CN1641809A - 非接触式调节自耦变压器 - Google Patents

Abstract

本发明的非接触式调节自耦变压器属于调压稳压自耦变压器，涉及用电子开关通断比来调节抽头式自耦变压器输出电压使其达到连续无级调节的方法的电路。它由单相或多相变压器铁芯[15]。初次级公共绕组[1]，升降压绕组[2]，控制绕组[3]和电子开关[4]及其控制电路等组成。其特征是绕组[1]和[2]非在同一芯柱上，并串接成抽头式自耦变压器。绕组[3]非在绕组[1]芯柱[18]上，并与电子开关[4]相连成为通断比控制回路，流过控制绕组[3]的交流电流与流过绕组[2]的电流在绕组[2]芯柱[16]上所产生的磁通方向相反。它可广泛用于单相和三相交流调压和稳压产品，应用本发明的无触点单相和三相交流稳压器产品，具有结构简单可靠、无触点、成本低、调节迅速性能好等优点。有很大市场开发前景。

Description

非接触式调节自耦变压器

<一>技术领域  本发明属于变压器、涉及自耦变压器，尤其是涉及用电子开关来使抽头式自耦变压器实现调压和稳压调节的技术方案和电路。

<二>背景技术  自耦变压器是一种初次级有公共绕组的特殊变压器，它只需变换输出电压高于或低于输入电压的那小部分功率，它与相同容量的变压器相比，具有体积小，重量轻和成本低等优点，尤其是在输入输出电压比较接近的场合，其优势就更为明显。现有交流稳压器中所使用的变压器，除了开关型交流稳压器之外，机呼所有交流稳压器产品中都是使用自耦变压器变换电压来实现稳定输出电压的。

现有自耦变压器仅有两种类型，一种是机械触点调节的接触式调压自耦变压器，另一种是抽头式自耦变压器。接触式自耦调压变压器其最大优点是变压比是可调的，其输出电压可以在输入电压上下连续调节。输出电压既可高于又可低于输入电压，但它存在着调节电压时必须使用机械转动、移动碳刷方式来实现。在交流稳压器等自动调节系统中应用还需使用伺服电机来进行调节，因此它存在碳刷易换损坏、可靠性差、结构复杂、调节速度慢和成本高等缺点。是否可用现代电子调节技术创新一种无滑动触点的电子调节自耦变压器，使它适用于制造交流稳压器来取代这种古老陈旧需要经常维修、可靠性差，而又被广泛应用着的机械触点滑动调节方式呢？本发明的技术方案是要解决这个难题。

抽头式自耦变压器其变压比是固定的，只能用在需要升高或降低一个固定电压的场合，其输出电压是不能调节的，它又可分为升压自耦变压器和降压自耦变压器两种类型。中间抽头输入电压的抽头式自耦变压器是升压自耦变压器，其输出电压只能比输入电压高一个固定值，能否使其输出电压能同接触式调压自耦变压器相类似，使它在输入电压上下的一定范围内实现连续无级调节呢？中间抽头输出电压的抽头式自耦变压器是降压自耦变压器，其输出电压只能比输入电压低一个固定值，能否使其输出电压也能同接触式调压自耦变压器相似、使它在输入电压上下的一定范围内实现连续无级调节呢？本发明的技术方案就能够解决这两种抽头式自耦变压大器能在输入电压上下一定范围内实现连续无级调节的难题。同一发明人曾在“电源调节电路及其应用”的发明专利申请号97122302.5文件中公开了一种在抽头式自耦变压器的抽头上串联一个升压次级绕组电子调节的非接触式交流稳压变压器的技术方案，但是由于这种技术方案需要在变压器中间芯柱磁路中增加一个气隙，气隙的增加会使变压器磁阻增大、效率降低，因此也还不够理想，至今尚未用于产品。是否可取消这个气隙和抽头上串联的这个次级绕组呢？发明人又经过六年的努力探索研究，终于获得成功。本发明的非接触式调节自耦变压器，也可称为电子开关调节的自耦变压器。它给自耦变压器增添了一种既可实现调压又可实现稳压的新类型。

在电子开关通断比调节电路中没有引入输出采样信号的非接触式调节自耦变压器称它为非接触式调压自耦变压器。在电子开关通断比调节电路中引入输出采样电压的非接触式调节自耦变压器称它为非接触式稳压自耦变压器。为了区别现有调压自耦变压器和自耦式交流稳压器，可简称它们为龚氏自耦调压器、龚氏自耦稳压器。

<三>发明内容  本发明的目的是提供一种在抽头式自耦变压器铁芯柱上增加一个由电子开关控制的交流控制绕组、通过调节电子开关通断比的方法调节交流控制绕组中交流电流大小的方式来实现抽头式自耦变压器输出电压在一定范围内连续无级调节的技术方案。

本发明是这样实现的，将抽头式自耦变压器的铁芯换成多芯柱铁芯[15]，将自耦变压器的升降压绕组的全部或大部分与原来绕组分开，分成绕组[1]和绕组[2]，再将[1]和[2]分别绕在铁芯[15]的芯柱[18]和[16]上，并将它们串联(正向或反向)成抽头式自耦变压器，再在绕有初次级公共绕组的芯柱[18]之外的其它芯柱上，增加一个控制绕组[3]用交流电子开关[4]通断比例来调节绕组[3]中的控制电流。并使其通过绕组[3]与绕组[2]的电流在绕组[2]所在的芯柱[16]上所产生的磁通方向相反的方式连接，就能使抽头式自耦变压器实现输出电压在输入电压上下连续无级调压。只要在交流电子开关的控制电路中引入输出采样电压信号，就能使本发明的非接触式调节自耦变压器输出电压稳定而成为一个非接触式稳压自耦变压器。

本发明的非接触式调节自耦变压器有非接触式调压自耦变压器和非接触式稳压自耦变压器二种。它主要由单相或三相多芯柱变压器铁芯[15]、初次级公共绕组[1](可以带有部分升降压绕组)、升降压绕组[2]、交流控制绕组[3]和交流电子开关[4]及其控制电路[5]组成。绕组[1]和绕组[2]是绕在不同芯柱上的绕组，并且串联成抽头式自耦变压器。绕组[3]绕在非绕组[1]所在的芯柱上，交流电子开关[4]用来调节流过绕组[3]中的交流控制电流[I₃]、自耦变压器铁芯[15]，单相是一个中间芯柱截面不等于两侧芯柱截面之和的非标单相日字铁芯，三相是一个六芯柱田字铁芯，每相流过绕组[3]的控制电流I₃与流过绕组[2]的电流I₂在绕组[2]所在的芯柱[16]上所产生的磁通方向是相反的，调节电流I₃，就可使绕组[2]上的感应电势而达到输出电压调节的目的。只要在交流电与开关[4]的控制电路中引入输出采样，本发明的非接触式调节自耦变压器就成为一个交流电子开关通断比调节的非接触式稳压自耦变压器。

本发明的非接触式调压自耦变压器和交流稳压器，有单相和三相两大类，单相自耦变压器的铁芯[15]是一个非标单相日字铁芯，按照绕组[1]、绕组[2]和绕组[3]绕在不同芯柱上，其变压器又可分为无磁分路的三芯柱变压器。有磁分路的双芯柱变压器，有磁分路的三芯柱变压器和有磁分路的四芯柱变压器等几种类型。本发明三相自耦变压器铁芯[15]是一个字铁芯，变压器是六芯柱三相变压器。

本发明所使用的交流电子开关[4]有相控和斩控两大类。斩控交流电子开关又有对称角调节型、PWM脉宽调节型和SPWM正弦脉宽调节型三种。在电子开关[4]使用斩控开关调节时，为使电子开关可靠工作，可在绕组[3]两端并联过电压吸收装置或并联一个与电子开关[4]互补导通的续流电子开关。

本发明的非接触式调节自耦变压器，可广泛用于设计制造电子调压自耦变压器、节电器和交流稳压器产品，以及现有接触式调压自耦变压器所能使用的多种场合。它具有无触点、连续无级、调节迅速、结构简单可靠、和本低廉等优点。具有很大市场开发前景。有较好的经济效益和社会效益。

本发明的非接触式调节自耦变压器的主要特征将由附图和实施例中得到体现。

<四>附图说明  附图1是本发明的单相电路图。附图2和3是本发明单相三芯柱结构实施例。附图4和5是本发明单相有磁分路双芯柱结构实施例。附图6和7是本发明单相有磁分路三芯柱结构实施例。附图8和9是本发明三相六芯柱结构实施例。

附图1单相非接触式调节自耦变压器电路中：[15]是变压器日字铁芯、[1]是初次级公共绕组、[2]是升降压绕组、[3]是交流控制绕组、[4]是交流电子开关、[5]是交流电子开关[4]的控制电路，[16]、[17]和[18]是铁芯[15]上的芯柱，在芯柱[17]上没有线圈时，它就成为芯柱[16]和芯柱[18]的一条磁分路，绕组[1]绕在芯柱[18]上、[12]和[14]为绕组[1]的两个端，[13]是绕组[1]上的一个中间抽头，它是用来调整输出高于和低于输入电压上下限大小而设置的，绕组[2]绕在芯柱[16]上，[10]和[11]是绕组[2]的两个端。绕组[3]非绕在芯柱[18]上(它可以绕在芯柱[17]上，也可以绕在芯柱[16]上，或者一部分绕在芯柱[17]上，另一部分绕在芯柱[16])，[8]和[9]是绕组[3]的两个端。I₁、I₂和I₃是流过绕组[1]、[2]和[3]中的交流电流。[6]和[7]是交流电子开关[4]的二个主端。交流电子开关[4]的一个主端与绕组[3]的一端相连，交流电子开关的另一个主端和绕组[3]的另一端如何连接决定于绕组[1]与绕组[2]的串联方式(顺串还是反串)和自耦变压器输入端的选择(绕组[1]和绕组[2]串联后的全部绕组做交流输入端，还是绕组[1]两端，或其抽头[13]端与绕组[1]的一端做交流输入两端)，它只要满足流过绕组[2]的电流I₂和流过绕组[3]的电流I₃在绕组[2]的芯柱[16]上所产生的磁通方向相反的条件即可，它是本发明的最主要技术特征。附图1(b)示出绕组[1]和绕组[2]反串连接的单相非接触式调节自耦变压器电路图，而附图1(c)示出绕组[1]和绕组[2]顺串连接的单相非接触式调节自耦变压器电路图，附图1(c)与公知抽头式自耦变压器连接方式相同，它可在[10]端输入交流电压，也可在[11]和[12]连接点，或绕组[1]的抽头[13]端输入交流电压。附图1(a)是本发明的单相非接触式调节自耦变压器的通用电路图。其中[III]为输入输出公共端。在[I]端为交流输入端时，[II]或[13]端是交流输出端。在[I]端为交流输出端时，[II]端或[13]端]端是交流输入端。电子开关[4]的一个主端[V]与输入输出公共端[III]相连接，控制绕组[3]的一端与电子开关[4]的另一主端相连接，控制绕组[3]的另一端可根据自耦变压器具体结构和调节范围主要有下面四种连接方式：1)[IV]端与[III]端相连接(此种情况相当于绕组[3]与电子开关[4]直接相并联，此时控制电流I₃为绕组[3]上感应电势所产生的感生电流)；2)[IV]端与绕[1]抽头[13]端相连接；3)[IV]端与[II]端相连接。4)[IV]端与[I]端相连接。这几种连接方式都应该保证使绕组[2]中的电流I₂与绕组[3]中的电流I₃在绕组[2]的芯柱[16]上所产生的磁通相反的原则。

三相非接触式调节自耦变压器电路图由三个单相电路图组成，即由一个三相变压器田字铁芯[15]、三个相同的绕组[1]，三个相同的绕组[2]、三个相同的绕组[3]和三个相同的单相交流电子开关或一个三相交流电子开关[4]及其控制电路[5]组成。

本发明的单相和三相交流电子开关在采用斩控型电子开关时，为降低电子开关的耐压和减少谐波，在电路中都可附加公知的过电压吸收装置或在绕组[3]两端并联有与电子开关[4]相互补导通的续流电子开关和[4’]Lc谐波吸收网络。

<五>具体实施方式  本发明非接触式调节自耦变压器，根据电子开关[4]的控制电路[5]中是否引入输出采样可分调压和稳压二种类型，它们的主电路和自耦变压器结构相同。因此本发明又可称为非接触式调压稳压自耦变压器。

附图2是单相非接触式调节自耦变压器，优选结构实施例之一。[III]为交流输入输出公共端，[I]为交流输入端、[II](或[13])为交流输出端。绕组[1]、[2]和[3]分别绕在日字铁芯[15]的芯柱[18]、[17]和[16]上。绕组[1]和[2]反串连成抽头式自耦变压器，绕组[3]直接和电子开关[4]相并联，调节电子开关通断比例就可实现输出电压在输入电压上下一定范围内调压。在电子开关控制电路[5]中引入输出电压采样调节时，它就成为稳压输出的交流稳压器，其工作原理如下：通过绕组[1]和[2]的电流I₁和I₂在芯柱[17]上产生的磁通方向相同。在芯柱[16]上产生的磁通方向相反(称为反串连接)，因此在绕组[3]上有较高的感应电势。在输入电压最高时，使电子开关[4]完全关闭，通断比为零，输出电压是输入电压通过绕组[2]降压而获得。在输入电压最低时，使电子开关[4]全导通，通断比最大，绕组[3]中就有最大的短路感生电流I₃、I₃和I₂在芯柱[16]上所产生的磁通方向相反，I₃电流所产生的磁通在绕组[2]上的感应电势方向与输入交流电源相同，因此输出电压就等于输入电压和I₃电流在绕组[2]上的感应电势两者之和。而使输出电压升高，由于I₃是可以通过调节电子开关[4]的通断比来进行调节的，因此输出电压也就可通过调节电子开关通断比在输入电压上下一定范围内调节。在电子开关[4]的控制电路[5]中引入输出电压采样时，它就成为输出电压不随输入电压变化的交流稳压器。附图2中的实施例还可将绕组[1]和[2]顺串连接，此时将绕组[1]的[12]端与绕组[2]的[11]端相连。绕组[2]的[10]为交流输入端，绕组[2]的抽头[13]端为交流输出端，并将绕组[3]绕在绕组[2]的芯柱[16]上，这样调节电子开关的通断比同样能使输出电压在输入电压上下一定范围内进行调节，成为顺串的一个实施例。

附图3是单相非接触式调节自耦变压器优选结构之二，它是将附图2中的绕组[3]的感应电势和交流输入电源相加来增加控制电流和输出电压的调节范围。它与附图2相比，调压范围大。电子开关耐压要求高，在电子开关采用斩控电子开关时，最好在绕组[3]二端并联一个互补导通的电子开关。另外绕组[3]的[9]端还可根据需要由连接在输入端[I]改为连接在输出端[II]或绕组[1]的抽头[13]端。

附图4是单相非接触式调节自耦变压器优选结构实施例之三，它是将绕组[2]和[3]绕在同一芯柱[16]上，绕组[1]绕在芯柱[18]上，中间就有一磁分路[17]。它是绕组[1]和[2]反串连接有磁分路的双芯柱调节自耦变压器，它与附图3相比，相同的控制电流I₃可获得绕组[2]增大的升压电压。因此电子开关电流容量较小。同样根据需要还可将绕组[3]与[I]端相连的[8]端改为连接在输出[II]端或绕组[1]的抽头[13]端上。如果要将附图4的[II]端改为交流输出端，只要将绕组[2]的[11]端与绕组[1]的[12]端相连(即顺串)，将绕组[2]的[10]端与[I]端相连即可。

附图5是单相非接触式调节自耦变压器优选结构实施例之四，它同附图4的区别是绕组[1]和[2]由反串改为顺串，绕组[3]的[9]端与输入[I]端相连接，[8]端与电子开关[4]相连接。同样附图5绕组[3]的[9]端可连接在输出[II]端或绕组[1]的抽头[13]端上。如果将附图5的[II]端改为交流输入端而将[I]端改为交流输出端，只要将绕组[2]的[10]端与绕组[1]的[12]端相连(即反串)，将绕组[2]的[11]端与[I]端相连即可。

附图6是非接触式调节自耦变压器的优选结构实施例之五，它是附图4的改进结构，将附图4芯柱[16]上的二个绕组绕在附图4的日字铁芯[15]右侧上下两段磁轭上即成为附图6的结构，附图6的电子开关使用反向并联的两个晶闸营。在控制电路中引入输出采样，它就成一个简单可靠经济实惠的单相无触点交流稳压器。

附图7是单相非接触式调节自耦变压器优选结构实施例之六，它是附图5的改进结构，将附图5芯柱(16)上的二个绕组绕在附图5的日字铁芯[15]右侧上下两段磁轭上即成为附图7的结构。附图7的电子开关[4]使用两个二极管和两个全控器件组成斩控电子开关[4]，为减低斩控电子开关的耐压还在绕组[3]两端并联有一个由两个二极管和两个全控器件组成的续流电子开关[4’]，控制电路要使两个电子开关互补导通。在控制电路中引入输出采样，并加上适当LC高频吸收网络，它就成为一种高性能交流电子稳压器。

由附图6和7可看出，它们是本发明有磁分路的三芯柱单相非接触式调节自耦变压器。将附图6和7绕在芯柱[16]上的绕组[1]分成两个，分别绕在其左右两侧的磁轭上，就可成为本发明有磁分路的四芯柱单相非接触式调节自耦变压器。将附图4和5中的绕组[1]绕在日字铁芯左侧上段磁轭上，绕组[2]和[3]绕在日字铁芯右侧上段磁轭上就可发明三相田字铁芯六芯柱非接触式调节自耦变压器。

附图8是三相非接触式调节自耦变压器优选结构实施例之一，它主要由一个三相田字铁芯[15]、三个相同的绕组[1]、三个相同的绕组[2]、三个相同的绕组[3]和由三个二极管与三个晶闸管组成的三相交流电子开关[4]及其触发控制电路[5]组成。三相中每一相的绕组[1]和绕组[2]反串连接成抽头式自耦变压器。每相绕组[3]的[8]端接输入[I]端，另一端[9]与该相晶闸管的阴极和二极管的阳极相连，三个晶闸管阳极和三个二极管阴极相连。调节晶闸管触能发信号的相位就能调节[II]端与公共端[III]之间的输出电压。绕组[3]的[8]端除和绕组[2]的[11]端相连之外，还可以与输出[II]端或绕组[1]抽头[13]端相连。其交流输出端也可根据需要选在绕组[1]的抽头[13]输出。附图8还可以选择[II]端或[13]端为交流输入，[I]端为交流输出。此时必须将绕组[1]和绕组[2]反串改为顺串连接，即[11]与[II]相连，[10]与[I]相连。在三相控制电路中引入输出采样，本实施例就成为交流稳压器，，也可称它为反串田字铁芯三相交流稳压器。

附图9是三相非接触式调节自耦变压器优选结构实施例之二。它和附图8不同之处是三个绕组[1]和三个绕组[2]是顺串连接成三相抽头式自耦变压器的，三个控制绕组[3]的连接方向也和附图8相反，其三相电子开关是三个晶闸管以三角形方式相连接，这种连接方式可以省去三个二极营。但由于三个晶闸管的触发信号没有公共点会增加触发电路的复什性，因此各有长处。附图8中的三相电子开关和附图9中的电子开关二者可以互换。附图9和附图8一样可以选择[II]端或[13]端为交流输入，[I]端为交流输出，此时只要将绕组[1]和绕组[2]由顺串连接都改为反串即可。在附图9的三个晶闸管的控制电路中引入输出采样，本实施例就成为三相交流稳压器，也可称它为反串田字铁芯三相交流稳压器。

为了获得低谐波高性能的田字铁芯三相交流稳压器，可以将附图8和9中的三相相控电子开关改为三相斩控电子开关，控制方式采用PWM或SPWM，根据需要还可增加与斩控电子开关互补导通的续流电子开关和LC滤波网络。

从上述单相和三相非接触式调节自耦变压器实施例中就可清楚看出，单相自耦变压器的铁芯是非标日字铁芯，三相自耦变压器铁芯是六芯柱田铁芯，使用本发明设计制造的调压器和稳压器产品，具有结构简单、可靠性好、成本低、响应速度快等优点，是交流稳压器和调压器更新换代产品，可取代现有大部分机电调节的补偿式交流稳压器，磁放大式交流稳压器和抽头自动转换式交流稳压器，具有很大市场开发前景，较好的经济效益和社会效益。

Claims (7)

1、一种非接触式调节自耦变压器，它主要由多芯柱变压器铁芯[15]、初次级公共绕组[1]、升降压绕组[2]、交流控制绕组[3]和交流电子开关[4]及其控制电路[5]组成，其特征是：铁芯[15]单相是一个非标单相日字铁芯、三相是一个田字铁芯，绕组[1]和绕组[2]在铁芯[15]的不同芯柱上，并串接成抽头式自耦变压器，绕组[3]非在绕组[1]的芯柱上，绕组[3]与电子开关[4]连接成控制回路，并且使流过绕组[3]的电流I₃与流过绕组绕组[2]的电流I₂在绕组[2]所在的芯柱上产生的磁通方向相反，用调节电子开关[4]通断比加方法调节绕组[3]电流、绕组[2]上的感应电势和自耦变压器的输出电压，控制电路[5]中引入输出采样，自耦变压器就可实现稳压输出。

2、根据权利要求1所述的非接触式调节自耦变压器，其特征是：单相绕组[1]、绕组[2]和绕组[3]分别绕在日字铁芯[15]的三个芯柱上。

3、根据权利要求1所述的非接触式调节自耦变压器，其特征是：单相绕组[1]绕在日字铁芯[15]的芯柱[18]上，单相绕组[2]和绕组[3]绕在芯柱[16]上，日字铁芯[15]有一个铁柱[17]做磁分路。

4、根据权利要求1所述的非接触式调节自耦变压器，其特征是：三相田字铁芯的左侧上中下三个芯柱[18]上绕有三相绕组[1]、右侧上中下三个芯柱[16]上绕有三相绕组[2]和三相绕组[3]。

5、根据权利要求1和2所述的非接触式调节自耦变压器，其特征是：变压器是一个单相三芯柱调压稳压自耦变压器。

6、根据权利要求1和3所述的非接触式调节自耦变压器。其特征是；变压器是一个单相双芯柱调压稳压自耦变压器。

7、根据权利要求1和4所述的非接触式调节自耦变压器，其特征是：变压器是一个三相六芯柱田字铁芯调压稳压自耦变压器。

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