CN1122967A - 单相和多相非零基础电子调压电路及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子科学领域的单相和多相交流非零基础电子调压电路，它解决现有机电接触调压电路触点易损坏和直接串联可控器件电子调压电路谐波大、功率因数低的问题，它由交流电源、滤波器、调量变压器、可控器件、控制电路和负载组成，其特征在于在电源和负载回路中，串接有调量变压器的次级绕组，不串接有可控器件，调压可控器件串接在调量变压器初级绕组，续流可控器件并接在调量变压器初级绕组。它可广泛用于调压稳压和自动控制系统。

Description

单相和多相非零基础电子调压电路及其应用

本发明属于电力电子科学交流基础电子调压电路，涉及到使用可控器件(包括半控和全控器件)和调量变压器(包括单相和多相)实现交流电子调压的技术方案及其应用，尤其涉及到高功率因数、少谐波污染带变压器的非从零电压起调的交流电子调压电路。它简称为非零基础电子调压电路。

交流调压电路是属于电力电子基础电路，它广泛应用于电力、仪器、设备以及家电的调压稳压、稳流、自动控制、电动机节电和调速等场合，最常用的电力补偿稳压调压、家电交流稳压调压、电扇调速，它们多数都是采用有触点有级和无级接触式交流调压电路，它们存在着能耗大、可靠性差、触点易损坏的缺点，通常使用的交流相控电子调压电路是使用双向可控硅或其等效电路组成的双向半控器件控制的调压电路，和通常使用的交流斩控电子调压电路是用多个元器件组成的双向全控器件和双向续流器件控制的调压电路，它们均是使用可控器件串联在电源与负载之间，通过可控器件斩去一部分波形来实现调压，这种方法输出电压可从零开始起调，它存在着功率因数低，谐波大和双向可控器件通过的电流容量大等问题。磁放大式交流电子调压电路又存在着功耗大效率低和体积大的缺点。同一发明人发明的“可控器件变换变压比的交流可控调压电路”(专利申请号92101403.1)，虽具有功率因数高和谐波电流少的优点，但在某些场合应用还存在变压器容量大，可控器件多，控制电路较复杂的问题。实际应用中，有很多场合并不需要输出电压从零起调，是否存在着在某些场合应用器件的电流容量和变压器容量更小、功率因数更高、谐波更少、控制电路更简单的不是从零开始起调的基础交流电子调压电路呢？本发明就是要探索调压范围不很大、谐波少的非零起调的基础电子调压电路，因为极大部分的电力稳压器、交流稳压器、电动机节电器等要求交流调压范围都不是很大，但希望可控器件容量小，谐波少和功率因数高，本发明就是要提出解决这个电力电子科学领域非零起调的电子调压电路的实施技术方案，使它能在电力稳压器、调压器、电动机节电与调速和自动控制中得到应用，可产生巨大的经济效益和社会效益的非零基础电子交流调压电路。

本发明的目的在于提供比现有交流相控和斩控电子调压谐波少、器件的容量小、功率因数高、输出波形好的单相和多相非零起调的基础电子调压电路，使它们能在产品中得到应用而荻得较好的经济效益和社会效益。

本发明提供的单相和多相非零起调基础电子调压电路，它是使用可控(包括单个或多个元器件组成的半控和全控)器件、调量变压器(包括单相和多相)和控制电路实现单相和多相非零起调的交流电子调压的技术方案，它至少由交流电源、调量变压器、可控器件、控制电路和负载组成，其特征在于在电源与负载回路中，串接有调量变压器次级绕组，不串接有可控器件，用于调压的可控器件串接在调量变压器的初级绕组或其抽头上，由它控制流过初级绕组上的电流大小和方向，改变调压变压器次级感应电压的大小和方向，感应电压与交流电源电压两者相叠加(串联)后，输出交流调压电压，实现升降交流电力的目的，其最大交流调压电压范围由调量变压器次级电感量和次级感应电压的大小和方向所决定。它是一种不是从零电压起调的基础电子调压电路，具有可控器件容量小、高功率因数和少谐波污染、节能的优点，可广泛应用于稳压器、调压器和自动控制系统。

本发明的单相非零基础电子调压电路，其可控器件包括双向可控硅和多个整流和可控整流器件组成的双向半控器件或模块；多个整流和可控器件组成的双向全控器件或模块。其调量变压器有单相和多相二种，其变压器的初级匝数比次级多，本发明将可控器件串在初级，就是具有器件通流量小的优点。在对电源谐波和对负载谐波允许值要求很高的场合，还可在电源和调量变压器次级之间，调量变压器次级和负载之间，以及调量变压器两端之间增加谐波滤波器。

本发明在可控器件不导通时，电源可直接流过调量变压器次级绕组输出电力，因此波形失真几乎为零，调压变压器初级无电流，因此损耗极微，在可控器件有不同的导通角度时，调量变压器次级感应不同的电压叠加在可控器件不导通时的电源上，因此其波形失真也大大低于通常将可控器件串联在电源与负载回路中的输出电力波形，它与通常的SBW、SHW等电力补偿稳压器中应用的交流稳压电路相比，可以节省一个三相大功率电力自耦变压器，它具有节能、无触点调压和反应速度快等优点。

本发明的非零电压起调的基础电子调压电路主要包括：①单相调量变压器和半控器件控制的相控电子调压电路；②单相调量变压器和全控器件控制的斩控电子调压电路；③三个(多个)单相调量变压器和多个半控器件组成的相控三相(多相)电子调压电路；④一个三相调量变压器和多个半控器件组成的三相相控电子调压电路；⑤三个(多个)单相调量变压器和多个全控器件组成的三相(多相)斩控电子调压电路，⑥一个三相调量变压器和多个全控器件组成的三相斩控电子调压电路。以上所指的全控器件包括多个可控控器件和整流器件组成的等效双向全控器件在内；所指的半控器件也包括整流器件和半控器件组成的等效双向半控器件在内。为提高器件工作的可靠性，等效器件内还可有驱动、缓冲、保护和辅助关断等电路。

参阅下面的附图和简要说明以及应用实例就很易理解本发明的上述目的，本发明的技术方案和特征，以及本发明具有的优点，对技术熟练者来说还可以派生出具有本发明特征的其它电路。

图1是本发明10种非零起调的单相基础电子调压电路原理图。

图2是本发明两种非零起调的三相基础电子调压电路原理图。

图3是本发明使用的双向可控器件和整流与可控器件组成的等效双向可控器件电路图。

图4是本发明单相非零相控调压、斩控调压和相控稳压电路原理图及其输出电压波形图。

图5是本发明三相非零电动机节电器和三相稳压电源电路原理图。

本发明的单相非零基础电子调压电路有很多种，图1中仅画出其中最常用的10种非零基础电子调压电路，它们具有本发明的相同结构特征，其中I和II两端为调压电源输入端，III和IV两端为调压电源输出端，T为调整量变压器，它简称为调量变压器，W1为T的初级绕组，W2为T的次级绕组，V1、V2为调压可控器件，V3为续流可控器件，它同V1或V2开关时序为互补控制，在调压可控器件V1和V2为半控器件实现相控时，续流器件一般省略不用，以降低成本，提高可靠性；在调压可控器件V1和V2为全控器件实现斩控时，续流器件一般都使用，以防止V1和V2过电压。G为触发和控制电路，调量变压器T根据可控器件的实际工作频率可以是工频，中频和高频，在电网谐波有严格要求的场合可在I II两端与输入电源之间加入滤波电路，在负载谐波有严格要求也可以在调压电路输出III IV两端与负载之间加入滤波装置，滤波装置还可加在电源输入端I和调压输出端III之间。或者三种滤波都加，以便获得高质量的交流调压电力控制系统。其中图1(a)(b)(c)(d)是4种升压非零电子调压电路，图1(e)(f)(g)(h)是4种降压非零电子调压电路，图1(i)非零基础电子调压电路为调压输入两端与调压输出两端有电隔离的调压电路，使用在需要电隔离的特殊场合，它是通过变压器T2起变压和隔离双重作用，其输出调压电压升降范围大小由变压器T和T2的变压比和接线极性所决定。图1(j)非零基础电子调压电路既可使调压输出电压升压，又可使调压输出电压降压，它决定于三个可控器件由哪两个器件互补导通，三个可控件由触发控制电路G控制，它只有三种工作状态：①V1、V2和V3都不寻通、调压电路输出接近于电源输入电压，(它只有调量变压器次级电抗压降)；②V1和V3互补导通、V2不导通输出升压(或降压)电压；③V2和V3互补导通、V1不导通输出降压(升压)电压。

本发明的多相非零基础电子调压电路具有比单相更多的电路，它使用图1中单相调压电路的3个电路都可组成三相非零基础电子调压电路，并且其调量变压器可以是3个单独的单相调量变压器，还可以使用3个独立次级绕组的三相调量变压器，其3个初级绕组既可作星形连接，又可作三角形连接。图2是用3个单相非零基础电子压电路组成的三相非零基础电子调压电路，其中A、B、C和N为三相电源输入端，A′、B′、C′、N′为三相调压电源输出端，图2(a)是使用图1(j)单相非零基础调压电路3个组成三相电子调压电路的，其调量变压器TA、TB、TC可以是3个独立的单相调量变压器，也可以使用1个三相调量变压器TABC代替3个调量变压器，通过控制器G控制九个可控器件可以实现降压和升压的三相交流电子调压。图2(a)调量变压器初级是星形方式连接的，而图2(b)调量变压器的初级是用三角形连接方式。它是使用图1中的(d)或(h)单相非零基础电子调压电路3个组成的，其调量变压器可以使用3个单相调量变压器，也可以使用1个三相调量变压器。

图1和图2中使用的可控器件，均是双向可控器件，它们有双向半控和双向全控两种类型，双向半控器件可以是1个双向可控硅如图3(a)所示，也可以是2个单向可控硅组成的双向半控器件如图3(b)所示，还可以是4个二极管和1个单向可控硅组成的双向半控器件，如图3(c)所示。双向全控器件它们至少由2个二极管和2单向全控器件如图3(d)和(1)所示；4个二极管和1个单向全控器件如图3(e)和(h)所示，图3(h)是图3(e)带有缓冲电路的双向全控器件；4个二极管和4个单向可控硅及其关断电容如图3(g)所示，组成的等效双向全控器件，图3中的单向可控硅还可以使用闸流管，图3中的晶体三极管可以是GTR、GT0、IGBT、IGTO、POWER、MOSFET、IGT、MCT等器件或组合模块。

本发明的单相非零基础交流电子调压电路，主要用于单相交流稳压器、调压器、自动控制装置，电扇调速器、电动机节能电器等，图4(a)和(b)所示的是单相电子调压和稳压电路原理图，其输出两端波形如图4(d)上图所示，图4(a)选择开关Q可以选择输出电压是升压还是降压，开关在1位置为升压调压，开关在2位置为降压调压，调节电位器RP可以调整输出交流电压，它可用于制造家用电子调压器，电扇电子调速器等，用于电扇调速器时，不但能实现无级调速，而且在市电电压低于160V时还可使电扇荻得额定电压时的额定转速，特别适用于低电压地区的家用调压器。图4(b)是电子交流稳压器的电原理图，在电源电压高于额定值时，其输出电压的降压是靠调量变压器次级绕组W2的电感压降来获得降低市电电压，因此它只有在有负载电流时才能获得降压，由于一般电源超过额定值的情况较小，多数是电源低于额定值需要升压的情况，因此这种电子稳压器在实用上已够用，其成本远低于伺服电机控制自耦变压器的有触点电子调压器，甚至低于继电器换挡控制的全自动交流稳压器，它具有节能节材简单可靠的优点，是现有单相稳压器的替代产品，它与将双向可控硅串在交流输入I端或交流升压后输出III端的电子稳压器相比，可控硅通过电流小，从它们的输出波形还可知道本发明具有谐波少、功率因数高、节能的优点。为了使单相非零相控调压器和稳压器输入输出波形奇变更小，还可采用单相斩控型非零基础电子调压电路和滤波电路，图4(c)就是斩控型非零电子调压电路的方案原理图，它采用本发明的单相斩控型非零基础电子调压电路，使用图中全控器件V1和V3进行PWM稳压控制实现交流稳压。为消除高次谐波对电网和负载的影响，电路中还采用电感L1、L2、和电容C1、C2、C3进行高次谐波滤波，输出电压就可获得较好的正弦波，它是一种高性能少谐波污染的交流电子稳压电源，可取代能耗大效率仅80％的磁放大式614型交流电子稳压电源。图4(d)上、下波形图示出本发明输出电压的相控波形和斩控波形(未加滤波器时)。

本发明的多相非零基础交流电子调压电路，主要用于三相电力交流稳压器和调压器、三相电动机节能器和调速器以及自动控制装置等。图5(a)示出一种大功率三相非零交流稳压电源主电路图，它由T1和T2三相调量变压器和KS1～KS12双向可控硅及其触发电路组成，12个双向可控硅的触发信号受A′、B′、C′三相交流输出电压作稳压调节。T1次级感应电压范围为O～ΔU，T2次级感应电压范围为-Δu～+Δu，输出电压U′与输入电压U之间的关系为U′＝U＋ΔU±Δu，因此最大输出电压的调节范围为U－Δu到U＋ΔU＋Δu，为了尽量减少输出电压和电流的谐波，接在T1初级绕组的6个双向可控硅采用零触发实现分挡粗调压，接在T2初级绕组上的6个双向可控硅采用移相触发实现连续细调压，只要T1和T2变压比选配妥当，就可实现连续无级调节，通过三相交流输出端电压对触发信号的稳压自动反馈控制就可达到自动稳压的目的。如果要求有谐波更小的大功率三相非零交流稳压电流，可将图5(a)中的KS7～KS12六个双向可控硅换成双向全控器件，并在T2变压器初级3个绕组并联3个双向全控续流器件，使T2实现斩控细调压，再加上滤波电路，就可成为零触发与斩控相结合的大功率三相交流稳压电源。以上两种稳压电源均可替代现有大功率补偿式稳压电源，它们具有无触点、反应迅速和节能的优点。还应指出可以用6个单相调量变压器代替图5(A)中的T1和T2两个三相调量变压器，此时图5(a)就成为由3个独立的单相非零交流稳压器组成1个三相非零交流稳压电源。图5(a)中的2个调量变压器初级绕组都是星形方式连接，也可以将它们连接成三角形，图5(c)所示的三相非零斩控调压电路，其三相调量变压器初级绕组就是以三角形方式连接的，它每一相初级用4个整流管和1个全控器件进行斩控调压，三相公用一个双向续流器件，它由6个二极管和1个三极管组成。

单相和三相电动机节电器是使电动机的端电压随负载变化而改变达到节电的目的，应用本发明的非零交流调压电路也可以设计单相和多相电动机节电器，图5(b)所示的为三相电动机节电器电路原理图，它能根据电动机负载的改变自动改变电动机上的三相输入电压，从而使电动机达到高功率因数最佳运行状态，它与美国宇航局诺拉工程师发明的电动机节电器相比，具有谐波污染少和可控器件容量小的优点，它与国内采用电感降压的节电器相比，具有无触点，能连续无级跟踪调节和反应迅速不易产生振荡的优点。

Claims (10)

1、一种单相和多相非零基础电子调压电路，它由交流电源、滤波器、调量变压器(包括单相和多相)、可控器件(包括单个和多个器件组合成的半控和全控器件)、控制电路和负载组成，其特征在于在电源和负载回路中，串接有调量变压器的次级绕组，不串接有可控器件，用于调压的可控器件串接在调量变压器初级绕组或其抽头上由它控制流过初级绕组上的电流大小和方向，改变次级感应电压的大小和方向，次级感应电压与电源电压相叠加(串联)输出交流调压电压，实现升降交流电力的目的，其最大交流电压调整量范围由调量变压器次级电感量和次级感应电压大小决定。

2、根据权利要求1所述的单相非零基础电子调压电路，其特征在于单相调量变压器次级绕组直接串联在电源与负载回路中，其初级绕组电流受半控器件所控制，使用次级感应电压实现交流电压的调整。

3、根据权利要求1所述的单相非零基础电子调压电路，其特征在于单相调量变压器次级绕组直接串联在电源与负载回路中，其初级绕组电流受全控器件所控制，使用次级感应电压实现交流电压的调整。

4、根据权利要求1所述的三相非零基础电子调压电路，其特征在于3个单相调量变压器次级绕组分别直接串联在每相电源与负载回路中，它们的初级绕组电流分别受半控器件控制流过各初级绕组的电流，次级每相感应电压实现各相交流电压的调整。

5、根据权利要求1所述的三相非零基础电子调压电路，其特征在于3个单相调量变压器的的3个次级绕组分别直接串联在每相电源与负载回路中，它们的3个初级绕组分别受全控器件控制流过各初级绕组的电流，次级每相感应电压实现各相交流电压的调整。使用次级感应电压实现交流电压的调整。

6、根据权利要求1所述的三相非零基础电子调压电路，其特征在于1个三相调量变压器的3个次级绕组分别直接串联在每相电源与负载回路中，它们的初级3个绕组分别受半控器件控制各初级绕组的电流，次级每相感应电压实现各相交流电压的调整。

7、根据权利要求1所述的三相基础电子调压电路，其特征在于1个三相调量变压器的3个次级绕组分别直接串联在每相电源与负载回路中，它们的初级3个绕组分别受全控器件控制各初级绕组的电流，次级每相感应电压实现各相交流电压的调整。

8、一种带有单相非零基础电子调压电路的稳压器，其特征在于设备内有权利要求1所述的单相基础电子调压电路实现稳压调整。

9、一种带有三相非零基础电子调压电路的稳压器，其特征在于设备内有权利要求1所述的三相基础电子调压电路实现稳压调整。

10、一种带有本发明的非零基础电子调压电路的电动机降压节电启动器，其特征在于设备内有权利要求1所述的基础电子调压电路实现降压原理进行调整的。

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