专利名称：开关步进切换式交流调压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关步进切换式交流调压器，属于电气控制技术领域。
背景技术：
以接于变压器抽头上的开关切换进行交流调压的现有技术中，为了保证开关、特别是电子开关和绕组的安全，采用这样几种技术方案一种是在变压器各个抽头上分别串接限流电抗器，这种方案需要与抽头数量相同的电抗器，抽头个数较多时，体积增大，重量增加，成本上升；另一种是在变压器各个抽头上分别串接限流电阻，这不仅增加了功率消耗，产生不必要的热量，而且降低了效率；再一种是以微型计算机控制电子开关直接进行切换。无论是自耦式、还是补偿式调压，都容易发生因开关切换失误产生的过电压击穿、过电流烧毁电子开关和绕组的问题。为了提高可靠性，不得不选用耐压很高、电流很大的电子开关，不仅使材料成本升高，同时由于隐患未消除，问题仍时有发生。因为这方面的原因，这种设计在工程上还未被广泛应用。本人此前提出的技术解决方案[发明专利申请号02104004.4，申请日2002年2月26日]虽然被工程证明效果良好，但是由于变压器为并列抽头，线性电抗器需要设两个抽头绕组，开关用量较多，因为不具有净化功能，对外部干扰不能有效的抑制和消除。
本发明的目地是要提供一种线路简单，成本低、效率高，在开关切换时既不产生过电压，又不产生过电流，既使两个相邻开关同时接通也不出现短路环流，因而使开关、绕组得到有效保护，从而使可靠性得到保证的交流调压器。
发明内容
本发明的开关步进切换式交流调压器，由抽头变压器、开关、AC滤波电容和线性电抗器等部分组成，变压器绕组的各个抽头上接有开关。其特征是线性电抗器的绕组具有抽头，绕组的首端分别与变压器奇数抽头上所接的开关相连接，末端分别与变压器偶数抽头上所接的开关相连接。抽头变压器的引出端与线性电抗器的抽头，其中一个是输入端，另一个是输出端。输入、输出端分别接有AC滤波电容。开关互相切换时，原接通的待切除开关未关断，与其相邻的切入开关即接通，输出端同时产生一个电压变量ΔU。此时两个同处在接通状态的开关之间接入的是线性抽头电抗器首端至末端的绕组，其感抗[ωL]把回路环流限制在设定值范围内而不产生短路环流。这时串接在电源与负载之间的线性电抗器抽头两侧的绕组和AC滤波电容组成了π型低通滤波器，对输入、输出端可能出现的浪涌电流、尖峰电压进行抑制、吸收。使开关得到保护的同时又滤除电源与负载之间的传导干扰，进行双向净化。关断原接通开关，输出端又产生一个电压变量ΔU。这时串接在电源与负载之间的是线性电抗器抽头一侧的绕组，仍然与AC滤波电容组成π型低通滤波器，继续对输入、输出端可能出现的浪涌电流、尖峰电压进行抑制、吸收。开关继续切换，又是两个相邻开关同处接通状态。各开关如此进行步进式切换，保持电路始终处于接通状态而不发生中断。因此在开关断开时不产生反电势，接通时不产生冲击性电流，使开关、绕组不承受过电压、过电流冲击，其安全得到了保护。
由于本发明采用线性抽头电抗器与变压器抽头上所接开关有序连接，并以步进切换法进行开关切换，保证电路不由于开关切换而出现中断，因而在开关断开时不产生反电势，接通时不产生冲击电流。而两个相邻开关同时接通时又由于线性电抗器的限流作用而不产生短路环流。还由于π型滤波器对来自外部的冲击电流、尖峰电压的抑制和吸收。消除了产生过电压、过电流的不安全因素，不但使开关、绕组的安全得到有效的保护，同时还减少了电抗器和开关的使用数量，并且降低了电子开关电压、电流的极限参数，因此降低了成本。在可靠性与电磁兼容方面为工程提供了有实用价值的技术方案。
下面结合附图和调压过程对本发明作进一步说明图1是本发明的单相线路图[或三相中的一相]。
图2是图1所示线路图中调压开关一个单独接通、两个共同接通时线性电抗器[L]绕组两种不同工作状态的等效电路。
图3是图1所示的电路原理在既有降压抽头、又有升压抽头的自耦变压器上具体实施应用方式的线路图。
图4是图1所示的电路原理在具有隔离绕组的抽头变压器上具体实施应用方式的线路图。
图5是图1与变压器相结合，组成补偿式双向调压器的具体实施应用方式的线路图。
图6是图3的基本原理与变压器相结合，组成补偿式双向调压器的具体实施应用方试的线路图。
图1所描述的开关步进切换式交流调压器，包括抽头变压器[T]、开关[K]、AC滤波电容[C]和线性抽头电抗器[L]。变压器[T]各个抽头上接有开关[K]，线性抽头电抗器[L]绕组的首端分别与变压器[T]奇数抽头(1、3、5...)上所接的开关[K]相连接，绕组的末端分别与变压器[T]偶数抽头(2、4、6...)上所接的开关[K]相连接。抽头变压器的引出端[A]和线性电抗器[L]的抽头[B]，其中一个为输入端时，另一个为输出端。输入、输出端分别接有AC滤波电容[C]。抽头变压器的引出端[N]为公共端。线性电抗器[L]的抽头[B]为输入端时，抽头变压器[T]的引出端[A]为输出端，成为自耦式升压调压器；抽头变压器[T]的引出端[A]为输入端时，线性电抗器[L]的抽头[B]为输出端，成为自耦式降压调压器。
调压时开关是这样切换的当抽头变压器引出端[A]、[N]为输入端接于电源，某个抽头上的开关[K]接通后，输出端即产生等于该抽头的电压。此时在电源与负载之间串接了线性电抗器[L]抽头[B]一侧的绕组，该绕组和输入、输出端所接的AC滤波电容[C]组成了π型低通滤波器，对来自电源或负载的浪涌电流、尖峰电压进行抑制和吸收，既对开关[K]进行保护，又可以滤除电源与负载之间的传导干扰，起到双向净化作用。开关[K]开始切换时，已接通的待切除开关[K]未关断，与其相邻的切入开关[K]即接通，此时两个同处在接通状态的开关之间接入的是线性抽头电抗器[L]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，其感抗足够大，而变压器[T]两个相邻抽头之间的电压又相对较低，因此回路环流被线性电抗器[L]的感抗(ωL)限制在开关[K]、绕组的设计值范围之内。其电流值由式1＝V/ωL决定，式中1为回路环流，V为两个相邻开关之间的电压，ωL为线性抽头电抗器[L]绕组首端至末端的感抗。同时调压器输出端即产生一个电压变量ΔU，其电压值由线性电抗器[L]抽头[B]在绕组上的分压比决定。抽头[B]设于绕组的中心时，ΔU＝V/2，既等于两个相邻抽头之间电压的50％。这时，在电源与负载之间串接的是线性电抗器[L]抽头[B]两侧的绕组，仍然与输入、输出端所接的AC滤波电容[C]组成π型低通滤波器，继续进行开关保护和电源与负载之间的双向净化。负载电流则由两个开关[K]分流承担。关断原接通的待切除开关[K]，输出端又产生一个电压变量ΔU，其电压值同样由抽头[B]分压比决定。这时又是一个开关[K]接通，并成为下次切换的待切除开关。开关互相切换的过程就象步行一样，从一个接通到两个共同接通，又从两个共同接通到一个接通。在任意时刻，至少有一个开关[K]处于接通状态，保证电路不由于开关切换而发生中断。因此，在切除开关[K]关断的瞬间不产生反电势，切入开关[K]接通的瞬间不产生冲击性电流，使开关[K]、绕组不承受过电压，过电流的冲击而保证了安全。
线性抽头电抗器配合开关进行步进式切换的同时又与AC滤波电容组成π型低通滤波器，消除了产生过电压、过电流等不安全因素。不仅使开关[K]、绕组得到保护，在两个相邻开关共同接通时又增加了一级电压变量ΔU，在调整精度相同的情况下，不但开关[K]用量减少了近50％。电子开关的电压、电流参数也降低了50％，既提高了可靠性，又降低了材料成本。
图3是图1在自耦式双向调压器上的具体实施应用方式，包括既设有降压抽头、又设有升压抽头的变压器[T]，开关[K]，AC滤波电容[C]和线性抽头电抗器[L]。变压器[T]的各个抽头上分别接有开关[K]。线性抽头电抗器[L]绕组的首端分别与变压器[T]奇数[1、3、5...]抽头上所接的开关[K]相连接，末端分别与变压器[T]偶数[2、4、6...]抽头上所接的开关[K]相连接。变压器[T]的引出端[N]为输入、输出的公共端，引出端[A]为输入端，线性电抗器[L]绕组抽头[B]为输出端，成为自耦式双向调压器。
调压是这样进行的开关[K]互相切换的方法和步骤与图1所述的相同，不同的是一、当线性电抗器[L]抽头[A]与公共端[N]为输出端、开关[K]互相切换时，输出电压在低于、高于输入电压的基础上阶梯式变化。二、当负载跨接于变压器[T]的引出端[A]和线性电抗器[L]的抽头[B]两端，开关[K]从降压抽头[既变压器的一次侧]切换到升压抽头[既变压器的二次侧]时，虽然仍然是单向调压器，但是，输出电压的相位发生了180°变化。
图4是图1在隔离式抽头变压器上的具体实施应用方式，包括具有隔离绕组的抽头变压器[T]、开关[K]和线性抽头电抗器[L]以及AC滤波电容。隔离变压器[T]的绕组抽头上分别接有开关[K]，线性抽头电抗器[L]绕组的首端分别与变压器[T]奇数[1、3、5...]抽头上所接的开关[K]相连接，末端与偶数[2、4、6...]抽头上所接的开关[K]相连接。与其相隔离的无抽头绕组两端为输入端，有抽头绕组两端为输出端，成为隔离式双向调压器。
调压是这样进行的开关[K]互相切换的步骤和方法与图1所述相同，不同的是由于两个绕组之间只有磁路联系而无电的直接连接，一、二次绕组之间彼此隔离。开关[K]切换时两个绕组的变压比发生变化，N1/N2＝1时，输出电压等于输入电压。N1/N2＞1时，输出电压低于输入电压。N1/N2＜1时，输出电压高于输入电压。式中N1为隔离绕组匝数，N2为抽头绕组匝数。输出电压随开关[K]步进式切换发生阶梯式上升、下降。
图5是图1与变压器相结合组成补偿式双向调压器的具体实施应用方式。包括补偿变压器[TA]，换向开关[KH]和图1所示的单向调压器。补偿变压器[TA]的绕组[N2]一端为输入端接于电源，另一端为输出端接负载，成为负载绕组。补偿变压器[TA]的补偿绕组[N1]两端分别接有既可以与单向调压器的输入端[A]接通，又可以与单向调压器的输出端[B]接通的换向开关[KH]。单向调压器输入端[A]与负载绕组[N2]相连接，成为补偿式双向调压器。
调压是这样进行的当补偿变压器[TA]的补偿绕组[N1]两端所接的换向开关[KH1-KH3或KH2-KH4]同时接通时，该绕组两端被短接，绕组[N1]、[N2]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]相位相同的一组换向开关[KH1-KH4]接通，单向调压器开关从K1开始步进式切换时，补偿绕组[N1]两端电压阶梯式升高，同时负载绕组[N2]两端相位相同的补偿电压也随之升高。其电压值由式ΔU＝U1/N1/N2决定，式中ΔU为负载绕组[N2]两端得到的补偿电压的变量，U1为补偿绕组[N1]两端的电压，N1/N2为两个绕组的变压比。输出电压在高于输入电压基础上阶梯式升高。开关[K]作返回切换时，补偿绕组[N1]两端电压阶梯式下降，负载绕组[N2]两端的补偿电压随之下降；当补偿绕组[N1]与负载绕组[N2]相位相反的一组换向开关[KH2-KH3]接通，单向调压器开关从K1开始步进式切换时，补偿绕组[N1]两端电压，负载绕组[N2]两端得到的补偿电压都同时升高。但是由于两种绕组相位相反，所以输出电压在低于输入电压的基础越来越低。开关[K]作返回切换时，输出电压在低于输入电压的基础上越来越高。换向开关[KH]、切换开关[K]相配合，就可以在输入电压的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[N2]两端的补偿电压，两种绕组相位相同时为“+”，两种绕组相位相反时为“-”。
图6是图3与变压器相结合组成补偿式双向调压器的具体实施应用方式，包括补偿变压器[TA]和图3所示的自耦调压器。补偿变压器[TA]的绕组[N2]一端为输入端接于电源，另一端为输出端接负载，成为负载绕组。补偿变压器[TA]的补偿绕组[N1]一端与自耦调压器的输入端[A]相连接，另一端与自耦调压器输出端[B]相连接，自耦调压器的输入端[A]与负载绕组[N2]相连接，成为自然换向的补偿式双向调压器。
调压是这样进行的当接于自耦调压器输入端同一抽头上的开关K4接通时，补偿变压器[TA]的补偿绕组[N1]两端被短接，此时补偿绕组[N1]、负载绕组[N2]两端电压为零，输出电压等于输入电压；当开关从K4开始步进式切换到自耦调压器一次侧时，补偿绕组[N1]两端电压阶梯式上升，负载绕组[N2]两端的补偿电压随之升高。由于此时两种绕组的相位相同，调压器的输出电压在高于输入电压的基础上升高。开关[K]作返回切换时，补偿绕组[N1]、负载绕组[N2]两端的电压成比例的降低，输出电压随之降低；当开关从K4步进式切换到自耦调压器二次侧时，补偿绕组[N1]、负载绕组[N2]两端的电压同样成比例的升高。但是由于此时两种绕组的相位相反，输出电压在低于输入电压的基础上逐渐降低。开关[K]作返回切换时，补偿绕组[N1]、负载绕组[N2]两端电压成比例的降低，输出电压在低于输入电压的基础上逐渐升高。开关[K]步进切换产生的电压变量和输出电压变化表达式与图5描述的相同。
具体实施例方式
一抽头变压器参数600W环形铁芯上绕有231V的绕组，设有6个中间抽头，两端各有一个引出端[A]、[N]，抽头之间电压同为33V；线性抽头电抗器参数200W变压器等值容量的E1型铁芯上，绕有中心抽头至首、未端L值同为6mH(首端至末端的L值为24mH，ωL值为7.5Ω)的绕组；电子开关的参数BTA系列的双向可控硅，16A/700V；AC滤波电容的参数5μF/250V。按图1所示的线路图连接后，抽头变压器的引出端[A]、[N]接于230V交流电源，负载功率1KW(电阻性)，开关进行步进式切换时，得到如下的输出电压与回路环流值。
说明1、回路环流为空载时测得的参数(下同)。
2、AC滤波电容[C]为新型电子器件，具有无极电容和压敏电阻的双重特性。
具体实施例方式
二抽头变压器参数1KW环形铁芯上绕有220V绕组，设有3个中间抽头，两端各有一个引出端[A]、[N]，抽头之间电压同为55V；线性抽头电抗器参数380W变压器等值容量的E1型铁芯，绕有中心抽头至首、末端L值同为8mH(首端至末端的L值为32mH，ωL为10Ω)的绕组；电子开关的参数BTA系例的双向可控硅，40A/700V；AC滤波电容参数5μF/250V。按图1所示的线路图连接后，抽头变压器引出端[A]、[N]接于220V交流电源，负载功率3KW(电阻性)，开关进行步进式切换时，得到如下的输出电压与相应回路环流值。
具体实施应用方式一抽头变压器参数1KW环形铁芯上绕有280V的绕组，在160V至280V之间每隔20V设有一个抽头，220V抽头同时作为引出端[A]；线性抽头电抗器参数380W变压器等值容量的E1型铁芯上，绕有中心头至首、末端L值同为3mH(首端至末端的L值为12mH，ωL值为3.8Ω)的绕组；电子开关参数BTA系例的双向可控硅，40A/700V；AC滤波电容参数5μF/320V。按图3所示的线路图连接，抽头变压器引出端[A]、[N]接于220V交流电源，负载功率3KW(电阻性)，开关进行步进式切换时，得到如下的输出电压与相应回路环流值。
具体实施应用方式二隔离变压器参数1KW环形铁芯上分别绕有280V的绕组和与其相隔离的220V绕组，其中280V绕组的160V至280V之间每隔20V设有一个抽头；线性抽头电抗器参数200W变压器等值容量的E1型铁芯上，绕有中心抽头至首、末端L值同为3mH绕组(首端至末端的L值为12mH，ωL值为3.8Ω)；电子开关的参数BTA系例的双向可控硅，16A/700；AC滤波电容参数5μF/320V。按图4所示的线路图连接，隔离绕组两端接于220V交流电源，负载功率1KW[电阻性]，开关进行步进式切换时，得到如下的输出电压与相应的回路环流值。
具体实施应用方式三补偿变压器参数2KW环形铁芯上分别绕有72V的负载绕组[N2]和220V的补偿绕组[N1]，两个绕组的变压比为3.06；抽头变压器参数、线性抽头电抗器参数、AC滤波电容参数和电子开关参数与具体实施方式
二相同。按图5所示的线路图相连接，输入电压215V，负载功率6KW(电阻性)。换向开关[KH]把补偿绕组[N1]分别切换成与负载绕组[N2]相位相同、相位相反，开关[K]进行步进式切换时，得到如下的输出电压。
具体实施应用方式四补偿变压器参数2KW环形铁芯上分别绕有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；抽头变压器参数600W环形铁芯上绕有440V的绕组，每隔73V设有一个抽头，220V的抽头同时作为引出端[A]；线性抽头电抗器参数380W变压器等值容量的E1型铁芯上，绕有中心抽头至首、末端L值同为10mH(首端至末端的L值为40mH，ωL值为12.5Ω)的绕组；电子开关参数BTA系列的双向可控硅，40A/700V；AC滤波电容参数5μF/250V。按图6所示的线路图相连接，输入电压215V，负载功率6KW(电阻性)，开关进行步进式切换时，得到如下的输出电压。
权利要求
1.一种开关步进切换式交流调压器，由抽头变压器[T]、开关[K]、AC滤波电容[C]和线性电抗器[L]等部分组成，变压器[T]绕组的各个抽头上分别接有开关[K]，其特征是线性电抗器[L]的绕组具有抽头[B]，绕组的首端分别与变压器[T]奇数抽头上所接的开关[K]相连接，末端分别与变压器[T]偶数抽头上所接的开关[K]相连接，抽头变压器的引出端[A]与线性电抗器[L]的抽头[B]，其中一个是输入端，另一个是输出端，输入、输出端分别接有AC滤波电容[C]；开关[K]互相切换时，原接通的待切除开关[K]未关断，与其相邻的切入开关[K]即接通，输出端同时产生一个电压变量ΔU，此时两个同处在接通状态的开关[K]之间接入的是线性抽头电抗器[L]首端至末端的绕组，其感抗(ωL)把回路环流限制在设定值范围内而不产生短路环流，这时串接在电源与负载之间的线性电抗器[L]抽头[B]两侧的绕组和AC滤波电容[C]组成π型低通滤波器，对输入、输出端可能出现的浪涌电流、尖峰电压进行抑制、吸收，使开关[K]得到保护的同时又滤除电源与负载之间的传导干扰，进行双向净化；关断原接通开关[K]，输出端又同时产生一个电压变量ΔU，这时串接在电源与负载之间的是线性电抗器[L]抽头[B]一侧的绕组，仍然与AC滤波电容[C]组成π型低通滤波器，继续对输入、输出端可能出现的浪涌电流、尖峰电压进行抑制、吸收；开关[K]继续切换，又是两个相邻开关[K]同处接通状态，各开关[K]如此进行步进式切换，保持电路始终处于接通状态而不出现中断，因此在开关断开时不产生反电势，接通时不产生冲击电流，使开关[K]、绕组不承受过电压、过电流冲击。
2.根据权利要求1所述的开关步进切换式交流调压器，其特征是线性电抗器[L]抽头[B]两侧的绕组由相位相同的并联绕组组成，其首端分别与变压器[T]各奇数抽头上所接的并联开关[K]相连接，其末端分别与变压器[T]各偶数抽头上所接的并联开关[K]相连接，切换时同一抽头上的并联开关[K]同时接通、同时关断。
3.根据权利要求1、2所述的开关步进切换式交流调压器，其特征是变压器[T]的绕组上既设有降压抽头，又设有升压抽头，其中一个抽头同时为引出端[A]，线性抽头电抗器[L]绕组的首端分别与变压器[T]各奇数抽头上所接的开关[K]相连接，末端分别与变压器[T]各偶数抽头上所接的开关[K]相连接，开关[K]步进式切换时，输出电压在高于、低于输入电压的基础上阶梯式上升、下降；负载跨接于线性电抗器[L]抽头[B]与变压器[T]引出端[A]两端，开关[K]从降压抽头切换到升压抽头时，输出电压的相位发生180°变化。
4.根据权利要求1、2所述的开关步进切换式交流调压器，其特征是变压器[T]上设有与抽头绕组只有磁路联系而无电路连接的隔离绕组。
5.根据权利要求1、2所述的开关步进切换式交流调压器，其特征是与补偿变压器[TA]相组合，其中抽头变压器[T]的引出端[A]与补偿变压器[TA]的绕组[N2]相连接，绕组[N2]的一端为输入端，另一端为输出端，补偿变压器[TA]的补偿绕组[N1]两端分别接有既可以与抽头变压器[T]的引出端[A]接通，又可以与线性电抗器[L]抽头[B]接通的换向开关[KH]，开关[K]、换向开关[KH]切换时，补偿调压器的输出电压在高于、低于输入电压的基础上阶梯式上升、下降。
6.根据权利要求1、2、3所述的开关步进切换式交流调压器，其特征是与补偿变压器[TA]相组合，其中抽头变压器[T]的引出端[A]与补偿变压器[TA]的绕组[N2]相连接，绕组[N2]的一端为输入端，另一端为输出端，补偿变压器[TA]的补偿绕组[N1]一端与抽头变压器[T]的引出端[A]相连接，另一端与线性电抗器[L]抽头[B]相连接，开关[K]步进式切换时，补偿调压器的输出电压在高于、低于输入电压的基础上阶梯式上升、下降。
全文摘要
本发明涉及一种开关步进切换式交流调压器，属于电气控制技术领域。为了避免发生因开关切换失误而引发的过电压击穿、过电流烧毁开关和绕组的问题，采用线性抽头电抗器与变压器抽头上所接的开关有序连接，进行步进式切换，保持电路不发生中断，使开关切换时不产生反电势和冲击电流。线性抽头电抗器在对两个相邻开关同时接通时产生的回路环流进行有效限制的同时，又与AC滤波电容组成了π型低通滤波器串接于电源与负载之间，对输入、输出端侵入的浪涌电流，尖锋电压进行抑制、吸收，既对开关进行保护，又实行双向净化。因此消除了产生过电压、过电流的隐患，为开关、特别是电子开关切换调压提供了可靠性方面的技术支持和具有实用价值的技术方案。
文档编号H02M5/02GK1450715SQ0310652
公开日2003年10月22日 申请日期2003年2月25日 优先权日2002年2月26日
发明者赵忠臣 申请人:赵忠臣