CN1185600A - 交流电控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种交流电控制装置,在电源输入端设置相位比较控制器、变压用的自耦变压器、和电压降压用的互感电抗器;在自耦变压器上设有多个抽头并用开关阵列将互感电抗器和它们连接;在电源输出端设置有电压比较器及电流比较器;输出电压比较器的输出连接在开关阵列控制器的输入端;设置逻辑控制器于电流比较器的输出及相位比较控制器的输出端;由逻辑控制器使开关阵列动作,从而将自耦变压器的输出电压有选择地加到互感电抗器上。

Description

交流电控制装置
本发明涉及使用变压器一类的电磁变换装置的线性控制方式的交流电变换和控制装置，特别是涉及恒定电压控制装置，此装置在负载侧设定必要的电压时，当输入电压有变化时仍可维持输出电压为一定值。
在家电制品中，一般要求负载侧的电压在低于输入电压10～20％的情况下也能充分和有效地工作。因而，本发明提供的是一种在负载侧供给降压电力以期获得节电效果的装置。
节电装置除了节约电费，还期望得到所定的经济利益，通常其要求制造费用低，且作为供电装置可以保证绝对的可靠性，并对负载体系不产生电波干扰现象等不良影响。
因此，作为此种减压方式的节电装置可以使用的交流电控制及变换装置有自耦式、多线圈式变压器或电抗器等线性方式的电力控制装置，还有由使用开关半导体元件的相位控制或P.W.M控制的电力控制装置。在英国专利GB2043971中披露了一种采用变压器的恒压控制装置将二次边线圈直接连到负载侧而变换一次边线圈的极性的开关方式的装置。
不过，一般变压器的电力控制方式在电气可靠性和经济性方面不满意，并且对周围电气环境产生有害的E.M.I电噪声的问题也呈上升趋势。
另一方面，上述英国专利的恒压控制装置无法进行精细恒压控制，如果没有构成可以吸收发生在开关过渡期中的磁感应高电压的闭合回路，则会因使用机械接点开关或半导体开关的困难而难以实用。另外，按此种控制方法，在开关瞬间产生的反电势以及与其输出相连接的各种电子制品(计算机、音响、电视机等)中产生的电磁噪声对包括电动机或加热器在内的电子制品的使用有限制。
本发明着眼于这样的事实：即对于除了加热器这种直流电阻负载以外的交流阻抗负载体系而言，通常在供电电源降于额定电压的10～20％的情况下，对负载的正常工作不会带来问题。因此在这一范围内降低输入电源的电压为负载体系供电，便可提供适当的降压节电装置。此外，由于具有了能稳定输入电压的变动的恒电压功能，从而可以提供同时满足节电功能和供电稳定性、可靠性的经济装置。
因而，本发明的目的是提供一种用低于负载侧容量的自耦式或多线圈式变压器的互感电抗器对大容量负载电压进行线性降压的装置。
进而，本发明的目的在于在输入电压比基准电压高或低的场合，提供能维持一定输出电压的自动电压控制装置；根据负载侧的情况及输入电源的状态，特别是在输入电源电压等于或低于负载侧必要的电压的场合，提供一种能自动地将输入电源直接旁路到负载侧的装置；此外，本发明还提供了几乎没有E.M.I或开关噪声的节电型(节电器)线性电力控制装置。
本发明的其它目的还包括为了实现本发明的上述功能而分别提供根据并联线圈式互感电抗器的输入电压的控制方法和根据输出电压的控制方法，以及提供根据串联线圈或互感电抗器的控制方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种节电的交流电控制装置；在电源输入端设置了相位比较控制器、变压用的自耦变压器、和降压用的互感电抗器；在自耦变压器上有多个抽头并用开关阵列将互感电抗器和它们相连接；在电源输出端设有电压及电流比较器；输出电压比较器的输出连接在开关阵列控制器的输入端；逻辑控制器设置于电流比较器的输出及相位比较控制器的输出端，根据逻辑控制器来使开关阵列动作，将自耦变压器的输出电压有选择地加到互感电抗器上。
图1至图3是本发明实施例的框图；
图4至图6是示于图1至图3框图的具体实施例的电路图；以及
图7是本发明的电控制输出波形图，其中，A)是线性控制输出波形图；以及B)是相位控制输出波形图。
以下根据附图对本发明作详细说明。
如附图1至图3所示，本发明设有位于电源输入端的相位比较控制器1、变压用的自耦变压器2、和互感电抗器3；在电源输出端设有电压比较器4和电流比较器5；输出电压比较器4以及电流比较器5和相位比较控制器1的输出端设有逻辑控制器6；由逻辑控制器6而使开关阵列7动作；由于将经过自耦变压器2变形的输出电压或者不经自耦变压器2的旁路电压有选择地加到互感电抗器3上而得以调节互感电抗器3的输出电压。
本发明的一个优选实施例示于图1及图4。图1是本发明一个实施例的框图。图4是示于图1的框图的具体实施电路。根据示于图1及图4的实施例，输入电压变化而输出的自耦变压器2有变压装置，但互感电抗器3的一次边电压线圈31的起始点连接在变压装置的输出端，电压线圈31的另一端连接在和电源侧的共通线上。即，将互感电抗器3和自耦变压器2的变压装置的输出并联连接。
然后，互感电抗器3的二次边电流线圈32以线圈的一端开始点和电源连接，线圈终端和负载8连接。二次边电流线圈32的粗细以能流过负载8的额定电流来设计，以使二次边电流线圈32的线圈电压(Vx)定在输入额定电压的20％以下。接在互感电抗器3的一次边上的自耦变压器2的变压装置以多个抽头来构成，如图4中所示，从自耦变压器2的线圈开始到中间制作有多个固定抽头S0、S1、S2、S3、Sn，设置有和各固定抽头可选择地连接的开关阵列7，开关阵列7的共通抽头和互感电抗器3的一次边电压线圈31的一端相连。一次边电压线圈31的另一端和电源的接地共通线相连，另外的独立的开关71连接在自耦变压器2的线圈下端部SD上，开关71的输出端和开关阵列7的共同端连接。各开关可以用继电器或TRIAC之类的元件构成。互感电抗器3的二次边电流线圈32和负载8串联连接。
输出电压(V2)＝电源电压(Vs)-电流线圈电压(Vx)，因此，鉴于互感电抗器3的二次边电流线圈32是对于一次电压线圈7情况相同地绕制形成以承受电源电压(Vs)的10％的线圈，所以减低电源电压10％给负载8供电。这样，电流线圈32按承载电源电压(Vs)的10％的线圈绕制形成，互感电抗器3的容量由负载8的电流(IL)×电流线圈32的电压(Vx)来决定，因此，根据加在一次侧电压线圈31上的电压而输入电源电压(Vs)以减少电流线圈电压(Vx)的程度来供给负载8，因而，可减少的功率为(Vx)×(IL)。
和电源并联连接的相位比较控制器1的输出连接在“或”门6的一侧，比较负载8一侧的电流的输出电流比较器5的输出连接在“或”门6的另一侧。将“或”门6的输出和开关71的控制输入(S)连接，并且和使开关阵列7全部断开的控制输入(C)相连接。另一方面，将供给负载边的输出电压(V2)的输出电压比较器4和互感电抗器3的输出并联连接，输出电压比较器4的输出连接到开关阵列7的开关选择控制输入(S)。此外，相位比较控制器1的输入连接有可以确定相位比较基准电压的可变电阻。
因而，当加电时，相位比较控制器1将根据基准电压(CV)比较的信号输出高或低电平信号。此信号通过“或”门6，对于比相位比较控制器1的基准电压低的输入电压，旁路开关71为接通状态，而开关阵列7全部为断开状态，所以输入电源直接输出。另一方面，对于比相位比较控制器1的基准电压高的输入电压，旁路开关71为断开状态，而开关阵列7中某一个为接通状态，互感电抗器3的一次边线圈31被激磁，将输出电压(V2)减压为电压(Vx)供给负载。
根据相位比较控制器1的工作和基准电压(CV)，可以得到如图7B的交流相位控制输出波形。此种相位控制输出的平均电压根据旁路直接连结(D)接通的时间和减压节电(S)时间的比率来调节。此外，输入电压(Vs)比根据输出电压比较器4设定的基准电压高时，对应于输出电压比较器4的输出信号，开关阵列7的开关连接抽头就向上选择，提高互感电抗器3的二次电流线圈电压(Vx)，使输出电压一定。这样的线性控制输出波形示于图7A。所以，负载电流(IL)比根据输出电流比较器5设定的基准电流为大时，根据输出电流比较器5的输出信号，旁路开关71为接通状态，开关阵列7全部为断开状态。从而，在启动电动机之类的要求大负载电流的情况下，即刻让输入电流走旁路，充分供给负载必需的功率。当还原为正常电流时，旁路开关71为断开状态，而节电模式开关7为接通状态。
对于图1及图4的本发明的实施例，当互感电抗器3的一次边电压线圈31的线圈起始端和自耦变压器2的上端21相连接时，二次边电流线圈8的电压(Vx)为最大，节电量也为最大。自耦变压器2的中间抽头(例如S3)上连接了互感电抗器3的一次边电压线圈31，互感电抗器3的一次边电压(V1)减少，二次边电流线圈32的电压(Vx)也减小，从而节电量也减少。进而，输入电压(Vs)一变高，中间抽头S3连接到电压高的一边的21，就能维持输出电压(V2)一定。此外，当电动机起动或者放电灯等点燃时，必须为这类负载提供高电压，因此要将一次边电压线圈31的线圈起始端连接到自耦变压器2的下端的22处，互感电抗器3的一次线圈构成短路回路，因此，互感电抗器3的磁通抵消，使二次边电流线圈32变化为导体而流过大电流，不使用其它旁路开关也可以将电源直接输入给负载8。即，在互感电抗器3的二次边电流线圈32的两端可以不用连接其它大容量的电流开关，而只进行一次边线圈31的线性变压，或者抽头切换开关作用利用自耦变压器2的并联回路开成闭回路，以使过电压的过渡期状态最短。
本发明的其它实施例示于图2及图5。图2是一个实施例的框图，图5是根据图2的具体实施电路图。这是一个根据从输出电压(V2)接收到的输出电压对互感电抗器3的一次边电压线圈31激磁的电压进行控制的实施例。在电源一侧的互感电抗器3的一次边电压线圈31的线圈起始端和二次边电流线圈32的线圈起始端共通连接起来，二次边电流线圈32串联到负载8。自耦变压器2的中间和下端间形成的抽头连接在互感电抗器3的一次边电压线圈31的端部。
输入电压(Vs)上升时，将互感电抗器3上连接的自耦变压器2的中间抽头向自耦变压器2的线圈下端侧22移动，互感电抗器3的二次边电压(Vx)变为最大，输出电压(V2)成为最小。另一方面，输入电压(Vs)下降时，连接在互感电抗器3的自耦变压器2的中间抽头向自耦变压器2的线圈上端侧21移动，例如连接到线圈上端21上，一次边电压线圈31和二次边电流线圈32互相并联连接，磁通相抵，结果电源电压(Vs)可以100％地供给负载8。
本发明的其它实施例示于图3及图6。图3是本发明另一实施例的框图，图6是根据图3的实施例的具体实施电路图。其中包括互感电抗器3和自耦变压器2，而且由串联方式连接的互感电抗器3构成该互感电抗器3，将互感电抗器3的电压线圈31激磁而控制电流线圈32。即，将电流的一端并排地连接到串联线圈方式的互感电抗器3的电流线圈32的线圈起始端抽头和自耦变压器2的起始抽头上，电流线圈32的另一端连接到负载8和互感电抗器的电压线圈31的起始点上，电压线圈31的线圈端部也连接到构成自耦变压器21的中间及下端间的抽头上。
然后，输入电压(Vs)上升时，将自耦变压器2的中间抽头向线圈下端侧移动，输入电压连接到靠近线圈下端侧22处而单线圈的互感电抗器3的电流线圈32的电压(Vx)为最大，输出电压(V2)为最小。
另一方面，输入电压(Vs)下降时，向自耦变压器2的线圈上端侧21的中间抽头移动来补偿电压下降，还有，输入电压降到设定在输出电压比较器4设定的基准电压以下时，中间抽头连到线圈上端侧21。电压线圈31和电流线圈32并联连接，磁通相抵，结果电源电压100％地得以供给到负载8。
本发明不仅可以借助使用线性变压器原理的有负载电功率1/10大小的小型互感电抗器来节能地供给必要的适当的电力，而且还能根据图7B那种双重相位控制或图7A那种线性电压控制来提供优质的均衡交流电压，使开关过渡过程的噪音和冲击电流可以最小。从而，可提供小型、重量轻、高可靠性、和廉价的节电交流电控制装置。

Claims (4)

1.一种节电用交流电控制装置，其特征是在电源输入端设置相位比较控制器(1)、变压用的自耦变压器(2)和电压降压用的互感电抗器(3)；在自耦变压器(2)上设有多个抽头并由开关阵列(7)将互感电抗器(3)和它们连接；在电源输出端设置电压及电流比较器；输出电压比较器(4)的输出连接在开关阵列控制器的输入端；设置逻辑控制器(6)于电流比较器(5)的输出及相位比较控制器(1)的输出端，由逻辑控制器(6)使开关阵列(7)动作，从而将自耦变压器(2)的输出电压有选择地加到互感电抗器(3)上。
2.根据权利要求1所述的节电用交流电控制装置，其特征是将在自耦变压器(2)的线圈上端侧(21)和下端侧(22)之间设置的多个抽头通过开关阵列(7)或开关(71)连接到互感电抗器(3)的一次边线圈的开始接头上；将互感电抗器(3)的二次线圈串联连接在电源(1)和负载(10)之间；将逻辑控制器(6)的输出连接到开关(71)的控制输入端(S)和开关阵列(7)的断开输入端(C)上；将输出电压比较器(4)的输出连接到开关阵列(7)的控制输入端(S)上。
3.根据权利要求1所述的节电用交流电控制装置，其特征是将自耦变压器(2)连接在互感电抗器(3)的输出上；将互感(3)的一次电压线圈(31)的线圈接头并联连接在开关阵列(7)和开关(71)上。
4.根据权利要求1所述的节电用交流电控制装置，其特征是互感电抗器(3)由二次电流线圈(32)和一次电压线圈(31)串联连接而构成；将自耦变压器(2)并联连接在互感电抗器(3)上；将互感电抗器(3)的一次电压线圈(31)的线圈末端接头并联连接在开关阵列(7)和开关(71)上。
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