将是一条在上下限指令电流跳动的锯齿波。

本发明的优点和效果：能够有效减少N线不平衡及谐波电流，抑制谐波电流产生的危害，并且安全性能高，降低由于N线电流过大引起的对配电屏和低压线路带来的恶劣影响，既能快速响应N线保护的信号，同时，又对其他部位正常工作不构成影响。线路损耗低，运行安全稳定。

附图说明

图1为本发明实施例1中N线保护装置结构示意图。

图2为本发明实施例1中稳压部分的三相不控整流电路结构示意图。

图3为本发明实施例1中DSP信号处理器和IGBT驱动电路工作原理示意图。

图4为本发明实施例1中滞环电流控制原理示意图。

附图标记包括：三相不控整流电路 1、IGBT驱动电路 2、DSP信号处理器 3、储能电路 4、IGBT开关电路 5、输出滤波电路 6、滞环比较器 201、PWM信号输出模块 201a、PI调节模块 301、指令电流产生模块 302。

具体实施方式

本发明原理在于，适用在三相四线制系统中，设备上电后，通过稳压电路给电容器组CB充电，DSP信号处理器3通过实时监测稳压值在预定限值后，设备进入下一个工作模式，继续给电容器升压到一定值达到稳态；主线路上的互感器器件通过实时采集主线路电流信号，将采集信号发送给DSP信号处理器3上指令电流产生模块302的指令电流运算电路，通过相应的算法，将三相不平衡电流分别算出并且给出需要抵消的不平衡电流；然后，通过电流跟踪控制电路给IGBT驱动电路2以相应的驱动信号，控制功率模块IGBT开关电路5工作，从而产生相应的补偿电流来是抵消不平衡电流对电网的影响；整个过程中，控制电路也会实时根据稳压电路采集的电压信号，来补偿电容器组CB两端的电压，使其一直处于稳态；通过对三相电流不平衡的补偿进而使N线电流趋于0。

本发明还能够有效抑制因为负载引起的谐波问题，其抑制谐波的基本原理同上，只是在电流跟踪算法上和控制算法上不同于其消除三相电流不平衡的算法。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：如附图1所示，本装置包括但不限于互感器采样电路、稳压电路和逆变输出三部分；稳压电路为三相不控整流电路1，稳压电路通过绝缘栅双极型晶体管IGBT依次先后连接储能电路4、IGBT开关电路5和输出滤波电路6，输出滤波电路6通过交流接触器KM1连接三相四线制电源系统中，同时，DSP信号处理器3分别连接IGBT驱动电路2和储能电路4，IGBT驱动电路2分别连接IGBT开关电路5和绝缘栅双极型晶体管IGBT。

前述中，PI调节模块301中有比例积分控制器。

前述中，三相不控整流电路1建立基于MATLAB的三相不控整流电路仿真平台,并通过自建模块实现功率因数的自动显示，通过分析电网不平衡时的输出电压波动、功率因数和输入电流谐波失真等参数,指出三相不控整流的最优LC滤波截止频率范围，三相不控整流电路经过最优化设计。

本发明工作时，三相电流信号经过电流互感器CT采样后送入DSP信号处理器3，DSP信号处理器3通过计算得出三相电流中有功不平衡电流与无功不平衡电流，然后DSP信号处理器3控制逆变部分IGBT驱动电路2或储能电路4发出大小相等相位相反的有功不平衡电流与无功不平衡电流并注入到电网中，进而将三相电流中的不平衡电流抵消掉，达到三相四线系统中N线电流接近于零的目的；其中：

在稳压电路部分，如附图2所示，采用三相不控整流电路1，三相电经过不控整流后整流成脉动直流电，存储至电容器CA中，CA,L1,IGBT1组成BOOST可控稳压电路，由DSP信号处理器3计算出电容器CA目标稳压值与测量电压值的差值送至PI调节模块301和指令电流产生模块302，进而，通过滞环比较器201控制IGBT驱动电路2驱动IGBT1,从而将目标电压稳定在800V DC，并存储在电容器CB中。

在逆变电路部分，由采样电路通过采集负载侧不平衡电流，将采样信号传送给DSP信号处理器3，通过相应的算法计算出各相的不平衡电流的大小与夹角，将需要补偿的电流通过算法处理，将指令发送到IGBT驱动电路2；直流电压800v DC,经过IGBT开关电路5的IGBT(A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4)，组成的桥式逆变电路通过输出滤波电路6的电感Lfa,Lfb,Lfc,Lfn合成所需要的不平衡电流，并注入到电网中。

如附图3所示，在DSP信号处理器3和IGBT驱动电路2中，其中LEM为电压互感器，实时采样不控整流后CA1,CA2上电压，Vcr为目标电压值800V dc经过PI调节模块301运放后，产生指令电流信号。

滞环电流控制原理，如图4所示，滞环比较器201将指令电流i_c*和实际电流i_c进行比较，两者的偏差△ic作为滞环比较器201的输入，通过滞环比较器产生控制电路主电路中开关通断的PWM信号由滞环比较器201中有PWM信号输出模块201a输出，该PWM信号经驱动电路控制功率器件的通断，从而控制电流i的变化。滞环电流控制原理是指令电流和实际电流的实时值比较，实际电流达到上限指令电流，随即转入衰减，衰减至下限指令电流，重新开始上升，如此反复，实际电流将是一条在上下限指令电流跳动的锯齿波。滞环电流控制的优点是结构简单，实现容易，具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。