换相开关的制作方法

本实用新型涉及一种换相开关，属于低压电器技术领域。

背景技术：

低压配电网中存在大量的单相负荷，由于单相负荷分布的不均衡和投入不同时性，使得三相负荷不平衡成为低压电网运行维护中一个比较突出的问题。三相负荷不平衡将增加电网损耗，严重影响供电质量，对低压电网、配电变压器、高压线路均造成危害。随着社会经济的发展，人们生活水平的日益提高，大量大功率的单相家用电器如:空调器、热水器、微波炉、电磁炉等进入普通家庭，这些家用电器给人们带来舒适、方便、快捷生活的同时，造成了单相负荷激增，进一步加剧了低压供电系统三相负荷不平衡的影响。因此低压电网的三相不平衡一直是困扰供电单位的主要问题之一。

传统的换相开关中具体执行换相的切换电路如图1所示，其为磁保持继电器切换电路，当a相负载较重时，在a相负载电流的过零点处，断开a相继电器;并在b相的电压过零点，闭合b相继电器。这种换相开关的缺陷在于:换相过程中存在较长时间的供电中断，容易给电力用户带来冲击。

为解决换相过程中的供电中断问题，研究者又提出了图2所示的复合开关切换电路，该方案是将三只双向晶闸管分别并接至a,b,c三相的磁保持继电器上，当需要换相时，先接通与当前相并联的晶闸管，断开当前相的继电器;再接通与目标相并联的晶闸管，接通目标相的继电器;最后，断开与当前相并联的晶闸管以及与目标相并联的晶闸管。这种换相开关虽然可以实现当前相和目标相的无缝切换，但是，一方面由于需要使用三个双向晶闸管（双向可控硅），系统成本较高；另一方面，由于磁保持继电器的初始状态不确定或控制错乱，很容易出现相间短路的现象。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种无切换过程中的供电中断时间，并且可防止短路，成本更低的换相开关。

本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种换相开关，包括采样电路、控制及驱动电路、切换电路，采样电路用于实时采集三相电源的各相数据以及负载侧电流数据，切换电路用于执行换相操作，控制及驱动电路用于根据采样电路所采集的数据对切换电路进行控制和驱动；所述切换电路包括两个可控切换开关：第一可控切换开关、第二可控切换开关以及一个可控开关、三个单向可控硅；第一可控切换开关的两个输入端分别连接三相电源的其中两相输入，第二可控切换开关的两个输入端分别连接第一可控切换开关的输出端和三相电源的另外一相输入，第二可控切换开关的输出端连接可控开关的一端，三个单向可控硅按照同样的方向分别连接在三相电源的三相输入与可控开关的另一端之间。

优选地所述第一可控切换开关、第二可控切换开关均为一开一闭切换继电器。

进一步优选地，所述一开一闭切换继电器为磁保持继电器。

进一步地，所述换相开关还包括用于与外部通信的通信电路。

优选地，所述通信模块为电力载波通信模块或无线通信模块。

如上任一技术方案所述换相开关的换相方法，换相开关在接到换相指令后，首先向所述与工作相连接的单向可控硅发出导通触发信号；在工作相波形的某一半周内断开所述可控开关，所述与工作相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在工作相的当前半周内，撤除与工作相连接的单向可控硅的导通触发信号并向与目标相连接的单向可控硅发出导通触发信号，所述与工作相连接的单向可控硅在该半周内可以导通；在与目标相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在目标相的当前半周内，撤除与目标相连接的单向可控硅的导通触发信号，并先控制第一可控切换开关和第二可控切换开关使得所述可控开关与目标相导通，然后接通所述可控开关。

进一步地，向所述与工作相连接的单向可控硅发出导通触发信号是在工作相波形的某一使该单向可控硅无法导通的半周内发出。

如上任一技术方案所述换相开关的换相方法，换相开关在接到逆序换相指令后，先从工作相切换至除工作相和目标相之外的中间相，具体切换方法如下：首先向所述与工作相连接的单向可控硅发出导通触发信号；在工作相波形的某一半周内断开所述可控开关，所述与工作相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在工作相的当前半周内，撤除与工作相连接的单向可控硅的导通触发信号并向与中间相连接的单向可控硅发出导通触发信号，所述与工作相连接的单向可控硅在该半周内可以导通；在与中间相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在中间相的当前半周内，撤除与中间相连接的单向可控硅的导通触发信号，并先控制第一可控切换开关和第二可控切换开关使得所述可控开关与中间相导通，然后接通所述可控开关，完成工作相向中间相的切换；然后从中间相切换至目标相，具体切换方法如下：首先向所述与中间相连接的单向可控硅发出导通触发信号；在中间相波形的某一半周内断开所述可控开关，所述与中间相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在中间相的当前半周内，撤除与中间相连接的单向可控硅的导通触发信号并向与目标相连接的单向可控硅发出导通触发信号，所述与中间相连接的单向可控硅在该半周内可以导通；在与目标相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在目标相的当前半周内，撤除与目标相连接的单向可控硅的导通触发信号，并先控制第一可控切换开关和第二可控切换开关使得所述可控开关与目标相导通，然后接通所述可控开关。

或者，换相开关在接到逆序换相指令后，利用除工作相和目标相之外的中间相进行换相，具体方法如下：首先向所述与工作相连接的单向可控硅发出导通触发信号；在工作相波形的某一半周内断开所述可控开关，所述与工作相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在工作相的当前半周内，撤除与工作相连接的单向可控硅的导通触发信号并向与中间相连接的单向可控硅发出导通触发信号，所述与工作相连接的单向可控硅在该半周内可以导通；在与中间相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在中间相的当前半周内，撤除与中间相连接的单向可控硅的导通触发信号，并在中间相的当前半周与目标相最近的同向半周相交汇的时刻之前向与目标相连接的单向可控硅发出导通触发信号；在与目标相连接的单向可控硅中产生负载电流后，撤除该单向可控硅的导通触发信号，并在目标相的当前半周过零之前，先控制第一可控切换开关和第二可控切换开关使得所述可控开关与目标相导通，然后接通所述可控开关。

相比现有技术，本实用新型技术方案具有以下有益效果：

本实用新型可实现几乎无供电中断（正序切换时无中断，逆序切换时供电中断不超过5ms）的换相过程；本实用新型保证了换相开关始终只有一相接通，防止了继电器状态错乱导致短路的现象，提高了系统安全可靠性，并且由于换相开关的切换电路中只使用单向可控硅，而不需要使用价格更高的双向可控硅，成本得到大幅降低。

附图说明

图1为一种现有换相开关的切换电路；

图2为另一种现有换相开关的切换电路；

图3为本实用新型换相开关一个具体实施例的结构原理示意图；

图4为正序切换的过程示意图；

图5为一种逆序切换的过程原理示意图；

图6为另一种逆序切换的过程原理示意图。

具体实施方式

针对现有技术所存在的成本较高且可靠性不足的问题，本实用新型的解决思路是提出一种新的切换电路拓扑结构，可实现几乎无供电中断（正序切换时无中断，逆序切换时供电中断不超过5ms）的换相过程；并且保证了换相开关始终只有一相接通，防止了继电器状态错乱导致短路的现象，提高了系统安全可靠性；此外，由于换相开关的切换电路中只使用单向可控硅，而不需要使用价格更高的双向可控硅，成本得到大幅降低。

具体而言，本实用新型所提出的换相开关，包括采样电路、控制及驱动电路、切换电路，采样电路用于实时采集三相电源的各相数据以及负载侧电流数据，切换电路用于执行换相操作，控制及驱动电路用于根据采样电路所采集的数据对切换电路进行控制和驱动；所述切换电路包括两个可控切换开关：第一可控切换开关、第二可控切换开关以及一个可控开关、三个单向可控硅；第一可控切换开关的两个输入端分别连接三相电源的其中两相输入，第二可控切换开关的两个输入端分别连接第一可控切换开关的输出端和三相电源的另外一相输入，第二可控切换开关的输出端连接可控开关的一端，三个单向可控硅按照同样的方向分别连接在三相电源的三相输入与可控开关的另一端之间。

上述换相开关可使用以下换相方法：换相开关在接到换相指令后，首先向所述与工作相连接的单向可控硅发出导通触发信号；在工作相波形的某一半周内断开所述可控开关，所述与工作相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在工作相的当前半周内，撤除与工作相连接的单向可控硅的导通触发信号并向与目标相连接的单向可控硅发出导通触发信号，所述与工作相连接的单向可控硅在该半周内可以导通；在与目标相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在目标相的当前半周内，撤除与目标相连接的单向可控硅的导通触发信号，并先控制第一可控切换开关和第二可控切换开关使得所述可控开关与目标相导通，然后接通所述可控开关。

对于正序换相，如a相→b相、b相→c相、c相→a相，上述方法可以实现无缝换相，无供电中断；然而对于逆序换相，如b相→a相、a相→c相、c相→b相，采用以上方法直接切换，则会存在短暂（小于5ms）的供电中断。为此，针对逆序换相的情况，可以采用两次正序切换的方法来避免供电的中断，如a→c的逆序切换，可先进行a→b的正序切换，然后再进行b→c的正序切换，正序切换为零中断，这样可避免供电中断，实现不同相电源之间的无缝转换。

具体地，换相开关在接到逆序换相指令后，先从工作相切换至除工作相和目标相之外的中间相，具体切换方法如下：首先向所述与工作相连接的单向可控硅发出导通触发信号；在工作相波形的某一半周内断开所述可控开关，所述与工作相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在工作相的当前半周内，撤除与工作相连接的单向可控硅的导通触发信号并向与中间相连接的单向可控硅发出导通触发信号，所述与工作相连接的单向可控硅在该半周内可以导通；在与中间相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在中间相的当前半周内，撤除与中间相连接的单向可控硅的导通触发信号，并先控制第一可控切换开关和第二可控切换开关使得所述可控开关与中间相导通，然后接通所述可控开关，完成工作相向中间相的切换；然后从中间相切换至目标相，具体切换方法如下：首先向所述与中间相连接的单向可控硅发出导通触发信号；在中间相波形的某一半周内断开所述可控开关，所述与中间相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在中间相的当前半周内，撤除与中间相连接的单向可控硅的导通触发信号并向与目标相连接的单向可控硅发出导通触发信号，所述与中间相连接的单向可控硅在该半周内可以导通；在与目标相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在目标相的当前半周内，撤除与目标相连接的单向可控硅的导通触发信号，并先控制第一可控切换开关和第二可控切换开关使得所述可控开关与目标相导通，然后接通所述可控开关。

或者，换相开关在接到逆序换相指令后，利用除工作相和目标相之外的中间相进行换相，具体方法如下：首先向所述与工作相连接的单向可控硅发出导通触发信号；在工作相波形的某一半周内断开所述可控开关，所述与工作相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在工作相的当前半周内，撤除与工作相连接的单向可控硅的导通触发信号并向与中间相连接的单向可控硅发出导通触发信号，所述与工作相连接的单向可控硅在该半周内可以导通；在与中间相连接的单向可控硅中产生负载电流后，在中间相的当前半周内，撤除与中间相连接的单向可控硅的导通触发信号，并在中间相的当前半周与目标相最近的同向半周相交汇的时刻之前向与目标相连接的单向可控硅发出导通触发信号；在与目标相连接的单向可控硅中产生负载电流后，撤除该单向可控硅的导通触发信号，并在目标相的当前半周过零之前，先控制第一可控切换开关和第二可控切换开关使得所述可控开关与目标相导通，然后接通所述可控开关。

在本实用新型中向所述与工作相连接的单向可控硅发出导通触发信号可以是在工作相波形的某一使该单向可控硅无法导通的半周内发出，也可以在工作相波形的某一使该单向可控硅能够导通的半周内发出。为了使本实用新型的技术更加优化，本实用新型优先采用在工作相波形的某一使该单向可控硅无法导通的半周内发出导通触发信号。

所述的单向可控硅无法导通是指工作相波形的电流方向与单向可控硅的极性方向相反，所述的单向可控硅能够导能是指工作相波形的电流方向与单向可控硅的极性方向相同。

另外在先从工作相切换至除工作相和目标相之外的中间相的逆序换相切换方法中，对于在中间相切换至目标相的过程中，向所述与中间相连接的单向可控硅发出导通触发信号与上述方法相同。

其中，所述第一可控切换开关、第二可控切换开关优选为一开一闭切换继电器，最好采用一开一闭磁保持切换继电器。

为了便于与外部通信，所述换相开关还可以进一步包括用于与外部通信的通信电路。为了简化线路结构，所述通信模块优选采用电力载波通信模块或无线通信模块。

为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例来对本实用新型技术方案进行进一步详细说明：

本实施例的换相开关如图3所示，包括采样电路、控制及驱动电路、切换电路；本实施例中的切换电路，包括一开一闭切换继电器j1、j2、常开输出继电器j3以及单向可控硅qa、qb、qc；输入侧三相电源中的两相分别连接于切换继电器j1两组节点的一端，切换继电器j1两组节点的另一端短接后与三相电源的剩余一相分别连接于切换继电器j2两组节点的一端，切换继电器j2两组节点的另一端短接后连接于输出继电器j3节点的一端，输出继电器j3节点的另一端作为输出与负载连接；可控硅qa、qb、qc的阳极分别连接三相电源a、b、c三相的输入端，可控硅qa、qb、qc的阴极短接后，连接于切换电路的输出端。

控制及驱动电路是换相开关的控制核心，包括控制芯片、通信电路、驱动电路等，控制芯片与通信电路、驱动电路、采样电路连接；控制芯片通过通信电路上传换相开关实时运行数据，同时还接收换相终端发出的换相指令，控制芯片在接收到换相指令后，通过驱动电路控制切换电路进行相别的切换。

通信电路是换相开关与换相终端进行信息交换的路径，采用电力载波或无线微功率通信模块，无需放置专用通信电缆。

驱动电路中间采用光耦连接控制芯片和切换电路，实现了电气上的隔离。

采样电路的作用是换相开关采集三相电网电压及负载电流的实时数据，同时捕捉电压电流的相位用于切换电路切换时刻的参考，确保工作相在零电流切除，目标相在零电压接入；电网电压经过差分电路调理后送入控制芯片ad转换器，负载电流通过电流互感器及调理电路后送入控制芯片ad转换器。

切换电路是换相开关切换相别的执行电路，通过驱动电路与控制芯片连接并受其控制，切换电路的拓扑和切换过程影响了换相开关的寿命、用户断电时间、电网稳定性等。按照一定的切换步骤可减少分断时的烧弧和接入时的涌流，同时还可缩短用户的断电时间。

下面分别对正序切换和逆序切换过程进行说明，以向所述与工作相连接的单向可控硅发出导通触发信号是在工作相波形的某一使该单向可控硅无法导通的半周内发出导通触发信号，以及向所述与中间相连接的单向可控硅发出导通触发信号是在中间相波形的某一使该单向可控硅无法导通的半周内发出导通触发信号为例。

以正序切换a相→b相为例，其换相原理如图4所示，具体过程如下：

当换相开关接收到切换指令后，通过采样电路检测a相电流相位，在a相电流相位t1点之前的负半周时间内发出a相辅助的可控硅qa的导通触发信号，驱动可控硅qa处于待导通状态；

当a相电流过t1点并在t3点之前，控制及驱动电路断开输出继电器j3，可控硅qa正向导通，且同时发出b相辅助的可控硅qb的导通触发信号，驱动可控硅qb处于待导通状态；从输出继电器j3断开时刻起，负载电流自动从继电器j3转移到可控硅qa中；当负载电流转移到可控硅qa后，撤除可控硅qa的导通触发信号；

当负载电流在t3时刻点时，可控硅qb正向导通，负载电流从a相可控硅qa自动切换至b相可控硅qb（a相电流为0后，a相辅助可控硅qa自动关闭）；当负载电流转移到可控硅qb后，撤除可控硅qb的导通触发信号；

在负载电流从a相可控硅qa切换至b相可控硅qb的t3点并在t4点之前，控制及驱动电路先驱动继电器j1从a相切换到b相，然后再驱动输出继电器j3闭合；

当继电器j1和j3闭合到位后，b相辅助的可控硅qb在t4时刻电流过零时自动关闭，负载电流从可控硅自动转移到继电器，整个切换过程完成。

以逆序切换a相→c相为例，其换相原理如图5所示，具体过程如下：

换相开关接收到切换指令后，控制及驱动电路通过采样电路检测a相电流相位，在a相电流相位t1点之前的负半周时间内发出a相辅助的可控硅qa的导通触发信号，驱动可控硅qa处于待导通状态；

当a相电流过t1点并在t3点之前，控制及驱动电路驱动断开输出继电器j3，可控硅qa正向导通，且从输出继电器j3断开时刻起，负载电流自动从继电器j3转移到可控硅qa中；当负载电流转移到可控硅qa后，撤除可控硅qa的导通触发信号；同时控制电路检测c相电压相位，在t2和t4之间发出c相辅助的可控硅qc的导通触发信号，驱动可控硅qc处于待导通状态；

负载电流在t3时刻点时，负载电流过零，a相辅助的可控硅qa自动关闭，这时负载电源自动中断，当到t4时刻点时，可控硅qc加入正向电压后导通，负载自动接入到c相；当可控硅qc导通后，撤除可控硅qc的导通触发信号；

在负载电流从c相可控硅qc流经t4时刻点到t5时刻点之间，控制及驱动电路先驱动继电器j2从a相切换到c相，然后再驱动输出继电器j3闭合；

当继电器j2和j3闭合到位后，c相辅助可控硅qc在t6时刻电流过零时自动关闭，负载电流从可控硅自动转移到继电器，整个切换过程完成。

根据图5可以看到采用以上换相方法，在逆序切换过程中会出现小于5ms的供电中断，为避免这一情况，也可采用两次完整正序切换的方法来避免电源的中断，如a→c的逆序切换，可先按照以上方法进行完整的a→b的正序切换，然后再进行完整的b→c的正序切换，正序切换为零中断，这样可避免电源中断。

逆序切换还可在切换的过程中，通过中间相辅助可控硅短时导通为负载供电，同样也可避免逆序切换中的电源中断，下面还按a→c的逆序切换说明切换过程，其原理如图6所示，具体过程如下：

换相开关接收到切换指令后，通过采样电路检测a相电流相位，在a相电流相位t1点之前的负半周时间内发出a相辅助的可控硅qa的导通触发信号，驱动可控硅qa处于待导通状态；

当a相电流过t1点并在t2点之前，控制及驱动电路断开输出继电器j3，从输出继电器j3断开时刻起，负载电流自动从继电器j3转移到可控硅qa中；当负载电流转移到可控硅qa后，撤除可控硅qa的导通触发信号，并发出b相辅助的可控硅qb的导通触发信号，驱动可控硅qb处于待导通状态；

当负载电流在t2时刻点时，负载电流从a相可控硅qa自动切换至b相可控硅qb（a相电流为0后，a相辅助可控硅qa自动关闭）；当负载电流转移到b相可控硅qb后，撤除可控硅qb导通触发信号；

控制及驱动电路检测b、c相电压相位，在t2和t3之间发出c相辅助的可控硅qc的导通触发信号，驱动可控硅qc处于待导通状态；

当负载电流在t3时刻点时，负载电流从b相可控硅qb自动切换至c相可控硅qc（b相电流为0后，b相辅助可控硅qb自动关闭）；当负载电流转移到c相可控硅qc后，撤除可控硅qc导通触发信号；

在负载电流从b相可控硅qb切换至c相可控硅qc的t3点后并在t4点之前，控制及驱动电路先驱动继电器j2从ab相切换到c相，然后再驱动输出继电器j3闭合；

当继电器j2和j3闭合到位后，c相辅助可控硅qc在t4时刻电流过零自动关闭，负载电流从可控硅自动转移到继电器，整个切换过程完成。

需要说明的是，以上实施例的单向可控硅也可调转方向连接，此时只需要相应地将控制过程中的正/负半周波调整为负/正半周波即可，为节省篇幅起见，此处不再赘述。