CN1790215A - 补偿铁芯内主磁通量稳定输出量的铁芯线圈电器 - Google Patents

Abstract

一种通过自动补偿铁芯内主磁通量变化稳定输出量(包括变压器、发电机输出电压，电动机输出转矩)的铁芯线圈电器。在铁芯线圈电器铁芯主磁路上增加补偿绕组，外接CT、PT、小变压器或输出电压可调的正弦电源，将CT、PT、小变压器的输出绕组或正弦电源与补偿绕组连接；当铁芯线圈电器的负载或电源电压变化时，外接CT、PT、小变压器或正弦电源作用于补偿绕组，使铁芯内主磁通量向原变化方向相反方向变化，减少输出量的变化量。

Description

补偿铁芯内主磁通量稳定输出量的铁芯线圈电器

所属技术领域

本发明涉及一种能够自动稳定输出量的铁芯线圈电器，尤其是通过外接CT、PT、小变压器或输出电压可调的正弦电源，自动补偿铁芯内部主磁通量，实现输出量自动稳定的铁芯线圈电器。

背景技术

目前，公知的铁芯线圈电器(包括变压器、电动机、发电机)由铁芯和一、二次线圈或定子、转子线圈组成，一般无自动稳定输出量措施。一般情况下，当铁芯线圈电器的负载增加或电源电压降低时，其输出量下降；反之，当铁芯线圈电器的负载下降或电源电压增加时，其输出量增加，而人们希望铁芯线圈电器的输出量不随负载或电源电压的变化而变化。实验表明，当铁芯线圈电器负载增加或电源电压下降时，铁芯内主磁通量下降；反之，当铁芯线圈电器负载下降或电源电压增加时，铁芯内主磁通量增加。可见当负载或电源电压变化时，铁芯线圈电器的输出量与铁芯内主磁通量具有相同的变化趋势，由电磁感应定律可以确定，铁芯内主磁通量的变化也是输出量变化的原因。

发明内容

为了克服现有铁芯线圈电器负载或电源电压变化时不能自动稳定输出量的不足，本发明提出一种通过对铁芯内主磁通量自动补偿，自动稳定铁芯线圈电器输出量的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是

在铁芯线圈电器铁芯主磁路上，增加一个补偿绕组，该绕组的匝数一般为几匝；通过铁芯线圈电器外部的电压互感器、电流互感器、小变压器或输出电压可调的正弦电源，将负载或电源电压变化引起的铁芯线圈电器输入或输出电流、电压变化引入补偿绕组，使补偿绕组在铁芯内产生与铁芯内主磁通量的原变化方向相反方向的变化。

本发明的有益效果是

可自动补偿由于负载或电源电压变化引起的铁芯线圈电器输出量的变化，原理简明，容易实现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的变压器在输入侧取信号，补偿铁芯内主磁通量稳定输出电压原理简图；

图2是本发明的变压器在输出侧取信号，补偿铁芯内主磁通量稳定输出电压原理简图；

图3是本发明应用于变压器，取一次绕组输入电流为检测信号，用CT自动补偿负载变化引起铁芯内主磁通量变化、稳定输出电压的第1个实施例原理图；

图4是图3的反馈稳压过程图；

图5是本发明应用于变压器，取二次绕组输出电压为检测信号，用PT自动补偿负载变化引起铁芯内主磁通量变化、稳定输出电压的第2个实施例原理图；

图6是图5的反馈稳压过程图；

图7是图3、图5的能流框图；

图8是本发明应用于变压器，取一次绕组输入电压为检测信号，用输出电压可调的正弦电源自动补偿输入电压变化引起铁芯内主磁通量变化、稳定输出电压的第3个实施例原理图；

图9是图8的反馈稳压过程图；

图10是本发明应用于变压器有载调压的第4个实施例原理图；

图11是本发明应用于图10变压器有载调压的能流框图；

图12是本发明的应用于三相交流异步电动机，自动补偿铁芯内主磁通量变化、稳定输出转矩即输出转速的定子线圈布置图；

图13是图12的一相等效电路图；

图14是本发明应用于三相交流电动机，以定子输入电流为检测信号，通过电流互感器自动补偿负载变化引起铁芯内主磁通量变化、稳定输出转矩即转速的第5个实施例原理图；

图15是图14的反馈补偿主磁通量、稳转矩稳速过程图；

图16是本发明应用于三相交流电动机，以定子输入电压为检测信号，通过输出电压可调的正弦电源自动补偿输入电压变化引起铁芯内主磁通量变化、稳定输出转矩即转速的第6个实施例原理图；

图17是图16的稳压过程图；

图18是本发明应用于三相交流发电机，以定子输出电压为检测信号，通过电压互感器自动补偿输出电压变化引起铁芯内主磁通量变化、稳定输出电压的第7个实施例原理图；

图19是图18的反馈补偿主磁通量、稳压过程图。

在图1、2中，1.输入电源电压，2.流入一次绕组电流，3.一次绕组，4.主磁路铁芯，5.一次绕组主磁通，6.二次绕组主磁通，7.二次绕组，8.二次绕组输出电流，9.二次绕组感应电动势，10.二次绕组负载，11.补偿绕组主磁通，12.铁芯内主磁通量，13.补偿绕组，14.补偿绕组感应电动势，15.流入补偿绕组的电流，16.流出一次绕组电流，17.外接CT或PT。

在图3、5中，承接图1、图2，17.外接CT(图3)或PT(图5)，18.CT或PT一次绕组电动势，19.CT或PT一次绕组，20.CT或PT二次绕组主磁通，21.CT或PT二次绕组电动势，22.CT或PT二次绕组，23.CT或PT的一次绕组主磁通。

在图7中，1.总输入功率，2.主变压器的净输入(a)或总输出(b)功率，3.CT(a)或PT(b)，4.增加阻抗的电容，5.补偿(a)或存储(b)能量，6.主变压器，7.主变压器的总输出(a)或净输出(b)功率。

在图8中，承接图1、图2，25.输入电压检测电路，26.输入电压检测电路输出，27.输出电压可调的正弦电源，28.正弦电源输出电压。

在图10中，1.主变压器，2.主变压器一次绕组，3.主变压器二次绕组，4.主变压器补偿绕组，5.负载，6.输出电压检测，7.调压开关驱动机构，8.主变压器补偿绕组电流，9.调压开关触点，10.调压小变压器，11.调压小变压器一次电流。

在图11中，1.主变压器输入总功率，2.主变压器输入净功率，3.主变压器，4.调压小变压器输入功率，5.调压小变压器，6.调压小变压器输出功率，7.主变压器输出总功率。

在图12中，1.定子正常绕组流入端，2.定子补偿绕组流入端，3.定子正常绕组，4.定子补偿绕组，5.定子铁芯，6.转子，7.定子补偿绕组流出端，8.定子正常绕组流出端。

在图14，1.电动机定子绕组输入总电流，2.定子绕组输入端电压，3.外接CT电流输入端，4.外接CT，5.外接CT一次绕组主磁通，6.外接CT二次绕组，7.外接CT一次绕组，8.外接CT二次绕组主磁通，9.定子正常绕组输入电流，10.流入补偿绕组电流，11.补偿绕组在电机定子铁芯内产生主磁通，12.正常绕组在电机定子铁芯内产生主磁通，13.转子绕组在电机定子铁芯内产生主磁通，14.正常绕组流入端，15.补偿绕组流入端，16.补偿绕组流出端，17.正常绕组流出端，18.定子绕组流出总电流。

在图16中，1~18与图14的相同，19.输入电压检测，20.输入电压检测的输出，21.输出电压可调的正弦电源，22.正弦电源输出电压。

在图18中，1.发电机定子绕组输出总电流，2.定子绕组输出端电压，3.外接PT电流输入端，4.外接PT，5.外接PT一次绕组主磁通，6.外接PT二次绕组，7.外接PT一次绕组，8.外接PT二次绕组主磁通，9.定子正常绕组输出电流，10.补偿绕组电流，11.补偿绕组在电机定子铁芯内产生主磁通，12.正常绕组在电机定子铁芯内产生主磁通，13.转子绕组在电机定子铁芯内产生主磁通，14.正常绕组流出端，15.补偿绕组流出端，16.补偿绕组流入端，17.正常绕组流入端，18.定子绕组流入总电流。

具体实施方式

在图3实施例中，在变压器主磁路铁芯(4)上，增加补偿绕组N₃(13)，N₃(13)一般仅几匝，铁芯内主磁通φ(12)在N₃上产生感应电动势e₃(14)；在变压器一次绕组N₁(3)的一个端头和电源之间串入电流互感器CT(17)，CT(17)一次绕组N_C1(19)通过电流i₁(16)在CT铁芯内产生磁通量φ_C1(23)；将电源v₁(1)、CT二次绕组N_C2(22)与N₃(13)组成闭合回路，电流i₃(15)在CT铁芯内产生磁通φ_C2(20)，i₃(15)在T₁铁芯内产生补偿磁通φ₃(11)方向与φ₁(5)的方向相同。电流i₃为：

i₃＝i’＝(v₁-v_C1-v₃)/(r_C1+jX_C1+r₃+jX₃)

r_C1+jX_C1、r₃+jX₃——N_C1、N₃的内阻与漏抗之和，

φ_C＝φ_C1-φ_C2——CT铁芯内主磁通。

v_C1＝-e_C1＝N_C1dφ_C/dt，

v₃＝-e₃＝N₃dφ/dt。

因N_C1和N₃都可以任意多，负载空载时i₃可以很小；CT铁芯内总磁通φ_C＝φ_C1-φ_C2，N_C2可以很少，总能在空载时有N_C1i₃＞N_C2i₁，φ_C的方向与φ_C1的方向相同。当变压器二次绕组电流i₂增加时其一次绕组电流i₁也增加，φ_C2增加，φ_C＝φ_C1-φ_C2降低，v_C1＝-e_C1＝N_C1dφ_C/dt降低，电流i₃增加，φ₃增加，φ增加，变压器输出电压v₂增加。稳压过程如图4所示。经实验图3对电源电压变化引起二次绕组输出电压变化也有一定稳定作用。

在图5实施例中，按图5PT二次绕组、c、N₃回路电流、电压方向，可得方程：

i₃＝(v_P2+v₃)/(r_P2+jX_P2+r₃+jX₃-jX_C)＝(v₁/K+N₃dφ/dt)/(r_P2+jX_P2+r₃+jX₃-jX_C)

其中K为PT变比，r_P2+jX_P2、r₃+jX₃分别为PT二次绕组和N₃电阻与漏抗之和，jX_C为电容C的容抗，变压器铁芯内主磁通量φ＝φ₁-φ₂-φ₃，负载电压降低时v_P2、v₃都降低，φ₃降低，所发生的稳压过程如图6所示。因v_P2、v₃同方向，中间接入c用以限流。接入c后回路总阻抗为：

z＝[(r_P2+r₃)²+(X_P2+X₃-X_C)²]^1/2

总可以调整c的大小，使z取适当值，电流i₃取适当值。接入c还可使φ₃超前φ₁，起到补偿负载感性无功作用。若接入c引起电磁振荡，可将c换为限流电感L。

图7用以说明图3、图5稳压的本质。图3是当负载增加时，电源通过CT向主变压器提供更多能量；图5是在变压器铁芯、N₃、PT、c中预先存储一部分能量，到电源或负载电压变化时将这部分能量放出来，用以部分补偿输出电压的变化。图3、5的功率流分别如图7a、b所示。

在图8实施例中，当电源电压或负载变化时，变压器一次绕组输入电压变化，变压器铁芯内主磁通量与输入电压相关变化，变压器二次绕组输出电压随之变化；此时通过输入电压检测电路使输出电压可调的正弦电源输出电压变化，流入补偿绕组的电流变化，使铁芯内主磁通量按输入电压引起的变化方向相反方向变化，变压器输出电压就按输入电压变化引起的相反方向变化，稳定变压器的输出电压。图9是图8的稳压过程图。

在图10实施例中，用带补偿绕组N₃的不可调压大变压器和一台可调压的小变压器组成调压变压器组。现有变压器有载调压是在有载条件下通过调压开关改变主变压器分接头实现，其缺点是尽管所调整的电压最高一般仅占总电压的±10％左右，也就是调整的功率最高仅占变压器总功率的±10％左右，但通过变压器的全部功率在改变分接头时都得跟着切换，切换分接头造成一、二次电压的波动，通过切换开关触点的电流大，能够切换的功率较小，切换速度慢，切换开关容易损坏，一但切换开关损坏变压器就无法正常工作。若在切换变压器分接头时仅使增加或减小的部分功率通过切换开关，其它未变化的主要功率部分都不经过切换开关而保持连续流动，无疑可减少切换分接头所造成的各种问题的严重性。用带补偿绕组的主变压器和一台小的调压变压器就可实现这个设想。

调压小变压器T₂的输出电压V₂’与补偿绕组N₃输出电压V₃的方向相反。当驱动机构使切换开关K的触点上下移动时，即改变调压小变压器T₂的输出电压V₂’。当V₂’大于V₃时，电源通过调压小变压器T₂及N₃向主变压器T₁输入能量，主变压器T₁二次绕组输出电压增加；当V₂’小于V₃时，主变压器T₁通过N₃及调压小变压器T₂向电源输出能量，主变压器T₁二次绕组输出电压降低。若图8调压范围为±10％，调压小变压器T₂的功率为T₁功率的10％。具计算，一台调压主变压器价格+一台同功率调压开关价格＞一台同功率不调压主变压器价格+一台10％主变压器功率调压开关价格+一台10％主变压器功率调压小变压器价格。调压开关能够制作的最大容量较小，若用于控制调压小变压器，就可得到大约10倍于调压开关容量的可调压输出容量。

图11为图10的功率流图。图11(a)是电源通过调压小变压器向主变压器输出能量，主变压器铁芯磁通量及二次绕组输出电压都增加；图11(b)是主变压器通过调压小变压器向电源输出能量，主变压器铁芯磁通量和二次绕组输出电压都降低。

在图12中，

表示定子正常绕组，“○”表示定子补偿绕组。即然当机械负载变化时，电动机铁芯内主磁通φ的变化也导致电机输出转矩即输出转速变化，若能通过外部控制，使得铁芯内主磁通φ向负载变化引起的变化方向相反的方向变化，就可减小φ变化对输出转速的影响，在一定程度上实现稳速。

在图14实施例中，将电流互感器CT二次绕组N_C2串入电动机定子N₁绕组的电源引出端；将CT一次绕组N_C1、补偿绕组N₃、电源v₁组成闭合回路，电机定子电流通过N_C1控制流入补偿绕组N₃的电流，就可实现自动补磁稳速。图中φ₁为定子A-X绕组N₁的正向磁通量；φ₂为转子绕组N₂的反向磁通量(N₂未画出)，φ₂与φ₁方向相反；φ₃为定子补偿绕组a-x的磁通量，与φ₁方向相同；电机铁芯气隙内主磁通量φ＝φ₁-φ₂+φ₃；e₁、e₃分别是N₁、N₃感应电动势。i₁、i₃在CT铁芯内产生磁通分别为φ_C2、φ_C1，二者方向相反，CT铁芯内主磁通φ_C＝φ_C1-φ_C2，方向与φ_C1的相同。将v₁、N_C1与N₃组成闭合回路，该回路电流i₃为：

i₃＝(v₁-v_C1-v₃)/(r_C1+jX_C1+r₃+jX₃)

r_C1+jX_C1、r₃+jX₃——N_C1、N₃的电阻和漏抗。

v_C1、v₃——N_C1、N₃上的端电压。

v_C1＝-e_C1＝N_C1dφ_C/dt

v₃＝-e₃＝N₃dφ/dt

因N_C1可任意多，负载空载时i₃可以很小；CT铁芯内总磁通φ_C＝φ_C1-φ_C2，N_C2可以很少，总能够在空载时有N_C1i₃＞N_C2i₁，使φ_C的方向与φ_C1的方向相同。当电动机负载增加时转速降低，同时其一次绕组电流i₁增加，CT铁芯内φ_C2增加，φ_C＝φ_C1-φ_C2降低，v_C1＝-e_C1＝N_C1dφ_C/dt降低，由上式电流i₃增加，φ₃增加，φ增加，T增加，转速增加。补磁稳速过程如图15所示。

在图16实施例中，当电动机电源电压或负载变化时，输入电压变化，电动机铁芯内主磁通量与输入电压相关变化，电动机输出转矩、转速随之变化；此时通过输入电压检测电路使开关电源的输出电压发生变化，流入补偿绕组的电流变化，使铁芯内主磁通量按电源电压或负载引起变化相反的方向变化，电动机的输出转矩就按电源电压或负载引起变化相反方向变化，稳定电动机的转速。图17是图16的稳压过程图。

在图18实施例中，当发电机外负荷变化时，发电机的输出电压将变化；若发电机的有功负荷变化，现在只能靠改变发电机输入机械功率的办法调整，但动力机械有很大的机械惯性，一般很难瞬时调整，调整速度远远落后于输出电压变化速度。若预先将发电机发出的部分电能存储下来，到负荷变化引起输出电压变化时，用这部分能量使发电机输出电压按负荷变化引起变化相反的方向变化，就可部分补偿负荷变化引起输出电压的变化。图18中φ₀为发电机励磁磁通，φ₁为定子N₁绕组主磁通，φ₃为补偿绕组N₃磁通；PT二次绕组电压v_P2、N₃感应电压v₃方向相同。对于流入补偿绕组N₃电流i₃，按图18电流电压方向可得：

i₃＝(v_P2+v₃)/(r_P2+jX_P2+r₃+jX₃-jX_C)＝(v₁/K+N₃dφ/dt)/(r_P2+jX_P2+r₃+jX₃-jX_C)

其中K为PT变比，r_P2+jX_P2、r₃+jX₃分别为PT二次绕组N_P2和补偿绕组N₃电阻和漏抗；接入电容C目的在于限制电流i₃，同时使i₃呈容性，其磁通φ₃补偿感性电流i₁产生磁通φ₁，jX_C为电容C的容抗。发电机铁芯内主磁通量φ＝φ₀-φ₁-φ₃，当负载电流i₁*增加时φ₁增加，φ降低，N₁的e₁和N₃的e₃都降低，输出电压v₁降低；v_P2降低，i₃降低，φ₃降低，φ和输出电压又都增加。所发生的稳压过程如图19所示。若接入C引起电磁振荡，可将C换为限流电感L。

Claims (9)

1.一种通过外接CT、PT、小变压器或正弦开关电源自动补偿铁芯内主磁通量稳定输出量的铁芯线圈电器。在铁芯线圈电器铁芯主磁路上增加补偿绕组，铁芯线圈电器外接CT、PT或小变压器，将CT、PT、小变压器或正弦开关电源与补偿绕组、电源或负载适当连接，其特征是：当铁芯线圈电器的负载变化时，外接CT、PT、小变压器或正弦开关电源作用于补偿绕组，使得铁芯线圈电器铁芯内主磁通量向负载或电源电压变化引起的变化方向相反方向变化，自动稳定铁芯线圈电器的输出量。

2.根据权利要求1所述的自动补偿铁芯内主磁通量稳定输出量的铁芯线圈电器，在变压器每相铁芯主磁路上增加补偿绕组，变压器外接CT；将CT的一次绕组、变压器补偿绕组、电源组成闭合电路；变压器一次绕组的一端与CT二次绕组的一端串联，变压器一次绕组的另一端与CT二次绕组的另一端接电源。其特征是：每相补偿绕组在变压器该相铁芯内产生磁通量φ₃的方向与该相一次绕组在变压器该相铁芯内产生磁通量φ₁的方向相同，变压器该相铁芯内主磁通量φ＝φ₁-φ₂+φ₃，当变压器负载增加时，二次绕组磁通量φ₂增加φ₃也增加，减少φ的下降量，减少变压器二次绕组输出电压的下降量。

3.根据权利要求1所述的自动补偿铁芯内主磁通量稳定输出量的铁芯线圈电器，在变压器每相铁芯主磁路上增加补偿绕组，变压器外接PT；将PT一次绕组与变压器二次绕组并联，PT二次绕组与补偿绕组并联，PT二次绕组与补偿绕组之间接入小电容或电感限流。其特征是：每相补偿绕组在变压器该相铁芯内产生磁通量φ₃的方向与变压器该相一次绕组在铁芯内产生磁通量φ₁的方向相反，变压器铁芯内主磁通量φ＝φ₁-φ₂-φ₃，当变压器负载增加时，二次绕组磁通量φ₂增加φ₃下降，减少φ的下降量，减少变压器二次绕组输出电压的下降量。

4.根据权利要求1所述的自动补偿铁芯内主磁通量稳定输出量的铁芯线圈电器，在变压器每相铁芯主磁路上增加2个补偿绕组；在变压器外接PT、CT，将CT与一个补偿绕组按权利要求2所述连接，将PT与另一个补偿绕组按权利要求3所述连接，PT二次绕组与补偿绕组之间接入小电容或电感限流。其特征是：当变压器负载增加时，每相补偿绕组在变压器该相铁芯内产生磁通量的变化，都使得变压器铁芯内主磁通量向负载变化引起的变化方向相反方向变化，减少变压器二次绕组输出电压的下降量。

5.根据权利要求1所述的自动补偿铁芯内主磁通量稳定输出量的铁芯线圈电器，在主变压器每相铁芯主磁路上增加补偿绕组，主变压器二次绕组外接电压测量电路和调压开关驱动机构，在主变压器外设可调压小变压器，将可调压小变压器的一次绕组并联在主变压器电源上，将可调压小变压器二次绕组与主变压器的补偿绕组并联。其特征是：当主变压器二次绕组输出电压变化时，通过主变压器二次绕组输出电压测量电路控制调压开关驱动机构，或需要调压时人为控制调压开关驱动机构，改变可调压小变压器的输出电压，改变主变压器铁芯内主磁通量，实现主变压器输出电压有载调压。

6.根据权利要求1所述的自动补偿铁芯内主磁通量稳定输出量的铁芯线圈电器，在变压器每相铁芯主磁路上增加补偿绕组，变压器一次或二次绕组外接电压检测电路和输出电压可调的正弦电源，正弦电源与补偿绕组连接。其特征是：当变压器一次绕组输入电压或二次绕组输出电压变化时，正弦电源使流入补偿绕组的电流改变，使变压器铁芯内主磁通量向原变化方向相反方向变化，稳定输出电压。

7.根据权利要求1所述的自动补偿铁芯内主磁通量稳定输出量的铁芯线圈电器，在电动机铁芯每相主磁路上增加补偿绕组，电动机外接CT；将CT的一次绕组、补偿绕组、电源组成闭合电路；电动机定子绕组的一端与CT二次绕组的一端串联，电动机定子绕组的另一端与CT该二次绕组的另一端接电源。其特征是：每相补偿绕组在电动机铁芯内产生磁通量φ₃的方向与该相定子绕组在电动机铁芯内产生磁通量φ₁的方向相同，电动机铁芯内主磁通量φ＝φ₁-φ₂+φ₃，当电动机负载增加时，转子产生磁通φ₂增加φ₃也增加，减少φ的下降量，减少电动机输出转矩的下降量，减少电动机输出转速的下降量。

8.根据权利要求1所述的自动补偿铁芯内主磁通量稳定输出量的铁芯线圈电器，在电动机铁芯每相主磁路上增加补偿绕组，电动机外接电压、电流检测电路和输出电压可调的正弦电源电源，正弦电源与补偿绕组连接。其特征是：当负载或输入电压变化引起电动机铁芯内主磁通量φ、转矩T和转速v变化时，输出电压可调的正弦电源作用于补偿绕组使得铁芯内主磁通量φ、转矩T和转速v按原变化方向相反的方向变化，稳定电动机转速。

9.根据权利要求1所述的自动补偿铁芯内主磁通量稳定输出量的铁芯线圈电器，在发电机铁芯每相主磁路上增加补偿绕组，发电机外接PT；将PT一次绕组与发电机输出端并联，PT二次绕组与补偿绕组并联，PT二次绕组与补偿绕组之间接入小电容或电感限流。其特征是：补偿绕组在发电机铁芯内产生磁通量φ₃的方向与发电机励磁绕组在铁芯内产生磁通量φ₀的方向相反，发电机铁芯内主磁通量φ＝φ₀-φ₁-φ₃，当发电机负载增加、输出电压下降时，定子磁通φ₁增加φ₃下降，减少φ的下降量，减少发电机输出电压的下降量。

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