一种低压配电网自动换相负荷平衡装置的制作方法

本实用新型涉及市政公共设施领域，尤其涉及一种低压配电网自动换相负荷平衡装置。

背景技术：

我国的低压配电网大多是通过10kV/0.4kV变压器以三相四线制向用户供电，是三相生产用电与单相负载混合用电的供电网络。由于负荷种类、负荷功率的增加，以及负荷的不均匀分布、单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等，导致我国低压配电网长期存在三相负荷不平衡问题，由此造成的三相不平衡给电力系统和用户造成了一系列危害。

目前，国内在治理配电网三相不平衡问题上，主要措施有：(1)通过人工改线调整负荷。运维人员定期调整负载所接的相序，此方法存在人力投入大、需切断用户供电、操作具有一点危险性的缺点。(2)通过静止同步补偿器(SVG)和电力有源滤波器(APF)采用补偿电流的方式治理三相不平衡问题。此方法装置成本高、控制复杂、损耗大，只是达到了一种近似平衡，并没有从根本上解决负荷分配不均的问题。(3)通过三相不平衡换相器调整负荷，此方法存在运行成本高、响应速度慢、通信距离短等问题。因此，研制适用于居民用户负荷的低成本、工作稳定可靠、响应速度快、通信稳定的自动换相装置，仍是低压配电网三相不平衡治理领域的难题之一。

因此，需要研究一种低压配电网自动换相负荷平衡装置，直接对负荷进行操作，从根本上解决三相不平衡问题，且解决以上方法存在的不足之处。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种低压配电网自动换相负荷平衡装置，以解决上述技术问题，为实现上述目的本实用新型采用以下技术方案：

一种低压配电网自动换相负荷平衡装置，包括主控箱和换相箱，主控箱安装于变压器二次侧，换相箱安装于用户进线端，输入为A、B、C三相相线，输出为单相相线，所述的主控箱包括主控制器模块、信号调理模块、RS485转无线通信模块，主控制器模块同时与信号调理模块和RS485转无线通信模块连接，换相箱包括换相控制器模块、磁保持继电器驱动模块、选项开关模块、RS485转无线通信模块，所述换相控制器模块通过RS485转无线通信模块与主控箱进行信息传输，换相控制器模块通过磁保持继电器驱动模块控制选项开关动作，换相控制器模块分别接三相电源，同时换相控制器模块分别经保持继电器C1和双向二极管双向晶闸管SK1、保持继电器C2和双向晶闸管SK2、保持继电器C3和双向晶闸管SK3接负荷1。

在上述技术方案基础上，所述主控制器模块和换相控制器模块均采用STM32F103ZET6为主控芯片，主控箱显示器采用TFT液晶显示屏。

在上述技术方案基础上，所述RS485转无线通信模块为本装置的通信方式，通过RS485电路输出A、B信号再接入433MHz的无线数传模块实现主控箱和换相箱之间的通信。

在上述技术方案基础上，所述信号调理模块内置信号调理电路，电路中三相电接电压互感器T1一次侧，电压互感器T2二次侧接双向稳压管Z1，同时电压互感器T1二次侧两端分别接可控硅CR1和CR2，可控硅CR1经电阻R2接电阻R3，同时电阻R2经电容C15，电阻R3接芯片U4的1IN+端口，同时电阻R3接电容C16，可控硅CR2、电容C15和电容C16同时接地，芯片U4的4OUT端口经电阻R8接电阻R10，同时芯片U4的4IN-端口接电阻R10，芯片U4的4IN+端口和3IN+端口分别经电阻R12和电阻R14同时接地，同时芯片U4的4IN+端口和3IN+端口分别经电阻R4和R5接5V电源，芯片U4的3IN-端口接电阻R16，芯片U4的3OUT端口经电阻R20接电阻R16，电阻R10和电阻R16分别接输出端A和B。

在上述技术方案基础上，所述磁保持继电器驱动模块内置驱动电路，电路中电阻CR5接继电器J1的1端口，继电器J1的4端口经电阻CR3接电源，同时电阻CR3经电阻CR1接芯片U3的IN1端口，同时继电器J1的4端口接晶体管Q1的基极，晶体管Q1的集电极接芯片U3的IN1端口，继电器Q1的发射极接地，芯片U3的ENA端口和ENB端口同时电源，芯片U3的GND端口、IENA端口和IENB端口同时接地，芯片U3的VS端口接电源VCCD，芯片U3的OUT1端口分别经二极管D1和二极管D2接电源VCCD和接地。

在上述技术方案基础上，所述芯片U3采用L298N器件，芯片U4采用LM324器件，光耦J1采用TLP521器件，晶体管Q1采用SS8050器件，二极管D1和二极管D2采用IN4007器件。

本实用新型采用STM32F103ZET6为主控芯片控制精确，功耗低，运行稳定，提升设备的整体性能。基于电流过零切除，电压过零投入的原则，在电流的过零点处切除某一相，在电压过零点处切入另外一相，实现了换相过程无过电压、无火花的安全稳定投切。本实用新型采用HFE19-90型磁保持继电器，从而使响应速度快，大量的理论调研和实测验证，30ms的掉电时间不会导致用电设备掉电，本装置换相时间小于20ms，不影响用户供电。

附图说明

图1为主控箱的结构示意图。

图2为换相箱的结构示意图。

图3为信号调理电路图。

图4为驱动电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细阐述。

一种低压配电网自动换相负荷平衡装置，包括主控箱和换相箱，主控箱安装于变压器二次侧，换相箱安装于用户进线端，输入为A、B、C三相相线，输出为单相相线，所述的主控箱包括主控制器模块、信号调理模块、RS485转无线通信模块，主控制器模块同时与信号调理模块和RS485转无线通信模块连接，换相箱包括换相控制器模块、磁保持继电器驱动模块、选项开关模块、RS485转无线通信模块，所述换相控制器模块通过RS485转无线通信模块与主控箱进行信息传输，换相控制器模块通过磁保持继电器驱动模块控制选项开关动作，换相控制器模块分别接三相电源，同时换相控制器模块分别经保持继电器C1和双向二极管双向晶闸管SK1、保持继电器C2和双向晶闸管SK2、保持继电器C3和双向晶闸管SK3接负荷1。

所述主控制器模块和换相控制器模块均采用STM32F103ZET6为主控芯片，主控箱显示器采用TFT液晶显示屏。

所述RS485转无线通信模块为本装置的通信方式，通过RS485电路输出A、B信号再接入433MHz的无线数传模块实现主控箱和换相箱之间的通信。

所述信号调理模块内置信号调理电路，电路中三相电接电压互感器T1一次侧，电压互感器T2二次侧接双向稳压管Z1，同时电压互感器T1二次侧两端分别接可控硅CR1和CR2，可控硅CR1经电阻R2接电阻R3，同时电阻R2经电容C15，电阻R3接芯片U4的1IN+端口，同时电阻R3接电容C16，可控硅CR2、电容C15和电容C16同时接地，芯片U4的4OUT端口经电阻R8接电阻R10，同时芯片U4的4IN-端口接电阻R10，芯片U4的4IN+端口和3IN+端口分别经电阻R12和电阻R14同时接地，同时芯片U4的4IN+端口和3IN+端口分别经电阻R4和R5接5V电源，芯片U4的3IN-端口接电阻R16，芯片U4的3OUT端口经电阻R20接电阻R16，电阻R10和电阻R16分别接输出端A和B。

所述磁保持继电器驱动模块内置驱动电路，电路中电阻CR5接继电器J1的1端口，继电器J1的4端口经电阻CR3接电源，同时电阻CR3经电阻CR1接芯片U3的IN1端口，同时继电器J1的4端口接晶体管Q1的基极，晶体管Q1的集电极接芯片U3的IN1端口，继电器Q1的发射极接地，芯片U3的ENA端口和ENB端口同时电源，芯片U3的GND端口、IENA端口和IENB端口同时接地，芯片U3的VS端口接电源VCCD，芯片U3的OUT1端口分别经二极管D1和二极管D2接电源VCCD和接地。

所述芯片U3采用L298N器件，芯片U4采用LM324器件，光耦J1采用TLP521器件，晶体管Q1采用SS8050器件，二极管D1和二极管D2采用IN4007器件。

本实用新型设计的低压配电网自动换相负荷平衡装置工作原理：主控制器模块同时与信号调理模块和RS485转无线通信模块连接，RS485的输出信号A、B接入433MHz无线数传模块，这里的数传模块采用的是泽耀科技公司的AS3X系列通信模块；C1、C2、C3表示磁保持继电器，SK1、SK2、SK3表示双向可控硅，以从A相换到B相为例，分为两个过程：从A相切除和接入B相，如：A相切换到B相，首先目前是A相磁保持继电器C1承受导通，给负载供电。(1)闭合A相上的双向晶闸管SK1；(2)闭合SK1的0.5s以后，关断A相上的磁保持继电器C1。此时负荷通过SK1连接至母线B相；(3)关断磁保持继电器C1的0.5s以后，检测A相电压过零点，在A相电压过零点处撤销SK1的触发信号，SK1则在A相电流过零点处自然关断。此时负荷与母线断开，负荷处于停电状态；(4)SK1关断以后且B相过零时，闭合B相上的双向晶闸管SK2。此时负荷通过SK2连接至母线C相，负荷恢复供电；(5)闭合SK2的0.5s以后，闭合B相上的磁保持继电器C2；(6)闭合C2的0.5s以后，关断SK2。此时换相过程结束，负荷通过C2继续用电，换相结束，负载此时接入了B相。

220V的交流正弦信号经过一个220V/3.53V的电压互感器输出一个幅值为5V，峰峰值为10V的正弦信号，Z1是一种防反接二极管，CR1和CR2是磁珠，旨在滤除信号中的干扰；电阻R2、R3和电容C15、C16组成了一个二阶低通滤波器，滤除信号中5次以上的谐波；U4是运算放大器，首先对幅值为5V，峰峰值为10V的正弦信号进行信号跟随，增强原始信号，其次利用电阻R4、R5、R8、R12、R10组成的差分放大电路对信号进行调理，最终得到一个0-3V的正弦信号输入主控制器。

驱动电路中J1是一种光耦，主控制器发出的方波信号通过JI进行隔离，防止干扰，电阻CR1、CR3和三极管Q1组成放大电路对信号进行初级放大。U3是一种电流放大器件，对初级放大的信号进行二次放大，D2和D8是二极管，经过以上电路最终输出的稳定方波信号则可控制磁保持继电器工作。

以上所述为本实用新型较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，在不脱离本实用新型的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围之内。