CN102158104B

CN102158104B - 一种电压与电流调节器

Info

Publication number: CN102158104B
Application number: CN 201110088175
Authority: CN
Inventors: 李晓明
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: CN102158104A

Abstract

本发明公开了一种电压与电流调节器。它包括一个电压与电流调节器铁芯，铁芯有四条柱子，四条柱子两头有T字形横梁构成磁通回路；中心柱子有交流线圈L1，一个侧柱有交流线圈L3、直流线圈L5，另一个侧柱有交流线圈L4、直流线圈L6，中心柱或旁柱上有交流线圈L2；交流线圈L2的两个端子为输出端子；线圈L5的同名端与线圈L6的同名端连接，线圈L5的异名端与线圈L6的异名端分别为直流电流输入端子；控制电源经反向并联的晶闸管连接到全桥整流电路输入端，全桥整流电路输出端与直流线圈串联，并形成闭合回路。本发明输出电压调节范围较大，反应速度快，电压连续可调。

Description

一种电压与电流调节器

技术领域

本发明涉及电力系统送变电技术领域和工业电器领域，特别涉及一种电压与电流调节器。

背景技术

电力变压器的变比大部分是固定的，电力变压器一旦制造完成，电力变压器一次线圈匝数和二次线圈匝数就确定了，电力变压器的变比就确定了。电力系统希望有调整电压的手段。通过调整无功功率可以调整电压，但是，控制设备复杂，使用不方便，调节范围较小。电镀企业、炼钢厂及工业电器领域需要较大范围与较大功率的电压与电流调节设备。

通过变压器调整电力系统电压最直接。但是，变压器在运行中要改变线圈的匝数，需要技术含量很高的有载调节开关。发明专利号为：2008100551634“采用电抗式有载分接开关的高压线圈角接得有载调压变压器”和发明专利号为：2008101381541的“多档干式调压变压器”提出了两种有载调压变压器。提出的各种有载调压变压器各具特色，但是，这些有载调压变压器都是利用机械开关原理，切换变压器线圈的抽头，改变线圈的匝数来调节电压。这种调压方式不能对电压连续调节，反应速度慢。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种晶闸管控制的，调节范围较大，反应速度快，电压与电流连续可调的电压与电流调节器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电压与电流调节器，它包括：

一个电压与电流调节器铁芯，铁芯有四根柱子，一根中心柱，两根侧柱，一根旁柱，四根柱子平行；四根柱子两端由T字形横梁构成磁通回路，中心柱和两根侧柱的横梁在一条直线上，旁柱和中心柱横梁在另一条直线上，两条直线相互垂直；两根侧柱分别对称分布在中心柱两侧，；两根侧柱截面积相等，两根侧柱截面积之和等于或小于中心柱截面积，旁柱的截面积等于或小于中心柱截面积；中心柱有交流线圈L1，一根侧柱有交流线圈L3、直流线圈L5，另一根侧柱有线圈交流L4、直流线圈L6，中心柱或旁柱上有交流线圈L2；交流线圈L2的两个端子为电压与电流调节器交流输出端子；

直流线圈L5的同名端与直流线圈L6的同名端连接，直流线圈L5的异名端与直流线圈L6的异名端分别为直流电流输入端子；

交流控制电源经反向并联的晶闸管D5、D6连接到全桥整流电路输入端，全桥整流电路输出端与电压与电流调节器直流线圈串联，并形成闭合回路；并联的晶闸管D5、D6与控制电路连接。

所述交流线圈L1的同名端为交流电源的一个输入端子；交流线圈L1的异名端与交流线圈L3的同名端、交流线圈L4的同名端连接；交流线圈L3的异名端与交流线圈L4的异名端连接，并作为交流电源的另一个输入端子。

所述交流线圈L1的同名端为交流电源的一个输入端子；交流线圈L1的异名端与交流线圈L3的同名端连接，交流线圈L3的异名端与交流线圈L4的同名端连接，交流线圈L4的异名端为交流电源的另一个输入端子。

所述交流线圈L3与交流线圈L4的匝数相等，直流线圈L5与直流线圈L6的匝数相等；交流线圈L1的匝数应满足：在交流线圈L1两端加额定电压时，中心柱铁芯不饱和。

所述直流线圈L5与直流线圈L6产生的直流磁通只在侧柱之间的闭合磁通回路流通，不会流到中心柱与旁柱的铁芯。

所述控制电路的两个输出分别连接反向并联的晶闸管的触发端，控制电路连续控制晶闸管D5与D6的导通量，可以连续控制直流线圈L3和直流线圈L4直流电流的大小。

本发明的有益效果是：电压与电流调节器输出电压调节范围较大，反应速度快，电压与电流连续可调。如果电压与电流调节器的输出经整流电路变为直流电压和直流电流，则电压与电流调节器可实现直流电压与直流电流的连续调节，直流输出功率可以非常大。

附图说明

图1表示电压与电流调节器的一种拓扑结构与连接方式；

图2a为一种电压与电流调节器的主体铁芯的正视图；

图2b为一种电压与电流调节器的主体铁芯的侧视图；

图2c为一种电压与电流调节器的主体铁芯的俯视图；

图3a为另一种电压与电流调节器的主体铁芯的正视图；

图3b为另一种电压与电流调节器的主体铁芯的侧视图；

图3c为另一种电压与电流调节器的主体铁芯的俯视图；

图4表示电压与电流调节器的第2种连接方式；

图5a表示电压与电流调节器的第3种拓扑结构与连接方式；

图5b为图5a的侧视图；

图5c为图5a的俯视图；

图6a为另一种电压与电流调节器的主体铁芯的俯视图；

图6b为另一种电压与电流调节器的主体铁芯的侧视图；

图6c为电压与电流调节器的主体铁芯的俯视图。

其中，1.电压与电流调节器输入端子I，2.电压与电流调节器输入端子II，3.电压与电流调节器输出端子I，4.电压与电流调节器输出端子II，5.直流线圈端子I，6.直流线圈端子II，7.电压与电流调节器铁芯，8.过压保护电路，9.交流控制电源，10.控制电路。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

一种电压与电流调节器的拓扑结构与连接方式如图1所示。图2a为电压与电流调节器的主体铁芯的正视图；图2b为电压与电流调节器的主体铁芯的侧视图；图2c为电压与电流调节器的主体铁芯的俯视图。电压与电流调节器铁芯7有四根柱子，一根中心柱，两根侧柱，一根旁柱，四根柱子平行；四根柱子两端有横梁构成T字形磁通回路，中心柱和两根侧柱的横梁在一条直线上，旁柱和中心柱的横梁在另一条直线上，两条直线相互垂直；两根侧柱分别对称分布在中心柱两侧，并以中心柱两侧对称，两根侧柱截面积相等，两根侧柱截面积之和等于或小于中心柱截面积，旁柱的截面积等于中心柱截面积；中心柱子有交流线圈L1，一根侧柱有交流线圈L3、直流线圈L5，另一根侧柱有交流线圈L4、直流线圈L6，中心柱或旁柱上有交流线圈L2；直流线圈L5的同名端与直流线圈L6的同名端连接，直流线圈L5的异名端与直流线圈L6的异名端分别为直流电流输入端子；所述交流线圈L1的同名端为交流电源的电压与电流调节器输入端子I1，交流线圈L1的异名端与交流线圈L3的同名端、交流线圈L4的同名端连接，交流线圈L3的异名端与交流线圈L4的异名端连接，并作为交流电源的另一个电压与电流调节器输入端子II2。所述交流线圈L3的匝数N3与交流线圈L4的匝数N4相等，直流线圈L5的匝数N5与直流线圈L6的匝数N6相等。交流线圈L1的匝数N1应满足：在交流线圈L1两端加额定电压时，中心柱铁芯不饱和。交流线圈L2的同名端为电压与电流调节器输出端子I3，异名端为电压与电流调节器输出端子II。

交流控制电源经反向并联的晶闸管D5、D6连接到全桥整流电路输入端，全桥整流电路输出端与直流线圈L5的异名端的直流线圈端子I5、直流线圈L6异名端的直流线圈端子II6串联，并形成闭合回路。

两根侧柱对于中心柱对称，所以两根侧柱的交流磁通相等，两根侧柱的交流磁通在直流线圈L5与直流线圈L6产生的交流电压大小相等，方向相反。电压与电流调节器直流线圈L5、L6上的交流感应电动势不会对直流回路产生影响。当直流线圈L5、L6流入直流电流时，所述直流线圈L5与直流线圈L6产生的直流磁通只在旁柱之间的闭合磁通回路流通，不会流到中心柱和旁柱中。

当电压与电流调节器直流线圈L5、L6电流为零时，电压与电流调节器输入的交流电压U_N加在交流线圈L1、交流线圈L3、交流线圈L4上。励磁电流i_μ流过交流线圈L1；由于交流线圈L3与交流线圈L4的匝数相等，交流线圈L3流过一半i_μ，交流线圈L4流过一半i_μ。交流线圈L1在中心柱产生的磁通，分别从两个侧柱流回，不会流入旁柱。所述电压与电流调节器铁芯7中心柱有线圈L2，交流线圈L2的两个端子为电压与电流调节器交流输出端子。交流线圈L2的输出电压U＝U_N*N2/(N1+N3)＝nU_N；其中电压与电流调节器最小变比n＝N2/(N1+N3)。

如果直流线圈流入直流电流足够大，电压与电流调节器两个侧柱深度饱和。电压与电流调节器输入的交流电压U_N加在交流线圈L1、交流线圈L3、交流线圈L4上。励磁电流i_μ流过交流线圈L1；由于交流线圈L3与交流线圈L4的匝数相等，交流线圈L3流过一半i_μ，交流线圈L4流过一半i_μ。由于电压与电流调节器两个侧柱深度饱和，交流线圈L1在中心柱产生的磁通，不从两根侧柱流回，而是流入旁柱，从旁柱返回。由于电压与电流调节器两根侧柱深度饱和，交流线圈L3与交流线圈L4的交流磁通很小，交流线圈L3与交流线圈L4的交流电压很小，电压与电流调节器输入的交流电压U_N几乎全部加在交流线圈L1上。所述电压与电流调节器铁芯中心柱子有线圈L2，交流线圈L2的两个端子为电压与电流调节器交流输出端子。交流线圈L2的输出电压U＝U_N*N2/N1＝mU_N，其中电压与电流调节器最大变比m＝N2/N1。

如果交流线圈L2的输出接有负载，交流线圈L2的输出电压可能下降。设计U_μ为交流线圈L3的饱和电压，接有负载时交流线圈L2的输出电压U＝(U_N-U_μ)N2/N1。当U_N＝U_μ，交流线圈L2接有负载的输出电压为零。直流线圈流入直流电流从零开始增大，交流线圈L2的输出电压逐渐增大，交流线圈L2的输出电流也逐渐增大。交流线圈L2的最大输出电压为U＝U_N*N2/N1＝mU_N。当U_N＝U_μ，交流线圈L2接有负载的输出电压为零；电压与电流调节器有柔性分合器功能和短路电流限制器功能。

交流控制电源9为电压源时，交流控制电源9串联一对反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6后连接由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成的全桥整流电路的输入端，全桥整流电路的输出端连接直流线圈端子I5和直流线圈端子II6，形成闭合回路；如图1所示。

交流控制电源9为电流源时，交流控制电源9并联一对反向并联的晶闸管D5和晶闸管D6后连接由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成的全桥整流电路的输入端，全桥整流电路的输出端连接直流线圈端子I5和直流线圈端子II6，形成闭合回路。

所述电压与电流调节器直流线圈L5、L6的两异名端并联有电容C1，可使直流电流更平稳，并吸收脉冲干扰电压。电压与电流调节器直流线圈两端并联有过电压保护电路8，可保护整流电路。

一个控制电路10，它的两个输出端分别连接两反向并联的晶闸管D6、D6的触发端。

晶闸管D5和晶闸管D6两端为工频电压；控制电路10可从0°至180°范围连续控制晶闸管的导通量；晶闸管D5和晶闸管D6的触发角小时，晶闸管D5和晶闸管D6的导通量大；晶闸管D5和晶闸管D6的触发角大时，晶闸管D5和晶闸管D6的导通量小。控制电路10连续控制晶闸管D5与晶闸管D6的导通量，可以连续控制直流线圈L3和直流线圈L4直流电流的大小。

当控制电路10触发晶闸管D5和晶闸管D6全关断(当交流控制电源9为电流源时，控制电路10的触发晶闸管D5和晶闸管D6全导通)，直流线圈L3与直流线圈L4的直流电流为零；直流线圈L3与直流线圈L4所在铁芯不饱和，交流线圈L2的输出电压为电压与电流调节器最小值。

当控制电路10逐步改变晶闸管的触发角，晶闸管D5和晶闸管D6逐步改变导通量，直流线圈L3与直流线圈L4中直流电流逐渐加大；交流线圈L2的输出电压逐渐加大。

当交流控制电源9为电压源时，控制电路10的触发晶闸管D5和晶闸管D6全导通(当交流控制电源9为电流源时，控制电路的触发晶闸管D5和晶闸管D6全关断)，直流线圈L3与直流线圈L4流过设计的最大直流电流；直流线圈L3与直流线圈L4所在铁芯深度饱和，直流磁通回路磁阻很大，交流线圈L1产生的交流磁通流到直流磁通回路很少，交流线圈L1产生的交流磁通绝大部分都在中心柱和旁柱的磁通回路流动。交流线圈L2的输出电压为电压与电流调节器最大值。

由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成的全桥整流电路可改为晶闸管D1、晶闸管D2、晶闸管D3、晶闸管D4构成的全控桥整流电路；控制晶闸管D1、晶闸管D2、晶闸管D3、晶闸管D4的触发角的大小，调节直流线圈L3与直流线圈L4中直流电流大小，从而连续调节电压与电流调节器输出电压。这样，晶闸管D5和晶闸管D6可以省去，减小损耗。二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成的全桥整流电路也可采用半控桥整流电路。

电压与电流调节器的输入端口与输出端口对调，也是可以使用的。

为了方便电压与电流调节器铁芯的制造，电压与电流调节器铁芯也可采用图3a、图3b、图3c所示结构。

实施例2：

在本实施例中，交流线圈L1的同名端为交流电源的电压与电流调节器输入端子I1；交流线圈L1的异名端与交流线圈L3的同名端连接，交流线圈L3的异名端与交流线圈L4的同名端连接，交流线圈L4的异名端为交流电源的电压与电流调节器输入端子II2，直流线圈L6的异名端为直流线圈端子II6，直流线圈L5的异名端为直流线圈端子I5，如图4所示。就变为另一种电压与电流调节器的连接方式。

当电压与电流调节器直流线圈电流为零时，电压与电流调节器输入的交流电压U_N加在交流线圈L1、交流线圈L3、交流线圈L4上。励磁电流i_μ流过交流线圈L1、交流线圈L3与直流线圈L5。交流线圈L1在中心柱产生的磁通，分别从两根侧柱流回，不会流入旁柱。由于侧柱的截面积为中心柱的一半，通等线圈匝数，交流电压减小一半。所述电压与电流调节器铁芯7中心柱子有交流线圈L2，交流线圈L2的两个端子为电压与电流调节器的电压与电流调节器输出端子I3和电压与电流调节器输出端子II4。交流线圈L2的输出电压U＝U_N*N2/(N1+N3)＝nU_N。

如果直流线圈L5、L6流入直流电流足够大，电压与电流调节器两根侧柱深度饱和。电压与电流调节器输入的交流电压U_N加在交流线圈L1、L3、L4上。励磁电流i_μ流过交流线圈L1、L3、L4。由于电压与电流调节器两根侧柱深度饱和，交流线圈L1在中心柱产生的磁通，不从两根侧柱流回，而是流入旁柱，从旁柱返回。交流线圈L3与交流线圈L4的交流磁通很小，交流线圈L3与交流线圈L4的交流电压很小，电压与电流调节器输入的交流电压U_N几乎全部加在交流线圈L1上。所述电压与电流调节器铁芯7中心柱子有线圈L2，交流线圈L2的两个端子为电压与电流调节器输出端子I3和电压与电流调节器输出端子II4。交流线圈L2的输出电压U＝U_N*N2/N1＝mU_N。

实施例3：

在本实施例中，把所述交流线圈L2安装在旁柱上，如图5a、图5b、图5c所示。就变为另一种电压与电流调节器的拓扑结构与连接方式。

当电压与电流调节器直流线圈电流为零时，电压与电流调节器输入的交流电压U_N加在交流线圈L1、交流线圈L3、交流线圈L4上。励磁电流i_μ流过交流线圈L1、交流线圈L3与直流线圈L5。交流线圈L1在中心柱产生的磁通，分别从两个侧柱流回，不会流入旁柱。交流线圈L2的输出电压U＝0。

直流线圈L5、L6流入直流电流从零开始增大，交流线圈L2的输出电压逐渐增大，交流线圈L2的输出电流也逐渐增大。

如果直流线圈L5、L6流入直流电流足够大，电压与电流调节器两根侧柱深度饱和。电压与电流调节器输入的交流电压U_N加在交流线圈L1、L3、L4上。由于电压与电流调节器两根侧柱深度饱和，交流线圈L1在中心柱产生的磁通，不从两根侧柱流回，而是流入旁柱，从旁柱返回。交流线圈L3与交流线圈L4的交流磁通很小，交流线圈L3与交流线圈L4的交流电压很小，电压与电流调节器输入的交流电压U_N几乎全部加在交流线圈L1上。交流线圈L2的输出电压U＝U_N*N2/N1。

交流线圈L1的同名端为电压与电流调节器输入端子I1，交流线圈L2的两端为电压与电流调节器输出端子I3和电压与电流调节器输出端子II4；交流线圈L3、L4的异名端为电压与电流调节器输入端子II2，直流线圈L5的异名端为直流线圈端子I5，直流线圈L6的异名端为直流线圈端子II6。

在本实施例与柔性分合器的功能相同，且铁芯重量较轻。

实施例4

在本实施例中，把A、B、C三相电压与电流调节器的铁芯合并为一个，如图6a、图6b、图6c所示。电力系统为A、B、C三相对称系统，可以采用三个单相电压与电流调节器实现三相电压的控制。也可把A、B、C三相电压与电流调节器的铁芯合并为一个，实现三相电压的控制。把A、B、C三相电压与电流调节器的铁芯合并为一个，可减轻A、B、C三相电压与电流调节器总体重量。

把A、B、C三相电压与电流调节器的铁芯合并为一个，可分别去除A、B、C相电压与电流调节器铁芯中的三个旁柱。A、B、C三相电压与电流调节器的铁芯，有A、B、C三个中心柱，A、B、C相各有两个侧柱，9条柱子平行；9条柱子两头有王字形横梁构成磁通回路；A相中心柱与A相的两个侧柱的横梁在一个条直线上，B相中心柱与B相的两个侧柱的横梁在一个条直线上，C相中心柱与C相的两个侧柱的横梁在一个条直线上，三条横梁平行；A、B、C三个中心柱横梁在另一个条直线上，A、B、C三个中心柱横梁与另三条横梁垂直。各相的两个侧柱分别在中心柱两侧，并以中心柱两侧对称，两个侧柱截面积相等，两个侧柱截面积之和等于或小于中心柱截面积。

本电压与电流调节器可用现有技术设计制造，完全可以实现。有广阔应用前景。

Claims

1.一种电压与电流调节器，其特征是，它包括：

一个电压与电流调节器铁芯，铁芯包括至少四根柱子，一根中心柱，两根侧柱，一根旁柱，四根柱子平行；四根柱子两端有横梁构成T字形磁通回路，中心柱和两侧柱的横梁在一条直线上，旁柱和中心柱横梁在另一条直线上，两条直线相互垂直；两根侧柱分别对称分布在中心柱两侧，两根侧柱截面积相等，两根侧柱截面积之和等于或小于中心柱截面积；旁柱的截面积等于或小于中心柱截面积；中心柱上设有交流线圈L1，一根侧柱设有交流线圈L3、直流线圈L5，另一根侧柱设有交流线圈L4、直流线圈L6，中心柱或旁柱上有交流线圈L2；交流线圈L2的两个端子为电压与电流调节器交流输出端子；

交流控制电源经反向并联的晶闸管D5、D6连接到全桥整流电路输入端，全桥整流电路输出端与直流线圈L5、L6串联，并形成闭合回路；反向并联的晶闸管D5、D6与控制电路连接。

2.如权利要求1所述的电压与电流调节器，其特征是，所述交流线圈L1的同名端为交流控制电源的一个输入端子；交流线圈L1的异名端与交流线圈L3的同名端、交流线圈L4的同名端连接；交流线圈L3的异名端与交流线圈L4的异名端连接，并作为交流控制电源的另一个输入端子。

3.如权利要求1所述的电压与电流调节器，其特征是，所述交流线圈L1的同名端为交流控制电源的一个输入端子；交流线圈L1的异名端与交流线圈L3的同名端连接，交流线圈L3的异名端与交流线圈L4的同名端连接，交流线圈L4的异名端为交流控制电源的另一个输入端子。

4.如权利要求1所述的电压与电流调节器，其特征是，所述交流线圈L3与交流线圈L4的匝数相等，直流线圈L5与直流线圈L6的匝数相等；交流线圈L1的匝数应满足：在交流线圈L1两端加额定电压时，中心柱铁芯不饱和。

5.如权利要求1所述的电压与电流调节器，其特征是，所述直流线圈L5与直流线圈L6产生的直流磁通只在侧柱之间的闭合磁通回路流通，不会流到中心柱与旁柱的铁芯。

6.如权利要求1所述的一种电压与电流调节器，其特征是，所述控制电路的两个输出分别连接反向并联的晶闸管D5、D6的触发端，控制电路连续控制晶闸管D5与晶闸管D6的导通量，从而连续控制直流线圈L5和直流线圈L6直流电流的大小。