CN1444334A - 电抗调节电路及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明的电抗调节电路属于电力电子基础电路，涉及用双向电子开关调节电抗和电抗压降的基本单元电路，它由电抗绕组[1]、控制绕组[2]、铁芯[3]、双向电子开关[4]及其控制电路组成，其特征是绕组与双向电子开关相并联，使用调节双向电子开关通断比的方法，来达到调节电抗和电抗压降的目的。它可广泛用于单相和三相交流稳压器、节电器、电焊机、充电机、补偿器和其他需要调节电抗的场合。应用于本发明的新型交流稳压器，具有结构简单可靠、无触点、成本低、性能好等优点，可取代现有单相和三相交流稳压器。应用本发明的电焊机，具有无机械振动、调节方便、结构简单等优点，可取代现有BX₁、BX₂、BX₆、ZMG等焊机。

Description

电抗调节电路及其应用

(一)技术领域  本发明属于电力电子科学领域基础单元电路，涉及使用双向电子开关调节铁芯电抗和电抗压降的方法和电路，以及应用电抗调节电路制造的产品。

(二)背景技术  铁芯电抗器是铁芯上绕有线圈的部件，它的线圈在交流回路中流过电流就会有电抗和电抗压降，有很多场合都需要对铁芯电抗和电抗压降进行连续无级调节，以使采用铁芯电抗的整个电路具有某些人们所需要的特性和功能。

现有调节铁芯电抗的方法有：1)调节铁芯磁路中空气隙的方法，它是用移动动铁芯调节磁路中气隙使磁阻发生变化的原理来实现调节的，此方法在电焊机产品中广为应用。它存在着需要用机械传动机构移动铁芯调节、振动大和不易实现自动调节等缺点。2)调节铁芯磁饱和成度的方法，它是在铁芯中增加一个直流控制绕组，用外加可调直流电压使铁芯直流磁化，使导磁率发生变化的原理实现电抗绕组的电抗和电抗压降的调节。此方法在614型交流稳压器、电焊机和系统的调节控制方面均有应用，它存在着必须外加一个直流控制电源和调节时间常数较大的缺点。3)调节通过铁芯电抗电流的方法。它是使用双向电子开关直接与电抗绕组相串联，使用调节流过电抗绕组的电流来实现电抗和电抗压降的调节。它在615型和616型交流稳压器，补偿器和电压调节器中得到应用。它的缺点是双向电子开关的耐压和额定电流完全决定于外部电路中的电压和流过电抗器的电流大小，双向电子开关的电流等级不能低于通过线圈的电流最大值，耐压不能低于外部电路所施加的电压值，本发明要寻求和上述不相同的调节电抗的方法和电路，并吸收上述调节电抗方法和电路的部分优点，克服上述调节电抗的某些缺点。

(三)发明内容    本发明是在绕有电抗绕组[1]的铁芯柱上增加一个交流电流控制绕组[2]，并在控制绕组[2]的两端或在由绕组[1]和绕组[2]相串联的绕组两端之间并联一个双向电子开关[4]。使用调节双向电子开关通断比，调节绕组[2]中感应电势所产生的感生电流的方法，来达到调节电抗绕组[1]两端的电抗和电抗压降。

本发明的单相电抗调节电路，它由电抗绕组[1]和控制绕组[2]连接成类似于单相变压器(包括自耦变压器)形式的铁芯电抗器和双向电子开关[4]及其控制电路[5]组成，其特征是电抗绕组[1]两端与需要调节电抗和电抗压降的外部电回路相连接，双向电子开关[4]与绕组(控制绕组[2]或者电抗绕组[1]和控制绕组[2]相串联的绕组)相并联，控制电路[5]控制着双向电子开关的导通与关断，通过调节双向电子开关通断比来达到调节电抗绕组[1]两端的电抗和电抗压降。它是应用感应电势所产生的感生电流，其磁通与产生感应电势的磁通相抵消的原理理来实现调节的。

本发明的三相电抗调节电路，它由3个电抗绕组[1]和3个控制绕组[2]连接成类似于三个变压器(包括自耦电压器)形式的三相铁芯电抗器和三相双向电子开关[4]及其控制电路[5]组成，其特征是电抗器的3个电抗绕组[1]分别与需要调节三相电抗和电抗压降的外部三相回路相连接，电抗器的3个控制绕组[2]与1个三相双向电子开关[4]相连接，或者与3个单向双向电子开关[4]分别相并联，控制电路[5]控制着双向电子开关[4]的通断比，通过调节双向电子开关通断比来调节绕组中感应电势所产生的感生电流，而达到调节三相电抗器的电抗和电抗压降。

本发明的电路都是使用调节双向电子开关通断比的方法，调节铁芯电抗器中绕组感应电势所产生的感生电流来调节各电抗绕组两端的电抗和电抗压降的。因此可称它为感生电流电抗调节电路，或它称为龚氏电抗调节电路，以区别现有电抗调节电路和可调电抗器。

本发明与气隙调节电抗的方法相比，具有无机械振动、可靠性好、调节方便、便于实现自动调节和特性控制等优点。本发明与磁饱和电抗调节电路相比，具有不需要外加直流电源、时间常数小、结构简单和成本低等优点。本发明与双向电子开关直接串联电抗绕组的电抗调节电路相比，由于本发明可使用调整两个绕组匝数比的方法，来实现用高耐压小电流的双向电子开关代替大电流低电压的双向电子开关，或者与此相反，并且双向电子开关与绕组是直接相并联或等效于相并联，因此本发明就具有双向电子开关的耐压和电流之间可以根据需要相互转换、谐波少和可靠性高等优点。

本发明的电路是电路特性调节和控制的基础单元调节电路。可广泛应用于交流稳定电源、节电器、电焊机、充电机、整流设备和自动控制系统等。它具有无触点、无机械调节机构、结构简单、调节时间短、成本低和可靠性好等优点，应用推广后会有很大的经济效益和社会效益。

本发明的特性和优点将在后面的附图和实施例中做进一步说明。

(四)附图说明  附图1是本发明的单相和三相电抗调节电路，其中(a)和(b)分别是变压器和自耦变压器连接形式的单相电抗调节电路，(c)和(d)分别是变压器和自耦变压器连接形式的三相电抗调节电路。附图2是本发明应用于单相交流稳压器的一个实施例。附图3是本发明应用于单相交流稳压器的另一个实施例。附图4是本发明应用于同体式交流弧焊变压器的一个实施例。附图5是本发明应用于同体式交流弧焊变压器的另一个实施例。附图6是本发明应用于三相交流稳压器的实施例。附图7是本发明应用于三相整流式直流弧焊电源的实施例。

附图1(a)是本发明的单相变压器式电抗调节电路，它由铁芯[3]、电抗绕组[1]、控制绕组[2]、双向电子开关[4]及控制电路[5]组成，[6]和[7]是绕组[1]的两个端，它分别与外部需要调节电抗的交流电回路相连接、[8]和[9]是绕组[2]的两个端，它分别与双向电子开关[4]相连接。控制电路[5]控制双向电子开关的导通与关断的时间比。当外部电路使绕组[1]中有电流流过时，铁芯[3]中就有交变磁通存在，绕组[1]和绕组[2]上都会产生感应电势，在双向电子开关[4]导通期间，绕组上的感应电势就会形成短路感生电流。此电流就会在铁芯[3]上产生1个相反的磁通，使铁芯[3]内的总磁通降到最小值，此时绕组[1]的电抗和电抗压降降到最小值。在双向电子开关[4]关断期间，绕组虽有感应电势，但不会有感生电流，也不会使铁芯[3]中的磁通减少，此时绕组[1]的电抗和电抗压降为最大值。所以只要调节双向电子开关[4]在一个周期内的通断比，就可方便地调节绕组[1]两端[6]和[7]之间的电抗和电抗压降在最小值与最大值之间连续无级调节。

附图1(b)是为了减少附图1(a)中控制绕组[2]的匝数和导线，使电抗绕组也成为控制绕组的一部分，此时控制绕组就由二个绕组串联组成，双向电子开关[4]还是与整个控制绕组相并联、其工作原理和电路特征与附图1(a)完全相同，由于电路中两个绕组是以自耦变压器形式相连，因此称它为单相自耦式电抗调节电路。

附图1(c)是三相变压器式电抗调节电路，它由A、B和C3个单相电抗调节电路公用一个铁芯[3]和公用一个三相双向电子开关[4]及其控制电路[5]组成，工作原理和附图1(a)相同，3个电抗绕组[1]的6个端分别与3个需要调节三相电抗的电回路相连接，3个控制绕组[2]的6个端与1个三相双向电子开关[4]相连接，或者与3个单相双向电子开关相连接，3个控制绕组[2]可以连接成三角形、星形、或六端输入形式。控制电路[5]控制着1个三相或3个单相双向电子开关[4]的通断比，调节通断比就可调节三相铁芯电抗中的3个绕组[1]的电抗和电抗压降。

为了减少三相电抗器中控制绕组[2]的匝数和导线，和上述单相电路相类似，可将它的6个绕组连接成类似于自耦变压器形式，附图1(d)示出自耦式三相电抗调节电路。

本发明所使用的双向电子开关[4]，可以是移相控制型、对称角控制型、PWM脉宽控制型和SPWM正弦脉宽控制型，还可以根据需要在电路中加入谐波电流滤波电路。三相双向电子开关[4]可使用整流电路两个直流输出端之间并联一个直流斩控制器件组成。它只需使用一个斩控器件就可调节三相3个控制绕组中的感生电流达到同时调节三相电抗和电抗压降，会使三相电抗调节电路简化。

将本发明的单相和三相电抗调节电路与变压器或自耦变压器相串联，并将输出采样引入控制电路[5]中，就可获得应用本发明的多种交流稳压器和电焊机专利产品。(五)具体实施方式  应用本发明的电抗调节电路与升压自耦变压器相串联，并在电抗调节电路的控制电路[5]中引入输出采样，就能实现输出电压稳定，成为交流稳压器。

本发明应用于单相交流稳压器的优选结构之一是附图2的实施例，由附图2可知，日字铁芯[3]上面的芯柱上绕有附图1(a)的电抗调节电路的二个绕组，日字铁芯[3]下面两个芯柱上绕有升压自耦变压器的公共绕组[13]和升压绕组[12]。电抗绕组[1]的[7]端与自耦变压器输入端[14]相接，电抗绕组[1]的[6]端和自耦变压器输入输出公共端[11]之间输入市电电压U1，自耦变压器两个输出端[10]和[11]输出电压U2。当市电U1为最低值时，双向电子开关[4]全导通，电抗压降接近零，U1经自耦变压器绕组[12]升压输出U2。当市电从最低值逐渐升至最高值时，受输出采样调节的双向电子开关[4]的通断比逐渐减小，使电抗绕组两端压降逐渐增加，并使其所增加的电抗压降等于市电上升电压值，就可使输出U2电压不受市电U1变化影响而达到稳压目的。它是一种将电抗调节连接在自耦变压器输入端的一种交流稳压器。

根据需要还可将附图2上的电抗调节电路的2个绕组绕在日字铁芯下面的2个芯柱上，而将自耦变压器的2个绕组绕在日字铁芯上面1个芯柱上。

本发明应用于单相交流稳压器的优选结构之二是附图3的实施例。由附图3可知，它是一种将电抗调节连接在自耦变压器输出端的交流稳压器。日字铁芯[3]的中间芯柱和左侧芯柱分别绕自耦变压器公共绕组[13]和升压绕组[12]。日字铁右侧芯柱上绕附图1(b)电抗绕组[1]和控制绕组[2]、升压绕组[12]的[10]端与电抗绕组[1]的[7]端相连。市电U1经自耦变压器升压，再经电抗绕组[1]降压输出U2。附图3中示出稳压器空载，双向电子开关[4]关闭时，绕组[1]，绕组[12]和绕组[13]上感应电压的极性都是上正下负。在电抗绕组[1]上的感应电压大于升压绕组[12]的感应电压时，调节双向电子开关[4]的通断比，就可无级调节电抗绕组[1]两端的电压。因而能使输出电压U2在输入电压U1上下连续无级调节，我们只要将输出采样引入到双向电子开关[4]通断比的调节就能获得稳压输出，成为交流稳压器。

附图3中交流稳压器，还可将绕组[13]上面的引出端改接到电抗绕组和升压绕组相连接端。

上述几种单相交流稳压器，具有无触点、结构简单、成本低、可靠性高等优点，完全可以取代大部分触点滑动调节和抽头转换调节的交流稳压器。

本发明应用于交流焊机优选结构是附图4和附图5的实施例。它是高校弧焊电源教材中BX2型同体式弧焊变压器的重大创新。使用本发明电抗调节方法替代陈旧机械调节方法。附图4是将电抗调节放在焊接变压器次级回路内调节双向电子开关[4]的通断比就可连续无级调节焊接电流。附图5是将本发明的电抗调节串在焊接变压器初级回路内。由于电抗串在初级回路会使焊接变压器的引弧电压降低。为解决这个问题，在附图5中使用同一发明人设计的″带交流电容的交流焊机″(专利号96245461.3)的专利技术。在附图5中增加有交流升压电容C。附图4和附图5的交流弧焊变压器，完全克服了BX2型同体式弧焊变压器所存在的机械振动大、小电流不稳、调节不方便等缺点。它既可适用大电流、又可适用小电流、调节方便，还可实现反馈调节以改善弧焊性能。它可取代现有大部分BX1、BX2、BX3弧焊变压器。

本发明应用于三相交流稳压器优选结构是附图6的实施例。它是由三相电抗调节和三相升压自耦变压器串联而成，三相电抗和三相变压器使用同一个田字铁芯[3]，田字铁芯的左侧日字铁芯上绕三相升压自耦变压器6个绕组，右侧日字铁芯上绕三相电抗调节电路中的6个绕组。a1、b1、c1为三相交流输入端，a2、b2、c2为三相稳压输出，三相输出采样引入三相双向电子开关[4]的控制电路[5]来实现稳压输出。它与现有电机带动碳刷调节的三相大功率补偿式交流稳压器相比，具有无触点、可靠性好、调节迅速，成本低等优点。

本发明应用于三相整流式弧焊电源的优选结构是附图7的实施例。由附图7可知，它是由三相电抗器、三相变压器、引弧压电容C、桥式整流器和滤波电感组成。电抗器和变压器使用同一个田字铁芯[3]，铁芯的左侧日字铁芯上绕有本发明三相电抗调节电路的每一相的两个绕组。用三个双向可控硅来调节三相电抗的电抗压降使绕在右侧日字铁芯上的三相初级绕组的输入电压得到调节器，同时也使三相次组绕组和整流输出直流电压和电流得调节。它与2XG型三相磁放大式弧焊整流电源相比，其铁芯数量就可减少六个，结构简单，成本低是现有2XG型磁放大式弧焊整流电源的代替产品。

Claims (9)

1.一种电抗调节电路，它由电抗绕组[1]、控制绕组[2]、铁芯[3]和双向电子开关[4]及其控制电路[5]组成，其特征是电抗绕组[1]的两端[6]和[7]与需要调节电抗和电抗压降的外部电回路相连接，双向电子开关[4]与绕组的连接方法有：(a)双向电子开关[4]与绕组[2]相并联；(b)双向电子开关[4]与控制绕组[2]和电抗绕组[1]相串联的绕组相并联，使用调节双向电子开关[4]的通断比来调节电抗绕组[1]两端的电抗和电抗压降。

2.根据权利要求1所述的三相电抗调节电路，它由3个电抗绕组[1]、3个控制绕组[2]、1个铁芯[3]和1个三相双向电子开关[4]及其控制电路[5]组成，其特征是三相双向电子开关[4]能够同时调节绕组中的感应电势所产生的感生电流。

3.应用权利要求1所述的电抗调节电路制造的交流稳压器，它主要由电抗调节电路和升压自耦变压器组成，其特征是电抗绕组[1]和自耦变压器的公共绕组[13]相串联的绕组连接在市电输入[U1]两端。

4.应用权利要求1所述的电抗调节电路制造的交流稳压器，它主要由电抗调节电路和升压自耦变压器组成，其特征是电抗绕组[1]和自耦变压器升压绕组[12]相串联的绕组连接在输入和输出的非公共端之间。

5.根据权利要求3和4所述的交流稳压器，其特征是电抗调节电路中的电抗器与升压自耦变压器是使用同1个日字铁芯[3]。

6.应用权利要求1和2所述的电抗调节电路制造的三相交流稳压器，其特征是三相电抗铁芯和三相升压自耦变压器铁芯是使用同1个田字铁芯[3]。

7.应用权利要求1所述的电抗调节电路制造的单相同体式弧焊变压器，它主要由单相电抗调节电路和单相弧焊变压器组成，其特征是电抗绕组[1]和弧焊变压器次级绕组[12]相串联，并且电抗铁芯和变压器铁芯使用同1个日字铁芯[3]。

8.应用权利要求1所述的电抗调节电路制造的单相同体式弧焊变压器，其特征是电抗绕组[1]和弧焊变压器初级绕组[13]相串联，并且电抗铁芯和弧焊变压器铁芯是使用同1个日字铁芯[3]，有1个引弧升压电容C，一端连在电抗绕组[1]和初级绕组[13]相连结的点上。

9.应用权利要求1所述的电抗调节电路制造的整流式直流弧焊电源，其特征是三相电抗调节电路中的3个电抗绕组[1]和三相整流变压器的3个初级绕组相串联，并且三相电抗铁芯和三相变压器铁芯是使用同1个田字铁芯[3]，使用3个单相双向电子开关[4]，或使用1个三相双向电子开关[4]调节输出电流。

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