CN206023588U - 脉宽调制交流斩控调压装置及由其组成的补偿式调压装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及脉宽调制交流斩控调压装置，该装置由变压器TT、斩波控制电路和滤波电路组成，所述斩波控制电路包括斩控开关K₁和续流开关K₂，所述滤波电路包括电抗器L和电容器C，所述变压器TT的原边绕组接输入电压U_in，所述变压器TT的副边绕组的两端分别接斩控开关K₁和续流开关K₂的一端，斩控开关K₁和续流开关K₂的另一端相连后接电抗器L的一端，电抗器L的另一端与电容器C相连，电容器C的两端作为滤波电路的输出端，其输出电压为U_o。本实用新型还公开了由脉宽调制交流斩控调压装置组成的补偿式调压装置。本实用新型采用变压器TT，实现原边绕组与副边绕组彻底的电隔离、负载能力大幅度提高、自损耗大大降低；具有负载能力强、精准调压稳压、使用寿命长等优点。

Description

脉宽调制交流斩控调压装置及由其组成的补偿式调压装置

技术领域

本实用新型涉及交流调压、稳压技术领域，尤其是一种脉宽调制交流斩控调压装置及由其组成的补偿式调压装置。

背景技术

交流调压器可分为电机型、变压器型和电力电子器件型三大类，在变压器型调压器中，自耦调压器、补偿式自耦调压器的应用最为广泛。

自耦调压器的原理如图1所示，由碳刷进行接触式滑动，改变输入线圈对输出线圈的匝数比，可使输出电压连续平滑可调。然而，自耦调压器具有原边与副边非电隔离、响应速度慢、负载能力低、自损耗大、使用寿命短等缺点。

补偿式自耦调压器如图2所示，在负载和电源之间串联一个变压器，提供一个补偿电压ΔU。该变压器的初级绕组由自耦调压器供电，次级绕组串接在负载与电源之间，通过电刷的滑动改变串联变压器原边绕组电压的大小和极性，从而改变补偿电压ΔU的大小和极性，达到调压的目的。与自耦调压器相比，补偿式自耦调压器负载能力虽然大幅度提高，但是，由于自耦变压器的存在，原边与副边非电隔离、响应速度慢、自损耗大、工作寿命短等缺点依然存在。无触点补偿式自耦调压器如图3所示，与图2所示的区别在于将接触滑动式调节改为无触点开关有级式调节，其优点在于提高了调节的快速性、延长了使用寿命，然而，由于仍然采用自耦变压器，原边与副边非电隔离、自损耗大等缺点依然存在，同时还出现了一个突出的缺点，即由于调节档位有限，调节精度低。

实用新型内容

本实用新型的首要目的在于提供一种能够实现原边与副边彻底的电隔离、负载能力大幅度提高、自损耗大大降低，响应速度快、工作寿命长的脉宽调制交流斩控调压装置。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种脉宽调制交流斩控调压装置，该装置由变压器TT、斩波控制电路和滤波电路组成，所述斩波控制电路包括斩控开关K₁和续流开关K₂，所述滤波电路包括电抗器L和电容器C，所述变压器TT的原边绕组接输入电压U_in，所述变压器TT的副边绕组的两端分别接斩控开关K₁和续流开关K₂的一端，斩控开关K₁和续流开关K₂的另一端相连后接电抗器L的一端，电抗器L的另一端与电容器C相连，电容器C的两端作为滤波电路的输出端，其输出电压为U_o。

所述斩控开关K₁包括IGBT晶体管Q₁₁、二极管D₁₁和IGBT晶体管Q₁₂、二极管D₁₂，所述续流开关K₂包括IGBT晶体管Q₂₁、二极管D₂₁和IGBT晶体管Q₂₂、二极管D₂₂，所述电抗器L由电抗器L₁和电抗器L₂组成；所述IGBT晶体管Q₁₁的集电极接变压器TT的副边绕组的一端，变压器TT的副边绕组的另一端接IGBT晶体管Q₁₂的集电极，IGBT晶体管Q₁₁的发射极分别与IGBT晶体管Q₂₁的发射极、电抗器L₁的一端相连，IGBT晶体管Q₁₂的发射极分别与IGBT晶体管Q₂₂的发射极、电抗器L₂的一端相连，IGBT晶体管Q₂₁的集电极与IGBT晶体管Q₂₂的集电极相连，电抗器L₁的另一端接电容器C的一端，电抗器L₂的另一端接电容器C的另一端；IGBT晶体管Q₁₁、IGBT晶体管Q₁₂、IGBT晶体管Q₂₁和IGBT晶体管Q₂₂的门极接计算机控制端口发出的驱动信号。

所述斩控开关K₁和续流开关K₂为互补斩控开关，斩控开关K₁闭合时，续流开关K₂断开；斩控开关K₁断开时，续流开关K₂闭合续流。

所述IGBT晶体管Q₁₁的集电极和发射极之间跨接二极管D₁₁，所述二极管D₁₁的阴极接IGBT晶体管Q₁₁的集电极，所述二极管D₁₁的阳极接IGBT晶体管Q₁₁的发射极；所述IGBT晶体管Q₁₂的集电极和发射极之间跨接二极管D₁₂，所述二极管D₁₂的阴极接IGBT晶体管Q₁₂的集电极，所述二极管D₁₂的阳极接IGBT晶体管Q₁₂的发射极；所述IGBT晶体管Q₂₁的集电极和发射极之间跨接二极管D₂₁，所述二极管D₂₁的阴极接IGBT晶体管Q₂₁的集电极，所述二极管D₂₁的阳极接IGBT晶体管Q₂₁的发射极；所述IGBT晶体管Q₂₂的集电极和发射极之间跨接二极管D₂₂，所述二极管D₂₂的阴极接IGBT晶体管Q₂₂的集电极，所述二极管D₂₂的阳极接IGBT晶体管Q₂₂的发射极。

本实用新型的另一目的在于提供一种补偿式调压装置，该装置包括如权利要求1至4中任一项所述的脉宽调制交流斩控调压装置、补偿变压器TB、第一组双刀开关和第二组双刀开关，所述第一组双刀开关由开关KF1和开关KF2组成，所述第二组双刀开关由开关KZ1和开关KZ2组成，所述脉宽调制交流斩控调压装置的输入端C端和输入端D端之间接输入电压U_in，输入端C端与补偿变压器TB的副边绕组的一端相连，补偿变压器TB的副边绕组的另一端B端和脉宽调制交流斩控调压装置的D端引出线N端共同作为该装置的电压输出端，输出电压U_out；脉宽调制交流斩控调压装置的其一输出端E端一方面通过开关KF1接补偿变压器TB的原边绕组的一端F端，另一方面通过开关KZ1接补偿变压器TB的原边绕组的一端G端，脉宽调制交流斩控调压装置的另一输出端H端一方面通过开关KF2接补偿变压器TB的原边绕组的一端G端，另一方面通过开关KZ2接补偿变压器TB的原边绕组的一端F端。

所述输出电压U_out＝U_in+ΔU，其中，ΔU为输入端C端、补偿变压器TB的副边绕组的B端之间的补偿电压，即补偿变压器TB的副边电压，其大小与原边电压成比例关系；补偿变压器TB原边电压的大小由脉宽调制交流斩控调压装置的控制脉冲宽度决定；补偿极性由第一组双刀开关和第二组双刀开关决定：当开关KZ1、开关KZ2闭合，开关KF1、开关KF2断开时，为正补偿，U_out>U_in；当开关KZ1、KZ2断开，开关KF1、KF2闭合时，为负补偿，U_out<U_in；当开关KZ1、KZ2闭合，开关KF1、KF2闭合时，为零补偿，U_out＝U_in。

由上述技术方案可知，本实用新型的优点在于：第一，本实用新型采用变压器TT，实现原边绕组与副边绕组彻底的电隔离、负载能力大幅度提高、自损耗大大降低；第二，采用计算机端口发出的图6所示的脉宽调制驱动信号，实现无级精准调压、响应速度快；第三，斩控开关和续流开关采用大功率电力电子开关器件，工作寿命大幅度延长；第四，由脉宽调制交流斩控装置组成的补偿式调压装置，具有负载能力强、自损耗低、精准调压稳压、响应速度快、使用寿命长等优点。

附图说明

图1为接触滑动式自耦调压器的电路原理图；

图2为补偿式自耦交流调压器的电路原理图；

图3为无触点补偿式自耦交流调压器的电路原理图；

图4为本实用新型中脉宽调制交流斩控调压装置的等效电路图；

图5为本实用新型中脉宽调制交流斩控调压装置的电路原理图；

图6为本实用新型中IGBT晶体管Q₁₁、IGBT晶体管Q₁₂、IGBT晶体管Q₂₁、IGBT晶体管Q₂₂的驱动信号波形图；

图7为本实用新型中补偿式调压装置的电路原理图。

具体实施方式

如图4所示，一种脉宽调制交流斩控调压装置，该装置由变压器TT、斩波控制电路和滤波电路组成，所述斩波控制电路包括斩控开关K₁和续流开关K₂，所述滤波电路包括电抗器L和电容器C，所述变压器TT的原边绕组接输入电压U_in，所述变压器TT的副边绕组的两端分别接斩控开关K₁和续流开关K₂的一端，斩控开关K₁和续流开关K₂的另一端相连后接电抗器L的一端，电抗器L的另一端与电容器C相连，电容器C的两端作为滤波电路的输出端，其输出电压为U_o。所述斩控开关K₁和续流开关K₂为互补斩控开关，斩控开关K₁闭合时，续流开关K₂断开；斩控开关K₁断开时，续流开关K₂闭合续流。

如图5所示，所述斩控开关K₁包括IGBT晶体管Q₁₁、二极管D₁₁和IGBT晶体管Q₁₂、二极管D₁₂，所述续流开关K₂包括IGBT晶体管Q₂₁、二极管D₂₁和IGBT晶体管Q₂₂、二极管D₂₂，所述电抗器L由电抗器L₁和电抗器L₂组成；所述IGBT晶体管Q₁₁的集电极接变压器TT的副边绕组的一端，变压器TT的副边绕组的另一端接IGBT晶体管Q₁₂的集电极，IGBT晶体管Q₁₁的发射极分别与IGBT晶体管Q₂₁的发射极、电抗器L₁的一端相连，IGBT晶体管Q₁₂的发射极分别与IGBT晶体管Q₂₂的发射极、电抗器L₂的一端相连，IGBT晶体管Q₂₁的集电极与IGBT晶体管Q₂₂的集电极相连，电抗器L₁的另一端接电容器C的一端，电抗器L₂的另一端接电容器C的另一端；IGBT晶体管Q₁₁、IGBT晶体管Q₁₂、IGBT晶体管Q₂₁和IGBT晶体管Q₂₂的门极接计算机控制端口发出的驱动信号。

如图5所示，所述IGBT晶体管Q₁₁的集电极和发射极之间跨接二极管D₁₁，所述二极管D₁₁的阴极接IGBT晶体管Q₁₁的集电极，所述二极管D₁₁的阳极接IGBT晶体管Q₁₁的发射极；所述IGBT晶体管Q₁₂的集电极和发射极之间跨接二极管D₁₂，所述二极管D₁₂的阴极接IGBT晶体管Q₁₂的集电极，所述二极管D₁₂的阳极接IGBT晶体管Q₁₂的发射极；所述IGBT晶体管Q₂₁的集电极和发射极之间跨接二极管D₂₁，所述二极管D₂₁的阴极接IGBT晶体管Q₂₁的集电极，所述二极管D₂₁的阳极接IGBT晶体管Q₂₁的发射极；所述IGBT晶体管Q₂₂的集电极和发射极之间跨接二极管D₂₂，所述二极管D₂₂的阴极接IGBT晶体管Q₂₂的集电极，所述二极管D₂₂的阳极接IGBT晶体管Q₂₂的发射极。二极管D₁₁、二极管D₁₂、二极管D₂₁、二极管D₂₂均为反并联二极管，当电流与IGBT晶体管的方向相反时，电流流过反并联二极管；当电流与IGBT晶体管方向相同，且IGBT晶体管导通时，电流流过IGBT晶体管。

IGBT晶体管Q₁₁、二极管D₁₁、IGBT晶体管Q₁₂、二极管D₁₂作为斩波开关，通过脉宽调制信号驱动，起调节E、H间电压幅值的作用；IGBT晶体管Q₂₁、二极管D₂₁、IGBT晶体管Q₂₂、二极管D₂₂为续流开关，在斩波开关关闭时导通，起调续流作用。它们的脉宽调制控制信号如图6所示，控制脉冲宽度即可实现E、H间电压幅值的调节，其工作模式由电压极性决定。当U_in为正半波时，对IGBT晶体管Q₁₁进行脉宽调制斩波、IGBT晶体管Q₂₁与IGBT晶体管Q₁₁互补导通，起续流作用、IGBT晶体管Q₁₂和IGBT晶体管Q₂₂导通，可提高转换效率；当U_in为负半波时,对IGBT晶体管Q₁₂进行脉宽调制斩波、IGBT晶体管Q₂₂与IGBT晶体管Q₁₂互补导通，起续流作用、IGBT晶体管Q₁₁和IGBT晶体管Q₂₁导通可提高转换效率。

如图7所示，一种补偿式调压装置，该装置包括脉宽调制交流斩控调压装置、补偿变压器TB、第一组双刀开关和第二组双刀开关，所述第一组双刀开关由开关KF1和开关KF2组成，所述第二组双刀开关由开关KZ1和开关KZ2组成，所述脉宽调制交流斩控调压装置的输入端C端和输入端D端之间接输入电压U_in，输入端C端与补偿变压器TB的副边绕组的一端相连，补偿变压器TB的副边绕组的另一端B端和脉宽调制交流斩控调压装置的D端引出线N端共同作为该装置的电压输出端，输出电压U_out；脉宽调制交流斩控调压装置的其一输出端E端一方面通过开关KF1接补偿变压器TB的原边绕组的一端F端，另一方面通过开关KZ1接补偿变压器TB的原边绕组的一端G端，脉宽调制交流斩控调压装置的另一输出端H端一方面通过开关KF2接补偿变压器TB的原边绕组的一端G端，另一方面通过开关KZ2接补偿变压器TB的原边绕组的一端F端。

所述输出电压U_out＝U_in+ΔU，其中，ΔU为输入端C端、补偿变压器TB的副边绕组的B端之间的补偿电压，即补偿变压器TB的副边电压，其大小与原边电压成比例关系；补偿变压器TB原边电压的大小由脉宽调制交流斩控调压装置的控制脉冲宽度决定；补偿极性由第一组双刀开关和第二组双刀开关决定：当开关KZ1、开关KZ2闭合，开关KF1、开关KF2断开时，为正补偿，U_out>U_in；当开关KZ1、KZ2断开，开关KF1、KF2闭合时，为负补偿，U_out<U_in；当开关KZ1、KZ2闭合，开关KF1、KF2闭合时，为零补偿，U_out＝U_in。

综上所述，本实用新型采用变压器TT，实现原边绕组与副边绕组彻底的电隔离、负载能力大幅度提高、自损耗大大降低；采用计算机端口发出图6所示的脉宽调制驱动信号，实现无级精准调压、响应速度快；斩控开关和续流开关采用大功率电力电子开关器件，工作寿命大幅度延长；由脉宽调制交流斩控装置组成的补偿式调压装置，具有负载能力强、自损耗低、精准调压稳压、响应速度快、使用寿命长等优点。

Claims (6)

1.一种脉宽调制交流斩控调压装置，其特征在于：该装置由变压器TT、斩波控制电路和滤波电路组成，所述斩波控制电路包括斩控开关K₁和续流开关K₂，所述滤波电路包括电抗器L和电容器C，所述变压器TT的原边绕组接输入电压U_in，所述变压器TT的副边绕组的两端分别接斩控开关K₁和续流开关K₂的一端，斩控开关K₁和续流开关K₂的另一端相连后接电抗器L的一端，电抗器L的另一端与电容器C相连，电容器C的两端作为滤波电路的输出端，其输出电压为U_o。

2.根据权利要求1所述的脉宽调制交流斩控调压装置，其特征在于：所述斩控开关K₁包括IGBT晶体管Q₁₁、二极管D₁₁和IGBT晶体管Q₁₂、二极管D₁₂，所述续流开关K₂包括IGBT晶体管Q₂₁、二极管D₂₁和IGBT晶体管Q₂₂、二极管D₂₂，所述电抗器L由电抗器L₁和电抗器L₂组成；所述IGBT晶体管Q₁₁的集电极接变压器TT的副边绕组的一端，变压器TT的副边绕组的另一端接IGBT晶体管Q₁₂的集电极，IGBT晶体管Q₁₁的发射极分别与IGBT晶体管Q₂₁的发射极、电抗器L₁的一端相连，IGBT晶体管Q₁₂的发射极分别与IGBT晶体管Q₂₂的发射极、电抗器L₂的一端相连，IGBT晶体管Q₂₁的集电极与IGBT晶体管Q₂₂的集电极相连，电抗器L₁的另一端接电容器C的一端，电抗器L₂的另一端接电容器C的另一端；IGBT晶体管Q₁₁、IGBT晶体管Q₁₂、IGBT晶体管Q₂₁和IGBT晶体管Q₂₂的门极接计算机控制端口发出的驱动信号。

3.根据权利要求1所述的脉宽调制交流斩控调压装置，其特征在于：所述斩控开关K₁和续流开关K₂为互补斩控开关，斩控开关K₁闭合时，续流开关K₂断开；斩控开关K₁断开时，续流开关K₂闭合续流。

4.根据权利要求2所述的脉宽调制交流斩控调压装置，其特征在于：所述IGBT晶体管Q₁₁的集电极和发射极之间跨接二极管D₁₁，所述二极管D₁₁的阴极接IGBT晶体管Q₁₁的集电极，所述二极管D₁₁的阳极接IGBT晶体管Q₁₁的发射极；所述IGBT晶体管Q₁₂的集电极和发射极之间跨接二极管D₁₂，所述二极管D₁₂的阴极接IGBT晶体管Q₁₂的集电极，所述二极管D₁₂的阳极接IGBT晶体管Q₁₂的发射极；所述IGBT晶体管Q₂₁的集电极和发射极之间跨接二极管D₂₁，所述二极管D₂₁的阴极接IGBT晶体管Q₂₁的集电极，所述二极管D₂₁的阳极接IGBT晶体管Q₂₁的发射极；所述IGBT晶体管Q₂₂的集电极和发射极之间跨接二极管D₂₂，所述二极管D₂₂的阴极接IGBT晶体管Q₂₂的集电极，所述二极管D₂₂的阳极接IGBT晶体管Q₂₂的发射极。

5.一种补偿式调压装置，其特征在于：该装置包括如权利要求1至4中任一项所述的脉宽调制交流斩控调压装置、补偿变压器TB、第一组双刀开关和第二组双刀开关，所述第一组双刀开关由开关KF1和开关KF2组成，所述第二组双刀开关由开关KZ1和开关KZ2组成，所述脉宽调制交流斩控调压装置的输入端C端和输入端D端之间接输入电压U_in，输入端C端与补偿变压器TB的副边绕组的一端相连，补偿变压器TB的副边绕组的另一端B端和脉宽调制交流斩控调压装置的D端引出线N端共同作为该装置的电压输出端，输出电压U_out；脉宽调制交流斩控调压装置的其一输出端E端一方面通过开关KF1接补偿变压器TB的原边绕组的一端F端，另一方面通过开关KZ1接补偿变压器TB的原边绕组的一端G端，脉宽调制交流斩控调压装置的另一输出端H端一方面通过开关KF2接补偿变压器TB的原边绕组的一端G端，另一方面通过开关KZ2接补偿变压器TB的原边绕组的一端F端。

6.根据权利要求5所述的补偿式调压装置，其特征在于：所述输出电压U_out＝U_in+△U，其中，△U为输入端C端、补偿变压器TB的副边绕组的B端之间的补偿电压，即补偿变压器TB的副边电压，其大小与原边电压成比例关系；补偿变压器TB原边电压的大小由脉宽调制交流斩控调压装置的控制脉冲宽度决定；补偿极性由第一组双刀开关和第二组双刀开关决定：当开关KZ1、开关KZ2闭合，开关KF1、开关KF2断开时，为正补偿，U_out>U_in；当开关KZ1、KZ2断开，开关KF1、KF2闭合时，为负补偿，U_out<U_in；当开关KZ1、KZ2闭合，开关KF1、KF2闭合时，为零补偿，U_out＝U_in。