本發(fā)明涉及IPC分類H02H緊急保護電路裝置，屬于電力電子諧波治理及三相電流不平衡治理技術領域，尤其是低壓三相四線供電有源不平衡治理N線過流保護器。

背景技術：

按照GB9089.2的規(guī)定：PE保護導體是為滿足某些需要，用來與下列任一部件作電氣連接的導體：外露可導電部分、外界可導電部分、主接地端子、接地極、電源接地點或人工接地點。中性N導體是與系統(tǒng)中性點連接并能起傳輸電能作用的導體。可見，N線是中性線，是工作線，在單相系統(tǒng)中又被稱為“零線”；沒有它，設備可能就不能正常工作。而PE線是和設備外殼相連接的地線，沒有它，設備可能能夠工作，但外殼可能帶電；它可以防止觸電事故發(fā)生。

低壓三相四線，即A相、B相、C相、N相供電系統(tǒng)中存在大量的單相負荷設備，在實際運行時，各個單相設備間獨立運行，此時會造成三相電流嚴重的不平衡，此不平衡電流會流經(jīng)N線，再加上大量電力電子設備的應用使系統(tǒng)中的三次諧波電流也會在N線上進行疊加，最終N線會因系統(tǒng)不平衡電流及諧波電流疊加存在而出現(xiàn)過流、發(fā)熱，加速N線絕緣老化，己經(jīng)對供配電系統(tǒng)的安全構成了嚴重的危害，同時本發(fā)明裝置具備N線電流分段式過流保護功能，不僅可對低壓三相四線系統(tǒng)的不平衡電流進行補償，也可以對系統(tǒng)不平衡電流嚴重大于裝置電流輸出時，進行實施報警或切斷負荷等安全措施。

三相負載對稱時，三相線路流入中性線的電流矢量和為零，但對于單獨的一相來講，電流不為零。三相負載不對稱時，中性線的電流矢量和不為零，會產(chǎn)生對地電壓。

在三相四線制供電中由于三相負載不平衡時和低壓電網(wǎng)的零線過長且阻抗過大時，零線將有零序電流通過，過長的低壓電網(wǎng)，由于環(huán)境惡化，導線老化，受潮等因素，導線的漏電電流通過零線形成閉合回路，致使零線也帶一定的電位，這對安全運行十分不利；在零干線斷線的特殊情況下，斷線以后的單相設備和所有保護接零的設備產(chǎn)生危險的電壓，這是不允許的，如采用三相五線制供電方式，用電設備上所連接的工作零線N和保護零線PE是分別敷設的，工作零線上的電位不能傳遞到用電設備的外殼上，這樣就能有效隔離了三相四線制供電方式所造成的危險電壓，使用電設備外殼上電位始終處在“地”電位，從而消除了設備產(chǎn)生危險電壓的隱患。

在實際實用中，人們常常接成“保護中性導體”，即接成PEN線，兼具PE線和N線的功能。

采用TN系統(tǒng)做保護接零時，工作零線即N線必須通過總漏電保護器，PE保護零線必須由電源進線零線重復接地處或總漏電保護器電源側零線處，引出形成局部TN—S接零保護系統(tǒng)。

作為相關技術，公開的缺中線保護電路技術，通常需要檢測母線電壓：具體實施方案主要是檢測PFC的母線電壓，即當中性線脫落時，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)缺N線時的直流母線電壓不可控，AC220V輸入在缺少N線時母線電壓為586V遠超出正常的直流母線設計電壓400V，也超過了三相的整流電壓537V，為不可控狀態(tài)。通過理論分析可知，在有N線的情況下，三臺并聯(lián)的電源模塊工作時產(chǎn)生的不平衡電流可以通過N線流回到電網(wǎng)，在缺N線時如果其中一臺電源模塊的輸入電流較大，那么不平衡電流就會通過其它的兩臺電源模塊，這樣就造成電源模塊對自身的母線電壓不可控的狀態(tài)，而受到其它電源模塊工作情況的影響，也就出現(xiàn)了實驗中母線電壓會超過正常工作時的電壓400V。常用的PFC母線電容一般耐壓值為450V,而檢測母線電壓的方式只有出現(xiàn)母線過壓時才能檢測到，缺中性線時的母線電壓瞬間超過了耐壓值的極限值，導致母線電容擊穿短路，嚴重損壞其他功率器件，所以此種保護方式暫告不可靠。

許繼電氣在中國專利申請201510818040.1中公開一種電源裝置及其缺N線保護電路，電源裝置包括分別連接在A、B、C三相上的三個充電電源子模塊，三個子模塊的輸出端并聯(lián)在直流母線上，缺N線保護電路包括一個差分電路和一個比較電路，差分電路分別輸入連接N線和地線，輸出信號經(jīng)過比較電路，形成用于連接CPU的故障信號。

總之，三相四線制供電中N線的有效保護技術尚未見公開。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種低壓三相四線供電有源不平衡治理N線過流保護器，解決了現(xiàn)有技術中存在的隱患，能夠有效減少N線不平衡及諧波電流造成的N線過流損害。

本發(fā)明的目的將通過以下技術措施來實現(xiàn)：裝置包括但不限于互感器采樣電路、穩(wěn)壓電路和逆變輸出三部分；穩(wěn)壓電路為三相不控整流電路，穩(wěn)壓電路通過絕緣柵雙極型晶體管IGBT依次先后連接儲能電路、IGBT開關電路和輸出濾波電路，輸出濾波電路通過交流接觸器KM1連接三相四線制電源系統(tǒng)中，同時，DSP信號處理器分別連接IGBT驅動電路和儲能電路，IGBT驅動電路分別連接IGBT開關電路和絕緣柵雙極型晶體管IGBT。

尤其是，適用在三相四線制系統(tǒng)中，設備上電后，通過穩(wěn)壓電路給電容器組CB充電，DSP信號處理器通過實時監(jiān)測穩(wěn)壓值在預定限值后，設備進入下一個工作模式，繼續(xù)給電容器升壓到一定值達到穩(wěn)態(tài)；主線路上的互感器器件通過實時采集主線路電流信號，將采集信號發(fā)送給DSP信號處理器上指令電流產(chǎn)生模塊的指令電流運算電路，通過相應的算法，將三相不平衡電流分別算出并且給出需要抵消的不平衡電流；然后，通過電流跟蹤控制電路給IGBT驅動電路以相應的驅動信號，控制功率模塊IGBT開關電路工作，從而產(chǎn)生相應的補償電流來是抵消不平衡電流對電網(wǎng)的影響；整個過程中，控制電路也會實時根據(jù)穩(wěn)壓電路采集的電壓信號，來補償電容器組CB兩端的電壓，使其一直處于穩(wěn)態(tài)；通過對三相電流不平衡的補償進而使N線電流趨于0。

尤其是，三相不控整流電路建立基于MATLAB的三相不控整流電路仿真平臺,并通過自建模塊實現(xiàn)功率因數(shù)的自動顯示，通過分析電網(wǎng)不平衡時的輸出電壓波動、功率因數(shù)和輸入電流諧波失真等參數(shù),指出三相不控整流的最優(yōu)LC濾波截止頻率范圍，三相不控整流電路經(jīng)過最優(yōu)化設計。

尤其是，三相電流信號經(jīng)過電流互感器CT采樣后送入DSP信號處理器，DSP信號處理器通過計算得出三相電流中有功不平衡電流與無功不平衡電流，然后DSP信號處理器控制逆變部分IGBT驅動電路或儲能電路發(fā)出大小相等相位相反的有功不平衡電流與無功不平衡電流并注入到電網(wǎng)中，進而將三相電流中的不平衡電流抵消掉，達到三相四線系統(tǒng)中N線電流接近于零的目的；其中：在穩(wěn)壓電路部分，采用三相不控整流電路，三相電經(jīng)過不控整流后整流成脈動直流電，存儲至電容器CA中，CA,L1,IGBT1組成BOOST可控穩(wěn)壓電路，由DSP信號處理器計算出電容器CA目標穩(wěn)壓值與測量電壓值的差值送至PI調節(jié)模塊和指令電流產(chǎn)生模塊，進而，通過滯環(huán)比較器控制IGBT驅動電路驅動IGBT1,從而將目標電壓穩(wěn)定在800V DC，并存儲在電容器CB中；在逆變電路部分，由采樣電路通過采集負載側不平衡電流，將采樣信號傳送給DSP信號處理器，通過相應的算法計算出各相的不平衡電流的大小與夾角，將需要補償?shù)碾娏魍ㄟ^算法處理，將指令發(fā)送到IGBT驅動電路；直流電壓800v DC,經(jīng)過IGBT開關電路5的IGBT(A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4)，組成的橋式逆變電路通過輸出濾波電路的電感Lfa,Lfb,Lfc,Lfn合成所需要的不平衡電流，并注入到電網(wǎng)中；在DSP信號處理器和IGBT驅動電路中，其中LEM為電壓互感器，實時采樣不控整流后CA1,CA2上電壓，Vcr為目標電壓值800V dc經(jīng)過PI調節(jié)模塊運放后，產(chǎn)生指令電流信號；滯環(huán)比較器201將指令電流i_c*和實際電流i_c進行比較，兩者的偏差△ic作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制電路主電路中開關通斷的PWM信號由滯環(huán)比較器中有PWM信號輸出模塊輸出，該PWM信號經(jīng)驅動電路控制功率器件的通斷，從而控制電流i的變化；滯環(huán)電流控制原理是指令電流和實際電流的實時值比較，實際電流達到上限指令電流，隨即轉入衰減，衰減至下限指令電流，重新開始上升，如此反復，實際電流將是一條在上下限指令電流跳動的鋸齒波。

本發(fā)明的優(yōu)點和效果：能夠有效減少N線不平衡及諧波電流，抑制諧波電流產(chǎn)生的危害，并且安全性能高，降低由于N線電流過大引起的對配電屏和低壓線路帶來的惡劣影響，既能快速響應N線保護的信號，同時，又對其他部位正常工作不構成影響。線路損耗低，運行安全穩(wěn)定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1中N線保護裝置結構示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例1中穩(wěn)壓部分的三相不控整流電路結構示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例1中DSP信號處理器和IGBT驅動電路工作原理示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例1中滯環(huán)電流控制原理示意圖。

附圖標記包括：三相不控整流電路 1、IGBT驅動電路 2、DSP信號處理器 3、儲能電路 4、IGBT開關電路 5、輸出濾波電路 6、滯環(huán)比較器 201、PWM信號輸出模塊 201a、PI調節(jié)模塊 301、指令電流產(chǎn)生模塊 302。

具體實施方式

本發(fā)明原理在于，適用在三相四線制系統(tǒng)中，設備上電后，通過穩(wěn)壓電路給電容器組CB充電，DSP信號處理器3通過實時監(jiān)測穩(wěn)壓值在預定限值后，設備進入下一個工作模式，繼續(xù)給電容器升壓到一定值達到穩(wěn)態(tài)；主線路上的互感器器件通過實時采集主線路電流信號，將采集信號發(fā)送給DSP信號處理器3上指令電流產(chǎn)生模塊302的指令電流運算電路，通過相應的算法，將三相不平衡電流分別算出并且給出需要抵消的不平衡電流；然后，通過電流跟蹤控制電路給IGBT驅動電路2以相應的驅動信號，控制功率模塊IGBT開關電路5工作，從而產(chǎn)生相應的補償電流來是抵消不平衡電流對電網(wǎng)的影響；整個過程中，控制電路也會實時根據(jù)穩(wěn)壓電路采集的電壓信號，來補償電容器組CB兩端的電壓，使其一直處于穩(wěn)態(tài)；通過對三相電流不平衡的補償進而使N線電流趨于0。

本發(fā)明還能夠有效抑制因為負載引起的諧波問題，其抑制諧波的基本原理同上，只是在電流跟蹤算法上和控制算法上不同于其消除三相電流不平衡的算法。

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1：如附圖1所示，本裝置包括但不限于互感器采樣電路、穩(wěn)壓電路和逆變輸出三部分；穩(wěn)壓電路為三相不控整流電路1，穩(wěn)壓電路通過絕緣柵雙極型晶體管IGBT依次先后連接儲能電路4、IGBT開關電路5和輸出濾波電路6，輸出濾波電路6通過交流接觸器KM1連接三相四線制電源系統(tǒng)中，同時，DSP信號處理器3分別連接IGBT驅動電路2和儲能電路4，IGBT驅動電路2分別連接IGBT開關電路5和絕緣柵雙極型晶體管IGBT。

前述中，PI調節(jié)模塊301中有比例積分控制器。

前述中，三相不控整流電路1建立基于MATLAB的三相不控整流電路仿真平臺,并通過自建模塊實現(xiàn)功率因數(shù)的自動顯示，通過分析電網(wǎng)不平衡時的輸出電壓波動、功率因數(shù)和輸入電流諧波失真等參數(shù),指出三相不控整流的最優(yōu)LC濾波截止頻率范圍，三相不控整流電路經(jīng)過最優(yōu)化設計。

本發(fā)明工作時，三相電流信號經(jīng)過電流互感器CT采樣后送入DSP信號處理器3，DSP信號處理器3通過計算得出三相電流中有功不平衡電流與無功不平衡電流，然后DSP信號處理器3控制逆變部分IGBT驅動電路2或儲能電路4發(fā)出大小相等相位相反的有功不平衡電流與無功不平衡電流并注入到電網(wǎng)中，進而將三相電流中的不平衡電流抵消掉，達到三相四線系統(tǒng)中N線電流接近于零的目的；其中：

在穩(wěn)壓電路部分，如附圖2所示，采用三相不控整流電路1，三相電經(jīng)過不控整流后整流成脈動直流電，存儲至電容器CA中，CA,L1,IGBT1組成BOOST可控穩(wěn)壓電路，由DSP信號處理器3計算出電容器CA目標穩(wěn)壓值與測量電壓值的差值送至PI調節(jié)模塊301和指令電流產(chǎn)生模塊302，進而，通過滯環(huán)比較器201控制IGBT驅動電路2驅動IGBT1,從而將目標電壓穩(wěn)定在800V DC，并存儲在電容器CB中。

在逆變電路部分，由采樣電路通過采集負載側不平衡電流，將采樣信號傳送給DSP信號處理器3，通過相應的算法計算出各相的不平衡電流的大小與夾角，將需要補償?shù)碾娏魍ㄟ^算法處理，將指令發(fā)送到IGBT驅動電路2；直流電壓800v DC,經(jīng)過IGBT開關電路5的IGBT(A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4)，組成的橋式逆變電路通過輸出濾波電路6的電感Lfa,Lfb,Lfc,Lfn合成所需要的不平衡電流，并注入到電網(wǎng)中。

如附圖3所示，在DSP信號處理器3和IGBT驅動電路2中，其中LEM為電壓互感器，實時采樣不控整流后CA1,CA2上電壓，Vcr為目標電壓值800V dc經(jīng)過PI調節(jié)模塊301運放后，產(chǎn)生指令電流信號。

滯環(huán)電流控制原理，如圖4所示，滯環(huán)比較器201將指令電流i_c*和實際電流i_c進行比較，兩者的偏差△ic作為滯環(huán)比較器201的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制電路主電路中開關通斷的PWM信號由滯環(huán)比較器201中有PWM信號輸出模塊201a輸出，該PWM信號經(jīng)驅動電路控制功率器件的通斷，從而控制電流i的變化。滯環(huán)電流控制原理是指令電流和實際電流的實時值比較，實際電流達到上限指令電流，隨即轉入衰減，衰減至下限指令電流，重新開始上升，如此反復，實際電流將是一條在上下限指令電流跳動的鋸齒波。滯環(huán)電流控制的優(yōu)點是結構簡單，實現(xiàn)容易，具有很強的魯棒性和快速動態(tài)響應能力。

以上給出了本發(fā)明涉及的具體實施方式，但本發(fā)明不局限于所描述的實施方式。在本發(fā)明給出的思路下，采用對本領域技術人員而言容易想到的方式對上述實施例中的技術手段進行變換、替換、修改，并且起到的作用與本發(fā)明中的相應技術手段基本相同、實現(xiàn)的發(fā)明目的也基本相同，這樣形成的技術方案是對上述實施例進行微調形成的，這種技術方案仍落入本發(fā)明的保護范圍內。