CN101582644B - 相控补偿式交流稳压调压装置及其电压补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相控补偿式交流稳压调压装置及其电压补偿方法，该稳压调压装置的补偿变压器的次级绕组串接于电源与负载之间，初级绕组的两端及其抽头分别通过选择开关接至电源的各相线或零线；控制各选择开关的通断即可控制初级绕组的工作线圈匝数；而且，通过控制选择开关的通断，该装置不但通过对所述初级绕组工作线圈选择施加同相相电压或线电压进行多档电压补偿，还通过选择开关向初级绕组工作线圈选择施加异相相电压进行补偿。由于本装置综合采用了在补偿变压器初级绕组的投入线圈上施加异相相电压、同相相电压及线电压，并配以变比调整而对次级输出进行补偿，所以，补偿效率高、补偿效果好，而且使得补偿变压器的绕组及铁芯耗材可至少节省20％。

Description

相控补偿式交流稳压调压装置及其电压补偿方法

技术领域

本发明涉及一种交流稳压方法及交流稳压装置，更具体地说，是涉及一种相控补偿式交流稳压调压装置及其电压补偿方法。

背景技术

交流稳压装置广泛应用于工业自动化，成套设备、道路节能照明、数控机床、轻纺、医疗、宾馆、广播电视、通讯设备等各种需要稳定的交流电源供电的场合。

常用的交流稳压器以补偿式较多，是利用连接在主回路上的补偿单元产生的压降和输入电压叠加得到稳定输出电压。此类调压稳压电路通过补偿变压器上初级绕组的不同绕组线圈的投切，利用初级侧工作绕组和次级绕组的变比关系，通常能提供双向多档的电压补偿，从而实现调压稳压的目的。现有技术中，补偿变压器初级侧工作绕组的两端抽头，分别接至交流电源的零线和同相相线。本发明人的中国在前申请200410060781.X，还提到了通过在初级侧工作绕组上施加线电压进行电压补偿的技术方案。

发明内容

本发明的目的，即在于提供一种应用于补偿式交流稳压调压装置的新的电压补偿方法，以及应用该电压补偿方法的相控补偿式交流稳压调压装置，与现有技术相比，更能节省补偿变压器绕组及铁心耗材，且可供任何单相三相需要稳压的负载使用，同时，还可具有多档调压功能。

本文中所指相控补偿式交流稳压调压装置包括有补偿变压器，该补偿变压器的次级绕组串接于电源与负载之间，其初级绕组的两端分别通过选择开关接至交流供电电源的相线或零线。

本发明所述相控补偿式交流稳压调压装置中补偿电压的方法为：通过控制选择开关的通断，不但可对所述初级绕组选择施加同相相电压或线电压而对次级输出进行正向或反向的多档补偿，还包括通过选择开关，在所述初级绕组上选择施加异相相电压进行补偿。

作为对上述的相控补偿式交流稳压调压装置中补偿电压的方法的改进，还可在所述初级绕组上设有多个抽头，各抽头通过选择开关接至电源的相线或零线。通过选择初级绕组的工作线圈匝数，配合施加合适的异相相电压、同相相电压或线电压，可实现更多档、更精确的电压补偿。

作为对上述的相控补偿式交流稳压调压装置中补偿电压的方法的另一改进，所述初级绕组上可设有4个抽头；由此形成的中段绕组的线圈匝数为两端绕组线圈匝数的4-50倍。

作为对上述的相控补偿式交流稳压调压装置中补偿电压的方法的进一步优化，所述初级绕组的两端，各自通过2个选择开关，分别接至电源的同相相线及其中一根异相相线；所述中段绕组的两端通过选择开关接至电源零线。

或者，还可在所述初级绕组上设有5个抽头；所述初级绕组其中一个端侧的抽头，通过2个选择开关，分别接至电源的同相相线及其中一根异相相线；所述初级绕组另一个端侧的抽头，通过选择开关，接至与本稳压调压装置的供电电源相异相的其中一根相线；所述初级绕组中与两个端侧相邻的抽头，通过选择开关接至电源零线；所余中部抽头，通过选择开关，接至与本稳压调压装置的供电电源相异相的其中一根相线。

应用上述补偿电压方法的相控补偿式交流稳压调压装置，包括有补偿变压器和检测控制电路，所述补偿变压器的次级绕组串接于电源与负载之间，其初级绕组的两端分别通过选择开关接至电源的相线或零线；通过控制所述选择开关的通断，不但可以向所述初级绕组选择施加同相相电压或线电压，还可向其选择施加异相相电压；各选择开关的通断可手动控制，亦可受控于检测控制电路。例如，该选择开关可选择采用可受控于检测控制电路的接触器的常开触点、晶闸管或其它类似功能器件。检测控制电路采用现有成熟技术即可，在此不再详述。

作为对上述的相控补偿式交流稳压调压装置的改进，还可在所述初级绕组上设多个抽头，各抽头通过选择开关接至交流供电电源的各相线或零线。工作时，通过选择初级绕组的工作线圈匝数，并对其选择施加相应的异相相电压、同相相电压或线电压，实现多档电压补偿。

作为对上述的相控补偿式交流稳压调压装置的另一改进，在所述初级绕组上设4个抽头；由此形成的中段绕组的线圈匝数为两端绕组线圈匝数的4-50倍。

作为对上述的相控补偿式交流稳压调压装置的进一步优化，所述初级绕组的两端，各自通过2个选择开关，分别接至电源的同相相线及其中一根异相相线；所述中段绕组的两端通过选择开关接至电源零线。

或者，还可在所述初级绕组上设有5个抽头；所述初级绕组其中一个端侧的抽头，通过2个选择开关，分别接至电源的同相相线及其中一根异相相线；所述初级绕组另一个端侧的抽头，通过选择开关，接至与本稳压调压装置的供电电源相异相的其中一根相线；所述初级绕组中与两个端侧相邻的抽头，通过选择开关接至电源零线；所余中部抽头，通过选择开关，接至与本稳压调压装置的供电电源相异相的其中一根相线。

当电网电压波动或负载变动造成输出侧电压波动时，可按输出电压的变化，手动、或用自动检测控制电路控制相应选择开关的通断，选择接入适当变比的初级工作绕组，并施以正向或反向的线电压或相电压，以在次级绕组两端获得方向及大小都可以改变的、合适的补偿电压；该补偿电压与输入电压矢量叠加，从而可使输出电压恢复稳定。

应用上述补偿电压方法的相控补偿式交流稳压调压装置，由于补偿电压可通过改变补偿变压器的变比，和/或通过选择施加在初级工作绕组上的线电压或相电压的方式进行调整，所以，也可将各选择开关选配组合而形成档位开关，使该装置在电网电压稳定或者波动的情形下，可通过主动调整补偿电压而改变输出电压的大小，从而使该装置具有调压功能。这一功能，在道路节能照明及城市景观照明等工程上尤为适用。

应用上述补偿电压方法的相控补偿式交流稳压调压装置，电压补偿时集供电电压相位控制技术和组合绕组变比补偿于一体，配以现有的检测控制电路成熟技术，使得电压调节范围宽，稳压精度高，应变迅速、效率高；而且整机结构简单，容量大，性能可靠。本相控补偿式交流稳压调压装置适用范围广，可供任何单相三相需要稳压的负载使用；与现有技术相比，更能节省补偿变压器绕组及铁心耗材的使用量，可较大降低整机制造成本，整机体积及重量也可明显降低。

附图说明

图1是本发明相控补偿式交流稳压调压装置的一个实施例的电路原理图。

图2是本发明相控补偿式交流稳压调压装置的另一个实施例的电路原理图。

图3是本发明相控补偿式交流稳压调压装置的第三个实施例的电路原理图。

附图标记说明：

U_入、U_A入-本装置输入端(接电源)    U_出、U_A出-本装置输出端(接负载)

ΔU-补偿电压    T-补偿变压器      K1-K12-选择开关

Q_初-补偿变压器T的初级绕组         Q_次-补偿变压器T的次级绕组

Q1、Q2、Q3、Q4-初级绕组的分绕组

具体实施方式

以下结合附图对本发明相控补偿式交流稳压调压装置及其稳压方法作进一步的说明。

本发明相控补偿式交流稳压调压装置的工作原理：当电网电压U_入波动或负载变动等原因造成输出电压U_出波动时，可按输出电压的变化控制相应选择开关的通断，选择接入适当变比的初级工作绕组，并选择施以正向或反向的线电压或相电压(同相或异相)，以在次级绕组两端获得方向及大小都可以改变的、合适的补偿电压ΔU；该补偿电压ΔU与输入电压U入矢量叠加，从而可使输出电压U_出保持稳定。

一、以下结合图1所示的本发明相控补偿式交流稳压调压装置的一个实施例的电路基本原理图，对本发明作进一步说明：

图1所示的本发明相控补偿式交流稳压调压装置，以采用A相电源为负载供电为例。如图所示，补偿变压器T的次级绕组Q_次串接于电源U_A入与负载U_A出之间，其初级绕组Q_初的两端分别通过选择开关K1至K6接至交流供电电源的各相线及零线。

如图所示，通过控制选择开关K1至K6的通断，可对所述初级绕组Q_初施加同相相电压或异相相电压或线电压，而对次级输出进行正向或反向、合计7档补偿。即：

1)+3档：K1和K5闭合，初级绕组Q_初上施加的是线电压(假设K1接至B相相线，则此时的线电压为U_BA)。

由于线电压U_BA与A相相电压U_AN的相位存在30度夹角，而其辐值是U_AN的

倍，所以此时的：(设此时初级绕组与次级绕组的变比为i；由于ΔU相对U_A入比较小，可以用下列式子近似计算)

U_A出≈U_A入+U_BA X COS30°/i＝U_A入+1.5X U_A入/i＝U_A入(1+1.5/i).

2)+2档：K3和K5闭合，向初级绕组Q_初上施加正向同相相电压U_AN.因此此时的：

ΔU＝U_A入/i，

U_A出＝U_A入+ΔU＝U_A入+U_A入/i＝U_A入(1+1/i).

3)+1档：K1和K4闭合，异相相电压U_BN反向施加到初级绕组Q_初上.

由于相电压U_BN与A相相电压U_AN的相位存在120度夹角，反向的相电压U_BN与A相相电压U_AN的相位存在60度夹角，因此此时的：

U_A出≈U_A入+U_BNX COS60°/i＝U_A入+0.5X U_BN/i

4)0档：K3和K4闭合，初级绕组Q_初两端电压为0，此时，ΔU＝0，U_A出＝U_A入。

5)-1档：K3和K6闭合，异相相电压U_BN正向施加到初级绕组Q_初上.

由于正向的相电压U_BN与A相相电压U_AN的相位存在120度夹角，因此此时的：

U_A出≈U_A入+U_BNX COS120°/i＝U_A入-0.5X U_BN/i

6)-2档：K2和K4闭合，将同相相电压U_AN反向施加到初级绕组Q_初上.因此此时的：

ΔU＝-U_A入/i，

U_A出＝U_A入+ΔU＝U_A入-U_A入/i＝U_A入(1-1/i)

7)-3档：K2和K6闭合，线电压U_AB反向施加到初级绕组Q_初上。

由于反向的线电压U_AB与A相相电压U_AN的相位存在150度夹角，而其辐值是U_AN的

倍，所以此时的：

U_A出≈U_A入+U_AB X COS150°/i＝U_A入-1.5X U_A入/i＝U_A入(1-1.5/i).

上述分析表明，本发明相控补偿式交流稳压调压装置通过补偿变压器T的初次级绕组线圈的投切和变比关系，能提供双向多档的电压补偿，从而可达到稳压的目的。

此外，虽然上述实施例仅例举了采用A相电源为负载供电，采用异相为B相电、线电压为AB相进行补偿的情形，但，根据电学常识，此时如利用异相相电压为C相、线电压为AC相进行补偿，也是可行的。

输入电压为B相或C相电源时的情形，亦可同理分析。在此不再另行说明。

二、以下结合图2所示的本发明相控补偿式交流稳压调压装置的另一个实施例的电路基本原理图对本发明作进行讲解：

与图1相比，图2中的初级绕组Q_初上设有4个抽头，则初级绕组可视为由3段绕组Q1、Q2、Q3串接而成。如图所示，初级绕组Q_初端侧及中部各抽头通过选择开关K7-K12接至电源零线或相线。

图2中仍以采用A相电源(交流220V，记为U_A入)为负载供电，采用异相为B相电、线电压为AB相进行补偿的情形进行举例说明。如图，初级绕组Q_初的两端，各自通过2个选择开关K7、K8、K11、K12，分别接至电源的同相相线A及其中一根异相相线B或C；所述中段绕组Q2的两端通过选择开关K9、K10接至电源零线N。

(假设此时补偿变压器T的参数为：次级绕组线圈Q_次的匝数N＝10，初级绕组Q_初的3个分绕组Q1、Q2、Q3的匝数分别为N1＝8、N2＝90、N3＝8。)

1)U_A入＝187V时，选择开关K7和K11闭合，将线电压U_BA施加到Q1、Q2、Q3组成的工作线圈上(同上例，在此也假设K1接至B相相线，则此时的线电压为U_BA)。

由于线电压U_BA与A相相电压U_AN的相位存在30度夹角，而其辐值是U_AN的

倍，所以此时的：

变比i＝(8+90+8)/10＝10.6，

U_A出≈U_A入+U_BA X COS30°/10.6≈213.5V.

2)U_A入＝203V时，选择开关K9、K11闭合，将A相相电压U_AN正向施加到Q2、Q3组成的工作线圈上。因此此时的：

变比i＝(90+8)/10＝9.8，ΔU＝203/9.8≈20.7V，

U_A出＝U_A入+U_A入/9.8≈223.7V.

3)U_A入＝213V时，选择开关K7、K10闭合，将B相相电压U_BN反向施加到Q1、Q2组成的工作线圈上。由于相电压U_BN与A相相电压U_AN的相位存在120度夹角，反向的相电压U_BN与A相相电压U_AN的相位存在60度夹角，因此此时的：

变比i＝(90+8)/10＝9.8，

U_A出≈U_A入+U_BNX COS60°/9.8≈223.87V.

4)U_A入＝220V时，选择开关K9、K10闭合，初级绕组上电压为0，ΔU＝0V.U_A出＝U_A入

5)U_A入＝227V时，选择开关K9、K12闭合，将B相相电压U _BN正向施加到Q2、Q3组成的工作线圈上。由于正向相电压U_BN与A相相电压U_AN的相位存在120度夹角，因此此时的：

变比i＝(90+8)/10＝9.8，

U_A出≈U_A入+U_BNX COS120°/9.8≈215.4V

6)U_A入＝239V时，选择开关K8、K10闭合，将A相相电压U_AN反向施加到Q1、Q2组成的工作线圈上。因此此时的：

变比i＝(90+8)/10＝9.8，

U_A出＝U_A入-U_A入/9.8≈214.6V.

7)U_A入＝264V时，选择开关K8、K12闭合，将线电压U_AB反向施加到Q1、Q2、Q3组成的工作线圈上。由于反向线电压U_AB与A相相电压U_AN的相位存在150度夹角，而其辐值是U_AN的

倍，所以此时的：

变比i＝(8+90+8)/10＝10.6，

U_A出≈U_A入+U_AB X COS150°/10.6≈226.6V

由上述分析容易得知：对初级绕组设有多个抽头，各抽头通过选择开关接至电源的相线或零线，容易通过选择初级绕组的工作线圈匝数，配合施加合适的异相相电压、同相相电压或线电压，实现更多档、更精确的电压补偿。

此外，对于图1，如果由于补偿换档需要，选择开关由K3、K4闭合转为K1、K4闭合的瞬间，K3容易出现飞弧导致B-N间短路。而图2中对应的由K9、K10闭合转为K7、K10闭合的瞬间，由于其间存在Q1绕组，就不会存在这个问题。同理，图2中的选择开关由K9、K10闭合转为K9、K12闭合的瞬间，由于Q3绕组的存在，也不会存在这个问题。所以，在图2所示的本相控补偿式交流稳压调压装置原理图中，绕组Q1和Q3还另外起到了辅助灭弧的作用。仅考虑辅助灭弧作用时，两端绕组Q1和Q3线圈匝数不必太多，一般来说，此时中段绕组Q2的线圈匝数取为两端绕组Q1、Q3线圈匝数的4-50倍。

由上述实施例的说明可知，该参数的相控补偿式交流稳压调压装置具有如下特点：

(1)稳压范围较宽(187V-264V)，稳压精度可达220V±3％，即213V-227V。

(2)在各档间调整时，ΔU波动值较小，使得电压调节平稳。

(3)由于在各档间调整时，初级绕组工作线圈上施加的是分别为异相相电压、同相相电压和线电压，在次级绕组上产生的ΔU等效辐值依次基本是施加同相相电压情形时的0.5倍、1倍、1.5倍，从而客观上能在较大程度上减少初级绕组工作线圈的匝数，即减少补偿变压器的绕组及铁芯的耗材量。

事实上，还可根据电压的波动范围及所需的稳压精度来选择确定补偿变压器的变比，而且，线圈抽头的数量越多，稳压的精度越高。

三、以下结合图3，对本发明相控补偿式交流稳压调压装置的第三个实施例进行说明：

本实施例，非常适用于节能照明等场合。如图3所示，初级绕组Q_初上的端侧及中部共设有5个抽头，各抽头通过选择开关K7-K12接至电源零线或相线，初级绕组Q_初可视为由4段绕组Q1、Q2、Q3、Q4串接而成。

图中，仍以采用A相电源(交流220V，记为U_A入)为负载供电，采用异相为B相电、线电压为AB相进行补偿的情形进行举例说明。如图，初级绕组Q_初的5个抽头的接线关系为：其中一个端侧的抽头，通过2个选择开关K7、K8，分别接至电源的同相相线A及其中一根异相相线B或C；另一个端侧的抽头，通过选择开关K12，接至与本稳压调压装置的供电电源(A相)异相的其中一根相线B或C；与两个端侧相邻的抽头，通过选择开关K9、K11接至电源零线N；所余中部抽头，通过选择开关K10，接至与本稳压调压装置的供电电源(A相)异相的其中一根相线B或C。

(假设此时补偿变压器T的参数为：次级绕组线圈Q_次的匝数N＝10，初级绕组Q_初的3个分绕组Q1、Q2、Q3、Q4的匝数分别为N1＝4、N2＝100、N3＝29、N4＝4。)

各选择开关选配组合，可形成如下6档实现稳压或进行调压：

1)+1档：选择开关K7和K11闭合，将异相相电压U_BN反向施加到Q1、Q2、Q3组成的工作线圈上。

由于相电压U_BN与A相相电压U_AN的相位存在120度夹角，反向的相电压U_BN与A相相电压U_AN的相位存在60度夹角。假如此时U_A入＝215V，

而变比i＝(4+100+29)/10＝13.3，则：

U_A出≈U_A入+U_BNX COS60°/i≈U_A入+0.5X U_BN/13.3≈223V。

2)0档：选择开关K7和K10闭合，初级绕组上电压为0，ΔU＝0V。假如此时U_A入＝200V，则U_A出＝U_A入＝200V。

3)-1档：选择开关K9和K12闭合，将B相相电压U _BN正向施加到Q2、Q3、Q4组成的工作线圈上。由于正向相电压U_BN与A相相电压U_AN的相位存在120度夹角，假如此时U_A入＝205V，

而变比i＝(4+100+29)/10＝13.3，则：

U_A出≈U_A入+U_BNX COS120°/i≈U_A入-0.5X U_BN/13.3≈197.3V。

4)-2档：选择开关K8和K11闭合，将A相相电压U_AN反向施加到Q1、Q2、Q3组成的工作线圈上。假如此时U_A入＝213V，

而变比i＝(4+100+29)/10＝13.3，则：

U_A出＝U_A入-U_A入/13.3≈197V.

5)-3档：选择开关K8和K12闭合，将线电压U _AB反向施加到Q1、Q2、Q3、Q4组成的工作线圈上。由于反向线电压U_AB与A相相电压U_AN的相位存在150度夹角，而其辐值是U_AN的倍，假如此时U_A入＝221.7V，

而变比i＝(4+100+29+4)/10＝13.7，则：

U_A出≈U_A入+U_AB X COS150°/13.7≈197.4V

6)-4档：选择开关K8和K10闭合，将线电压U _AB反向施加到Q1、Q2组成的工作线圈上。由于反向线电压U_AB与A相相电压U_AN的相位存在150度夹角，而其辐值是U_AN的倍，假如此时U_A入＝230.3V，

而变比i＝(4+100)/10＝10.4，则：

U_A出≈U_A入+U_AB X COS150°/10.4≈197.1V

由上述分析可知，本实施例的相控补偿式交流稳压调压装置具有稳压、调整输出电压、尤其是输出稳定低压的功能。当应用于道路照明及城市景观照明等工程时，具有节能省电效果。

由本实施例可知，通过选择初级绕组的工作线圈匝数，配合施加合适的异相相电压、同相相电压或线电压，本发明相控补偿式交流稳压调压装置还可实现更多档、适用于某些特殊场合的、更精确的稳压调压功能。

本发明中所指选择开关，可为手控式，也可配合检测控制电路采用接触器常开触点、晶闸或其它电子开关。相控补偿式交流稳压调压装置常包括的检测控制电路，属本领域普通技术人员公知的现有成熟技术，为保持图面整洁紧凑，在例图中未作标出，在此也不再赘述。

Claims (4)

1.一种相控补偿式交流稳压调压装置中补偿电压的方法，所述相控补偿式交流稳压调压装置的补偿变压器的次级绕组串接于电源与负载之间，其初级绕组的两端分别通过选择开关接至电源的相线或零线；该方法包括通过控制选择开关的通断，对所述初级绕组选择施加同相相电压或线电压，其特征在于：该方法还包括通过选择开关向所述初级绕组选择施加异相相电压；

所述初级绕组上设有4个抽头；由此形成的中段绕组的线圈匝数为两端绕组线圈匝数的4-50倍；

所述初级绕组的两端，各自通过2个选择开关，分别接至电源的同相相线及其中一根异相相线；所述中段绕组的两端通过选择开关接至电源零线。

2.一种相控补偿式交流稳压调压装置中补偿电压的方法，所述相控补偿式交流稳压调压装置的补偿变压器的次级绕组串接于电源与负载之间，其初级绕组的两端分别通过选择开关接至电源的相线或零线；该方法包括通过控制选择开关的通断，对所述初级绕组选择施加同相相电压或线电压，其特征在于：该方法还包括通过选择开关向所述初级绕组选择施加异相相电压；

所述初级绕组上设有5个抽头；

所述初级绕组其中一个端侧的抽头，通过2个选择开关，分别接至电源的同相相线及其中一根异相相线；

所述初级绕组另一个端侧的抽头，通过选择开关，接至与本稳压调压装置的供电电源相异相的其中一根相线；

所述初级绕组中与两个端侧相邻的抽头，通过选择开关接至电源零线；

所余中部抽头，通过选择开关，接至与本稳压调压装置的供电电源相异相的其中一根相线。

3.一种相控补偿式交流稳压调压装置，包括有补偿变压器和检测控制电路，所述补偿变压器的次级绕组串接于电源与负载之间，其初级绕组的两端分别通过选择开关接至电源的相线或零线；通过控制所述选择开关的通断，向所述初级绕组选择施加同相相电压或线电压，其特征在于：还包括通过选择开关，在所述初级绕组上选择施加异相相电压；

各选择开关的通断为手动控制，或受控于检测控制电路；

所述初级绕组上设有4个抽头；由此形成的中段绕组的线圈匝数为两端绕组线圈匝数的4-50倍；

所述初级绕组的两端，各自通过2个选择开关，分别接至电源的同相相线及其中一根异相相线；所述中段绕组的两端通过选择开关接至电源零线。

4.一种相控补偿式交流稳压调压装置，包括有补偿变压器和检测控制电路，所述补偿变压器的次级绕组串接于电源与负载之间，其初级绕组的两端分别通过选择开关接至电源的相线或零线；通过控制所述选择开关的通断，向所述初级绕组选择施加同相相电压或线电压，其特征在于：还包括通过选择开关，在所述初级绕组上选择施加异相相电压；

各选择开关的通断为手动控制，或受控于检测控制电路；

所述初级绕组上设有5个抽头；

所述初级绕组其中一个端侧的抽头，通过2个选择开关，分别接至电源的同相相线及其中一根异相相线；

所述初级绕组另一个端侧的抽头，通过选择开关，接至与本稳压调压装置的供电电源相异相的其中一根相线；

所述初级绕组中与两个端侧相邻的抽头，通过选择开关接至电源零线；

所余中部抽头，通过选择开关，接至与本稳压调压装置的供电电源相异相的其中一根相线。

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