CN103560679B - 脉宽调制型大功率交流稳压装置 - Google Patents

Abstract

一种脉宽调制型大功率交流稳压装置，目的是用一组三相铁心同时进行电压调节与电压补偿，并用开关稳压电源的控制方式进行组合性的三相大功率稳压及无动补偿；本发明包括一组三相铁心或三只单相铁芯、一组三相补偿绕组、两组三相调节绕组、三只电容器和调节器；一组三相补偿绕组和两组三相调节绕组按照同相位套装在同一心柱方式分别装设在一只三相铁心或三只单相铁心上，按照相同的首端方向依次分别串联联接，三只补偿绕组的首端经交流开关联接至三相交流电源端而串联在三相主回路；采用四只或六只整流管联接成单相或三相整流桥，在其直流端用正端接正极方式分别联接一只绝缘栅双极晶体管而构成单相或三相调节器。

Description

脉宽调制型大功率交流稳压装置

技术领域

本发明属于交流稳定电源及变压器领域，涉及一种脉宽调制型大功率交流稳压技术。

背景技术

目前属于大功率补偿型交流稳压电源的三相电力稳压器，采用补偿变压器与自耦式调压器两个电磁器件及伺服电机传动的方式来调节输出电压。脉冲变压器耦合的开关稳压电源，是用开关管子受脉冲宽度的脉冲信号控制而周期性地导通与截止，由此形成脉冲电压并经变压器融合，在次级脉冲电压整流滤波后，可得到稳定的直流输出电压。中国专利的双曲折移相调压器（00235152.8）利用三个组合调压绕组的自耦作用，使其原边绕组发生相位和数值的变化，，并使副边绕组发生正、负值的电压变化，进而达到输出稳压的目的。大功率的交流稳压只能采用串联补偿式的稳压方式，但现行技术采用两组电磁器件（变压器与自耦调压器）进行调节与补偿的办法，存在响应速度较慢与效率较低的问题，开关稳压电源只能用于小功率及直流的范围。对交流电源如何进行较高效率的调节，对无功功率如何进行补偿，对供电部门与电力用户都是需要深入研究并认真解决的问题。如果研制一种在交流电压的调节中同时进行无功补偿的组合装置，无论从节能及经济效益的角度，还是从保证电压质量及优质服务的方面，都是一项有价值的课题及有益之举。

发明内容

本发明目的旨在提供一种用一组三相铁心同时进行电压调节与电压补偿，并用开关稳压电源的控制方式进行组合性的三相大功率稳压及无动补偿的脉宽调制型大功率交流稳压装置。

本发明包括一组三相铁心或三只单相铁芯、一组三相补偿绕组、两组三相调节绕组、三只电容器和调节器；三相补偿绕组W_a1、W_b1、W_c1的同名端经交流开关K₁联接至三相交流电源端A₁、B₁、C₁而串联在三相主回路；其特征是一组三相补偿绕组W_a1、W_b1、W_c1和两组三相调节绕组W_a2与W_a3、W_b2与W_b3、W_c2与W_c3按照同相位套装在同一心柱方式分别装设在一只三相铁心或三只单相铁心上，按照相同的首端方向依次将W_a3与W_a2与W_a1、W_b3与W_b2与W_b1、W_c3与W_c2与W_c1分别串联联接，分别采用四只整流管联接成三个单相整流桥，在每个单相整流桥的直流端用正端接集电极方式分别联接一只绝缘栅双极晶体管而构成三个单相调节器，并用PWM脉宽调制方式对联接于调节绕组的交流输入端的三个单相调节器进行分相的交流电压的调节；采用三只单相电容器C₀₁、C₀₂、C₀₃分别交叉联接于调节绕组与补偿绕组两端而成三相闭合回路，调节绕组与补偿绕组不同相；W_a3与W_a2与W_a1串联后对应引出A₀₁、A₀₂、A₂、A₃四个接线端，A₀₁为调节绕组W_a3的同名端，A₀₂为调节绕组W_a3的异名端与调节绕组W_a2的同名端的连接点，A₂为调节绕组W_a2的异名端与补偿绕组W_a1的同名端的连接点，A₃为补偿绕组W_a1的异名端；W_b3与W_b2与W_b1串联后引出B₀₁、B₀₂、B_2、B₃四个接线端，B₀₁为调节绕组W_b3的同名端，B₀₂为调节绕组W_b3的异名端与调节绕组W_b2的同名端的连接点，B₂为调节绕组W_b2的异名端与补偿绕组W_b1的同名端的连接点，B₃为补偿绕组W_b1的异名端；W_c3与W_c2与W_c1串联后引出C₀₁、C₀₂、C₂、C₃四个接线端，C₀₁为调节绕组W_c3的同名端，C₀₂为调节绕组W_c3的异名端与调节绕组W_c2的同名端的连接点，C₂为调节绕组W_c2的异名端与补偿绕组W_c1的同名端的连接点，C₃为补偿绕组Wc₁的异名端；A₀₁与电源零线O、B₀₁与电源零线O、C₀₁与电源零线O三对接线端分别联接到整流管D₁-D₄及绝缘栅双极晶体管T₁、整流管D₅-D₈及绝缘栅双极晶体管T₂、整流管D₉-D₁₂及绝缘栅双极晶体管T₃构成的三个调节器两端而分相进行调节，并在A₀₂与B₃之间、B₀₂与C₃之间、C₀₂与A₃之间对应联接C₀₁、C₀₂、C₀₃电容器；或者，按照W_a2与W_a1与W_a3、W_b2与W_b1与W_b3、W_c2与W_c1与W_c3的顺序分别串联联接，分别采用六只整流管联接成两个三相整流桥，在两个三相整流桥直流端用正端接集电极方式分别联接一只绝缘栅双极晶体管而构成两个三相调节器，并用PWM脉宽调制方式对联接于调节绕组的交流输入端的两个调节器进行整体的交流电压的调节；采用三只单相电容器C₀₁、C₀₂、C₀₃分别交叉联接于不同相的两调节绕组两端而成三相闭合回路；调节绕组W_a2的异名端与补偿绕组W_a1的同名端连接，调节绕组W_a3的同名端与补偿绕组W_a1的异名端连接，调节绕组W_b2的异名端与补偿绕组W_b1的同名端连接，调节绕组W_b3的同名端与补偿绕组W_a1的异名端连接，调节绕组W_c2的异名端与补偿绕组W_c1的同名端连接，调节绕组W_c3的同名端与补偿绕组W_c1的异名端连接，调节绕组W_a2、W_b2、W_c2的同名端分别连接到第一个三相调节器的三个交流输入端，调节绕组W_a3、W_b3、W_c3的异名端分别连接到第二个三相调节器的三个交流输入端，由此进行整体的交流电压的调节；单相电容器C₀₁连接于W_a2的同名端与W_b3的异名端之间，单相电容器C₀₂连接于W_b2的同名端与W_c3的异名端之间，单相电容器C₀₃连接于W_c2的同名端与W_a3的异名端之间。

所述的三只电容器C₀₁、C₀₂、C₀₃的额定电压值选择为额定输出线电压的1.1-2倍值，电容器的总容量为调节器额定容量的10％-35％。所述的绝缘栅双极晶体管T可以用门极关断晶闸管GTO替代，并用频率为2-12KHZ的三角形载波进行PWM脉宽调制。

三相补偿绕组W_a1、W_b1、W_c1的绕组匝数相同，第一组三相调节绕组W_a2、W_b2、W_c2的绕组匝数相同，第二组调节绕组W_a3、W_b3、W_c3的绕组的匝数也相同，第一组调节绕组与第二组调节绕组的匝数比为1：1-2，补偿绕组与第二组调节绕组的匝数比为1：2-8。

本发明的工作原理是：在三相或三只单相铁心柱上分别套装一只补偿绕组与两只调节绕组，利用其电磁感应及自耦调压作用形成了补偿绕组的电压受控于调节绕组的基础条件，并在调节器对调节绕组的电压量的控制与电容器对调节绕组的移相作用中，能够用一组或二组调节器对一组电磁器件进行分相或不分相的电压调节；在单相或三相整流桥的直流端联接可关断电子元件的调压器电路结构，与直流斩波电路相近，利用其导通脉冲宽度的变化能对其输入端的交流电压进行平滑的调节，由此使得交流电压的双向调节改变为简易的单相调节，并利用三相整流桥的自然换流特点使三相电压调节可用一只可关断器件进行组合调节；单相调节器四只整流管构成的整流桥电路，可使其输入端的单相电压随可关断器件的快速通断在O-额定相电压之间平滑调节，例如用D₁-D₄整流管及T₁可关断器件对W_a3与W_a2串联的调节绕组控制时，经D₁-T₁-D₂回路可正向通流π角度，而在W_a3首端为负时，可经D₃-T₁-D₄回路负向通流π角度，以此利用可关断元件对交流输入端进行平滑的电压调节；可关断电子元件采用PWM及三角形载波的控制，但其可关断元件不必并联反馈二极管进行感性电流的回馈，该电路是利用与调节绕组联接的电容器以能量转移方式使得突然断流后的电感能量向电容器充放电，例如在W_a3与W_a2两调节绕组经T₁管子的脉宽调制且在瞬间的脉冲截止时，其电感电流便通过C_O1电容器继续进行通流；在分相调节的每相两只调节绕组的相联端与滞后一相（-120度）补偿绕组的末端之间分别联接的单相电容器，是用电感绕组与电容器串联时必然形成的绕组电压相量向超前方向转移的移相作用，使得补偿绕组以降压形式输出较低的电压；例如C_O1电容器与W_a2及W_b1构成串联支路而受A₂-B₂两端交流电压作用时，C_O1的电压相量可超前A相的电压相量20-30度相角，由此使得W_a2调节绕组的电压相量与A₂至O端的相电压接近同相位，进而使得W_a1补偿绕组的末端即A₃输出端的电压降低；在电源电压较高且在交流输出接近空载时，调节绕组接近于纯电感负载的特点使其受电容器串联补偿作用而向超前方向转移140-160度，由此使得补偿绕组的电压相位与电源的相电压接近相同并使得输出端的电压值降到最低值；在三只单相调节器的脉冲列的各脉冲宽度逐渐加大时，各相串联的两调节绕组的电压相应增大并逐渐接近于相电压值，其补偿绕组末端的电压也从负的最大值向正的最大值变化。

三相的电压调节是用D₁-D₆及T₁或D₇-D₁₂及T₂两只三相调节器进行正、负的电压调节，例如在T₂可关断元件工作时，W_a3、W_b3、W_c3三只调节绕组的电压将从零至额定相电压之间发生变化，对应的补偿绕组以降压开式输出较低的电压值；在W_a2、W_b2、W_c2调节绕组经由D₁-D₆受T₁元件控制，补偿绕组则以升压形式将输出电压升高；两组调节绕组分别是中性点断开的三相星形接线，而在其三个中性端联接三相调节器，利用三相整流桥依次间隔π/3且道流2/3π的自然换流规律，形成了用一品可关断元件对三相电路进行电压调节的条件，并在脉冲宽度逐渐加大的调制中，三相调节器的输入端电压逐渐接近于零，从而使得调节绕组或正或负逐渐达到相电压值；调节器的脉宽调制与电容器是互相配合的，用电容器不仅为脉冲截止时的电感绕组提供续流通路，也用其电压不能突变的特性对脉宽调制产生的尖峰电压进行滤波，还用其对感性负载电流进行电容补偿。三相调节器可以同三只单相调节器互换，亦可用一只三相调节器进行升压或降压的单向且简易的调节。这种三相调节器可广泛应用于三相星形接线的电路，虽然在其正向或负向的依次通流中均是2/3π电角度的导通形式，但在三相磁路的耦合与电容器辅助道流的条件下，仍然使得每相绕组在高频的调制中保持正弦波的电压及电流波形。

本发明用一组三相铁心同时进行电压调节与电压补偿，并用开关稳压电源的控制方式进行组合性的三相大功率稳压及无功补偿，将补偿型调压与开关型调压及电容内补偿三种技术进行组合及升级，使其交流大功率调压更具合理性与经济性。经过20KVA样机试验，其响应时间小于30ms、损耗小于1%、功率因数可提高0.1（平均），造价较低，适用于任何电源电压及负载波动较大的场所。

附图说明

图1是本发明实施例1分相调节主电路接线图；

图2是本发明实施例2三相统一调节主电路接线图。

具体实施方式

实施例1

采用三只单相铁心制作电压补偿与电压调节共用的调压器，其W_a1、W_b1、W_c1三只补偿绕组按66V电压设计，W_a2、W_b2、W_c2三只调节绕组（I组）按132V设计，W_a2、W_b3、W_c3三只调节绕组（Ⅱ组）亦按132V设计，即三者的绕组匝数比为1：2：2。电容器C₀₁、C₀₂、C₀₃单相电力电容器的额定电压选择为415V，（380×1.1）其三只（组）电容器的总容量值选择为稳压器容量值的20%。

接线方式：按照相同的首端“·”方向将W_a3与W_a2与W_a1、W_b3与W_b2与W_b1、W_c3与W_c2与W_c1分别串联并在各串联的绕组相联端及两端依次引出A₀₁与A₀₂与A₂与A₃、B₀₁与B₀₂与B₂与B₃、C₀₁与C₀₂与C₂与C₃每相四个的接线端；A₂、B₂、C₂三个接线端经K₁三相交流开关联至三个交流电源端A₁、B₁、C₁，并将A₀₁与O、B₀₁与O、C₀₁与0三对接线端分别联接至单相调节器；电容器C₀₁联接至A₀₂与B₃，C₀₂联接至B₀₂与C₃，C₀₃联接至C₀₂与A₃；三只补偿绕组W_a1、W_b1、W_c1的末端为三个输出端A₃、B₃、C₃；用D₁-D₄、D₅-D₈、D₉-D₁₂三组整流二极管联成三个单相整流桥，并在整流桥的直流端依次从正极接正端联接三只绝缘栅双极晶体管T₁、T₂、T₃而成三只单相调节器。

在三相输入交流电压有效值（平均值）高于额定输出电压时，主要利用三只电容器C₀₁、C₀₂、C₀₃与调节绕组串联使其绕组电压相量向超前方向转移而处于降压状态，从而使得同相的补偿绕组的电压相位与电源的相电压接近并输出较低的电压值；在逐渐增大调节器可关断器件的脉冲宽度时，调节绕组的电压相量逐渐从负--零--正并以此克制磁路饱和时可能产生的过电压，再利用调节绕组（串联）与补偿绕组的自耦调压作用，使得补偿绕组末端（输出端）的电压值逐渐升高；对三只绝缘栅双极晶体管采用频率为12KHZ的三角形载波，并与控制信号（可调直流）比较后对应控制脉冲宽度变化，其控制、取样、检测和保护电路可延用现行技术；三只电容器与三只调节绕组及三只补偿绕组构成了Co₁-Wb₁-Wb₂-Co₂-Wc₁-Wc₂-Co₃-Wa₁-Wa₂的闭合回路，以此对调节器的脉宽调制PWM控制构成滤波回路，并提高其功率因数。

实施例2

采用80KVA干式变压器的三相柱式铁心制作补偿与调节其用的输出容量为320KVA的调压器。设计参数为：三相输入电压304-456V，额定输出相电压为220V；功率因数提高0.1（平均值）；Wa₁、Wb₁、Wc₁补偿绕组均按额定输出相电压的20%设计（44V）；Wa₂、Wb₂、Wc₂第一组调节绕组按220V的80%设计（176V）；Wa₃、Wb₃、Wc₃第二组调节绕组按100%额定相电压设计（220V），三组绕组的设计容量相等，即电压较低的导线截面对应增大；三只（组）Co₁、Co₂、Co₃单相电力电容器选用460（380×1.21）V额定电压的电容器；有关铁心绕组等的设计及制作工艺亦采用常规的技术规范。

接线方式为：Wa₂末端与Wa1首端“·”相联并引出A₂接线端，Wa₃首端与Wa₁末端相联并引出A₃端；Wb₂末端与Wb₁首端相联并引出B₂端；Wc₂末端与Wc₁首端相联并引出C₂端，Wc₃首端与Wc₁末端相联并引出C₃端，每相的三只绕组以相同的首端方向串联而成分别具有四个接线端的接线，且三只同相的绕组共同套装在一个铁心柱上；三只Co₁、Co₂、Co₃电容器依次联接于Wa₂首端与Wb₃末端、Wb₂首端与Wc₂末端、Wc₂首端与Wa₃末端的三对接线端之间，两组调节器分别用六只整流管构成三相整流桥，并在其直流两端以正极接正端方式顺向联接T₁或T₂的门极关断晶闸管GTO，其中D₁-D₆整流桥的三个交流输入端联接于Wa₂、Wb₂、Wc₂三个绕组的首端，D₇-D₁₂整流桥的三个交流接于Wa₃、Wb₃、WC₃三个绕组的末端，并用载波频率为2KHZ（三角形）的PWM方式对T₁与T₂两可关断器件进行相互闭锁的控制，从而用补偿绕组抵消电源电压的变化量。本实施例与实施例1相比，不能分相调节，但造价较低。

实施例3

采用一只三铁心柱式铁心制作补偿与调节共用的调压器，三只补偿绕组Wa₁、Wb₁、Wc₁的线圈匝数相同并按10%额定输出相电压设计，三只第一组调节绕组Wa₂、Wb₂、Wc₂按20%额定输出相电压设计，第二组调节绕组Wa₃、Wb₃、Wc₃按额定输出相电压的80%设计，依次的线圈匝数比为1：2：8，对应的绕组线圈的导线截面比选择为8：2：1而使其容量相等。三只（组）电容器的额定电压选择为2倍额定输出线电压值，三只单相电力电容器的总容量选择为调压器容量值的35%。

接线方式是在图1接线的基础上进行改进，具体将Co₁电容器联接在Ao₂与B₂、Co₂联接在Bo₂与C₂、Co₃联接在C₂与A₂之间，其余接线方式与图1相同。T₁、T₂、T₃三只可关断器三只可关断器件采用IGBT,并用6KHZ三角形载波进行脉宽调制，有关器件的电压、电流值的选择及控制回路按照常规技术进行设计。本例的正、负相调节原理与实施例1相同，仍然是利用第一组调节绕组与电容器的串联联接使其调节绕组的电压相量向超前方向约转移160度相位、使得补偿绕组的电压相量（负向）与电源相电压接近于同相位而输出最低电压值。随可关断器件导通脉冲宽度的增大，第一组调节绕组中将通过电容器电流与调节器电流两种电流使得调节绕组的电压从负一零一正变化，从而在补偿绕组电压相量的变化中保持三相输出电压的稳定。本实施例与实施例1相比，电容器的电压量波动较大。

Claims (4)

1.一种脉宽调制型大功率交流稳压装置，包括一组三相铁心或三只单相铁芯、一组三相补偿绕组、两组三相调节绕组、三只电容器和调节器；三相补偿绕组W_a1、W_b1、W_c1的同名端经交流开关K₁联接至三相交流电源端A₁、B₁、C₁而串联在三相主回路；其特征是一组三相补偿绕组W_a1、W_b1、W_c1和两组三相调节绕组W_a2与W_a3、W_b2与W_b3、W_c2与W_c3按照同相位套装在同一心柱方式分别装设在一只三相铁心或三只单相铁心上，按照相同的首端方向依次将W_a3与W_a2与W_a1、W_b3与W_b2与W_b1、W_c3与W_c2与W_c1分别串联联接，分别采用四只整流管联接成三个单相整流桥，在每个单相整流桥的直流端用正端接集电极方式分别联接一只绝缘栅双极晶体管而构成三个单相调节器，并用PWM脉宽调制方式对联接于调节绕组的交流输入端的三个单相调节器进行分相的交流电压的调节；采用三只单相电容器第一、第二、第三电容器分别交叉联接于调节绕组与补偿绕组两端而成三相闭合回路，调节绕组与补偿绕组不同相；W_a3与W_a2与W_a1串联后对应引出A₀₁、A₀₂、A₂、A₃四个接线端，A₀₁为调节绕组W_a3的同名端，A₀₂为调节绕组W_a3的异名端与调节绕组W_a2的同名端的连接点，A₂为调节绕组W_a2的异名端与补偿绕组W_a1的同名端的连接点，A₃为补偿绕组W_a1的异名端；W_b3与W_b2与W_b1串联后引出B₀₁、B₀₂、B_2、B₃四个接线端，B₀₁为调节绕组W_b3的同名端，B₀₂为调节绕组W_b3的异名端与调节绕组W_b2的同名端的连接点，B₂为调节绕组W_b2的异名端与补偿绕组W_b1的同名端的连接点，B₃为补偿绕组W_b1的异名端；W_c3与W_c2与W_c1串联后引出C₀₁、C₀₂、C₂、C₃四个接线端，C₀₁为调节绕组W_c3的同名端，C₀₂为调节绕组W_c3的异名端与调节绕组W_c2的同名端的连接点，C₂为调节绕组W_c2的异名端与补偿绕组W_c1的同名端的连接点，C₃为补偿绕组Wc₁的异名端；A₀₁与电源零线O、B₀₁与电源零线O、C₀₁与电源零线O三对接线端分别联接到整流管D₁-D₄及绝缘栅双极晶体管T₁、整流管D₅-D₈及绝缘栅双极晶体管T₂、整流管D₉-D₁₂及绝缘栅双极晶体管T₃构成的三个调节器两端而分相进行调节，并在A₀₂与B₃之间、B₀₂与C₃之间、C₀₂与A₃之间对应联接第一、第二、第三电容器；

或者，按照W_a2与W_a1与W_a3、W_b2与W_b1与W_b3、W_c2与W_c1与W_c3的顺序分别串联联接，分别采用六只整流管联接成两个三相整流桥，在两个三相整流桥直流端用正端接集电极方式分别联接一只绝缘栅双极晶体管而构成两个三相调节器，并用PWM脉宽调制方式对联接于调节绕组的交流输入端的两个调节器进行整体的交流电压的调节；采用三只单相电容器第一、第二、第三电容器分别交叉联接于不同相的两调节绕组两端而成三相闭合回路；调节绕组W_a2的异名端与补偿绕组W_a1的同名端连接，调节绕组W_a3的同名端与补偿绕组W_a1的异名端连接，调节绕组W_b2的异名端与补偿绕组W_b1的同名端连接，调节绕组W_b3的同名端与补偿绕组W_a1的异名端连接，调节绕组W_c2的异名端与补偿绕组W_c1的同名端连接，调节绕组W_c3的同名端与补偿绕组W_c1的异名端连接，调节绕组W_a2、W_b2、W_c2的同名端分别连接到第一个三相调节器的三个交流输入端，调节绕组W_a3、W_b3、W_c3的异名端分别连接到第二个三相调节器的三个交流输入端，由此进行整体的交流电压的调节；单相电容器第一电容器连接于W_a2的同名端与W_b3的异名端之间，单相电容器第二电容器连接于W_b2的同名端与W_c3的异名端之间，单相电容器第三电容器连接于W_c2的同名端与W_a3的异名端之间。

2.如权利要求1所述的脉宽调制型大功率交流稳压装置，其特征是三只电容器第一、第二、第三电容器的额定电压值选择为额定输出线电压的1.1-2倍值，第一、第二、第三电容器的总容量为调节器额定容量的10％-35％。

3.如权利要求1或2所述的脉宽调制型大功率交流稳压装置，其特征是三相补偿绕组W_a1、W_b1、W_c1的绕组匝数相同，第一组三相调节绕组W_a2、W_b2、W_c2的绕组匝数相同，第二组调节绕组W_a3、W_b3、W_c3的绕组的匝数也相同，第一组调节绕组与第二组调节绕组的匝数比为1：1-2，补偿绕组与第二组调节绕组的匝数比为1：2-8。

4.如权利要求1或2所述的脉宽调制型大功率交流稳压装置，其特征是所述的绝缘栅双极晶体管可以用门极关断晶闸管GTO替代，并用频率为2-12KHz的三角形载波进行PWM脉宽调制。