CN1200502A

CN1200502A - 变比式磁控有载无刷双向静态调压器

Info

Publication number: CN1200502A
Application number: CN 97118804
Authority: CN
Inventors: 赵忠臣
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 1998-12-02

Abstract

本发明涉及一种变比式磁控有载无刷双向静态调压器,属于电气控制技术领域。基本原理是以开关之间的切、转换改变绕于铁芯上的绕组N₂的接入匝数和其与绕组N₁的变压比以及两个绕组的相位进行变比调压,为了不出现过电压、过电流的问题,采用了旨在保持电路不发生中断的切换过渡回路。实现了无刷、无驱、传动机构、无电磁污染的静态调压。具有结构、线路简单,效率高、成本低、调压特性好、工作稳定可靠的特点。

Description

变比式磁控有载无刷双向静态调压器

本发明涉及一种变比式磁控有载无刷双向静态调压器，属于电气控制技术领域。

调压器种类比较多，如果按制做调压器的材料划分，基本可以分为两类：一类是以铁芯线圈为材料制成的电磁调压器，另一类是以晶体材料制成的固体调压器件。

电磁调压器又可以分为变比调压、感应调压、移圈调压和磁性调压。其中以滑动电刷为调整执行器件制做的接触式调压器以及以其为主回路制成的稳压器应用最为广泛。大容量的国内外一般都采用接触调压器和变压器相结合进行补偿式调压。一种接触式调压器绕组和试验变压器绕组同绕在一个铁芯上构成的双向有载调压器获得了中国发明专利权，一种滚动电刷获得了中国实用新型专利权。虽然接触式调压器具有效率高、输出波形及调压特性好的优点，但是调压器需要手动，稳压器则需要以伺服电机为动力，通过传动机构进行动态的机械调压。由于存在裸露的滑动电接点，不但反映时间、调整速度比较慢，而且容易发生电气、机械故障，其使用场所也受到限制。受电刷载流量的限制，单机容量也被限定。

感应调压、移圈调压虽然无刷，但是存在驱动、传动机构，仍然属于动态机械调整。磁性调压虽然既无刷又无驱、传动机构，但是需要直流电源，由于是以直流电流调节铁芯饱和程度进行调压，在铁芯趋于饱和时其输出波形发生畸变。

固体器件又可以分为相位控制调压、开关脉冲宽度或频率变换调压。其虽然具有体积小、重量轻，可以进行无触点无级调压的优点，但是采用相控调压的其输出波形不连续完整，不适应对波形有要求的负载需要，并伴有高次谐波产生，对供电网络、周围环境以及附近无线收发、通讯设施构成电磁污染与干扰，只能降压而不能升压。以开关脉冲宽度或频率变化调压的受器件极限参数限制，调控容量都有一定的局限，不但也存在干扰问题，而且也是只能降压而不能升压。

为了克服两种调压器(件)的缺点，国内外通常采用两者相结合的设计。其中一种方案是美国一家公司采用的在补偿变压器绕组两端各接有一组由数个可控硅构成的静态开关，各开关分别和跨接在电源上的电抗器引出的抽头相连接，通过开关之间的互相切换改变加在补偿绕组两端的电压、极性进行双向调压；另一种方案是国内采用的在自耦变压器抽头上接有继电器，以接于输入电源和负载之间的继电器的互相切换改变接入抽头进行双向调压。

这种设计虽然蒹有两种调压器的共同优点，但是其存在可靠性差的问题。由于开关控制的是感性负载，目前还很难做到在关断开关电流为零时待接入开关及时、精确的同步接入，常发生由于开关切换失误导致电路发生中断而产生的过电压或两个切换开关同时接通而产生的短路环流、击穿、烧损开关、绕组的问题。

由于存在可靠性等方面的问题，这几种设计在工程上还未得到广泛的应用。

本发明的目的是要提供一种结构、线路简单，成本低，既无刷、无驱、传动机构、又无电磁污染与干扰、工作稳定可靠的静态调压器。

本设计提供了二种双向调压器。

双向变比式磁控有载无刷双向静态调压器由绕在铁芯上的绕组和开关、限流器件等部分组成，其中绕组N₁串接于输入电源和外接负载之间，成为负载绕组。其特征是：绕组N₂具有抽头，各抽头上接有可以彼此互相切换的开关K，其一端和跨接在电源上的换相开关K_H相连接，各抽头通过所接开关K和跨接在电源上的另一个换相开关K_H相连接，成为调控绕组。抽头上还接有由限流器件R_X和过渡开关K₁相串联组成的、同开关K相并联的切换过渡回路以及接于电源的换相过渡回路。开关K互相切换时可以改变调控绕组N₂的接入匝数和两个绕组的变压比，换相开关K_H可以把调控绕组N₂接入匝数的两端分别以与负载绕组N₁相位相同、相位相反的方式跨接于电源，也可以把其两端互相短接或与负载绕组N₁两端相并联，过渡回路开关K₁在切换开关K、换相开关K_H切换时处于接通状态，保持调控绕组N₂不发生中断，两个切换开关不能同时接通，不发生过电压、过电流的问题，限流器件R_X抑制过渡回路开关K₁和开关K、K_H同时接通时环流增大。两个绕组相位相同时输出电压随开关K互相切换在高于输入电压的基础上变化，调控绕组两端互相短接或与负载绕组两端相并联时输出电压等于输入电压，两个绕组相位相反时输出电压随开关K互相切换在低于输入电压基础上变化。

单向变比式磁控有载无刷双向静态调压器由绕在铁芯上的绕组和开关、限流器件、有磁隙的电抗器等部分组成，其中绕组N₁串接于输入电源和外接负载之间，成为负载绕组。其特征是：绕组N₂具有抽头，各抽头上接有可以彼此互相切换的开关K，其一端以与负载绕组N₁相位相同的方式接于电源，各抽头通过所接开关和转换开关K₂相连接，转换开关K₂的一个引出端接于电源，另一个引出端通过并有开关K₀的电抗器L和绕组N₂直接接于电源的一端相连接，成为调控绕组。抽头上还接有由限流器件R_X和过渡开关K₁相串联组成的、同切换开关K相并联的切换过渡回路以及接于电源的转换过渡回路。开关K互相切换时可以改变调控绕组N₂的接入匝数和两个绕组的变压比，也可以改变电抗器L两端电压，转换开关K₂可以把调控绕组N₂接入匝数的两端转为跨接于电源的状态，也可以把其两端转为经电抗器L构成回路的状态，过渡回路开关K₁在切换开关K、转换开关K₂切、转换时处于接通状态，保持调控绕组N₂不发生中断，两个切换开关不能同时接通，不发生过电压、过电流的问题，限流器件R_X抑制过渡回路开关K₂和开关K、K₂同时接通时环流增大。调控绕组两端跨接于电源时输出电压随开关K互相切换在高于输入电压基础上变化，调控绕组两端经并有开关K₀的电抗器L构成回路时，开关K₀接通时输出电压等于输入电压，开关K₀关断时输出电压随开关K互相切换在低于输入电压基础上变化。

由于本设计以开关切换为主控方案进行抽头改变、相位变换的变比调压的同时采用了旨在保持电路不发生中断、两个切换开关不能同时接通的切、转换过渡回路方案，避免了过电压、过电流的问题发生。尽而既保持了输出波形连续完整，又保证了开关、绕组的安全。从而实现了无刷、无机械驱、传动机构、无电磁污染的静态调压。不但减少了产生故障的隐患和维护、检修工作量，也提高了可靠性和使用寿命，同时还简化了生产加工工艺，节省了原材料、降低了生产成本。具有结构、线路简单，体积小、效率高、损耗少，调压特性好，调整速度快，工作稳定的特点。

下面结合附图和调压过程进一步分别描述二个调压器。

图1是本设计中双向变比式磁控有载无刷双向静态调压器的单相电路图(或三相中的一相，三相中的任意一相原理皆相同，只有相位之差，故三相图未给出)。

图中绕在同一铁芯上的绕组N₁匝数是固定的，其串接于输入电源和外接负载之间，成为调压器的负载绕组。绕组N₂具有6个抽头，各抽头上接有开关K₁-K₆，各开关可以进行彼断此通的互相切换，其一端和跨接在电源上的双向换相开关K_H1相连接，各抽头通过所接开关和跨接在电源上的另一个双向换相开关K_H2相连接，成为调压器的调控绕组。抽头上还接有由限流器件R_X1、R_X2和过渡开关K_H1、K_H2分别相串联组成的同开关K相并联的切换过渡回路，同时还接有由限流器件R_X1和过渡开关K_H3相串联组成的接于电源的换相过渡回路。其中开关K_H1回路为开关K₁-K₄互相切换时的共用回路，K_H2回路为开关K₄-K₆互相切换时的共用回路，K_H3回路为换相开关K_H1、K_H2换相时的过渡回路。图中所示的为两个绕组相位相同时的状态。

调压是这样进行的：当调控绕组N₂某一抽头上的开关处于接通状态时，即有一个匝数确定的绕组跨接于电源，由该接入绕组匝数与绕组N₁匝数的比值，即变压比决定，负载绕组N₁两端产生一个电压值。当接通开关从原开关切换到另一个开关后，由于跨接于电源的接入绕组的匝数发生变化，而负载绕组N₁的匝数未变，两个绕组的变压比随之发生变化，负载绕组N₁两端又产生一个随变压比变化的电压值。调控绕组N₂抽头所接开关每切换一次，跨接于电源的接入绕组的匝数就变化一次，两个绕组的变压比就相应的变化一次，负载绕组N₁两端的电压即随之变化一次，负载绕组两端电压由式：_ΔU＝U/N₂/N₁决定。式中_ΔU为负载绕组N₁两端电压，U为接入绕组两端电压，N₂为调控绕组接入匝数，N₁为负载绕组匝数。

改变调控绕组N₂的接入匝数，就可以调节负载绕组N₁两端电压。

由于两个绕组为自耦式连接，故输出电压由式：U_sc＝U_s1±_ΔU决定。式中U_sc为输出电压，U_s1为输入电压，_ΔU为负载绕组两端的变化电压，两个绕组相位相同时_ΔU为正值，取+号，两个绕组相位相反时_ΔU为负值，取—号。

以K_H1回路为例说明切换过渡回路的工作过程；如某时刻调控绕组N₃抽头上所接开关K₂处于接通状态，当欲把其关断而接通开关K₃时，在开关K₂未关断前接通过渡回路开关K_H1，待开关K₂关断后接通开关K₃，在开关K₃接通后关断过渡回路开关K_H1，一次切换过渡过程结束。切换过渡回路的承前启后作用保持调控绕组在开关K互相切换时始终处于接通状态，避免由于两个开关K同时接通产生的短路环流绕损开关、绕组的情况发生，同时防止由于两个切换开关K彼断时而此未通造成调控绕组出现中断，以及由此引发的由于负载绕组失去补偿电压而使输出波形发生畸变，并在调控绕组上产生很高的互感电压使开关被击穿的情况出现。也消除了开关关断时产生反电势、接通时产生浪涌冲击电流的不安全因素。

在一个切换过渡过程中，切换过渡回路先后有两次同开关K同时接通，但是由于抽头之间的电压比较低，较小的限流器件值就可以把回路电流控制在允许值以内。而切换过渡过程时间通常很短，所以其功率损耗及压降都很小。

其他各开关互相切换时的过渡过程均如此，故无需重复。

调压过程是：当需要升压时，令两个双向换相开关K_H1、K_H2把调控绕组N₂以同负载绕组N₁相位相同的方式跨接于电源，输出电压随开关K互相切换在高于输入电压的基础上变化，两个绕组变压比的值越小，输出电压升幅越大，反之则相反；需要输出电压等于输入电压时，令双向换相开关K_H1、K_H2中的一个换相，把调控绕组N₂两端转为互相短接或与负载绕组N₁两端相并联，此时由于调控绕组两端相接构成回路，负载绕组的电流经磁路在形成回路的调控绕组内产生互感电流，由于两个绕组电流相位相反，各自产生的磁通全部互相抵消，调压器两端电压为零；需要降压时，令两个双向换相开关K_H1、K_H2把调控绕组N₂以同负载绕组N₁相位相反的方式跨接于电源，输出电压随开关K互相切换在低于输入电压的基础上变化。

实施例：容量为1KVA的铁芯上分别绕有554匝的调控绕组和52匝的负载绕组。调控绕组接开关K₁的抽头为标准匝数(252匝，根据变压器设计参数求得)的80％(202匝)，接开关K₂的抽头为标准匝数的97.5％(245匝)，接开关K₃的抽头为标准匝数的113％(285匝)，接开关K₄的抽头为标准匝数的142％(358)匝，接开关K₅的抽头为标准匝数的170％(428匝)，接开关K₆的为标准匝数的220％(554匝)。开关为过零触发的双向可控硅10A/600V，限流器件为16Ω/8W电阻，负载功率1KW。按图1的电路相连接接入单相电源，各开关分别接通时得到如下的数据：

输入电压(V)	接通开关	N₂与N₁的变压比	负载绕组N₁两端电压(V)	输出电压(V)
				输出电压(V)		N₂与N₁相位相同	N₂与N₁相位相反
				220	K1	N₂与N₁相位相同	N₂与N₁相位相反	3.88	56	276	162
K2	4.71	46	266		K1	172		3.88	56	276	162
K2	4.71	46	266		K3	172	5.48	40	260	180
K4	6.88	32	252		K3	188	5.48	40	260	180
K4	6.88	32	252		K5	188	8.23	26	246	194
K6	10.65	20	240		K5	200	8.23	26	246	194
K6	10.65	20	240		175	200	K1	3.88	44	218
180	K2	4.71	38	216	175		K1	3.88	44	218
180	K2	4.71	38	216	185		K3	5.48	33	216
190	K4	6.88	27	215	185		K3	5.48	33	216
190	K4	6.88	27	215	195		K5	8.23	23	215
200	K6	10.65	18	216	195		K5	8.23	23	215
200	K6	10.65	18	216	260		K3	5.48	47		213
250	K4	6.88	36		260	214	K3	5.48	47		213
250	K4	6.88	36		242	214	K5	8.23	29		213
232	K6	10.65	21		242	210	K5	8.23	29		213

输入电压190V，切换过渡回路开关分别接通时的有关数据：

接通开关	R_X两端电压(V)	接入绕组两端电压(V)	输出电压下降值(V)	R_X的功率(W)
接通开关	R_X两端电压(V)	接入绕组两端电压(V)	输出电压下降值(V)	R_X的功率(W)	K₁₁	60	170	1.5	10
K₁₂	5	186	0.5	2	K₁₁	60	170	1.5	10

图2是本设计中单向变比式磁控有载无刷双向静态调压器的单相电路图(或三相中的一相，三相中的任意一相原理皆相同，只有相位之差，故三相图未给出)。

图中绕在同一铁芯上的绕组N₁的匝数是固定的，其串接于输入电源和外接负载之间，成为调压器的负载绕组。绕组N₂具有6个抽头，各抽头上接有开关K₁-K₆，各开关可以进行彼断此通的互相切换，其一端以同负载绕组N₁相位相同的方式接于电源，各抽头通过所接开关和转换开关K₂相连接，转换开关的一端接于电源，另一端通过并有开关K₀的电抗器L和绕组N₂直接接于电源的一端相连接，成为调压器的调控绕组。抽头上还接有由限流器件R_X1、R_X2和过渡开关K_H1、K_H2分别相串联组成的同开关K相并联的切换过渡回路，同时还接有由限流器件R_X3，和过渡开关K_H3相串联组成的接于电源的转换过渡回路。其中开关K_H1回路为开关K₁-K₄互相切换时的共用回路，K_H2回路为开关K₄-K₆互相切换时的共用回路，K_H3回路为转换开关K₂转换时的过渡回路。图中所示的为调控绕组N₂跨接于电源的状态。

调压是这样进行的：当调控绕组N₂两端跨接于电源时，某一抽头上的开关处于接通状态，即有一个匝数确定的绕组接于电源，由该接入绕组匝数与负载绕组N₁匝数的比值，即变压比决定，负载绕组N₁两端产生一个电压值。当接通开关从原开关切换到另一个开关后，由于跨接于电源的接入绕组匝数发生变化，而负载绕组N₁的匝数未变，两个绕组的变压比随之发生变化，负载绕组N₁两端又产生一个随变压比变化的电压值。调控绕组N₂抽头上所接开关每切换一次，跨接于电源的接入绕组匝数就变化一次，两个绕组的变压比就变化一次，负载绕组N₁两端的电压就随之变化一次，负载绕组N₁两端电压由式：_ΔU＝U/N₂/N₁决定。式中_ΔU为负载绕组两端电压，U为接入绕组两端电压，N₂为调控绕组接入匝数，N₁为负载绕组匝数。

由于两个绕组以相位相同的自耦形式相连接，输出电压由式：U_IO＝U_I1+_ΔU决定。式中U_IO为输出电压，U_I1为输入电压，_ΔU为负载绕组两端的变化电压。

调控绕组N₂通过并有开关K₀的电抗L构成回路时，负载绕组N₁的电流经磁路在调控绕组N₂上产生感应电压。当开关K₀接通后，调控绕组两端被短接而形成回路电流。由于负载回路的电流由负载功率决定，是有限值，故调控绕组的回路电流也是有限值，而且两个回路的VA值必然相等。还由于此时两个回路的电流相位相反，所以两个回路电流在磁路产生的磁通全部互相抵消，负载绕组两端电压为零，输出电压等于输入电压。当开关K₀关断后，调控绕组的回路电流在L值固定的电抗器上产生压降，其折算到负载绕组两端同样产生压降。调控绕组的接入匝数增多时，调控绕组两端电压升高，回路电流减小，电抗器L两端压降随之减小，负载绕组两端压降减小，反之则相反。调压器输出电压由式：U_IC＝U_I1-_ΔU决定。

由限流器件R_X和过渡开关K_H相串联组成的切换过渡回路、转换过渡回路在电路中的作用以及其工作过程与双向变比式磁控有载无刷双向静态调压器中的相同，无需重复。

调压过程是：需要升压时，令转换开关K₂把调控绕组N₂转为跨接于电源状态，输出电压随开关K互相切换在高于输入电压的基础上变化，两个绕组变压比的值越小，输出电压升幅越大，反之则相反；需要输出电压等于输入电压时，令转换开关K₂把调控绕组两端转为经并有开关K₀的电抗器L构成回路状态，开关K₀接通时输出电压等于输入电压。需要输出电压低于输入电压时，令开关K₀关断，输出电压随开关K互相切换在低于输入电压的基础上变化。

实施例：容量为1KVA的铁芯上分别绕有554匝的调控绕组和52匝的负载绕组，调控绕组接开关K₁的抽头为标准匝数(252匝，根据变压器设计参数求得)的80％(202匝)，接开关K₂的抽头为标准匝数的97.5％(245匝)，接开关K₃的抽头为标准匝数的113％(285匝)，接开关K₄的抽头为标准匝数的142％(358匝)，接开关K₅的抽头为标准匝数的170％(428匝)，接开关K₄的为标准匝数的220％(554匝)。开关为过零触发的双向可控硅10A/600V，限流器件为16Ω/8W电阻，电抗器的感抗550Ω，负载功率1KW。按图2的电路相连接接入单相电源，各抽头的开关分别接通时，得到如下的数据：

输入电压(V)	接通开关	N₂与N₁的变压比	负载绕组N₁两端电压(V)	输出电压(V)
				输出电压(V)		绕组N₂跨接电源	绕组N₂经L构成回路
				220	K1	绕组N₂跨接电源	绕组N₂经L构成回路	3.88	56	276	185
K2	4.71	46	266		K1	190		3.88	56	276	185
K2	4.71	46	266		K3	190	5.48	40	260	195
K4	6.88	32	252		K3	200	5.48	40	260	195
K4	6.88	32	252		K5	200	8.23	26	246	205
K6	10.65	20	240		K5	210	8.23	26	246	205
K6	10.65	20	240		175	210	K1	3.88	44	218
180	K2	4.71	38	216	175		K1	3.88	44	218
180	K2	4.71	38	216	185		K3	5.48	33	216
190	K4	6.88	27	215	185		K3	5.48	33	216
190	K4	6.88	27	215	195		K5	8.23	23	215
200	K6	10.65	18	216	195		K5	8.23	23	215
200	K6	10.65	18	216	228		K1		52		200

230	K2	47	206
230	K2	47	206	230	K3	40	210
230	K4	32	215	230	K3	40	210
230	K4	32	215	230	K5	25	220
235	K6	18	226	230	K5	25	220

说明：输入电压220V的负载绕组N₁两端电压只是绕组N₂跨接于电源时的电压值。

Claims

一种变比式磁控有载无刷双向静态调压器，双向变比式磁控有载无刷双向静态调压器由绕在铁芯上的绕组和开关、限流器件等部分组成，其中绕组N₁串接于输入电源和外接负载之间，成为负载绕组，其特征是：绕组N₂具有抽头，各抽头上接有可以彼此互相切换的开关K，其一端和跨接在电源上的换相开关K_H相连接，各抽头通过所接开关K和跨接在电源上的另一个换相开关K_H相连接，成为调控绕组，抽头上还接有由限流器件R_X和过渡开关K₁相串联组成的同开关K相并联的切换过渡回路以及接于电源的换相过渡回路；开关K互相切换时可以改变调控绕组N₂的接入匝数和两个绕组的变压比，换相开关K_H可以把调控绕组N₂接入匝数的两端分别以与负载绕组N₁相位相同、相位相反的方式跨接于电源，也可以把其两端互相短接或与负载绕组N₁两端相并联，过渡回路开关K₁在切换开关K、换相开关K_H切换时处于接通状态，保持调控绕组N₂不发生中断，两个切换开关不能同时接通，不出现过电压、过电流的问题，限流器件R_X抑制过渡回路开关K₁和开关K、K_H同时接通时坏流增大；两个绕组相位相同时输出电压随开关K互相切换在高于输入电压基础上变化，调控绕组N₂两端互相短接或与负载绕组N₁两端相并联时输出电压等于输入电压，两个绕组相位相反时输出电压随开关K互相切换在低于输入电压基础上变化；

单向变比式磁控有载无刷双向静态调压器由绕在铁芯上的绕组和开关、限流器件、有磁隙的电抗器等部分组成，其中绕组N₁串接于输入电源和外接负载之间，成为负载绕组，其特征是：绕组N₂具有抽头，各抽头上接有可以彼此互相切换的开关K，其一端以与负载绕组N₁相位相同的方式接于电源，各抽头通过所接开关K和转换开关K₂相连接，转换开关K₂的一个引出端接于电源，另一个引出端通过并有开关K₀的电抗器L和绕组N₂直接接于电源的一端相连接，成为调控绕组，抽头上还接有由限流器件R_X和过渡开关K₁相串联组成的同切换开关K相并联的切换过渡回路以及接于电源的转换过渡回路；开关K互相切换时可以改变调控绕组N₂的接入匝数和两个绕组的变压比，也可以改变电抗器L两端电压，转换开关K₂可以把调控绕组N₂接入匝数的两端转为跨接于电源的状态，也可以把其两端转为经过电抗器L构成回路的状态，过渡回路开关K₁在切换开关K、转换开关K₂切、转换时处于接通状态，保持调控绕组N₂不发生中断，两个切换开关不能同时接通，不发生过电压、过电流的问题，限流器件R_X抑制过渡回路开关K₁和开关K、K_H同时接通时环流增大；调控绕组N₂两端跨接于电源时输出电压随开关K互相切换在高于输入电压基础上变化，调控绕组N₂两端经并有开关K₀的电抗器L构成回路时，开关K₀接通时输出电压等于输入电压，开关K₀关断时输出电压随开关K互相切换在低于输入电压基础上变化。