专利名称：补偿式双向静态交流调压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种补偿式双向静态交流调压器，属于电气控制技术领域。
背景技术：
目前的现有技术中，调压器种类比较多，如果按制造材料划分，基本可以分为两类，一类是以铁芯、线圈为基本材料制成的电磁调压器，另一类是以半导体材料制成的固体调压器件。电磁调压器多数为动态机械调压，特别是应用广泛的接触式调压器，还需使用滑动电刷。由于存在机械驱、传动机构和滑动电刷，不但调整速度比较慢，还容易发生电气或机械故障而影响其可靠性和使用寿命。固体调压器件虽然具有可靠性高、寿命长和调整速度快的优点，但是其只能降压而不能升压。采用电磁器件和固体器件相结合设计出的双向静态调压器兼有两种调压器件的共同优点。技术方案是用接于补偿变压器补偿绕组上的固体开关之间彼断此通的互相切换来改变加在补偿绕组两端的电压与相位进行调压。但是由于开关控制的是感性负载，而且是开关之间直接的强制换向和切换，目前还很难做到在关断开关电流为零时欲接通开关及时、精确的同步接入，常发生由于切换失误使电路出现中断并由此产生过电压而击穿固体开关或切换中的开关同时接通并由此产生短路环流而烧毁固体开关的问题。尽管有的设计采用了抑制电流上升率的空心电抗器或在固体开关回路串接限流电阻的解决方案，但是效果并不如意。由于其在可靠性方面的缺陷，这种设计在工程上还未被广泛采用。《辽宁科学技术出版社》出版的、由张乃国主编的《交流稳压电源》一书对国内外各种技术方案作了具体分析与介绍。图书在版编目(CIP)数据ISBN 7-5381-2951-0，1999.10。
本发明的目的是要提供一种结构、线路简单，成本低，采用自然换向和彼通此断的连续切换，即使切换时固体开关同时接通也不产生过电压、过电流问题，从而使可靠性得到提高与保证的补偿式双向静态交流调压器。
发明内容
本发明的补偿式双向静态交流调压器，由补偿变压器[TA1]、并列抽头变压器[TA2]、线性抽头电抗器[L]和固体开关[K]等部分组成。其中补偿变压器[TA1]的负载绕组[N2]一端接输入电源，另一端接负载。并列抽头变压器[TA2]的各抽头上分别接有固体开关[K]，其两端跨接于电源。其特征是补偿变压器[TA1]的补偿绕组[N1]一端与线性电抗器[L]一个绕组的抽头相连接，该绕组的首端和末端分别与并列抽头变压器[TA2]的同一列的奇数抽头、偶数抽头所接固体开关[K]相连接。补偿变压器[TA1]的补偿绕组[N1]另一端与线性抽头电抗器[L]的另一个绕组的抽头相联接，该绕组的首端和末端分别与并列抽头变压器[TA2]的另一列奇数抽头、偶数抽头所接固体开关[K]相联接。并列抽头变压器[TA2]一端的一对并列抽头不接线性电抗器[L]的绕组，当该对抽头两个固体开关[K]同时接通时，补偿绕组[N1]两端被短接，此时负载绕组[N2]、补偿绕组[N1]两端电压为零，输出电压等于输入电压。当补偿变压器[TA1]的补偿绕组[N1]与负载绕组[N2]相位相同的一端通过线性抽头电抗器[L]的绕组所接的固体开关[K]逐一往返切换时，输出电压在高于输入电压的基础上逐渐上升或下降。当其另一端通过线性电抗器[L]的绕组所接固体开关[K]逐一往返切换时，输出电压在低于输入电压的基础上逐渐上升或下降。各固体开关[K]每次切换时，欲接入的固体开关[K]接通后原接通固体开关[K]再关断，保持补偿回路不中断。当切换中的两个固体开关[K]同时接通时，两个固体开关[K]之间接入的是线性抽头电抗器[L]首端至末端的绕组，限制回路环流无限增大，使固体开关[K]得到保护。固体开关[K]每次切换前后补偿回路中都串接线性电抗器[L]的抽头至首端或至末端的绕组，减轻补偿回路可能出现的浪涌电流对固体开关[K]的冲击，使固体开关[K]得到进一步保护。
由于本发明在固体开关切换回路设计了既对环流进行抑制，又不影响正常补偿电压的共用线性电抗器，采用欲接入开关接通后，原接通开关再关断的彼通此断的连续切换方式，保证补偿回路不发生中断，因此消除了产生过电压、过电流的隐患，使固体开关得到自然保护，从而使整机可靠性得到保证。
下面结合附图和调压过程进一步描述本发明的调压原理以及线性抽头电抗器的积极作用。
图1是本发明补偿式双向静态交流调压器的单相[或三相中的一相，三相中任意一相原理皆相同，只有相位之差，故三相原理图未给出]电路原理图。
图2是开关切换时共用线性抽头电抗器在不同状态下的接入示意图。
图1中补偿变压器[TA1]的绕组[N2]一端接输入电源，另一端接负载，成为负载绕组。并列抽头变压器[TA2]的各抽头上分别接有固体开关[K]，其两端分别跨接于电源，各抽头的电压由抽头间的分压比决定。补偿变压器[TA1]的补偿绕组[N1]一端与线性电抗器[L]的一个绕组抽头相连接，该绕组的首端与并列抽头变压器[TA2]的一列抽头的奇数抽头[1、3、5…]所接开关[K]相连接，末端与偶数抽头[2、4、6…]所接开关[K]相连接。补偿变压器[TA1]的补偿绕组[N1]另一端与线性电抗器[L]的另一个绕组抽头相连接，该绕组的首端与并列抽头变压器[TA2]的另一列奇数抽头[1′、3′、5′…]所接开关[K]相连接，末端与同一列偶数抽头[2′、4′、6′…]所接开关[K]相连接。并列抽头变压器一端的第一对并列抽头不接线性电抗器绕组。
调压是这样进行的并列抽头变压器一端不接线性电抗器[L]绕组的第一对抽头上所接开关同时接通时，补偿绕组[N1]的两端被短接，由于补偿变压器的两个绕组相位相反，负载绕组、补偿绕组两端电压为零，输出电压等于输入电压。当补偿绕组[N1]与负载绕组[N2]相位相同的一端所接一列开关[K]从零电压抽头切换到本列与其相邻的抽头1时，补偿绕组[N1]两端得到一个电压，同时负载绕组[N2]得到一个相位相同的补偿电压ΔU，其电压值由式ΔU＝U1/N1/N2决定，式中ΔU为负载绕组[N2]得到的补偿电压，U1为补偿绕组[N1]两端的电压，N1/N2为补偿绕组[N1]与负载绕组[N2]的变压比。当该列抽头所接开关在继续逐一切换过程中，补偿绕组[N1]两端电压越来越高，负载绕组[N2]得到的补偿电压也越来越高，当切换到最末端一个抽头时，补偿绕组[N1]两端电压为电源电压。当开关作返回切换时，补偿绕组[N1]、负载绕组[N2]两端的电压越来越低。本列抽头往返切换时，输出电压在高于输入电压的基础上上升或下降。当补偿绕组[N1]的另一端所接开关[K]从零电压开关开始切换时，由于此时补偿绕组[N1]与负载绕组[N2]相位相反，负载绕组[N2]上得到相位相反的补偿电压，随着开关[K]的继续切换，输出电压越来越低。当开关[K]逐一做返回式切换时，输出电压越来越高，直至输出电压等于输入电压。补偿绕组[N1]两端所接开关分别单独做往返式切换，就可以在输入电压基础上提高或降低输出电压，其电压值由式Usc＝Usr±ΔU决定，式中Usc为输出电压，Usr为输入电压，ΔU为负载绕组两端的补偿电压，两个绕组相位相同时为“+”，两个绕组相位相反时为“-”。
线性抽头电抗器[L]在开关[K]切换时的作用切换开始时，欲接入开关[K]接通后原接通开关[K]未关断前，两个同一列的相邻开关[K]同时处在接通状态，此时两个接通开关[K]之间接有线性电抗器首端至末端的绕组，由于电抗器的L值与匝数的平方成正比，在两个开关[K]之间接有一个L值足够大的电抗器，而抽头之间的电压又相对较低，故两抽头之间的环流值被限定在某一数值内。这样即保持补偿回路不中断，又限制了环流无限增大，使电路不产生过电压过电流的问题，固体开关[K]得到保护。切换完成后，补偿回路仍然串接线性抽头电抗器[L]的一部分线组，其L值很小，对补偿电压几乎无影响，使补偿回路浪涌电流得到抑制。图2中补偿变压器[TA1]的补偿绕组[N1]一端串接两个同时接通开关[K]的是电路在切换过程中线性抽头电抗器[L]的绕组接入方式，补偿绕组[N1]串接一个接通开关[K]的是电路切换前后线性抽头电抗器[L]的绕组接入方式。
具体实施例方式
补偿变压器[TA1]的参数2KVA的环形铁芯上分别绕66V的负载绕组[N2]和230V的补偿绕组[N1]，两个绕组的变压比为3.48。并列抽头变压器[TA2]的参数600VA的环形铁芯上绕231V的绕组，抽头设为8个(两端各1个，中间6个)，采用复式接法、既一个抽头接一对分为两列的开关，各抽头之间电压33V。线性抽头电抗器[L]的参数同一铁芯上分别绕两个匝数相同、各有中心抽头的绕组，中心抽头至首、末端的电感量都为10mH(ωL值为3.14Ω)，首端至末端的电感量则为40mH(ωL值为12.56Ω)。固体开关[K]为50A/700V双向可控硅，每列8只，两列共16只。按图1所示电路互相连接，采用正接方式时，既并列抽头变压器[TA2]的两端跨接于输入端电源，负载功率6KW(电阻性负载)，输入电压215V，不接线性抽头电抗器[L]绕组的一对并列抽头所接两个开关[K]同时接通时输出电压210V。
升压列开关[K]、降压列开关[K]分别单独切换时、以及两个相邻开关[K]同时接通时，得到如下的电压、电流值
注由于回路环流的相位与补偿电流的相位相反，所以输出端接负载后、特别是补偿电压变化时，测得的电流不是常量，无实质意义，故本栏内的环流数据是空载状况下测得的。
权利要求
一种补偿式双向静态交流调压器，由补偿变压器[TA1]、并列抽头变压器[TA2]、线性抽头电抗器[L]和固体开关[K]等部分组成；其中补偿变压器[TA1]的负载绕组[N2]一端接输入电源，另一端接负载，并列抽头变压器[TA2]的各抽头上分别接有固体开关[K]，其两端跨接于电源；其特征是补偿变压器[TA1]的补偿绕组[N1]一端与线性电抗器[L]一个绕组的抽头相连接，该绕组的首端和末端分别与并列抽头变压器[TA2]的同一列的奇数抽头、偶数抽头所接固体开关[K]相连接补偿变压器[TA1]的补偿绕组[N1]另一端与线性抽头电抗器[L]的另一个绕组的抽头相连接，该绕组的首端和末端分别与并列抽头变压器[TA2]的另一列奇数抽头、偶数抽头上所接固体开关[K]相连接；并列抽头变压器[TA2]一端的一对并列抽头不接线性电抗器[L]的绕组，当该对抽头两个固体开关[K]同时接通时，补偿绕组[N1]两端被短接，此时负载绕组[N2]、补偿绕组[N1]两端电压为零，输出电压等于输入电压；当补偿变压器[TA1]的补偿绕组[N1]与负载绕组[N2]相位相同的一端通过线性抽头电抗器[L]的绕组所接的固体开关[K]逐一往返切换时，输出电压在高于输入电压的基础上逐渐上升或下降；当其另一端通过线性电抗器[L]的绕组所接固体开关[K]逐一往返切换时，输出电压在低于输入电压的基础上逐渐上升或下降；各固体开关[K]每次切换时，欲接入的固体开关[K]接通后，原接通固体开关[K]再关断，保持补偿回路不中断；当切换中的两个固体开关[K]同时接通时，两个固体开关[K]之间接入的是线性抽头电抗器[L]首端至末端的绕组，限制回路环流无限增大，使固体开关[K]得到保护固体开关[K]每次切换前后补偿回路中都串接线性电抗器[L]的抽头至首端或至末端的绕组，减轻补偿回路可能出现的浪涌电流对固体开关[K]的冲击，使固体开关[K]得到进一步保护。
全文摘要
本发明涉及一种补偿式双向静态交流调压器,属于电气控制技术领域。基本原理是以接于变压器抽头上的固体开关之间的互相切换改变补偿变压器补偿绕组两端的电压与相位进行双向静态调压。为了避免开关切换失误而引发的过电压击穿、过电流烧毁固体开关的问题,采用了在既可以保持补偿回路不中断而不产生过电压,又可以保证两个切换开关同时接通时产生的环流不无限增大、从而不产生过电压、过电流的变值线性电抗器,使固体开关得到有效的自然保护。为实现无刷、无驱、传动机构、无电磁污染的双向静态调压提供了可靠性方面的技术支持。也为调压器、稳压器的生产、制造提供了一种结构、线路简单,效率高、成本低、调压特性好、调整速度快的设计。
文档编号H02M5/12GK1363983SQ0210400
公开日2002年8月14日 申请日期2002年2月26日 优先权日2002年2月26日
发明者赵忠臣 申请人:赵忠臣