专利名称：零电流无弧切换式调压稳压装置及其电压补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种交流调压稳压方法及交流调压稳压装置，更具体地说，是涉及一
种零电流无弧切换式调压稳压装置及其电压补偿方法。
背景技术：
交流稳压装置广泛应用于工业自动化，成套设备、道路节能照明、数控机床、轻纺、
医疗、宾馆、广播电视、通讯设备等各种需要稳定的交流电源供电的场合。 常用的交流稳压器以补偿式较多，是利用连接在主回路上的补偿绕组产生的电压
和输入电压叠加得到稳定输出电压。此类调压稳压电路多通过补偿变压器上初级绕组的不
同绕组线圈的投切，利用初级侧工作绕组和次级绕组的变比关系，或者通过调整初级绕组
上所加电压的方式，提供双向多档的电压补偿，从而实现调压稳压的目的。但是，在进行档
位投切过程中，如果线路设计不周，切换开关的触头间容易产生飞弧，轻则容易縮短开关的
使用寿命、重则甚至可能导致线路短路。 中国专利200410013162. 5公开了一种无弧补偿式单相调压稳压装置，它在负责 补偿变压器初级绕组的线圈各抽头间切换的继电器(J2与J4)和负责相线与零线间换相切 换的继电器(Jl与J3)的触点产生切换动作之前，控制电源输入相线的继电器(J5)触点先 切断控制电路的电源若干时间后，负责补偿变压器初级绕组的线圈各抽头间切换的继电器 (J2与J4)和负责相线与零线切换的继电器(J1与J3)才动作，并且待各个继电器(Jl-J4) 完成切换后，控制电源输入相线的继电器(J5)再接通电源线。该方案使得继电器J1-J4的 两端触点能在无电压差的情形下切换，即零压切换，从而实现无压无弧切换调压稳压的目 的。 可是，我们在实践中还发现即便继电器两端触点间不存在电压差，但如果线路中 因种种原因还存在有电流，则继电器触头间仍然可能发生飞弧现象。以常见的补偿式交流 稳压器为例，在开关切换瞬间，补偿变压器次级绕组往往因带有负载而使次级回路中仍然 存在有电流，该电流会通过铁芯在初级绕组处于零档短接状态时感应出相应的磁场平衡电 流。该磁场平衡电流在开关切换时，也会造成继电器触头间的飞弧。
发明内容
本发明的目的，即在于提供一种适用于现有电网所有电压等级的零电流无弧切换 式调压稳压装置，以及其电压补偿方法。与现有技术相比，本发明能使线路开关在零电流下 进行调压稳压切换，更能有效避免飞弧现象的发生。 本发明所述零电流无弧切换式调压稳压装置，包括有补偿变压器及控制电路；所 述补偿变压器的次级绕组串接于电源与负载之间，其初级绕组的两个端部抽头均各通过若 干切换开关接至电源的零线及其相线；其特征在于所述初级绕组的其中至少一个端部抽 头，与其接至电源零线或相线的各切换开关之间，还包括连接有第一电子开关；该第一电子 开关为功率电子开关器件，例如可采用一个固态继电器、或者一个双向可控硅、或者两个反向并联的单向可控硅、IGBT、M0S器件等。上述方案优选地，仅在初级绕组的其中一个端部
抽头与其接至电源零线或相线的各切换开关之间，设置有第一电子开关。 上述装置的电压补偿方法，包括如下步骤 1)对装置输入、输出侧电压进行检测、采样； 2)采样得到的输出电压值与目标值进行比较； 3)通过所述切换开关将所述补偿变压器初级绕组接至同相或异相电压、或线电 压，在所述次级绕组两端获得方向及大小合适的补偿电压； 其特别之处在于需要补偿电压时，在上述切换开关进行换档切换前，先使该第一 电子开关断开；在上述切换开关完成换档切换后，再使该第一电子开关恢复至闭合状态。
这样做的目的在于先用第一电子开关将初级绕组侧的电流通路断开，再对相应 的负责完成电压补偿任务的切换开关进行投切；待切换开关的投切完成后，再闭合第一电 子开关，使初级绕组侧的电流通路恢复至闭合状态。藉此，本技术方案克服了无电压状态下 零档切换时，当次级绕组(带负载)有电流的情况下，初级绕组因产生相应的磁场平衡电流 而导致非零电流状态下飞弧切换的缺点。 作为对上述零电流无弧切换式调压稳压装置的进一步优化，所述补偿变压器还包 括有独立的辅助绕组；该辅助绕组的两个端部抽头间，串联连接有电阻及第二电子开关。与 第一电子开关一样，该第二电子开关可为一个固态继电器、或者一个双向可控硅、或者两个 反向并联的单向可控硅、或者其它的功率电子开关器件。当然，初级绕组的两个端部抽头 间，串联连接有电阻及第二电子开关也是可以的，只是设计耐压要高。 对应的该优化装置的电压补偿方法增加如下步骤补偿电压时，在上述第一电子 开关断开前，先闭合该第二电子开关；在所述第一电子开关闭合后，再断开该第二电子开 关。 在此，该辅助绕组起磁场平衡并电流续流的作用，以避免切换过程中初级绕组断 开后、次级绕组转而进入电抗器工作状态并进而导致负载侧电压大大降低。而且，如果没有 此辅助绕组及其回路，由于次级绕组在进入电抗器工作状态后，其两端产生较大的电压降， 通过铁芯就会在初级绕组两端感应出极高的电压；该极高电压由于远高于线路中可控硅的 设计耐压，极可能导致烧坏可控硅。 由于该辅助绕组为短时工作制(一般约为O. lms左右)，所以其匝数及线径可以比 其它两绕组小很多，因而并不会明显增加整个装置的成本。 为增加调压稳压范围及精度，在上述零电流无弧切换式调压稳压装置补偿变压器 的初级绕组上，还可包括有一个或多个中部抽头；所述各中部抽头，也通过切换开关接至电 源零线，和/或，电源相线。 显然，本发明零电流无弧切换式调压稳压装置的调压稳压电源，可为单相或三相 交流电。 根据上述技术方案及分析可知，本发明零电流无弧切换式调压稳压装置具有如下 特点及优点 1)能完全实现稳压调压无飞弧切换，调压稳压更安全、高效；而且，适用范围广，
可供任何单相三相需要稳压的各类型负载使用，适用于现有电网所有电压等级。
2)由于本装置在调压稳压切换过程中，仅是断开本相的初级绕组所在回路，其它
4两相不须动作，所以，在分相调压稳压切换时，可避免调压稳压切换对其它两相产生干扰。
3)结构更简单，便于降低整机制造成本及运行维护费用。 与现有技术中国专利200410013162. 5相比，由于负责切断初级绕组所在回路的 第一电子开关，在本方案中由位于切换开关与电源之间，移到了初级绕组抽头与各切换开 关之间，故可减少第一电子开关在装置中的使用量。例如，和在先申请中的采用5个可控硅 相比(零线也要控制)，本方案在进行三相交流电的调压稳压时，可以只需使用3个第一电 子开关；而在单相调压稳压时，本方案只需使用1个第一电子开关。 出于同样原因，在对三相交流电进行调压稳压时，如果采用在先专利 200410013162. 5的技术方案，当对初级绕组施加线电压时，可控硅上通过的电流为线电流
(等于VJ倍相电流)，但若使用本方案，由于第一电子开关位置后移直接与初级绕组串接， 所以其上通过的电流仍为相电流，因而对第一电子开关的过流、耐压等参数要求也可比在 先专利中的明显降低。
图1是本发明零电流无弧切换式调压稳压装置的一个实施例的电路原理示意图。 图2是本发明零电流无弧切换式调压稳压装置的一个零电流无弧切换时序示意
图3是本发明零电流无弧切换式调压稳压装置的另一实施例的电路原理示意图, 附图标记说明
u人-本装置输入端电压(接电源)
△U-补偿电压
Q初-补偿变压器T的初级绕组 Q辅-补偿变压器T的辅助绕组
Ua-本装置输出端电压(接负载) T-补偿变压器
Q次-补偿变压器T的次级绕组 K1-K6-切换开关
KP-第一电子开关 KPR-第二电子开关 R-电阻
具体实施例方式
以下结合附图对本发明零电流无弧切换式调压稳压装置及其电压补偿方法作进 一步说明。
图1是本发明零电流无弧切换式调压稳压装置的一个实施例的电路原理示意图。 如图所示的本发明零电流无弧切换式调压稳压装置，包括有补偿变压器T及控制电路；补 偿变压器的次级绕组Q&串接于电源U入与负载U a之间，其初级绕组Q^的两个端部抽头Al 和A2均各通过切换开关K1-K6接至电源的零线及其相线；端部抽头A1与其接至电源零线 或相线的切换绕组Qtt ;该辅助绕组Qtt的两个端部抽头间，串联连接有电阻R及第二电子开 关KPR。电子开关KP和KPR均可以选择采用固态继电器、或双向可控硅、或者两个反向并联 的单向可控硅、IGBT、MOS器件或者其它的功率电子开关器件。切换开关K1-K6，可选择采用 常规的机械开关，也可选择采用各种电子开关。
该装置的调压稳压控制方法包括如下步骤
1)对装置输入、输出侧电压进行检测、采样；
2)采样得到的输出电压值与目标值进行比较；
3)以装置输入侧电压为基准，计算出补偿电压量，定出欲执行切换任务的具体开 关位置； 4)先闭合该第二电子KPR开关，到一定时间(如20ms)后断开第一电子开关KP;
5) —定时间(如20ms)后，投切相应的执行补偿任务的具体切换开关；
6)切换开关完成投切后，闭合第一电子开关KP ;
7) —定时间(如20ms)后，断开该第二电子开关。 该装置通过切换开关将所述补偿变压器初级绕组选择接至同相或异相电源，在所 述次级绕组两端获得方向及大小合适的补偿电压。 上述过程中各开关的切换时序示意图可参见图2。图中，高电平表示开关处于导通 闭合状态，低电平表示开关处于断开状态；Kn指代调压稳压时欲断开的切换开关，Km指代 调压稳压时欲闭合的切换开关；nl-n5示出了各开关的切换时间间隔。 以下利用图l，并结合例举的参数，对本发明零电流无弧切换式调压稳压装置的使 用作进一步说明 如图所示，初级绕组Q初的两个端部抽头Al和A2分别通过切换开关Kl至K6接到 电源的零钱及不同相线。通过控制切换开关K1至K6的通断，可对初级绕组Q初施加同相相 电压或异相相电压或线电压，而对次级输出进行正向或反向、合计7档补偿。即(假设次 级绕组接到电源A相为负载供电，输入端记为UAA，输出端记为U^。)
1)+3档K1和K5闭合，线电压U旭正向施加到初级绕组Q初上。
由于线电压UAB与A相相电压Uffl的相位存在30度夹角，而其辐值是Uffl的V^倍， 所以此时的(设此时初级绕组与次级绕组的变比为i ;由于AU相对U^比较小，可以用下 列式子近似计算) Ua出"Ua入+U旭XC0S30。
/i = UAA+1. 5XUAA/i = UAA (1+1. 5/i). 2)+2档K1和K4闭合，向初级绕组Q初上施加正向同相相电压U脸因此此时的 AU = UAA/i，仏出=UAA + AU = UAA+Uaa/i = Ua人(1+1/i). 3)+l档K3和K5闭合，异相相电压UBN反向施加到初级绕组Q初上. 由于相电压UBN与A相相电压UAN的相位存在120度夹角，反向的相电压UBN与A相
相电压UAN的相位存在60度夹角，因此此时的UA出"UA人+UBNXC0S60° /i = UA人+0. 5XUBN/i4)0档K3和K4闭合，初级绕组Q初两端电压为O，此时，AU = 0， UAa= UAA [OO59] 5)-l档K2和K4闭合，异相相电压UBN正向施加到初级绕组Q初上.
由于正向的相电压Ue,与A相相电压U^的相位存在120度夹角，因此此时的
Ua出"UAA+UBNXC0S120° /i = UAA _0. 5XUBN/i 6)-2档K3和K6闭合，将同相相电压UAN反向施加到初级绕组Q初上.因此此时 的 AU = _UAA/i， ^出=Uaa + AU = UAA_UAA/i = UAA (l_l/i) 7)_3档K2和K6闭合，线电压U旭反向施加到初级绕组Q初上。 由于反向的线电压Uffl与A相相电压UAN的相位存在150度夹角，而其辐值是UAN的
6V^倍，所以此时的 Ua出"Ua入+U旭XC0S150。
/i = UAA_1. 5XUAA/i = UAA (1—1. 5/i). 上述分析表明，本发明零电流无弧切换式调压稳压装置通过补偿变压器T的初次
级绕组线圈的投切和变比关系，能提供双向多档的电压补偿，从而可达到调压的目的。稳压
的情形也同理，在此不再详述。 此外，虽然上述实施例仅例举了采用A相电源为负载供电，采用异相为B相电、线 电压为AB相进行补偿的情形，但，根据电学常识，此时如利用异相相电压为C相、线电压为 AC相进行补偿，也是可行的。 输入电压为B相或C相电源时的情形，亦可同理分析。在此不再另行说明。
图3是本发明零电流无弧切换式调压稳压装置的另一实施例的电路原理示意图。 本图中的调压稳压装置的初级绕组上，与图1的相比，增加了 2个中部抽头；这2个中部抽 头，也通过切换开关接至电源A相。(当然，也可根据具体调压稳压要求，将各抽头自行设定 接至电源零线，和/或，电源各相线。) 工作时，通过选择初级绕组的工作线圈匝数，并对其选择施加相应的异相相电压、 同相相电压或线电压，便于实现多档、宽范围、高精度的电压补偿。 显然，本发明零电流无弧切换式调压稳压装置的技术方案，不论单相或三相交流 供电情形均适用。 本发明零电流无弧切换式调压稳压装置的控制电路部分(包括功率电子开关器 件的控制电路部分)，可采用本领域公知技术，出于图面简洁考虑，未在各附图中详细画出， 在此也不再详述。
权利要求
零电流无弧切换式调压稳压装置，包括有补偿变压器及控制电路；所述补偿变压器的次级绕组串接于电源与负载之间，其初级绕组的两个端部抽头均各通过若干个切换开关接至电源的零线及其相线；其特征在于所述初级绕组的其中至少一个端部抽头，与其接至电源零线或相线的各切换开关之间，还包括连接有第一电子开关；该第一电子开关为功率电子开关器件。
2. 根据权利要求1所述的零电流无弧切换式调压稳压装置，其特征在于所述补偿变 压器还包括有独立的辅助绕组；该辅助绕组的两个端部抽头间，串联连接有电阻及第二电 子开关；该第二电子开关为功率电子开关器件。
3. 根据权利要求1或2所述的零电流无弧切换式调压稳压装置，其特征在于所述功 率电子开关器件为一个固态继电器，或者一个双向可控硅，或者两个反向并联的单向可控娃o
4. 根据权利要求1或2所述的零电流无弧切换式调压稳压装置，其特征在于所述补 偿变压器的初级绕组上，还包括有一个或多个中部抽头；所述各中部抽头，也通过切换开关 接至电源零线，和/或，电源相线。
5. 根据权利要求3所述的零电流无弧切换式调压稳压装置，其特征在于所述补偿变 压器的初级绕组上，还包括有一个或多个中部抽头；所述各中部抽头，也通过切换开关接至 电源零线，和/或，电源相线。
6. 根据权利要求1或2所述的零电流无弧切换式调压稳压装置，其特征在于本调压 稳压装置的调压稳压电源为单相或三相交流电。
7. 根据权利要求4所述的零电流无弧切换式调压稳压装置，其特征在于本调压稳压 装置的调压稳压电源为单相或三相交流电。
8. 根据权利要求1所述的零电流无弧切换式调压稳压装置的电压补偿方法，包括如下 步骤对装置输入、输出侧电压进行检测、采样； 采样得到的输出电压值与目标值进行比较；通过所述切换开关将所述补偿变压器初级绕组接至同相或异相电压、或线电压，在所 述次级绕组两端获得方向及大小合适的补偿电压； 其特征在于需要补偿电压时，在上述切换开关进行换档切换前，先使该第一电子开关断开；在上述 切换开关完成换档切换后，再使该第一电子开关恢复至闭合状态。
9. 根据权利要求8所述的零电流无弧切换式调压稳压装置的电压补偿方法，其特征在 于所述补偿变压器还包括有独立的辅助绕组；该辅助绕组的两个端部抽头间，串联连接 有电阻及第二电子开关；该第二电子开关为功率电子开关器件；所述功率电子开关器件包 括固态继电器，或者双向可控硅，或者两个反向并联的单向可控硅；补偿电压时，在所述第一电子开关断开前，先闭合该第二电子开关；在所述第一电子开 关闭合后，再断开该第二电子开关。
10. 根据权利要求8或9所述的零电流无弧切换式调压稳压装置的电压补偿方法，其特 征在于所述补偿变压器的初级绕组，还包括有一个或多个中部抽头；所述各中部抽头，也 通过切换开关接至电源零线或相线。
全文摘要
本发明公开了一种零电流无弧切换式调压稳压装置及其控制方法，其补偿变压器的次级绕组串接于电源与负载之间；其初级绕组的两个端部抽头均各通过若干个切换开关接至电源的零线及其相线；所述初级绕组的其中至少一个端部抽头，与其接至电源零线和/或相线的切换开关之间，还包括有第一电子开关。由于本发明的调压稳压切换是在切换开关所在线路零电流的情况下进行，故能真正实现无弧切换；同时，与现有技术相比，分相调压稳压切换时不会对其它两相产生干扰；并且，结构更简单，便于降低整机制造成本及运行维护费用。本发明调节精度高、应变迅速、效率高，稳压效果好，并可供任何单相三相需要调压稳压的各类型负载使用，适用于现有电网所有电压等级。
文档编号H02J3/12GK101728830SQ20091011458
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年11月26日
发明者海涛, 骆武宁 申请人:南宁微控技术有限公司