CN1167932A - 带均二次方值转换器的三相分调统调单相稳压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电力系统的自动调压供电电路装置。其特征是反馈检测元件是均二次方值转换器

本发明无论是在电压为纯正弦波的理想情况下，还是在电压为畸变正弦波的实际电网中，都能保证电压真有效值即均方根值(True-root-mean-square缩写TRMS)

及其平方

的稳定：而在3×380/220V的实际电网中，普通稳压器只能保证平均值AC/DC转换得来的有效值的稳定，其稳压精度比真有效值要低2.4个百分点；而且

的非线性TRMS/DC反馈检测，改善了稳压器的动态性能。

Description

带均二次方值转换器的三相分调统调单相稳压器

本发明涉及用于电力系统中的自动调压供电电路装置，尤其是涉及自动调压供电电路装置的控制回路(二次回路)。

《电世界》1992年第(33)1期12～13页的《用大功率补偿式交流稳压电源供电》公知了由三个补偿变压器、三个基准电压上下限设定装置、三个偏差检测元件、三个放大器、三个伺服电机、三个接触调压器、三个输出相电压反馈检测元件构成的普通三相分调自动补偿式稳压器。

《电世界》1993年第(34)6期6～7页的《自动补偿式电力稳压器及其发展》公知了由三相补偿变压器、基准电压上下限设定装置、偏差检测元件、放大器、伺服电机、三相接触调压器、输出三相电压平均值的反馈检测元件构成的普通三相统调自动补偿式稳压器。

《电世界》1993年第(34)4期48页的《DJW系列自动补偿式单相稳压器》公知了由补偿变压器、基准电压上下限设定装置、偏差检测元件、放大器、伺服电机、接触调压器、输出电压反馈检测元件构成的普通单相自动补偿稳压器。

《仪表技术》1994年第3期38～41页的《自动补偿式稳压器和它的性能测试》详细地介绍了自动补偿式稳压器的主回路和控制电路：控制电路由基准电压上下限设定装置、偏差检测元件、放大器、反馈检测元件构成；主回路由调压器和补偿变压器构成。其中反馈检测元件是桥式整流电路和滤波电路构成的，即反馈检测元件是平均值AC/DC电压转换器。

众所周知，交流电压的大小和方向是随时间作周期变化的，即u＝u(t)。为了衡量交流电压的大小引入了有效值(effecive)的概念，u(t)的有效值U_eff的定义式为： $U_{\mathrm{eff}}\underset{=}{\mathrm{\Δ}}\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T[u\left(t\right){]}^2\mathrm{dt}}----\left(1\right)$

电力系统中，交流电压是按正弦规律变化的，称为正弦交流电压，即u(t)＝U_msinωt。由式(1)有，正弦交流电压的有效值U_eff为：

。u(t)的平均值(平均绝对值)U_pj为：U_pj＝

。

在电工理论中，把U_eff与U_pj之比定义为波形因数k_f。由上面的分析可知，正弦交流电压的波形因数k_f＝

。换言之，对于正弦交流电压，必有 。这就是用平均值AC/DC电压转换器作反馈检测元件来保证稳压器输出电压有效值稳定的理论基础。

但是，电网中的电压波形不是纯正弦波，而是实际正弦波(见GB755-87《旋转电机基本技术要求》第2.30条)即畸变正弦波，它由角频率为ω的基波和角频率为iω的一系列高次谐波组成。根据电工理论和GB/T14549-93《电能质量·公用电网谐波》，实际正弦波电压u(t)可以按傅立叶(Fourier)级数展开为(已选取适当的时间起点，使基波初相角为0)： $u\left(t\right)=U_{1m}\sin \mathrm{\ωt}+\underset{i=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{im}}\sin (\mathrm{i\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1)$

对于基波和各高次谐波，都有

。为了下面行文方便起见，和大多数文献一样，我们把下标eff去掉，将上式改写为： $u\left(t\right)=\sqrt{2}{U}_1\sin \mathrm{\ωt}+\underset{i=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}\left({\mathrm{THD}}_i\right)U_1\sin (\mathrm{i\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1)$

式(2)中U₁为基波电压有效值，(THD₁)为第i次谐波的正弦波形畸变率，φ1为第i次谐波的初相角，0≤₁＜2π。

因为普通三相分调、三相统调、单相自动补偿式稳压器的输出电压的反馈检测元件采用的是平均值AC/DC电压转换器，所以名义上稳定的是有效值，实质上却稳定的是按式(2)确定的波形的平均值。根据GB/T14549-93的规定，在电压波形为实际正弦波即畸变正弦波的3×380/220V实际电网中，其有效值的稳压精度要比设定的精度降低2.4个百分点(文献[1]，张树华，用平均值AC/DC转换法测量畸变正弦波电流、电压有效值时引入的误差，计量技术，1994年，第8期)。

低压用电设备几乎全部是利用电流的热效应、磁效应、化学效应作为工作原理的。

热效应即电流通过电阻时，电能转变为热能，电阻炉等电热设备就是这类负荷。热效应的强弱即发热功率，与施加在负荷上的交流电压均方根值的平方成正比(有效值的物理定义正是由此而来，均方根值是根据物理定义式的数学表达式命名的。参见式(1)。)。顺便指出，均方根值也称真有效值、方均根值，英文为True-root-mean-square(缩写为TRMS)，以区别于有效值effecive(尤指按

得来的有效值。

磁效应即电流通过导体时，在导体周围产生磁场。一般情况下，利用磁效应工作的负荷，几乎都是把电能转变为机械能。电能转变为机械能的负荷，主要是直流电动机和交流电动机。三相交流电动机中异步电动机是各种电动机中应用最广，需求量最大的一种电机。90％左右的原动机是三相异步电动机，其中，小型三相异步电动机占70％以上。在电网的总负荷中，异步电动机用电量占60％以上。三相异步电动机正常运转的转矩取决于基波电磁转矩T_em，T_em与基波电压的均方根值U₁的平方成正比。如谐波电流注入电动机时，并不增加其有效的轴功率，而只是增大其附加损耗和附加温升以及反向转矩，缩短电机的寿命。

根据上面的分析，我们可以得出如下结论：在一般情况下，使用稳压器，实质上是要保证交流电压真有效值的稳定。而保证交流电压真有效值的稳定的终极目标是为了保证交流电压真有效值的平方的稳定。为此，我们不妨一步到位，索性设计直接保证交流电压真有效值的平方稳定的稳压器。本发明的目的就是提供直接保证交流电压真有效值的平方稳定的稳压器。由式(1)有， 。根据GB3100-93《国际单位制及其应用》的规定，若u(t)的单位为具有专门名称的Sl导出单位“伏(V)”时，U_TRMS ²的单位的符号为V²，名称为二次方伏，而不是平方伏。为了凸显本发明的物理意义，因而没有按U_TRMS ²＝这一数学表达式，将本发明命名为“带均方值转换器的三相分调统调单相稳压器”，而是命名为“带均二次方值转换器的三相分调统调单相稳压器”。

为了达到上述目的，根据要稳定某一物理量，则应建立闭环控制系统并引入该物理量的负反馈的原则，采用交流电量均二次方值转换器来替代原来的平均值AC/DC电压转换器作反馈检测元件检测稳压器输出电压的均二次方值，使三相分调自动补偿式稳压器、三相统调自动补偿式稳压器、单相自动补偿式稳压器分别成为所发明的稳压器。交流电量均二次方值转换器的特点是转换器输出的直流电量_FDC与输入转换器的交流电量F_AC的平方F_AC ²成正比，即F_DC＝KF_AC ²。式中 ，K为常数。由于交流电量均二次方值转换器真正实现了输出电压的均二次方值反馈检测，即 反馈检测，从而克服了在实际电网中用平均值AC/DC电压转换器对输出电压的真有效值进行反馈检测降低稳压器输出电压稳定精度的弊端，保证了输出电压的真有效值的平方的稳定精度。

本发明的三相分调自动补偿式稳压器它包括：三个基准电量上下限设定装置，分别用于设定各相的稳定精度；三个反馈检测元件，分别用于检测各相输出电压的均二次方值；三个偏差检测元件，分别用于比较各基准电量上下限值与各反馈检测元件的输出电量的差别，得到偏差信号；三个放大器，分别用于放大各偏差信号，以驱动各自的伺服电机；三个伺服电机，分别受各自的放大器的控制，用于调节各自的接触调压器的输出电压；三个接触调压器，分别用于控制各自的补偿变压器一次侧的电压；三个补偿变压器，各自的二次侧电压分别用于补偿稳压器的各相输出电压的变化，以保持各相输出电压的均二次方值的稳定；其特征是检测稳压器输出三相电压的均二次方值的三个反馈检测元件都采用交流电量均二次方值转换器。

本发明的三相统调自动补偿式稳压器它包括：基准电量上下限设定装置，用于设定稳定精度；稳压器输出三相电压的均二次方值的平均值的反馈检测元件，用于检测输出三相电压的均二次方值的平均值；偏差检测元件，用于比较基准电量上下限值与反馈检测元件的输出电量的差别，得到偏差信号；放大器，用于放大偏差信号，以驱动伺服电机；伺服电机，受放大器的控制，用于调节三相接触调压器的输出电压；三相接触调压器，用于控制三相补偿变压器一次侧的电压；三相补偿变压器，它的二次侧电压用于补偿稳压器的输出电压的变化，以保持输出电压的均二次方值的稳定；其特征是检测稳压器输出三相电压的均二次方值的平均值的反馈检测元件是采用交流电量均二次方值转换器。

本发明的单相自动补偿式稳压器它包括：基准电量上下限设定装置，用于设定稳定精度；反馈检测元件，用于检测输出电压的均二次方值；偏差检测元件，用于比较基准电量上下限值与反馈检测元件的输出电量的差别，得到偏差信号；放大器，用于放大偏差信号，以驱动伺服电机；伺服电机，受放大器的控制，用于调节接触调压器的输出电压；接触调压器，用于控制补偿变压器一次侧的电压；补偿变压器，它的二次侧电压用于补偿稳压器的输出电压的变化，以保持输出电压的均二次方值的稳定；其特征是检测稳压器输出电压的均二次方值的反馈检测元件是采用交流电量均二次方值转换器。

下面根据所发明的稳压器的结构特征从理论上阐述其与现有技术稳压器的特点。

如前所述，已将u(t)展开为式(2)。由式(2)和GB/T14549-93有，总的电压正弦波形畸变率(TotalHarmonic Distortion)THD为： $\mathrm{THD}=\sqrt{\underset{=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{THD}}_i\right)}^2}----\left(3\right)$

下面将证明， 可以作为u(t)的等效正弦波(文献[2]，机械工程手册电机工程手册编委会编，《电机工程手册》第一卷基础理论，北京：机械工业出版社，1982年。第2篇，电工基础，70～72页)。

由式(3)和文献[2]有： 。当THD≤5％时，以U_TEMS来代替U₁的误差不超过+0.12％。根据GB755-87的有关规定和等效正弦波的工程实践意义，u₁(t)与u(t)等效，这也就是前面所说的“使用稳压器，实质上是要保证交流电压真有效值的稳定”。

因此，所发明的三种稳压器的稳定精度和三种普通稳压器相比，前者能够真正达到设定精度，而后者即采用平均值AC/DC电压转换器作反馈检测元件的三种普通自动补偿式稳压器在实际电网中是不能保证设定的稳压精度的；所发明的稳压器比采用平均值AC/DC电压转换器作反馈检测元件的普通稳压器的稳压精度(稳压精度由均二次方值即真有效值的平方的稳定精度折算而来)要高，稳压精度只由基准电量上下限值决定，而后者在稳压精度之外，还有因反馈检测元件的反馈检测误差导致的控制误差，会出现拒调节(即虚假稳压)和误调节(即破坏系统的稳定，偏离正确的电压均方根值)；这个控制误差的大小为±48％(THD)，在THD为极限值5％时，士48％(THD)＝±2.4％。将三种普通稳压器的稳压精度折算成均二次方值的稳定精度，则这个控制误差为±4.8％。

按JJG1001-93《通用计量名词和定义》的规定，真有效值转换器(TRMS/DC)和均二次方们转换器

都是真有效值测量变换器(见JJG1001-93第48条)。根据自动控制理论，以TRMS/DC转换器和

转换器作反馈检测元件都能保证稳压器的输出电压的真有效值的稳定。因为真有效值的平方就是均二次方值，真有效值稳定了，均二次方值也就稳定了，反之亦然。但是，TRMS/DC转换器的输入—输出是线性(正比例)关系，而

转换器的输出则与输入的真有效值的平方成正比。因此，本发明是非线性真有效值反馈控制系统。对于函数y＝x²，有 。这表明采用均二次方值转换器作反馈检测元件的稳压器比采用真有效值转换器作反馈检测元件的稳压器(线性真有效值反馈控制系统)的动态性能要好，即灵敏度要高，平稳性要好(尤其是设有快速制动环节的稳压器更是如此)，更容易保证稳压精度和稳压效果。在同等的基准电量上下限值设定范围内，前者比后者的稳压精度要高。顺便指出，“同样的基准电量上下限值设定范围”与“同等的基准电量上下限值设定范围”的说法是不同的。例如，前者的9.0～11.0V与后者的9.5～10.5V的设定范围是同样水平的上下限值设定，稳压效果是一样的。这里假定两者的反馈检测元件的输出直流电压为.10V时，两者输出的电压的真有效值相等(都是标称值)。

下面结合附图和实施例对本发明作详细的描述。

图1是三相分调自动补偿式稳压器的主电路原理图，图2是单相自动补偿式稳压器、三相统调自动补偿式稳压器和三相分调自动补偿式稳压器(以单相形式表示)的控制系统方框图，图3是“半导体二极管、电阻、电容网络分段线性化原理逼近平方律伏安特性曲线”的电压均二次方值指示仪表的电路图，图4是三相统调自动补偿式稳压器的输出三相电压的均二次方值的平均值的反馈检测原理图。

以交流电量均二次方值转换器来替代三种普通自动补偿式稳压器的中的平均值AC/DC电压转换器作反馈检测元件检测稳压器的输出电压的均二次方值即可构成本发明的三种稳压器。

作为替代平均值AC/DC电压转换器作反馈检测元件的交流电量均二次方值转换器，可以采用热电式均二次方值转换器，也可以采用“晶体二极管非线性的伏安特性与串联电阻的线性伏安特性合成的近似平方律伏安特性曲线”原理的均二次方值转换器，还可以采用“半导体二极管、电阻、电容网络分段线性化原理逼近平方律伏安特性曲线”的均二次方值转换器，当然也可以采用功率变换器例如采用“时分割乘法器”的BSW型功率变送器——这是因为对于一个纯电阻电路，电阻消耗的功率与电阻两端的交流电压u(t)的均二次方值

成正比(BSW型功率变送器是由机械工业部上海电器科学研究所研制的浙江省海盐县电力电器设备厂生产的)。

热电式均二次方值转换器的输出量为直流电势E，E与输入的交流电流的有效值I的平方I²成正比(热电偶冷端温度恒定)，即

，K₁为常数。后两种均二次方值转换器的平方律伏安特性曲线方程则是i(t)＝K₂[u(t)]²，i(t)在一个周期内的平均值I为，

K₂为定值。

热电式均二次方值转换器由于响应时间较长，受环境影响大，难以用于本发明。“晶体二极管非线性的伏安特性与串联电阻的线性伏安特性合成的近似平方律伏安特性曲线”原理的均二次方值转换器，由于其近似平方律伏安特性曲线与平方律伏安特性差别较大，也不宜用于本发明。

“半导体二极管、电阻、电容网络分段线性化原理逼近平方律伏安特性曲线”的均二次方值转换器，是利用二极管的的开关作用形成一系列折线来逼近平方律伏安特性曲线，分段折线越多，逼近的程度越高，误差越小。图3中虚线框内的电阻在阻值上有一定的配合，以使虚线框内的两个二极管的开关作用形成三段折线逼近平方律曲线。

顺便指出，就本发明的发明人所知，“半导体二极管、电阻、电容网络分段线性化原理逼近平方律伏安特性曲线”是为了适应在波形畸变下，仍然能测量畸变正弦波电流电压的有效值而提出的。按这一原理制造的电流表电压表，叫变换器式电流表电压表。例如原机械工业部桂林电表厂(现下放桂林市管理，并已更名为桂林威达集团公司)生产的41L1-A、41L1-V就是这类仪表(两段折线式)。

对于本发明的三相分调自动补偿式稳压器，只需以三个如图3所示的均二次方值转换器来替代三个平均值AC/DC电压转换器即可构成。

对于本发明的三相统调自动补偿式稳压器则应按图4所示方式对稳压器输出的三相电压的均二次方值的平均值进行反馈检测。图4中的13、14、15为输出三相电压各相电压的均二次方值的反馈检测单元，是

转换器，16、17、18为各反馈检测单元的直流侧均衡电导，以消除各反馈检测单元的输出电导不等的影响。三个反馈检测单元组成一个反馈检测元件，对三相电压的均二次方值的平均值进行反馈检测。

至于本发明的单相自动补偿式稳压器，只需将普通单相自动补偿式稳压器中的平均值AC/DC电压转换器由均二次方值转换器替代即可构成。

在自动调节系统中，把组成系统的几个主要部件(如给定器、显示调节仪)构成一个整体，这样的仪表叫基地式自动调节仪表。基地式自动调节仪表一般以指示(记录)仪表为主体，附加调节机构而组成。基地式自动调节仪表接受检测元件的信号，经指示(记录)机构的动作，带动调节机构，并发出控制信号，去推动执行(伺服)机构，实行自动控制。在热处理中常用的“配热电偶用动圈温度指示位式调节仪表”例如“XCT-101”和“XCT-121”等就是这类仪表。“XCT-101”和“XCT-121”就是由温度测量指针和调节部分组成的，其中调节部分又是由基准设定装置(给定器)，偏差检测机构、振荡放大器和控制继电器组成。测量指针上挂有铝旗，铝旗的位置就是反馈检测元件的输出信号。基准设定装置即给定器是一只检测线圈。铝旗和检测线圈又构成偏差检测机构。当温度测量指针上的铝旗被逐渐带进检测线圈的间隙时，检测线圈的电感量逐渐减小，直至使振荡放大器停振，控制继电器动作，切断或接通电源，使温度开始下降或上升。“XCT-121”是“三位指示调节仪”，它的调节部分是由两组二位式调节电路组成，一组控制上限继电器，另一组控制下限继电器，以控制被控参数的上限值和下限值或上下限报警。

将均二次方值转换器的输出直流电流通入“XCT-121”调节仪，即可实现交流电压均二次方值的上下限范围控制。这里必须指出的是，对于瞬时值有，i(t)＝K₂[u(t)]²，而i(t)在一个周期内的平均值1为，1＝

。这一计算任务是由磁电系测量机构承担的。因为测量机构的可动部分(动圈)的转动惯量较大，动圈跟不上转矩的瞬时值的变化，只能反映转矩在一个周期的平均值。

为了不失一般性，下面以本发明的三相分调自动补偿式稳压器为例结合附图来介绍其工作原理。

首先结合图1来简介其工作原理，采样比较控制装置4从稳压器输出端采样，将采样输出电量与基准电量进行比较，当采样输出电量大于设定的基准电量上限值(或小于基准电量下限值)时，伺服电机3带动A相接触调压器2的电刷组作相对滑动，改变A相补偿变压器1中ΔU_A的大小和极性，使A相输出电压上升或下降，以保证A相电压的均二次方值的稳定精度。采样比较控制装置8或12、伺服电机7或11、接触调压器6或10、补偿变压器5或9保证B相或C相电压的均二次方值的稳定精度也是这样。

下面结合图1和图2更详细的说明其工作原理，当输入电压U_A1或负荷变化引起输出电压U_A0的平方U_A0 ²变化时，A相反馈检测元件从稳压器输出端采样，采样信号经

转换后与A相基准电量上下限值比较，若反馈输出电量大于上限电量值(或小于下限电量值)时，A相放大器将偏差信号放大，以驱动A相伺服电机带动A相接触调压器2的电刷组作相对滑动，使调压器上出现电压U_A2，在A相补偿变压器1的一次侧相应的有电压U_A3则在二次侧产生补偿电压ΔU_A，以补偿输出电压U_A0的平方U_A0 ²的变化，直到回复到稳定精度允许范围内。B相、C相的稳定过程也是这样。

这里需要指出的是，普通稳压器中有一个必要技术特征“基准电压上下限设定装置”，本发明的这个必要技术特征则为“基准电量上下限设定装置”。这是因为对一个自动控制系统来说，参考输入(给定)信号只是一个设想的希望值，并不直接作用于系统，直接作用于系统的是与放大器(调节器)输入端所接受的物理量相一致的基准信号，基准信号与反馈检测元件的输出信号是相同的物理量，而希望值则是与系统输出量相同的物理量——这个物理量就是反馈检测元件的输入信号。例如单闭环调速系统，输出量是转速，参考输入信号也是转速，基准信号是电压，反馈检测元件是测速发电机，反馈输入信号是转速，输出信号是电压。这时往往把基准信号叫转速给定，其实转速给定信号具有电压的量纲，是一个电压。本发明的必要技术特征“基准电量上下限设定装置”实质上就是“基准电压均二次方值上下限设定装置”只不过是按“均二次方值转换器”即

转换器的输出量——电量(电压或电流)命名而已。

Claims (3)

1.一种三相分调自动补偿式稳压器，它包括：

三个基准电量上下限设定装置，分别用于设定各相的稳定精度；

三个反馈检测元件，分别用于检测各相输出电压的均二次方值；

三个偏差检测元件，分别用于比较各基准电量上下限值与各反馈检测元件的输出电量的差别，得到偏差信号；

三个放大器，分别用于放大各偏差信号，以驱动各自的伺服电机；

三个伺服电机，分别受各自的放大器的控制，用于调节各自的接触调压器的输出电压；

三个接触调压器，分别用于控制各自的补偿变压器一次侧的电压；

三个补偿变压器，各自的二次侧电压分别用于补偿稳压器的各相输出电压的变化，以保持各相输出电压的均二次方值的稳定；

其特征是检测稳压器输出三相电压的均二次方值的三个反馈检测元件都采用交流电量均二次方值转换器。

2.一种三相统调自动补偿式稳压器，它包括：

基准电量上下限设定装置，用于设定稳定精度；

稳压器输出三相电压的均二次方值的平均值的反馈检测元件，用于检测输出三相电压的均二次方值的平均值；

偏差检测元件，用于比较基准电量上下限值与反馈检测元件的输出电量2的差别，得到偏差信号；

放大器，用于放大偏差信号，以驱动伺服电机；

伺服电机，受放大器的控制，用于调节三相接触调压器的输出电压；

三相接触调压器，用于控制三相补偿变压器一次侧的电压；

三相补偿变压器，它的二次侧电压用于补偿稳压器的输出电压的变化，以保持输出电压的均二次方值的稳定；

其特征是检测稳压器输出三相电压的均二次方值的平均值的反馈检测元件是采用交流电量均二次方值转换器。

3.一种单相自动补偿式稳压器，它包括：

基准电量上下限设定装置，用于设定稳定精度；

反馈检测元件，用于检测输出电压的均二次方值；

偏差检测元件，用于比较基准电量上下限值与反馈检测元件的输出电量的差别，得到偏差信号；

放大器，用于放大偏差信号，以驱动伺服电机；

伺服电机，受放大器的控制，用于调节接触调压器的输出电压；

接触调压器，用于控制补偿变压器一次侧的电压；

补偿变压器，它的二次侧电压用于补偿稳压器的输出电压的变化，以保持输出电压的均二次方值的稳定；

其特征是检测稳变压器输出电压的均二次方值的反馈检测元件是采用交流电量均二次方值转换器。

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