CN102222915B - 正弦交流电串附加电势调压法 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种正弦交流电串附加电势调压法。属电工技术领域。现有调压法，感应式耗材多，反应慢，效率低；自耦式精度低，反应慢，可靠性差；可控硅式会产生高次谐波，稳定性和可靠性较差，用于电机调压调速时低速端性能不好。三种方式的共同点是综合性能低。针对这一问题本发明采用串附加电势调压，以组合方式获取不同附加电势，通过计算机控制调压过程，从而收到省材高效、反应快、调节精度高、波形畸变小、可带载调压、调速范围较宽和运行稳定可靠的效果。本方案可用于制造具有高反应速度、高精度和高效率的调压及稳压装置、泵和风机的调压调速电源、变负荷电机的调压调功设备及用于精密机床的具有高速稳压和三相电压不平衡校正功能的动力电源等。

Description

正弦交流电串附加电势调压法

一、技术领域

电工技术

二、背景技术

目前国内广泛用于生产和试验的正弦交流电调压法有三种：

1、采用感应式调压器调压

感应式调压器具有和绕线式异步电动机相似的结构。改变转子和定子在空间的相对位置，转子和定子电势之间将发生相移，其合成电势则因此而改变。

由于转子和定子之间存在气隙，使磁阻大幅增加，要获得一定磁通和无气隙的磁路相比，需要增加较多的激磁安匝和采用较大体积的铁芯，因此制造时耗材多，运行时空载电流大、效率低。

感应式调压器的转子具有较大的转动惯量，为能比较准确地到达电压调节的目标位置，必须采用低转速；又由于调节时只能从始点逐步地移动到终点，不能跨越，所以对电压的变化无法作出快速反应。

但因其输出波形畸变小，可以带载调压，过载能力较强，性能稳定可靠，仍然获得广泛应用。

2、采用自耦式调压器调压

自耦式调压器分成环式和柱式两种，都是通过改变碳刷在线圈上的位置来改变输入和输出线圈的匝数比，从而使输出电压发生变化。

自耦式调压器的缺点部分源于使用碳刷，碳刷的存在使可靠性降低，反应速度减慢，维护工作量加大。

自耦式调压器无法得到较高的调压精度。这是因为碳刷是沿线圈的轴线方向移动而不是沿线圈的周边移动，所以调压精度就等于一匝线圈所对应的电压除以额定电压的百分数。为获得较高的技术经济指标每匝电压不容作较大改变，致使调压精度受到限制，且调压器容量越大精度越低。

在运行中自耦式调压器各段电流的大小是不相同的，因此线圈的截面积也应有所差别。但由于采用变截面导线或用不同规格的导线分段绕制线圈在工艺上行不通，另外碳刷的厚度也无法随导线的宽度(直径)不同而改变，因此只得按额定电流选择同一截面的导线绕制，使省材幅度下降。

尽管如此，由于自耦式调压器比较省材，运行效率高，也获得了广泛应用。

3、采用可控硅交流调压器调压

这种调压器是通过控制交流电在半周期内的通导时间来改变半周期内的电压平均值实现对输出电压的控制。

由于输出波形是不完整的正弦波，所以会产生高次谐波污染电网和干扰通讯并造成附加损耗。在单相或三相四线制电路中当可控硅正、负半周的通导角不相等时会产生直流分量，导致单相电机或变压器负载的激磁电流增加，严重时会影响正常运行甚至损坏元件。

这种调压方法只能把输入电压降低输出，而不能把输入电压升高输出，否则必须增加升压变压器。此外，当控制角小于或等于负载的功率因数角时将失去调压作用；而当控制角较大时，可控硅元件所允许通过的平均电流显著减小，致使负载能力大大下降。而异步电动机当负载转矩不变时电压下降将造成电流的迅速上升，由此形成的电流反差将使低端的调速性能变坏，调速范围缩小。

在对可控硅进行数字控制时常把电压的过0点作为时间基点。因为运算放大器的灵敏度不同，由0电平检测器输出的脉冲信号宽度常有差异，同时该脉冲宽度也不一定以理论过0点为对称，致使无法确定计时基点的准确位置，影响电压调节的准确度。而当使用模拟电路控制时，温度、湿度、污垢程度等外部条件对控制角都会产生一定影响。

可控硅交流调压器的优点是反应速度快(因而可以组成闭环系统)，控制功率小，重量轻，投资小，多用于中、小电机的调压调速，电炉的温度控制，灯光调节等。

由上面的说明可知，这三种电压调节方法有一个共同点，就是综合性能低，这种情况在很大程度上限制了它们的使用范围，造成设备的浪费。

三、发明内容

本人的发明为正弦交流电调压提供了一个全新的技术方案，即通过在负载回路中加串和主电源同频率的附加电势实现对负载端电压的调节。其特征是该附加电势能组成一等差数列，数列的长度Ls和调压精度A、调压幅度B之间存在Ls＝B/A的关系，数列中的每一项均由(n+1)位单元电势组合而成，而单元电势则按AUe3ⁿ和n＝1、2、3......依次取值。这种方案具有输出波形崎变小、省材、高效、反应速度快、可以获得很高的调压精度、能带载调压和性能稳定可靠等特点。

本发明的主要内容除调压方法外即是附加电势源的结构、组合方法和控制方法，现就上述内容分别说明如下。

1、串附加电势调压原理

设线性电路处在单一频率的正弦激励之下。在正弦稳态时，沿任一闭合回路，基尔霍夫由压定律可以表示为：

$\underset{K=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_K=0$

其中

为沿该闭合回路第K条支路的电压相量。

据此，当电源和线路的阻抗为0时，在一个由主电源

供电的闭合回路中串入和主电源同频率的附加电势

若该电势的相位角和主源相同或相反，则负载端电压

即等于主电源电压和附加电势的代数和，即U₂＝-(U₁+U₃)其中负号表示电压降落的方向。

当电源和线路的阻抗不可以忽略时，则可以通过增加附加电势的方法补偿该阻抗造成的电压降落。

显然，只要附加电势的极性是可以改变的，电压数值又是能够连续可调的，则可以实现对负载端电压的调节。

如果将上式两端同乘以电流I，则得

IU₂＝-(IU₁+IU₃)其中负号表示功率输出。

不难看出负载的功率由两部分组成，一是附加电势源提供的电压调整功率IU₃，而其余部分则全部由主电源的传导功率IU₁承担。这就是用材省、运行效率高的原因。例如一调幅为土20％，容量为500KVA的调压器，附加电势源的容量为500×20％＝100KVA；因附加电势源为普通变压器结构，效率在95％左右，所以调压器的效率为(500-5)/500＝99％。

同时由于同频率、同相位或反相位的正弦量相加、减其代数和也是正弦量，因此调压方法本身并不导致输出波形畸变。

2.附加电势源的结构，附加电势的组合方法及单元电势源定额。

1)单元电势源为变压器结构。其次级绕组的端电压定义为单元电势。

2)若干单元电势源初级绕组的同名端经开关并联、次级绕组按异名端相接的方式串联后组成附加电势源，各次级绕组串联后的端电压定义为附加电势。

3)单元电势的取值应该做到经过单元电势之间的组合能以最少的单元获取尽可能多的附加电势值，并且这些电势值是按等差数列形式排列的，数列的阶差和最小项均等于调压精度所对应的电压值，而数列的最大项则和调压幅度所对应的电压数值相同。

4)组合方法。

α、将单元电势按AUe3ⁿ组成系列。其中A为调压精度，用百分数表示，Ue为调压装置的额定电压，n＝0，1，2，3，......，自然数。

b、将单元电势组合成附加电势时，应按从小到大的顺序依次选取若干位。前n+1位单元电势所能组合的阶差为AUe的等差数列的长度L亦即阶差为AUe的附加电势数量，如表1。

表1

n+1	1	2	3	4	5	6	7	8	...	n+1
											L	1	4	13	40	121	364	1093	3280	...	3n+Ln

c、参与组合的单元电势位数(n+1)由调压精度A和调压幅度B决定。首先计算出所需要的数列长度Ls＝B/A，然后从表1的L值栏选择等于Ls或大于并最接近于Ls的数作为实际数列长度L，据此从表1中查出对应的位数(n+1)。(n+1)的值一般不会超过8，因为即使调幅为I00％，调压精度也可达万分之三。

由于调压精度A＝B/L，当调压幅度B确定后，调压精度只决定于数列长度L，即决定于参加组合的位数(n+1)。任何精度都可以通过选择适当的组合位数达到满足，所以这种调压方法可以获得很高的精度。

组合时只要通过改变参加组合的单元电势数量和极性，即可获得表1中的L值。

例如某一调压器，其调压幅度B为士20％，调压精度A为0.5％，则所需数列长度Ls＝B/A＝20％÷0.5＝40，查表1，与40对应的n+1值为4，前4位单元电势的数值分别为AUe，3AUe，9AUe，27AUe，所能组合的附加电势数值则为AUe(1，3-1＝2，3，3+1＝4，9-3-1＝5，9-3＝6，9-3+1＝7，9-1＝8，9，9+1＝10，9+3-1＝11，9+3＝12，9+3+1＝13，27-9-3-1＝14…27+9+3+1＝40)，和AUe(-1，-3+1＝-2，-3，-3-1＝-4，...，-27-9-3-1＝-40)，余类推。

d、为满足某种需要(比如通过增加参与组合的单元数量来获得较大的控制功率时)，可以采用其它单元电势系列，如AUe2n，AUe(1，3，6，21，63，189，567，1701，5103…)等。

5)单元电势源定额

各单元电势的电流(即变压器的次级电流)均等于调压装置的额定电流(但当附加电势源初级接于稳压器输出侧时例外)；单元电势(即变压器次级电压)等于AUe3ⁿ；单元电势源的输入电压(即变压器的初级电压)均等于主电源额定电压。

3、附加电势源与负载的联结与控制方法。

单元电势源实际上是以自耦变压器的形式接于主电源和负载之间，所以串附加电势调压也可以理解为变初、次级线圈匝数比调压。

附加电势源与负载的联结方法如图1所示：

1)附加电势源次级绕组串接于主电源与负载R_fz之间(因此，调压器的主回路并无触点，可以带负载调压)。

附加电势源初级的联结方法与调压装置的用途有关，选择时应顾及到所采用的电压校正方法。校正方法有两种，一为差额补偿法，其一次补偿量等于基准值和实时值之差，所以电压可以一次调整到位，特点是速度快。二为逐步补偿法，其每一次的补偿量是一个固定数，一直补偿到实时值和基准值之差在电压调节精度所允许的范围内为止，特点是精度高。

对于调压器和调压调速装置，附加电势源的初级线圈接在输入侧Ty处，采用主令信号控制电压；对于稳压器，若对反应速度无特殊要求时一般也宜将附加电势源的初级线圈接在Ty处，采用逐步补偿法校正电压。若要求具有很高的应变速度则宜把附加电势源的初级线圈接在稳压器的输出侧WY处，采用差额补偿法校正电压。这是因为宏观上附加电势源也是变压器，所以它的输出电压会随输入电压的改变而改变。因此若把附加电势源的输入端接在稳压器的输入端Ty处，当负载端电压的变化是由主电源电压波动所致，则按差额补偿法作第一次校正时会出现过补偿或欠补偿现象，电压需要经过连续几个周期校正才能恢复到原来的数值。将附加电势源的输入端接于稳压器的输出端wy处，虽然第一次校正时也同样会出现过补偿或欠补偿现象，但由于附加电势源的输入端电压因得到补偿产生自激，会无限地逼近稳压值，从而实现在一个调整周期内将电压补偿到位。但因为这种接法附加电势源初级电流也要流经次级线圈，所以应按额定电流的(1+B)倍选择次级导线截面。

2)控制方法

本装置采用单片计算机控制，高速开关作单元电势源工作状态转换的执行元件。高速开关一般采用固态继电器，小功率的调压装置也可以使用小型大功率电磁式继电器或继电器与固态继电器组合使用，此时固态继电器用于动作频繁的单元。

由于采用计算机控制，需要把各附加电势值编码。然后从小到大以数据表格的形式放在计算机程序储存器的一段连续地址中，这样就把电势值变成了位置的函数。所以调压时，只需改变数据指针的偏移量，从数据表格中取出对应的附加电势值编码送计算机的1/0口，即可控制各组合单元的极性、退出和投入，达到调节电压的目的。

编码方法

附加电势采用二进制数编码，每单元电势的工作状态用2位二进制数表示；每四个单元电势占用8位计算机的一个字节。编码时将参与组合的各位单元电势按数值从大到小的顺序自左至右排列；并用“10”、“01”、“00”分别表示和主电源同极性，反极性和0三种工作状态。为编码时方便，也可以用“+”、“-”分别代表同极性和反极性，并置于每位单元电势的左边和右边。当需要时，也可以按相反的方向编码。

按上述方法，续前例，可得到如下的编码表2

表2：

四、附图说明

附图1为单元电势和附加电势源的联结方法图。

附图2为单相调压/稳压器单元电势源控制原理图。若是三相调压装置，只需将图中的SSR元件换成三相模块即可；如果附加电势是由多单元组成，只需更改各单元SSR的规格和按单元数重复本电路；图中键盘、单片计算机、A/D转换芯片、控制电源、峰值检波器、峰点检测器和0电平检测器为各单元电路所共用。

附图3为控制时序图。

五、具体实施方式：

1、应用串附加电势调压法可以生产多种产品，主要有以下几类：

a)普通的及具有高应变速度和高精度的调压器，稳压器，调压/稳压器。

b)由于异步电动机调压调速的机械特性与泵和风机的机械特性相配，可以生产用于泵和风机的调压调速设备，实现节能运行、恒压供水(风)，并特别适合在电压波动较大的场所使用。

c)电动机的调压调功设备。供负荷变化大的电动机节能运行，提高功率因数。此时宜把电动机的某一电流值作为调压目标。

d)供精密机床使用的具有高速稳压和三相电压不平衡校正功能的动力电源。

由于异步电动的转矩和电压的平方成正比，电压的较小变化将造成转速的较大变化，从而影响加工件的表面光洁度、尺寸精度和形位精度。又因三相不平衡电压可以分解成正序、负序、0序三组分量，负序分量将影响转矩，使效率降低；0序分量则可能导致振动而影响加工精度。若三相共用一个电压基准，分相稳压，则装置将具有三相电压不平衡校正能力。

2.由于目前国产三相固态继电器的最大电流规格为500A，所以当前用此法能制造的调压装置容量，当调压幅度为100％时为450KVA，20％时为1200KVA。

3、控制原理举例

由于控制原理及控制程序与具体的控制要求、硬件结构、采样方法等有关，所以在此仅以具有稳压功能的单相调压器为例说明控制的一般原理及注意事项，不涉及具体参数。控制程序因与本发明无直接关系，只针对本例作一般描述。

本例附图见图2单相调压/稳压器单元电势源控制原埋图和图3控制时序图。

图2中

和

分别为主电源电压向量、负载端电压向量和各单元电势向量。

因 $\underset{K=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_K=0$

故负载端电压

当单元电势

和主电源

同相或反相时，U₂＝-(U₁+U₃+…+U_n)。即负载所需的端电压在数值上等于主电源电压和附加电势的代数和而方向则与代数和相反。

当单元电势和主电源电压极性相反时，单元电势源的输入端电流反向，此时该单元电势源相当于发电机把能量反馈至电网，所以这种调节法几乎无能量损失。

图中K1为调压/稳压器的总开关，V₁、V₂分别为输入、输出端的电压表，R_fz代表负载。

SSR_1-4是控制电路的执行元件，由于在电压过0点投入空载变压器会产生很大的激磁电流，所以本图选择SGDH系列随机通导型固态继电器。当附加电势编码信号为正极性工作状态时，组成正极性支路的SSR₁和SSR₃通导，组成负极性支路的SSR₂与SSR₄关断。反之负极性工作状态时SSR₂与SSR₄通导，SSR₁和SSR₃关断。

由于SSR元件一经触发后必须电流过0才能关断，如果在SSR₁和SSR₃没有关断之前触发SSR₂和SSR₄使之通导，则两极性支路之间会发生短路。所以在某一极性支路开通之前，应当提前关断另一极性支路上的SSR元件。由于SSR元件在触发后的180°电角度之内电压必定过0，电压过0后的90°电角度之内电流也必定过0，所以提前关断的时间不大于180°+90°＝270°电角度，当主电源频率为50HZ时，即为15ms。

当BD1为0工作状态时，除SSR₁和SSR₄关断外SSR₂和SSR₃必须通导。

这是因为若SSR₂和SSR₃处于关断状态，变压器BD1的初级线圈将无电流通过，次级则相当于铁芯电感无件，其上会产生较大的电压降落而导致调压/稳压器不能正常工作。而当SSR₂和SSR₃-但开通，变压器即类似于电流互感器，铁芯中的磁通几乎为0，不仅使次级的电压降落约等于0，也使该变压器的铁损不复存在，因而提高了运行效率。

当正、负极性工作状态进行相互转换或极性工作状态与0工作状态进行转换时，在非纯电感性负载的情况下，实际提前断电时间小于270°电角度，因此单元电势源初级会出现断电间隙。此时其次级仍有电流，类似于电流互感器次级断路，线圈两端将有较高电压出现。同时电网中有时也会出现操作过电压和雷电过电压，所以设置压敏电阻Ry和阻容吸收装置对过电压进行限制和吸收，确保SSR元件安全。

当SSR₁断开后，整流桥ZLQ₃有电，光耦G0₁工作，三极管T₁截止，使S₁呈现高电平；此时SSR₄通导，S₂为低电平。同理SSR₄断开时S₂为高电平，S₁为低电平。这就为正、负极性电路互锁及0工作状态SSR₂、SSR₃开通提供了冗余条件。图中LED₂、LED₃是工作状态监视指示灯，SRD为快速熔断器，用于主控回路的过电流保护。

V₁、V₂是D型触发器，为锁存计算机发出的单元电势控制信号而设置，并有增强抗干扰能力的作用。V_7-10为四端与门，其中V₇、V₈控制单元电势源的工作状态，V₉在0工作状态时使初级线圈两端短路，V₁₀提供V₉开通的冗余条件，确保无切换短路出现。V₁₁为驱动门，直接控制SSR元件。

V_4-6是异或门，其中V₄保证在任何情况下，只有一个极性支路开通，V₅、V₆和电子开关V3组成先断电后通电的控制电路。

控制信号锁存之前若D触发器的D端和Q端信号相同，表明工作状态不需要改变，因此，异或门输出低电平信号，使V₃中的对应开关断开，由P_2.7给出的低电平信号被阻断，与门相应的线位呈高电平，保持原状态不变。而当D和Q信号不同时，异或门输出高电平开启V₃中的对应开关，使P_2.7中的低电平信号抵达与门，切断通导元件的控制电路。经过15ms的延时P_2.7发出正脉冲锁存信号，使D、Q信号相同，异或门输出低电平关闭了V₃中对应的开关，允许与V₇、V₈通电。

本图将0电平检测器和峰点检测器的输出信号经过二极管或门合并后作为计算机的同步信号；把峰值检波器的输出信号作为采样信号，其时序关系如附图3图所示。

附图3表明，计算机在第一个同步脉冲把P1口的信号锁存在D触发器内，并将峰值检波器清0，完成和主电源同步；等峰值信号稳定后在第三个同步脉冲对调压器输出电压的A/D转换数据进行采样；由于SSR所需的提前关断时间最长不大于270°电角度，因此在第6个同步脉冲锁存P1口信号，向执行元件SSR发出电压调整指令，并将峰值检波器清0。计算机按上述节拍循环，完成调压工作。

由此可知，调压器完成一次电压调整的时间为5/4周期，对于主电源频率为50HZ的调压器，即为25ms。当调压器采用主令信号改变负载电压和稳压器采用差额补偿法校正负载电压时，均可以一次完成调压工作，所以校正时间只是感应式、自偶式调压器的几十分之一。

附图2中A₁～A₅组成键盘，V₁₂是A/D转换器，LED₁是满值指示灯，供标定使用。标定时在电源变压器B₁的输入端加上调压装置的最高输出电压，然后调整R_A使LED₁亮，即可根据最高输出电压和A/D转换器的位数计算出调压精度对应电压的二进制数值，供编程使用。

合上控制电源变压器开关K₂后计算机反复读取P_2.5的数值。当检测到第1个同步脉冲后即将峰值检波器清0，与电源保持同步。然后读取设定键A1对应的P_2.0，若为0，等待第三同步脉冲到来采样；若为1则转入调压程序，开始对调整键扫描：A₂为电压上升粗调键，若P_2.1为1把数据指针加10；A₃为电压上升细调键，若P_2.2为1，把数据指针加1；A4为电压下降粗调键，若P_2.3为1，把数据指针减10；A₅为电压下降细调键，若P_2.4为1，则把数据指针减1，为粗调或细调电压作好准备。当检测到第三个同步脉冲时计算机根据数据指针的指引取出相应的附加电势编码送P1口。在捕捉到第6个同步脉冲后将P₁口的编码信号锁存在D触发器中，发出调整电压的指令，然后对键盘扫描。若第二次检测到设定键对应的P₂₀为1，则计算机转而执行稳压程序：待第三个同步脉冲到来时读取A/D转换数据送RAM，并将此信号加、减调压精度对应电压的二进制数后分别作为高端基准和低端基准组成窗口比较器存于储存器中。到第六个同步脉冲时对峰值检波器清0，进入下一调整周期。从此开始，第一同步脉冲读取设定键值看是否需要转入调压程序；第三同步脉冲采样A/D数据送窗口比较器，当大于高端基准时将数据指针减1，小于低端基准将数据指针加1并从数据表格中取出对应的附加电势编码刷新P₁口；到第六个同步脉冲则由P_2.7产生正脉冲锁存P₁口信号，发出电压调整指令，并读取设定键，此后则按上述程序循环。

需要较高的稳压速度时可采用差额补偿法，将采样数据与高、低端基准相减，将差值除以调压精度对应电压的二进制数值即获得数据指针的偏移量，做到一个调整周期基本补偿到位。

Claims (2)

1.一种正弦交流电串附加电势的调压方法，其特征是：用于串入负载回路实施电压补偿的附加电势能够组成一等差数列，该数列的阶差、最小项和最大项分别等于调压精度A和调压幅度B所对应的电压数值，且存在L_S＝B/A的关系，其中L_S是该数列的长度，A和B均用百分数表示；数列中的附加电势由(n+1)位单元电势源的次级电压即单元电势串联组成，参与组合的单元电势按AUe3ⁿ和n＝0，1，2，3，......依次取值，其中Ue为调压装置的额定电压，(n+1)的大小则应使所组成的等差数列的长度不小于并最接近于L_S，每一位单元电势源有和主电源同极性、反极性、0三种工作状态；附加电势则用含有各单元电势源工作状态信息的二进制数编码表示，调压时计算机根据所需要的补偿量信息输出与之对应的附加电势编码去控制各单元电势源的初级开关，则次级电压的代数和即为与补偿量相当的附加电势。

2.根据权利要求1所述的正弦交流电串附加电势的调压方法，其特征是附加电势按下述方法编码：将参与组合的单元电势按其数值大小顺序排列，根据附加电势等于各单元电势的代数和，计算出各单元电势源所对应的工作状态，并对和主电源同极性、反极性、0三个工作状态分别赋予由二进制数组成的“10”、“01”、“00”状态编码，将所得状态编码按单元电势排列顺序组合在一起，即为该附加电势的编码。

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