基于变压器电子式补偿三相‑单相变换装置及其补偿方法与流程

本发明涉及电源供电技术领域，具体而言，涉及一种基于变压器电子式补偿三相-单相变换装置及其补偿方法。

背景技术：

众所周知，电力系统供电都是采用三相交流制。但是在工业和交通运输业等行业的很多大功率场合中，还需要用到单相交流电，如电焊机、感应电炉、电气化铁道、城市轨道交通供电等场合。目前，已有的技术方案采用的是在三相变单相的变压器的一个副边并联一个电容器来实现三相-单相的变换。该方案中的电容器大小是根据负载的大小来设计的，存在三相输入侧功率因数较低且在负荷波动的情况下，三相电流严重不对称、负序电流分量含量大等缺点。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够实现三相交流侧输入功率因数高、三相交流侧电流对称、负序电流分量含量低、负荷波动情况下仍具有理想效果的三相-单相变换装置及其补偿方法。

本发明提供了一种基于变压器电子式补偿三相-单相变换装置，该装置包括三相-两相变压器、电子式补偿装置Ⅰ、电子式补偿装置Ⅱ、负载、控制器和检测模块；

三相电网的A相、B相、C相分别与所述三相-两相变压器原边的三个绕组相连，所述三相-两相变压器副边输出的两个单相交流电压u_α和u_β的端口分别并联所述电子式补偿装置Ⅰ和所述电子式补偿装置Ⅱ，单相交流电压u_α和u_β之间合成的线电压为单向电压源u_αβ，所述单向电压源u_αβ给单相负载L供电，所述电子式补偿装置Ⅰ和所述电子式补偿装置Ⅱ分别为所述三相-两相变压器副边输出的两个端口提供补偿电流；

检测模块包括测量模块和两个锁相环，所述测量模块检测所述单相负载L的电流i_L，两个锁相环分别对所述三相-两相变压器副边输出的两个单相交流电压u_α和的u_β相位进行检测；

控制器根据所述检测模块检测的结果，产生控制信号控制所述电子式补偿装置Ⅰ和所述电子式补偿装置Ⅱ开关管的导通与关断。

作为本发明进一步的改进，所述电子式补偿装置Ⅰ或所述电子式补偿装置Ⅱ为两电平变换器或多电平变换器或H桥级联形式的变换器。

作为本发明进一步的改进，所述单相负载L为纯阻性或阻感性或阻容性负载。

作为本发明进一步的改进，所述三相-两相变压器为V/v变压器或Scott变压器或阻抗匹配平衡变压器或YN/D变压器或YNVD变压器或伍德桥变压器或多功能平衡变压器。

本发明还提供了一种基于变压器电子式补偿三相-单相变换装置的补偿方法，三相-两相变压器副边输出的两个单相交流电压分别为u_α和u_β，线电压u_αβ给单相负载供电，在未投入电子式补偿装置之前，三相-两相变压器两个副边绕组输出的电流分别为i_α＝i_L、i_β＝-i_L，加入电子式补偿装置Ⅰ和电子式补偿装置Ⅱ后，通过控制器对电子式补偿装置Ⅰ和电子式补偿装置Ⅱ进行控制，使得电子式补偿装置Ⅰ的电流为i_c1，电子式补偿装置Ⅱ的电流为i_c2，此时，三相-两相变压器两端输出端口的电流分别为i'_α＝i_L+i_c1、i'_β＝-i_L+i_c2，满足i'_α＝ji'_β，根据三相-两相变压器原副边电流的变换关系，在三相-两相变压器原边的三相电流对称的情况下，输入功率因数为1，负序电流分量为零，实现三相交流电到单相交流电的平衡变换。

作为本发明进一步的改进，所述三相-两相变压器采用平衡变压器时，两个单相交流电压分别为u_α和u_β的相位相差90°。

作为本发明进一步的改进，所述三相-两相变压器采用平衡变压器时，所述三相-两相变压器采用平衡变压器时，补偿后，所述三相-两相变压器两端输出端口的电流对称i′_α与i′_β的相位相差90°。

作为本发明进一步的改进，所述三相-两相变压器采用非平衡变压器时，两个单相交流电压分别为u_α和u_β的相位相差60°。

作为本发明进一步的改进，所述三相-两相变压器采用非平衡变压器时，两个单相交流电压分别为u_α和u_β的相位相差120°。

本发明的有益效果为：

能够实现三相交流电到单相交流电的平衡变换，同时满足三相交流侧输入功率因数高、三相交流侧电流对称、负序分量含量低，克服了现有大功率单相负荷对电网电能质量所带来的一系列不利影响。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种基于变压器电子式补偿三相-单相变换装置的示意图；

图2为图1中三相-两相变压器采用Scott变压器时的主电路接线示意图；

图3为是采用平衡变压器时补偿原理的向量示意图；

图4为图1中三相-两相变压器采用V/v变压器时的主电路接线示意图；

图5为采用非平衡变压器时补偿原理的向量示意图；

图6为电子式补偿装置采用两电平结构时的电路图；

图7为电子式补偿装置采用H桥级联结构时的电路图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1，如图1所示，本发明第一实施例的一种基于变压器电子式补偿三相-单相变换装置，该装置包括三相-两相变压器、电子式补偿装置Ⅰ、电子式补偿装置Ⅱ、负载、控制器和检测模块。其中，三相-两相变压器采用Scott变压器，单相负载L为电阻负载。

三相电网的A相、B相、C相分别与Scott变压器原边的三个绕组相连，Scott变压器副边输出的两个单相交流电压u_α和u_β的端口分别并联电子式补偿装置Ⅰ和电子式补偿装置Ⅱ，单相交流电压u_α和u_β之间合成的线电压为单向电压源u_αβ，单向电压源u_αβ给单相负载L供电，根据负载所需的电压等级u_αβ来设计变压器的原副边匝数比，电子式补偿装置Ⅰ和电子式补偿装置Ⅱ分别为Scott变压器副边输出的两个端口提供补偿电流。检测模块包括测量模块和两个锁相环，测量模块检测单相负载L的电流i_L，两个锁相环分别对Scott变压器副边输出的两个单相交流电压u_α和的u_β相位进行检测。控制器根据检测模块检测的结果，产生控制信号控制电子式补偿装置Ⅰ和电子式补偿装置Ⅱ开关管的导通与关断。测量模块采用电流传感器，以便于电子式补偿装置能够动态地跟随负荷的变化。

如图2和图3所示，Scott变压器副边输出的两个单相交流电压分别为u_α和u_β，两个电压的相位相差90°，线电压u_αβ给单相电阻负载供电。在未投入电子式补偿装置之前，Scott变压器两个副边绕组输出的电流分别为i_α＝i_L、i_β＝-i_L，在此种情况下变压器原边的电流严重不对称，变压器原边侧负序电流分量含量大，功率因数也较低。加入电子式补偿装置Ⅰ和电子式补偿装置Ⅱ后，通过控制器对电子式补偿装置Ⅰ和电子式补偿装置Ⅱ进行控制，使得电子式补偿装置Ⅰ的电流为i_c1，电子式补偿装置Ⅱ的电流为i_c2，此时，Scott变压器两端输出端口的电流分别为i'_α＝i_L+i_c1、i'_β＝-i_L+i_c2。由图3的向量图可以看到，此时，Scott变压器两端输出端口的电流对称，即满足i'_α＝ji'_β，且i'_α与i′_β的相位相差90°。因此，在这种情况下，根据Scott变压器原副边电流的变换关系可知，在Scott变压器原边的三相电流对称的理想情况下，输入功率因数为1，负序电流分量为零。

对于其他平衡变压器，如阻抗匹配平衡变压器、YNVD变压器、伍德桥变压器、多功能平衡变压器等均可采用上述补偿原理进行补偿。

所述电子式补偿装置Ⅰ或所述电子式补偿装置Ⅱ为两电平变换器或多电平变换器或H桥级联形式的变换器。如图6所示，为电子式补偿装置Ⅰ和电子式补偿装置Ⅱ采用两电平结构时的电路图，如图7所示，为电子式补偿装置Ⅰ和电子式补偿装置Ⅱ采用H桥级联结构时的电路图。

实施例2，如图4和图5所示，与实施例1不同之处在于，三相-两相变压器采用V/v变压器。V/v变压器副边输出的两个单相交流电压分别为u_α和u_β，两个电压的相位相差60°，线电压u_αβ给单相电阻负载供电。在未投入电子式补偿装置之前，V/v变压器两个副边绕组输出的电流分别为i_α＝i_L、i_β＝-i_L，在此种情况下变压器原边的电流严重不对称，变压器原边侧负序电流分量含量大，功率因数也较低。加入电子式补偿装置Ⅰ和电子式补偿装置Ⅱ后，通过控制器的控制，使得电子式补偿装置Ⅰ的电流为i_c1，电子式补偿装置Ⅱ的电流为i_c2，此时，V/v变压器两端输出端口的电流分别为i'_α＝i_L+i_c1、i′_β＝-i_L+i_c2。由图5的向量图可以看到，此时，V/v变压器两端输出端口的电流对称，即满足i′_α＝i′_β，且i′_α与i′_β的相位相差120°。因此，在这种情况下，根据V/v变压器原副边电流的变换关系可知，在V/v变压器原边的三相电流对称，理想情况下，输入功率因数为1，负序电流分量为零。

对于其他非平衡变压器，如YN/D变压器等均可采用上述补偿原理进行补偿。

本发明提供的变压器电子式补偿三相-单相变换装置，变压器原边绕组的接口分别与三相电网的A、B、C三相相连，副边输出的两个电压分别为u_α和u_β,由u_α和u_β合成的线电压u_αβ给负载供电。根据负载所需的电压等级u_αβ来设计变压器的原副边匝数比，副边输出电压u_α的端口并联电子式补偿装置Ⅰ，副边输出电压u_β的端口并联电子式补偿装置Ⅱ。本发明需要一个电流传感器来检测负载的电流，以便于电子式补偿装置能够动态地跟随负荷的变化。本发明还需要两个锁相环(PLL)来对变压器副边输出的电压u_α、u_β的相位进行检测。最后在数字控制器中通过简单的计算产生相应的信号来控制电子式补偿装置开关管的导通与关断，从而达到动态补偿的目的。进行适当补偿后，即使在负载波动的情况下，也能够实现三相交流侧输入功率因数高、三相交流侧输入电流对称、负序分量含量低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。