按电网要求和用户需要进行治理的用户供电电压和负载电流治理装置

摘要

本发明涉及一种按电网要求和用户需要进行治理的用户供电电压和负载电流治理装置，它由用户供电电压治理单元和负载电流治理单元组成；所述用户供电电压治理单元由电压互感器、标准电压发生器、第一比较器、第一放大器、反向耦合变压器组成；所述负载电流治理单元由电流互感器、第一电流/电压转换器、标准电流发生器、第二电流/电压转换器、第二比较器、固定放大器、第一耦合变压器组成。本发明的有益效果是具有绿色、环保、优质、高效、快速等特点，经本装置治理后的电压和电流将使供电和用电的电能质量大大提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种按电网要求和用户需要进行治理的用户供电电压和负载电流治理装置，属于交流电源设备。

背景技术

电压和电流在电网实际运行中和某些预定指标之间发生了较大的偏离，因此需要进行治理。目前，对电压、电流的治理方法都是单一的，相互无紧密联系，并且是采用不同手段完成的。如治理电压有效值一般采用稳压器，治理电压波形一般采用滤波器，治理电流有效值一般采用稳流器，治理无功电流一般采用无功电流补偿器，治理谐波电流一般采用谐波电流消除器等。这些治理都是经测试、分析、计算后得出结果再进行处理，处理速度相对较慢，而在电压治理方面只是以额定状态为目标，在电流治理方面是以不良电流限制程度为目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在一个工频周期内对电压和电流的幅值和波形进行控制的按电网要求和用户需要进行治理的用户供电电压和负载电流治理装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

本发明由用户供电电压治理单元和负载电流治理单元组成；所述用户供电电压治理单元由电压互感器、标准电压发生器、第一比较器、第一放大器、反向耦合变压器组成；所述电压互感器的初级与电网电压U_in并联，所述电压互感器的次级接所述第一比较器的一个输入端，所述标准电压发生器的输出端接所述第一比较器的另一个输入端，所述第一比较器的输出端经所述第一放大器接所述反向耦合变压器的初级，所述反向耦合变压器的次级与电网电压U_in串联；

所述负载电流治理单元由电流互感器、第一电流/电压转换器、标准电流发生器、第二电流/电压转换器、第二比较器、固定放大器、第一耦合变压器组成；所述电流互感器的初级与负载串联，所述电流互感器的次级接第一电流/电压转换器的输入端，所述第一电流/电压转换器的输出端接所述第二比较器的一个输入端，所述第一电流/电压转换器的输出电压为U_y；所述标准电流发生器的输出端接所述第二电流/电压转换器的输入端，所述第二电流/电压转换器的输出电压为U_x，所述第二电流/电压转换器的输出端接所述第二比较器的另一个输入端，所述第二比较器的输出电压为U_xy；所述第二比较器的输出电压U_xy与所述第二电流/电压转换器的输出电压U_x串联后接所述固定放大器的输入端，所述固定放大器的输出端接所述第一耦合变压器的初级，所述第一耦合变压器的次级并联在由所述负载与电流互感器的初级串联组成的支路的两端。

本发明的工作原理如下：

本发明不需要测试计算，而是利用更换人为制作的标准电压及标准电流分别与实际电压和实际电流进行比较，找出差值再经放大器放大到一定功率的形式快速返回原电路，以抵消偏离电压或电流，从而得到了理想的电压和电流，达到了治理电压和电流的目的。

本发明的有益效果如下：

(1)制作的标准电压，标准电流稳定度应在500ms以上，对一个工频周期20ms而言，标准电压或标准电流是相对稳定的。本发明对信号的处理过程连续，整个处理过程约为1ms，处理速度极快，处理结果可满足工程的需要。

(2)本装置是按用户和电网的理想状态进行治理，可按用户的需要提供电压，可按照电网的需求让电网需要的电流返回电网，电网不需要的电流自成回路，达到了供电与用电的和谐状态。经本装置治理后的电压和电流稳定度及波形失真度均可达到1％以上。

(3)本装置是通过更换电压、电流的标准来实现对某项电能质量的治理。当用户运行方式有较大变化时可按需求更换标准。

(4)治理后的电压与供电电压相对无关，只与标准电压的大小和波形有关，治理后的电压就好像被标准电压“克隆”出来的电压一样。

(5)治理后的电流只有理想电流返回电网，其余电流通过本装置自成回路，不再返回电网，就好像把负载电流分离了一样，这样大大的减少了对电网的负担和污染。

(6)用户可根据工作需要在五项电压治理功能和五项电流治理功能中独立选项或联合选项。联合选项的控制功率为独立选项各项控制功率之和。

(7)由于偏移功率(偏离电压率乘以负载电流或供电电压乘以偏离电流)约为整个负载功率的10％，所述将偏移功率拉回到正常预定指标只需负载功率的10％。

(8)本装置应用范围广，利用本发明的原理制作的装置，其容量最小，从500W开始，其最大容量由电力电子器件的容量决定，可供家庭式企业使用。

综上所述，本装置具有绿色、环保、优质、高效、快速等特点，经本装置治理后的电压和电流将使供电和用电的电能质量大大提高。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为电压及电流互感器、反向耦合变压器和第一耦合变压器的安装位置示意图。

图3为用户供电电压治理单元的电路原理图。

图4为具有稳流作用的第二比较器的电路原理图。

图5为在图4的基础上增加有补偿无功电流作用的第二比较器的电路原理图。

图6为在图5的基础上增加有抑制谐波电流作用的第二比较器的电路原理图。

图7为固定放大器的电路原理图。

在图1-7中，IC1-IC8的型号为：μA741，Q1-Q4的型号为BUS14，A为三相交流电源的A相，N为三相交流电源的零线，U_x：为标准电流发生器产生的标准电流经第二电流/电压转换器后的电压(即第二电流/电压转换器的输出电压)，U_y：为电流互感器采样的负载电流经第一电流/电压转换器后的电压(即第一电流/电压转换器的输出电压)，U_xy：为第二比较器的输出电压，U_xy包括U_xy1-U_xy3，U_xy1：为具有稳定电流作用的第二比较器的输出电压，U_xy2：为在U_xy1的基础上增加有补偿无功电流作用的第二比较器的输出电压，U_xy3：为在U_xy2的基础上增加有抑制谐波电流作用的第二比较器的输出电压，Ub：为标准电压发生器产生的标准电压，U_in：电网供电电压，U_in/A：电压互感器的采样电压，U1：为将电网供电电压与标准电压的差值经处理后，由反向耦合变压器耦合到供电回路中的电压，U2：为将负载偏离电流处理后，再由第一耦合变压器耦合，进而形成与负载并联的支路上的电压，IBQ：标准电流发生器，I_b：标准电流。

具体实施方式

由图1-7所示的实施例可知，它由用户供电电压治理单元和负载电流治理单元组成；所述用户供电电压治理单元由电压互感器、标准电压发生器、第一比较器、第一放大器、反向耦合变压器组成；所述电压互感器的初级与电网电压U_in并联，所述电压互感器的次级接所述第一比较器的一个输入端，所述标准电压发生器的输出端接所述第一比较器的另一个输入端，所述第一比较器的输出端经所述第一放大器接所述反向耦合变压器的初级，所述反向耦合变压器的次级与电网电压U_in串联；

所述负载电流治理单元由电流互感器、第一电流/电压转换器、标准电流发生器、第二电流/电压转换器、第二比较器、固定放大器、第一耦合变压器组成；所述电流互感器的初级与负载串联，所述电流互感器的次级接第一电流/电压转换器的输入端，所述第一电流/电压转换器的输出端接所述第二比较器的一个输入端，所述第一电流/电压转换器的输出电压为U_y；所述标准电流发生器的输出端接所述第二电流/电压转换器的输入端，所述第二电流/电压转换器的输出电压为U_x，所述第二电流/电压转换器的输出端接所述第二比较器的另一个输入端，所述第二比较器的输出电压为U_xy；所述第二比较器的输出电压U_xy与所述第二电流/电压转换器的输出电压U_x串联后接所述固定放大器的输入端，所述固定放大器的输出端接所述第一耦合变压器的初级，所述第一耦合变压器的次级并联在由所述负载与电流互感器的初级串联组成的支路的两端。

所述用户供电电压治理单元的电压互感器为T1；所述第一比较器由运算放大器IC1、电阻R1-R4组成，运算放大器IC1的负向输入端2脚经电阻R1接电压互感器T1次级的一端，电压互感器T1次级的另一端接地，运算放大器IC1的正向输入端3脚经电阻R2接标准电压发生器的输出的标准电压U_b的一端，标准电压U_b的另一端接地，电阻R4接在运算放大器IC1的3脚与地之间，电阻R3接在运算放大器IC1的6脚与2脚之间；

所述第一放大器由电压放大器和第一功率放大器组成；所述电压放大器由运算放大器IC2、电阻R5-R7组成，运算放大器IC2的负向输入端2脚经电阻R5接运算放大器IC1的输出端6脚，电阻R7接在运算放大器IC2的3脚与地之间，电阻R6接在运算放大器IC2的6脚与2脚之间；所述第一功率放大器为由晶体管Q1-Q2、第二耦合变压器T2、电阻R8-R10组成的推挽放大器，第二耦合变压器T2的初级接在运算放大器IC2的输出端6脚与地之间，第二耦合变压器T2的次级分别接晶体管Q1和Q2的基极，第二耦合变压器T2次级的中心抽头分别经电阻R8和R9接Vcc₁和地；晶体管Q1和Q2的发射极并联后经电阻R10接地；晶体管Q1和Q2的集电极分别接所述反向耦合变压器T3的初级，所述反向耦合变压器T3初级的中心抽头接Vcc₁。

所述标准电压发生器输出的标准电压U_b为下述中的任一种：

(1)所述标准电压U_b的波形为正弦波；

(2)所述标准电压U_b的有效值为220V/A，其中A为所述电压互感器T1的变比系数；

(3)所述标准电压U_b的有效值为用户指定的电压的1/A；

(4)所述标准电压U_b的有效值为220V/A，并且其波形为正弦波；

(5)所述标准电压U_b的有效值为220V/A，并且其波形为正弦波叠加一个谐波电压。

所述负载电流治理单元的电流互感器为T4，电流互感器T4的初级L1与负载Z串联；所述第一电流/电压转换器由电阻R12组成；电阻R12与电流互感器T4的次级L2并联后的一端接地，其另一端为E点；所述第二电流/电压转换器由电阻R11组成；电阻R11与所述标准电流发生器IBQ并联后的一端接地，其另一端为D点；

所述第二比较器由运算放大器IC3、电阻R13-R16组成；运算放大器IC3的正向输入端3脚经电阻R14接所述D点，运算放大器IC3的负向输入端2脚经电阻R13接所述E点，电阻R15接在运算放大器IC3的3脚与地之间，电阻R16接在运算放大器IC3的6脚与2脚之间，运算放大器IC3的输出电压为Uxy₁；

所述固定放大器由第一反相电压放大器、第一移相器、第二反相电压放大器、第二功率放大器组成；第一反相电压放大器的输出端依次经第一移相器、第二反相电压放大器接第二功率放大器的输入端，所述第二功率放大器的输出端接所述第一耦合变压器T6的初级，第一耦合变压器T6的初级的中心抽头接Vcc₁；所述第一反相电压放大器由运算放大器IC6、电阻R23-R24、电位器RW1组成；所述第二比较器的输出电压U_xy与所述第二电流/电压转换器的输出电压U_x串联后的支路的一端经电阻R23接运算放大器IC6的负向输入端2脚，所述支路的另一端接地；电阻R24接在运算放大器IC6的正向输入端3脚与地之间，电位器RW1接在运算放大器IC6的6脚与2脚之间；所述第一移相器由运算放大器IC7、电阻R25-R26、电位器RW2、电容C2组成；运算放大器IC7的负向输入端2脚经电阻R25接运算放大器IC6的输出端6脚，电容C2与电位器RW2串联后接在运算放大器IC6的输出端6脚与地之间，电位器RW2的一端接地，运算放大器IC7的正向输入端3脚接电容C2与电位器RW2的节点；电阻R26接在运算放大器IC7的6脚与2脚之间；所述第二反相电压放大器由运算放大器IC8、电阻R27-R28、电位器RW3组成；运算放大器IC8的负向输入端2脚经电阻R27接运算放大器IC7的输出端6脚，电阻R28接在运算放大器IC8的正向输入端3脚与地之间，电位器RW3接在运算放大器IC8的6脚与2脚之间；所述第二功率放大器为由晶体管Q3-Q4、第三耦合变压器T5、电阻R29-R31组成的推挽放大器，第三耦合变压器T5的初级接在运算放大器IC8的输出端6脚与地之间，第三耦合变压器T5的次级分别接晶体管Q3和Q4的基极，第三耦合变压器T5次级的中心抽头分别经电阻R29和R30接Vcc₁和地；晶体管Q3和Q4的发射极并联后经电阻R31接地；晶体管Q3和Q4的集电极分别接所述第一耦合变压器T6(其变比为1∶1)的初级，所述第一耦合变压器T6初级的中心抽头接Vcc₁，所述第一耦合变压器T6的次级与由负载Z和电流互感器的初级L1串联后组成的支路并联。

在本实施例中，在所述第二比较器中设有用于补偿无功电流的第三反相电压放大器，所述第三反相电压放大器由运算放大器IC4、电阻R17-R19组成；运算放大器IC4的负向输入端2脚经电阻R17接运算放大器IC3的输出端6脚，电阻R18接在运算放大器IC4的正向输入端3脚与地之间，电阻R19接在运算放大器IC4的6脚与2脚之间；运算放大器IC4的输出电压为Uxy₂。

在本实施例中，在所述第二比较器中还设有用于抑制谐波电流的第二移相器，所述第二移相器由运算放大器IC5、电阻R20-R21、电位器RW4、电容C1组成；运算放大器IC5的负向输入端2脚经电阻R20接运算放大器IC4的输出端6脚，电容C1与电位器RW4串联后接在运算放大器IC4的输出端6脚与地之间，电位器RW4的一端接地，电容C1与电位器RW4的节点接运算放大器IC5的正向输入端3脚，电阻R21接在运算放大器IC5的6脚与2脚之间；运算放大器IC5的输出电压为Uxy₃。

用户供电电压治理单元的工作原理如下(参见图2和图3)：

制作一个标准电压U_b，U_b与供电电压频率相同、相位相同、波形良好、有效值稳定，且适用于电子器件运算。令标准电压U_b是理想电压的1/A倍；用电压互感器对供电电压连续采样，电压互感器的变比系数为1/A，采样电压为U_in/A，将标准电压与采样电压在第一比较器中进行比较，将比较的结果送入第一放大器进行放大，第一放大器包括电压放大器和第一功率放大器，总共放大β倍，令β＝A；放大后的电压即为偏离电压。将偏离电压经1∶1的反向耦合变压器耦合到供电回路(即U1)，则抵消了供电电压中的偏离部分，这样得到的输出电压就是治理好的理想电压。

用户供电电压治理单元具有如下五项电压治理功能：

(1)对负载的供电电压有稳压作用：

制作一个标准电压，使其有效值稳定在220V/A，其中取A＝44，将U_in/A与标准电压同时送入图3所示第一比较器IC1，再经第一放大器放大放大β倍(令β＝A)后返回电网供电电路，抵消供电电压幅值的偏差，其新的供电电压有效值稳定在220V。即本装置可作为交流稳压器使用。

(2)消除供电电压由于谐波造成的污染，将已被污染的供电电压还原为正弦波后再为负载供电：

制作一个标准电压，使其波形为正弦波，当供电电压被污染含有高次谐波时，将其与标准电压同时送入图3所示第一比较器中进行比较，再经第一放大器放大β倍(令β＝A)找出其差值后返回供电电路，抵消供电电压偏离正弦的部分。新的供电电压即为正弦波。即本装置可作为交流滤波器使用。

(3)本装置具有输出指定电压的作用：

制作一个标准电压使其有效值为用户指定电压的1/A，如用户指定电压U＝228V时，将228V/A与U_in/A同时送入图3所示第一比较器，比较结果经第一放大器放大β倍(令β＝A)后返回电网供电电路，抵消供电电压有效值的偏差。其新的供电电压被稳定在228V，这样对用户而言，产品质量最好、效率最高。即本装置可作为指定电压输出器使用。

(4)本装置起到了可输出额定电压的作用：

制作一个标准电压，使其有效值稳定在220V/A，波形为正弦波。将U_in/A与标准电压同时送入图3所示第一比较器，再经第一放大器放大β倍(令β＝A)后返回电网供电电路，抵消供电电压有效值的偏离和抵消供电电压波形偏离正弦的部分。即本装置可作为额定电压输出器使用。

(5)本装置有抑制负载中谐波电流的作用：

制作一个在上述第(4)项标准电压的基础上叠加一个谐波电压的标准电压U_b。将U_in/A与U_b同时送入图3所示第一比较器，再经第一放大器放大β倍(令β＝A)后返回供电电路，得到新的供电电压，该电压加在具有非线性负载电路上可使其返回系统的电流最大正弦波化，且该电压不影响系统供电电压原状况。

负载电流治理单元的工作原理如下：

如果单相交流电压加在负载两端时，在负载中将有交流电流流过，其大小及波形与所加电压和阻抗性质有关，把此交流电流叫实际电流I_s，把需要治理的电流看做由两部分组成：即把希望流回电网的电流叫理想电流I_L，把不希望返回电网的电流叫偏离电流I_P。偏离电流可能会对电网造成负担或者说造成污染。将偏离电流I_P经本装置电子处理后变成相应的偏离电压U2，将上述偏离电压加在负载Z的两端，此时偏离电压为负载提供了一个新的电流通路，迫使偏离电流I_P不再流回供电回路。从而完成了偏离电流的续流作用。这样大大减轻了对电网的负担和污染。

具体做法是；将实际电流I_s看成由两部分组成，一部分为理想电流I_L，另一部分为偏离电流I_P。Is＝I_L+I_P。如图2所示，做一个标准电流I_b，使I_b＝I_L，并使I_b与供电电压频率相同，波形稳定、相位稳定、幅值稳定。将此标准电流I_b经第二电流/电压转换器转换成电压U_x。将I_s经1∶1的电流互感器采样后再经第一电流/电压转换器转换成电压U_y。将U_x与U_y同时送入第二比较放大器IC3(见图4-图6)，IC3的正向输入端接U_x，其负向输入端接U_y，第二比较器输出的电压即为偏离电压U_xy(U_xy1、U_xy2、U_xy3)，将U_xy(U_xy1、U_xy2、U_xy3)与U_x叠加后的结果作为固定放大器的输入信号(见图7)。固定放大器如图7所示，其总放大倍数为α倍，移相角为γ，第一耦合变压器T6的变比为1∶1。

当U_xy＝0时，只剩下U_x。当调整固定放大器放大量为α及移相角为γ使固定放大器的输出电压U2与负载Z的供电电压U_in完全相同时即可实现U2与U_in的并联，此时U2与U_in并联同时为负载Z供电，但此时U2不给负载Z提供电流，就好像电网中的发电机刚并网不发电一样。

当U_xy≠0时，所述输出电压U2将做相应的变化，U2为负载中的偏离电流I_P提供了一个新的通道，完成了偏离电流I_P的续流作用。此时偏离电流I_P不再返回供电回路，偏离电流I_P就好像被新的通道旁路了一样。

负载电流治理单元具有如下五项电流治理功能：

(1)本装置起到了稳定交流电流的作用：

当负载电路中只有有功电流时，做一个标准电流I_b使其等于理想电流I_L，将标准电流I_b送入第二电流/电压转换器转换为U_x，再将实际电流I_s采样后的电流经第一电流/电压转换器转换成电压U_y，如图4所示，将U_x、U_y同时送入第二比较器IC3的输入端；此时IC3的输出电压为U_xy1，U_xy1与U_x叠加后送入固定放大器的输入端，则所述输出电压U2作相应变化，其结果导致负载中的偏离电流做相反的变化，因此负载中的电流得到了稳定。起到了交流电流稳定器的作用。

(2)装置为负载提供了无功电流，减少了系统对无功电流的输出，扩大了系统的容量(见图5)。

当负载中流有电感性和电阻性电流时，作一个标准电流I_b使其和电阻性电流频率、相位、大小相等、波形一致。将I_b经第二电流/电压转换器转换成电压U_x，取实际电流为I_s经第一电流/电压转换器转换成电压U_y。如图5所示，将U_x与U_y同时送入第二比较器IC3，并将比较结果送入放大倍数为1的第三反相电压放大器，此时第三反相电压放电器IC4的输出为U_xy2，U_xy2与U_x叠加后送入固定放大器的输入端，输出电压U2作相应变化。U2为负载中的无功电流提供了新的电流通道。负载中的无功电流不再由供电电压提供而是由U2提供。这样减轻了系统的负担，起到了无功电流补偿器的作用。

(3)装置起到了消除负载中谐波电流的作用(见图6)：

当负载中流有有功电流、无功电流和非线性电流时，做一个标准电流I_b为线性电流(其中含有功电流和无功电流)将I_b经第二电流/电压转换器转换成电压U_x，取实际电流I_s经第一电流/电压转换器转换成电压U_y。如图6所示，将U_x与U_y同时送入第二比较器IC3，将比较的结果送入放大倍数为nα的第三反相电压放大器IC4后，再送入移相角度为mγ的第二移相器IC5，此时IC5输出的电压为U_xy3。U_xy3与U_x叠加后送入固定放大器的输入端，输出电压U2作相应变化(可调整nα和mγ使U2相应变动使其在负载Z上产生的变动电流尽可能和偏离电流一致)。本装置为负载中的谐波电流提供了新的电流通道，负载中的谐波电流不再流回供电回路。起到了谐波电流消除器的作用。

(4)本装置限制了有功电流、无功电流和谐波电流返回供电回路的比例，满足了系统安全经济供电。

当负载中流有有功电流、无功电流和谐波电流的合成电流时，按一定比例将上述三种电流制作一个标准电流，按上述程序处理则返回系统的电流就是标准电流也就是理想电流。而其余偏离电流由U2提供通路自成系统不再返回供电回路。本装置起到了限制谐波电流返回系统的作用。

(5)当负载中需要减少无功电流和谐波电流时，可先使用无源器件减少部分无功电流和谐波电流，剩余部分则利用本装置使用的办法继续完成。由于此法加强了动态治理，既经济效果又好。