CN107066010B - 正交磁场调压装置及调压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及调压器领域，具体涉及一种正交磁场调压装置及调压方法。本发明是为了解决目前有载调压方式无法实现平滑连续调压，且倒换分接头的方式，使得操作繁琐响应速度慢的问题。本发明的正交磁场调压装置包括：调压器、采样模块、A/D转换器、CPU控制模块、直流模块和逆变模块，调压器包括主磁路和辅助磁路；本发明的正交磁场调压方法利用采样模块采集调压器二次侧输出的电压和电流数据，经A/D转换器处理后，输出给CPU控制模块；CPU控制模块根据该数据，对逆变模块发出相应的指令；直流模块通过逆变模块向辅助磁路输出电流I；电流I在一个周期内的变化，将会导致辅助磁路与调压器公共区域磁阻的变化，进而实现调压。本发明可用于变压器的有载调压。
Description
技术领域
本发明涉及调压器领域，具体涉及一种正交磁场调压装置及调压方法。
背景技术
变压器调压是通过调压开关(分接开关)调接变压器一侧线圈(一般为高压线圈，电流小，)的分接头来改变线圈的匝数，达到改变输出电压的目的。变压器调压分为无载调压和有载调压两种。无载调压就是先把变压器的电源断开，然后调分接开关，再接上电源让变压器正常工作。有载调压就是不断开电源，让变压器在正常工作状态下，带负载调节分接开关。它的原理就是，在开关的动触头从一档尚未完全离开时，接通过渡电路(由过渡电阻限制两档之间的电流)，以保证变压器不失电，当动触头到达另一档后，再断开过渡电路，调节就完成了。有载调压开关除了有过度电路外，还必须有良好的灭弧性能。
传统有载调压方式存在以下缺点：通过改变匝数变比调压，电压不能做到平滑连续调压。倒换分接头的方式，使得操作繁琐且调压响应速度很慢。带负荷调整电压，不可避免的产生电弧，安全性得不到保证。因此设计一款有载电压器并且能使得电压平滑快速连续调整是很有必要的。
发明内容
本发明为了解决目前的有载调压方式无法实现平滑连续调压，且倒换分接头的方式，使得操作繁琐且调压响应速度很慢的问题，提出一种正交磁场调压装置及调压方法。
本发明的目的是这样实现的：一种正交磁场调压装置，包括：调压器、采样模块、A/D转换器、CPU控制模块、直流模块、逆变模块；
所述调压器包括主磁路和辅助磁路，所述主磁路包括一次侧线圈、二次侧线圈、平衡线圈、中柱铁芯、侧柱铁芯和负载ZL；
所述辅助磁路包括辅助磁路铁芯和辅助磁路线圈；
所述侧柱铁芯为一矩形线框，所述一次侧线圈、二次侧线圈分别缠绕在侧柱铁芯的左侧竖直柱和右侧竖直柱上；
所述中柱铁芯为一棱柱，位于侧柱铁芯的左右两侧竖直柱中间且与侧柱铁芯的左右两侧竖直柱平行，所述平衡线圈缠绕在侧柱铁芯的左、右两侧竖直柱和中柱铁芯上；侧柱铁芯的右侧竖直柱和中柱铁芯分别提供两条磁分路；
所述辅助磁路铁芯为一矩形线框，所述辅助磁路线圈缠绕在辅助磁路铁芯一个竖直柱上；
所述调压器工作时，辅助磁路铁芯嵌套入侧柱铁芯套在辅助磁路铁芯内和中柱铁芯外，辅助磁路铁芯所表示的平面与侧柱铁芯表示的平面垂直。
所述调压器的一次侧接入电网，调压器的二次侧连接负载ZL，所述负载ZL的两端接入采样模块的输入端，所述采样模块的输出端连接A/D转换器的输入端，所述A/D转换器的输出端连接CPU控制模块的输入端，所述CPU控制模块的输出端连接逆变模块的输入端，所述逆变模块的输入端同时连接直流模块的输出端，所述逆变模块的输出端连接辅助磁路线圈；
所述平衡线圈用于平衡调压器主体中短路阻抗，所述采样模块用于采集调压器二次侧输出的电压和电流数据，所述A/D转换器用于处电压和电流的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输给CPU控制模块，所述CPU控制模块用于发出信号，控制逆变模块，所述直流模块通过逆变装置输出特定的电流，控制辅助磁路与调压器的正交部分磁阻的大小。
进一步地，所述辅助磁路铁芯与中柱铁芯正交部分的截面积小于辅助磁路铁芯其他部分的截面积。
进一步地，所述平衡线圈包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，第一绕组缠绕在侧柱铁芯的左侧竖直柱上，所述第二绕组和缠绕在中柱铁芯上，所述第三绕组缠绕在侧柱铁芯的右侧竖直柱上，所述第二绕组下端引出线与第三绕组的上端引出线相连，所述第二绕组的上端引出线与第一绕组的下端引出线相连，所述第一绕组的上端引出线与第三绕组的下端引出线相连。
基于上述的正交磁场调压装置的调压方法，包括以下步骤：
步骤a：采样模块采集到调压器二次侧输出的电压和电流数据，经过A/D转换器的处理后，输出给CPU控制模块；
步骤b：CPU控制模块根据A/D转换器传来的数据，对逆变模块发出相应的指令；
步骤c：直流模块通过逆变模块向辅助磁路输出大小能够控制的电流I；
步骤d：电流I的变化，将会导致公共区域磁阻的变化，但在一个周期内两个方向上叠加的磁场使得正交区域的磁阻相等，在不同周期内改变电流I，正交部分将会从不饱和趋于饱和，正交辅助磁路中流过绕组的电流在预设变化范围内，电流越大正交部分的磁阻就变得越大，依据磁路定理，一次侧流过中柱的磁通量减少，从而二次侧流过的磁通量增加，即二次侧的电压升高从而实现调压。
进一步地，所述辅助磁路与主磁路正交部分的合成磁场为固定值。
有益效果：
第一，本发明调压器主体相比较于传统的二铁芯柱结构变压器多出了中柱部分与辅助磁路，两部分为正交结构，中柱部分是为了给一次侧提供的磁通多出一条磁分路，对辅助磁路的线圈施加可控电流I，电流越大正交部分的磁阻就变得越大，一次侧流过中柱的磁通将会依据磁路定理减少，从而二次侧流过的磁通增加，即二次侧的电压升高，从而达到调压的目的，通过控制辅助磁路线圈中电流的大小，调节二次侧电压，这种调压方式能够实现平滑连续调压。
第二，装置采用磁化方式调节磁阻，从而控制流经二次侧的磁通，故响应速度快。
附图说明
图1本发明的结构图；
图2本发明的辅助磁路铁芯与侧柱柱铁芯位置关系的主视图；
图3本发明的辅助磁路铁芯与侧柱铁芯位置关系的左视图；
图4本发明的辅助磁路铁芯与侧柱铁芯位置关系的俯视图；
图5本发明的采样模块的电路原理图；
图6本发明的A/D转换器的电路原理图；
图7本发明的直流模块和逆变模块的电路图。
具体实施方式
具体实施方式1：结合图1～4说明本实施方式，本实施方式的正交磁场调压装置结构如图1所示，包括：调压器、采样模块、A/D转换器、CPU控制模块、直流模块、逆变模块；
所述调压器包括主磁路和辅助磁路，所述主磁路包括一次侧线圈1、二次侧线圈2、平衡线圈3、中柱铁芯4、侧柱铁芯5和负载ZL；
所述辅助磁路包括辅助磁路铁芯6和辅助磁路线圈7；
所述侧柱铁芯5为一矩形线框，所述一次侧线圈1、二次侧线圈2分别缠绕在侧柱铁芯5的左侧竖直柱和右侧竖直柱上。
所述中柱铁芯4为一棱柱，位于侧柱铁芯5的左右两侧竖直柱中间且与侧柱铁芯5的左右两侧竖直柱平行，所述平衡线圈缠绕在侧柱铁芯5的左、右两侧竖直柱和中柱铁芯4上；侧柱铁芯5的右侧竖直柱和中柱铁芯4分别提供两条磁分路。
所述辅助磁路铁芯6为一矩形线框，所述辅助磁路线圈7缠绕在辅助磁路铁芯7一个竖直柱上。
所述调压器工作时，辅助磁路铁芯6嵌套入侧柱铁芯5套在辅助磁路铁芯6内和中柱铁芯4外，辅助磁路铁芯6所表示的平面与侧柱铁芯5表示的平面垂直，辅助磁路铁芯6与侧柱铁芯5位置关系的主视图如图2所示；辅助磁路铁芯6与侧柱铁芯5位置关系的左视图如图3所示；辅助磁路铁芯6与侧柱铁芯5位置关系的俯视图如图4所示。
所述调压器的一次侧接入电网，调压器的二次侧连接负载ZL，所述负载ZL的两端接入采样模块的输入端，所述采样模块的输出端连接A/D转换器的输入端，所述A/D转换器的输出端连接CPU控制模块的输入端，所述CPU控制模块的输出端连接逆变模块的输入端，所述逆变模块的输入端同时连接直流模块的输出端，所述逆变模块的输出端连接辅助磁路线圈7。
所述平衡线圈用于平衡调压器主体中短路阻抗，所述采样模块用于采集调压器二次侧输出的电压和电流数据，所述A/D转换器用于处电压和电流的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输给CPU控制模块，所述CPU控制模块用于发出信号，控制逆变模块，所述直流模块通过逆变装置输出特定的电流，控制辅助磁路与主磁路的正交部分磁阻的大小。
所述采样模块的电路原理图如图5所示。
所述A/D转换器的电路原理图如图6所示。
所述CPU控制模块包括CPLD复杂可编程逻辑器件、双口RAM和DSP，所述CPLD复杂可编程逻辑器件采用芯片Altera EPM1270T144C5-MO，所述双口RAM的型号为CY7C024AV，所述DSP采用芯片TMS320F28335。
需要采集的电压和电流信号经过采样模块转变为小信号，其中调压器电压和电流由电磁互感器采集，测量得到的电压和电流模拟信号通过运算放大器电气隔离和放大；模拟信号通过模拟-数字(A-D)转换器转换为数字信号，由CPLD控制读取数据的顺序，并分配到双口RAM，传送到DSP；DSP经过算法计算，再将数据传回到CPLD，CPLD输出PWM波型，然后控制逆变模块的驱动输出所需要的电流。
所述直流模块和逆变模块的电路图如图7所示。
具体实施方式2：本实施方式在具体实施方式1的基础上进一步限定，所述辅助磁路铁芯与中柱铁芯正交部分的截面积小于辅助磁路铁芯其他部分的截面积，这样正交部分将会优先于磁路其他部分饱和，方便控制。
具体实施方式3：本实施方式在具体实施方式1的基础上进一步限定，所述平衡线圈包括第一绕组301、第二绕组302和第三绕组303，第一绕组301缠绕在侧柱铁芯5的左侧竖直柱上，所述第二绕组302和缠绕在中柱铁芯4上，所述第三绕组303缠绕在侧柱铁芯5的右侧竖直柱上，所述第二绕组302下端引出线与第三绕组303的上端引出线相连，所述第二绕组302的上端引出线与第一绕组301的下端引出线相连，所述第一绕组301的上端引出线与第三绕组303的下端引出线相连，当中柱与二次侧流过的磁通量少于一次侧流过的磁通量时，平衡线圈将会强制两部分流过相等的磁通，以此来保证二次侧感应电势的可靠性。
工作原理：
采样模块采集到调压器二次侧输出的电压和电流数据，经过A/D转换器的处理后，输出给CPU控制模块；CPU控制模块根据A/D转换器传来的数据，对逆变模块发出相应的指令；直流模块通过逆变模块向辅助磁路输出大小能够控制的电流I；电流I的变化，将会导致公共区域磁阻的变化，但在一个周期内两个方向上叠加的磁场使得正交区域的磁阻相等，在不同周期内改变电流I，正交部分将会从不饱和趋于饱和，正交辅助磁路中流过绕组的电流在预设变化范围内，电流越大正交部分的磁阻就变得越大，依据磁路定理，一次侧流过中柱铁芯的磁通量减少，从而二次侧流过的磁通量增加，即二次侧的电压升高从而实现调压。
具体实施方式4：本实施方式的基于所述的正交磁场调压装置的调压方法，包括以下步骤：
步骤a：采样模块采集到调压器二次侧输出的电压和电流数据，经过A/D转换器的处理后，输出给CPU控制模块；
步骤b：CPU控制模块根据A/D转换器传来的数据，对逆变模块发出相应的指令；
步骤c：直流模块通过逆变模块向辅助磁路输出大小能够控制的电流I；
步骤d：电流I的变化，将会导致公共区域磁阻的变化，但在一个周期内两个方向上叠加的磁场使得正交区域的磁阻相等，在不同周期内改变电流I，正交部分将会从不饱和趋于饱和，正交辅助磁路中流过绕组的电流在预设变化范围内，电流越大正交部分的磁阻就变得越大，依据磁路定理，一次侧流过中柱铁芯的磁通量减少，从而二次侧流过的磁通量增加，即二次侧的电压升高从而实现调压。
进一步地，所述辅助磁路与主磁路正交部分的合成磁场为固定值，因此直流电流源经逆变模块输出对应的波形。
Claims (5)
1.一种正交磁场调压装置，其特征在于，包括：调压器、采样模块、A/D转换器、CPU控制模块、直流模块、逆变模块；
所述调压器包括主磁路和辅助磁路，所述主磁路包括一次侧线圈(1)、二次侧线圈(2)、平衡线圈(3)、中柱铁芯(4)、侧柱铁芯(5)和负载ZL；
所述辅助磁路包括辅助磁路铁芯(6)辅助磁路线圈(7)；
所述侧柱铁芯(5)为一矩形线框，所述一次侧线圈(1)、二次侧线圈(2)分别缠绕在侧柱铁芯(5)的左侧竖直柱和右侧竖直柱上；
所述中柱铁芯(4)为一棱柱，位于侧柱铁芯(5)的左右两侧竖直柱中间且与侧柱铁芯(5)的左右两侧竖直柱平行，所述平衡线圈缠绕在侧柱铁芯(5)的左、右两侧竖直柱和中柱铁芯(4)上；侧柱铁芯(5)的右侧竖直柱和中柱铁芯(4)分别提供两条磁分路；
所述辅助磁路铁芯(6)为一矩形线框，所述辅助磁路线圈(7)缠绕在辅助磁路铁芯(6)一个竖直柱上；
所述调压器工作时，辅助磁路铁芯(6)嵌套入侧柱铁芯(5)，侧柱铁芯(5)套在辅助磁路铁芯(6)和中柱铁芯(4)外，辅助磁路铁芯(6)所表示的平面与侧柱铁芯(5)表示的平面垂直；
所述调压器的一次侧接入电网，调压器的二次侧连接负载ZL，所述负载ZL的两端接入采样模块的输入端，所述采样模块的输出端连接A/D转换器的输入端，所述A/D转换器的输出端连接CPU控制模块的输入端，所述CPU控制模块的输出端连接逆变模块的输入端，所述逆变模块的输入端同时连接直流模块的输出端，所述逆变模块的输出端连接辅助磁路线圈(7)；
所述平衡线圈用于平衡调压器主体中短路阻抗，所述采样模块用于采集调压器二次侧输出的电压和电流数据，所述A/D转换器用于处电压和电流的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输给CPU控制模块，所述CPU控制模块用于发出信号，控制逆变模块，所述直流模块通过逆变装置输出特定的电流，控制辅助磁路与调压器的正交部分磁阻的大小。
2.根据权利要求1所述的正交磁场调压装置，其特征在于，所述辅助磁路铁芯与中柱铁芯正交部分的截面积小于辅助磁路铁芯其他部分的截面积。
3.根据权利要求1所述的正交磁场调压装置，其特征在于，所述平衡线圈包括第一绕组(301)、第二绕组(302)和第三绕组(303)，第一绕组(301)缠绕在侧柱铁芯(5)的左侧竖直柱上，所述第二绕组(302)和缠绕在中柱铁芯(4)上，所述第三绕组(303)缠绕在侧柱铁芯(5)的右侧竖直柱上，所述第二绕组(302)下端引出线与第三绕组(303)的上端引出线相连，所述第二绕组(302)的上端引出线与第一绕组(301)的下端引出线相连，所述第一绕组(301)的上端引出线与第三绕组(303)的下端引出线相连。
4.基于权利要求1所述的正交磁场调压装置实现的正交磁场调压方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：采样模块采集到调压器二次侧输出的电压和电流数据，经过A/D转换器的处理后，输出给CPU控制模块；
步骤b：CPU控制模块根据A/D转换器传来的数据，对逆变模块发出相应的指令；
步骤c：直流模块通过逆变模块向辅助磁路输出大小能够控制的电流I；
步骤d：电流I的变化，将会导致公共区域磁阻的变化，但在一个周期内两个方向上叠加的磁场使得正交区域的磁阻相等，在不同周期内改变电流I，正交部分将会从不饱和趋于饱和，正交辅助磁路中流过绕组的电流在预设变化范围内，电流越大正交部分的磁阻就变得越大，依据磁路定理，一次侧流过中柱的磁通量减少，从而二次侧流过的磁通量增加，即二次侧的电压升高从而实现调压。
5.根据权利要求4所述的正交磁场调压方法，其特征在于，所述辅助磁路与主磁路正交部分的合成磁场为固定值。
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