CN204009642U - 一种超高速节能型交流稳压装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种超高速节能型交流稳压装置，包括控制单元、电压检测单元、第一电子开关、第二电子开关、市电连接端和稳压电源输出端，市电连接端与稳压电源输出端之间的三相线路上依次串接有第一储能电感、限流电阻、储能电容以及第二储能电感；各限流电阻两端分别并接有可控开关；可控开关的控制输入端连接控制单元；两电子开关分别包括控制输入端和三个电流输入端，其中控制输入端连接控制单元，第一电子开关的电流输入端分别连接在限流电阻与储能电容之间，第二电子开关的电流输入端分别连接在储能电容与第二储能电感之间；电压检测单元的输入端连接市电连接端，将检测到的电压信号输出至控制单元；控制单元控制可控开关的开关状态，以及第一电子开关和第二电子开关的导通和截止。

Description

一种超高速节能型交流稳压装置

技术领域

本实用新型涉及综合电力电子控制、微电子、大功率器件设计及专用功率模块设计等技术的稳压控制技术领域，特别是一种适用于供电电压不稳定场所，能够对不稳定电压进行自动调节的超高速节能型交流稳压装置及其控制方法。

背景技术

当前我国的终端用电常处于电压不稳定状态，我国《供电营业规则》规定供电电压允许偏差为不超过额定值的±10％，而实际测量江苏多地企业的用电电压白天多在+10％左右波动，考虑到功率和电压是平方关系，如果用电电压超压10％，设负载的阻抗不变，实际功率将超过额定值20％。

为了避免电压不稳定带来的电能损失，现有技术中已经存在相应的稳压产品，但是传统的稳压产品多注重于稳压功能，本身却要消耗电能。目前市场上尚无稳压同时还可节能的产品。已有的普通稳压器用在稳压节能方面存在多项缺陷：一是调压速度慢，调压时间≥1秒，对于精密设备的快速反应不能适应；二是效率偏低，一般在95％左右，如果稳压节能5％，只够本身消耗，而且空载时变压器仍有耗电，可能还增加了用电量；三是消耗铜材、钢材多，重量、体积很大。

实用新型内容

本实用新型通过功率模块及相应控制架构的设计，实现对不稳定电压的自动调节，达到高速调压的同时还能够节能的目的。

本实用新型采取的技术方案为：一种超高速节能型交流稳压装置，包括市电连接端和稳压电源输出端，所述市电连接端与稳压电源输出端之间的三相线路上依次串接有第一储能电感、限流电阻、储能电容以及第二储能电感；

上述各限流电阻两端分别并接有可控开关；

还包括控制单元、电压检测单元、第一电子开关和第二电子开关；可控开关的控制输入端连接控制单元；第一电子开关和第二电子开关分别包括控制输入端和三个电流输入端，其中控制输入端连接控制单元，第一电子开关的三个电流输入端分别连接在三相线路中限流电阻与储能电容之间，第二电子开关的三个电流输入端分别连接在三相线路中储能电容与第二储能电感之间；电压检测单元的输入端连接市电连接端以检测输入电压，然后将检测到的电压信号输出至控制单元；控制单元根据电压信号控制可控开关的开关状态，以及第一电子开关和第二电子开关的导通和截止。

本实用新型在应用时，市电输入的不稳定电压可被自动调整为稳定的交流稳压电源输出给三相负载，稳压器自身耗能少，电压调节迅速。

进一步的，本实用新型还包括滤波单元，滤波单元由分别串接在稳压输出端三相线路与公共端之间的滤波电容组成，可对输出电压中的高频谐波进行滤波。

更进一步的，本实用新型中限流电阻皆为防浪涌热敏电阻。第一电子开关S1和第二电子开关S2为现有的占空比可调的高速电子开关集成芯片，其具有用于调节占空比的端口即控制输入端。电压电流测量单元可利用现有的电压电流测量电路，将测得的电压电流模拟量转换为数字量传输给控制单元。控制单元可选用现有的单片机，可控开关可利用继电器辅助触点实现，控制单元单片机控制继电器线圈的通断电，从而达到控制可控开关通断的目的。通过电流电压的测量，控制单元能够判断稳压器接入电源的状态，从而控制可控开关在电源接入稳压器启动时保持断开状态，并在一段时间后控制可控开关闭合，从而将限流电阻短路，避免其上的电能损耗。

对于上述超高速节能型稳压器进行控制时，本实用新型对第一电子开关和第二电子开关的控制方法为：对市电连接端的输入电压进行检测，并对输入电压与既定的稳定电压进行比较：

当输入电压等于稳定电压，则将第一电子开关及第二电子开关的导通和截止占空比分别设置为50％；且第一电子开关处于导通状态时，第二电子开关为截止状态；

当输入电压小于稳定电压，则将第一电子开关的占空比设置为大于50％；且第一电子开关处于导通状态时，第二电子开关为截止状态；

当输入电压大于稳定电压，则将第一电子开关的占空比设置为小于50％，且第一电子开关处于导通状态时，第二电子开关为截止状态。

本实用新型的有益效果为：区别于传统稳压产品：无工频变压器，可以使效率提高、重量减轻从而改善性能；无逆变器，结构简单，控制灵活，性能好；无可控硅，提高功率因数，减小谐波干扰。同时大幅度降低了稳压器自身的重量和尺寸，产品可应用在所有的需要稳压的用电场合，特别是适合于小体积安装的场合，将会给国家带来巨大经济效益和社会效益。

附图说明

图1所示为本实用新型原理结构示意框图；

图2所示为本实用新型工作过程中一种工作通路示意图；

图3所示为本实用新型工作过程中另一种工作通路示意图；

图4所示为本实用新型工作过程中第三种工作通路示意图；

图5所示为本实用新型工作过程中第四种工作通路示意图；

图6所示为本实用新型控制方法中S1与S2的导通时序示意图；

图7所示为S1与S2的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步说明。

如图1所示，本发明的超高速节能型交流稳压装置，包括市电连接端Us和稳压电源输出端Uo，所述市电连接端Us与稳压电源输出端Uo之间的三相线路上依次串接有第一储能电感L1、L2、L3，限流电阻Rt1、Rt2、Rt3，储能电容C1、C2、C3，以及第二储能电感L4、L5、L6；各限流电阻两端分别并接有可控开关K1、K2、K3；还包括控制单元、电压检测单元、第一电子开关S1和第二电子开关S2；各可控开关K1、K2、K3的控制输入端分别连接控制单元；第一电子开关S1和第二电子开关S2分别包括控制输入端和三个电流输入端，其中控制输入端连接控制单元，第一电子开关S1的三个电流输入端分别连接在三相线路中限流电阻Rt1、Rt2、Rt3与储能电容C1、C2、C3之间，第二电子开关S2的三个电流输入端分别连接在三相线路中储能电容C1、C2、C3与第二储能电感L4、L5、L6之间；电压检测单元可采用现有的电压传感器1及模数转换器2实现，电压检测单元中的电压传感器1的输入端连接市电连接端Us以检测输入电压，然后将检测到的电压信号经模数转换器2转换成数字信号输出至控制单元3，控制单元3可选用现有单片机等微型控制芯片；控制单元根据电压信号控制可控开关K1、K2、K3的开关状态，以及第一电子开关S1和第二电子开关S2的导通和截止。

稳压输出端Uo三相线路与公共端之间还串接有滤波电容C4、C5、C6，组成滤波单元，以对输出电压中的高频谐波进行滤波。稳压输出端Uo与公共端之间的三相线路上分别串接回路电阻R1、R2和R3。

本发明在应用时，市电输入的不稳定电压可被自动调整为稳定的交流稳压电源输出给三相负载，无需传统的交流稳压装置的变压器和逆变电路，稳压器自身耗能少，电压调节迅速。

实施例

限流电阻Rt1、Rt2、Rt3皆为防浪涌热敏电阻。第一电子开关S1和第二电子开关S2可采用现有的占空比可调的高速电子开关集成芯片，其具有用于调节占空比的端口即控制输入端。电压电流测量单元可利用现有的电压电流测量电路，将测得的电压电流模拟量转换为数字量传输给控制单元。控制单元可选用现有的单片机，可控开关K1、K2、K3可利用继电器辅助触点实现，控制单元单片机控制继电器线圈的通断电，从而达到控制可控开关通断的目的。通过电流电压的测量，控制单元能够判断稳压器接入电源的状态，从而控制可控开关在电源接入稳压器启动时保持断开状态，并在一段时间后控制可控开关闭合，从而将限流电阻短路，避免其上的电能损耗。

对本发明的超高速节能型稳压器中的第一电子开关和第二电子开关进行控制的方法为：对市电连接端Us的输入电压进行检测，并对输入电压与既定的稳定电压进行比较，此稳定电压可根据稳压器实际应用场合的电压等级进行人为确定，然后利用电压比较器实现两电压值的比较结果输出，比较结果输出至控制单元单片机后，单片机即可根据比较结果控制电子开关的导通和截止；或者将输入电压转化为数字信号后输入至单片机，与事先通过软件写入单片机的既定稳定电压进行比较，进而获得比较结果，控制电子开关导通或截止，上述方法皆可利用现有软件技术实现。

请参考图7，本发明的电子开关S1、S2也可以采用图示电路原理，各电子开关模块由三组可关断晶闸管GTO组成，GTO也可用IGBT或MCT、IGCT等现有可控功率器件替代。每组反向并接的可关断晶闸管GTO中，6个GTO的门极1-6即为电子开关的控制端，对应电子开关的端口①-⑥；GTO的剩余两极一极用于分别连接三相线路中的一相，即端口⑦-⑨；另一极三组相接后接地，即端口⑩。对于图7所示的电子开关，通过控制其中的6个GTO的导通和关断时间从而调节占空比大小的方法为现有技术。

请参考图6，本发明对电子开关的具体控制方法为：

当输入电压等于稳定电压，则将第一电子开关及第二电子开关的导通和截止占空比分别设置为50％；

当输入电压小于稳定电压，则将第一电子开关占空比设置为大于50％；

当输入电压大于稳定电压，则将第一电子开关占空比设置为小于50％；

且上述三种控制方法下，第一电子开关处于导通状态时，第二电子开关为截止状态。

本发明的控制原理具体为：市电输入端输入的为不稳定的三相电源电压Us，限流电阻Rt1、Rt2、Rt3是现有专用的防浪涌热敏电阻，用于在启动时防止电流过高，起到限流的作用，在启动结束后即通过控制单元控制可控开关K1-K3闭合使其限流电阻Rt1、Rt2、Rt3短路。S1和S2是现有的高速电子开关器件芯片，在三相电源电压的一个0.02秒周期(工频50赫兹)内，S1和S2高频导通或截止。

在S1的T_ON(导通)期间，同时S2截止，三相电源通过电感L₁、L₂、L₃和S1形成回路，以A相回路为例，如图2所示，此时：

电源电压U_S1全部加在电感L₁上，所以L₁上的压降为U_S1，根据法拉第电磁感应定律可得：

$U_{L1}=U_{S1}=L_1\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}$

经过T_ON时间后，L₁上的电流增量是：

(式中，为S1占空比，T_S＝T_ON+T_OFF为导通周期)。

而在S1的T_OFF(截止)期间，同时S2导通，三相电源通过电感L₁、L₂、L₃，电容C₁、C₂、C₃和S2形成回路，以A相回路为例，如图3所示，此时：

L₁上的压降为： $U_{L1}=U_{C1}-U_{S1}=-L_1\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}$

可得： ${\mathrm{di}}_{L1}=-\frac{U_{C1}-U_{S1}}{L_1}\mathrm{dt}$

经过T_OFF时间后，L₁上的电流增量是：

${\mathrm{\Δi}}_{L1\left(\mathrm{OFF}\right)}=-\frac{U_{C1}-U_{S1}}{L_1}{T}_{\mathrm{OFF}}=-\frac{U_{C1}-U_{S1}}{L_1}(1-D_1)T_S$

(式中，为S1导通的占空比，T_S＝T_ON+T_OFF为导通周期)。

根据稳态条件： $\mathrm{\Δ}{i}_{L1\left(\mathrm{ON}\right)}=\left|\mathrm{\Δ}{i}_{L1\left(\mathrm{OFF}\right)}\right|$

可得： $\frac{U_{S1}}{L_1}{D}_1{T}_S=\frac{U_{C1}-U_{S1}}{L_1}(1-D_1)T_S$

通过化简可得： $U_{C1}=\frac{U_{S1}}{1-D_1}$ ①

进一步的，考虑输出环路，以A相为例：在下一个S1的T_ON(导通)期间，同时S2截止，S1、C₁、L₄和负载R₁形成一个通路，如图4所示，此时：

L₄上的压降为：U_L4＝U_C1-U_O1

可得： $U_{L4}=U_{C1}-U_{O1}=L_4\frac{{\mathrm{di}}_{L4}}{\mathrm{dt}}$

经过T_ON时间后，L₄上的电流增量是： ${\mathrm{\Δi}}_{L4\left(\mathrm{ON}\right)}=\frac{U_{L4}}{L_4}{T}_{\mathrm{ON}}=\frac{U_{C1}-U_{O1}}{L_4}{T}_{\mathrm{ON}}$

而在下一个S1的T_OFF(截止)期间，同时S2导通，S2、L₄和负载R₁形成一个通路，如图5所示，此时：

L₄上的压降为： $U_{L4}=U_{O1}=-L_4\frac{{\mathrm{di}}_{L4}}{\mathrm{dt}}$

经过T_OFF时间后，L₄上的电流增量是：

由于在S2的导通和截止期间，电感L₄上的电流不能发生突变，所以存在稳态条件为： ${\mathrm{\Δi}}_{L4\left(\mathrm{ON}\right)}=\left|{\mathrm{\Δi}}_{L4\left(\mathrm{OFF}\right)}\right|$

所以， $\frac{U_{C1}-U_{O1}}{L_4}{T}_{\mathrm{ON}}=\frac{U_{O1}}{L_4}{T}_{\mathrm{OFF}}$

解之可得： $U_{C1}=\frac{U_{O1}(T_{\mathrm{ON}}+T_{\mathrm{OFF}})}{T_{\mathrm{ON}}}=\frac{U_{O1}{T}_S}{T_{\mathrm{ON}}}=\frac{U_{O1}}{D_1}$ ②

(式中，为S1导通的占空比，T_S＝T_ON+T_OFF为导通周期)。

将①式代入②式解得：

$U_{O1}=\frac{D_1}{1-D_1}{U}_{S1}={\mathrm{MU}}_{S1},$ 式中 $M=\frac{D_1}{1-D_1}$

故当D₁＝50％时，U_O1＝U_S1

D₁>50％时，U_O1＞U_S1

D₁<50％时，U_O1＜U_S1

换言之即：

当输入电压等于稳定电压时，将D₁设置为等于50％，即可实现稳压；

当输入电压小于稳定电压时，将D₁设置为大于50％，即可实现稳压；

当输入电压大于稳定电压时，将D₁设置为小于50％，即可实现稳压。

D₁设置的具体值可以通过检测当前的输入电压，然后根据经验值或者实际需要进行设置，只需满足上述设置条件即可。

采用本发明的稳压结构及控制方法，无需采用传统变压器或逆变器，只需通过改变的高速电子开关S1和S2的占空比，即可使输出电压达到稳定电压，且电子调速比机械调速更快、更准，重量更轻。

Claims (3)

1. 一种超高速节能型交流稳压装置，包括市电连接端和稳压电源输出端，其特征是，所述市电连接端与稳压电源输出端之间的三相线路上依次串接有第一储能电感、限流电阻、储能电容以及第二储能电感；

上述各限流电阻两端分别并接有可控开关；

还包括控制单元、电压检测单元、第一电子开关和第二电子开关；可控开关的控制输入端连接控制单元；第一电子开关和第二电子开关分别包括控制输入端和三个电流输入端，其中控制输入端连接控制单元，第一电子开关的三个电流输入端分别连接在三相线路中限流电阻与储能电容之间，第二电子开关的三个电流输入端分别连接在三相线路中储能电容与第二储能电感之间；电压检测单元的输入端连接市电连接端以检测输入电压，然后将检测到的电压信号输出至控制单元；控制单元根据电压信号控制可控开关的开关状态，以及第一电子开关和第二电子开关的导通和截止。

2. 根据权利要求1所述的超高速节能型交流稳压装置，其特征是，还包括滤波单元，滤波单元由分别串接在稳压输出端三相线路与公共端之间的滤波电容组成。

3. 根据权利要求1所述的超高速节能型交流稳压装置，其特征是，所述限流电阻皆为防浪涌热敏电阻。