专利名称：电压控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用自耦变压器进行不停电电压调节的装置。
路灯设备通常在晚上交通高峰期间以全光强度工作，即以线路电压工作，在夜间交通低谷期间以减小的电压工作。对气体放电灯泡来说，从线路电压到减小的电压以及从减小的电压到线路电压的开关转换必须在不停电情况下进行，否则灯泡将会损坏。
在已有技术中，人们将连续可调节的变压器用于这种场合。例如，用铁芯上仅绕一个绕组的自耦变压器，绕组输入端与电网的相线和中线连接，绕组的输出端与变压器绕组的引出端子和中线连接。通过在绕组线圈上引出连接到用电装置的导线得到引出电压。引出电压与额定电压之比等于绕组输出端和引出点之间的匝数与绕组的总匝数之比。因此整个绕组组成了自耦变压器的初级绕组，而引出端和中线之间的绕组区组成了自耦变压器的次级绕组。电网相线和引出端之间的初级绕组区也称为负载区。
为了使变压器可调节，公知的方法是用裸线作绕组，用沿着绕组在裸线上滑动的集电刷作引出端。由于整个负载电流流过集电刷，因此集电刷必须精心设计。此外，需要用一个电机来移动电刷，电刷与绕组之间的滑动接触使集电刷受到磨损。
绕组上装有引出端的调压变压器也是公知的。为了防止在开关转换期间发生停电和要连接及断接的匝数间的短路，引出端与到用电装置的馈电线之间的每一条支路上都装有两个开关元件，第二开关元件上并联一个电阻。开关转换过程以接通被连接支路即第一支路中的电阻开始，然后经另一支路上的等值电阻建立起第一支路与新引出端的连接关系。这时两个引出端之间绕组被短路，但在该短路电路中有两个电阻从而限制了短路电流。这时当第一支路的第一开关元件断开时，新引出端已经连接上了。最后通过闭合第二支路上的第二开关元件得到变压器与外部馈电线路的直接连接。公知的具有分档开关(steping switch)的调压变压器由于每个引出端上有两个开关元件和一个电阻因而需精心制作，因此价格比较昂贵。
为节约供电费用，公知的方法是通过输出控制来分配因多个设备同时接通而引起的峰值功率。为了这一目的，以前的技术是设计一个针对每个用电设备的控制线路来直接干预单个设备的运行，例如用定时关掉设备的方法进行干预。然而，接踵而来的是控制线路设备费用昂贵。还有，这种调节方式不适合用于具有复杂运行模式的设备。
本发明的目的是提供一种结构简单的调压变压器，它允许在用电装置不停电的情况下进行开关转换。
根据本发明，用具有权利要求1所述特征的装置可实现这个目的。从属权利要求2到7描述了本发明的优选实施例。权利要求8到10描述了本发明装置的优选应用。
本发明装置中的变压器的第一开关元件最好用于旁路变压器的负载区，另外一个开关元件用于使初级绕组停止工作。还可以在控制区提供它。考虑开关转换来改变用电装置上的电压，因而这样控制两个开关元件使负载区形成一个电感，这样在开关转换过程中用电装置总被提供最小电压。
当两个独立开关元件之间的开关转换同时进行时几乎没有电感影响，短路状态存在的时间很短以至于短路电流不可能上升。因此，开关元件可以这样控制使短路时间很有限以防止开关元件或线路损坏。
就可调变压器来说，初级和/或次级绕组最好至少部分地由单区(singleportion)构成，这些单区可相互连接成一个与引出电压相适应的组合绕组。至少一个单区在其电流通路上有第一开关元件，在其输入端和输出端之间有另外的开关元件。开关元件最好由接触器组成。每一个单区可以有一个电阻、一个电感和/或一个熔断器。其中一个开关元件最好放置在连接用电装置与电网相线的线路上。另外一个开关元件可以放置在将输出端的负载区与用电装置相连的线路上。
自耦变压器的变压器绕组最好在输入端上有一个与电网相线相连、在输出端上与用电装置相连的负载区，在输出端一个与中线相连以及至少部分由单区构成的控制区，单区可与中线连接成一个与引出电压相适应的组合绕组。控制区最好包括一个第一部分和一个第二部分。第二部分放置在第一部分与负载区之间。与中线相连的第二部分的匝数是恒定的，而可与中线相连的第一部分的的匝数是可变的。
电装置可能会是一个使用气体放电灯泡的照明设备。当气体放电灯泡在全光强度下工作时，即在线路电压下工作时，本发明装置的第一开关元件是闭合的，第二开关元件是断开的。当亮度要减弱时，即发生与变压器的变比相对应的电压降低时，第一开关元件必须断开，第二开关元件闭合。这需要一定的开关转换时间。两个开关元件最好由一个带几个闭合触点的接触器和/或一个带一个闭合触点和一个断开触点的接触器组成。对一个作为开关元件的接触器来说，开关转换时间有几个毫秒。为防止灯泡损坏，本发明因而将初级电路中的开关元件先断开。变压器的负载区，即负载电流流过的区域于是变成一个电感。这样就避免了在开关转换过程中灯泡的损坏。接着另外一个开关元件闭合，于是产生了一个与变压器的变比相对应的电压降。
除调节照明设备外，本发明装置还有许多其它优选的可能的应用。
例如本发明装置能用在输出控制上，即用作负载管理。为此目的，可将它接到一个单个用电装置或一组用电装置前。
根据公式P＝U2/R，功率(P)与电压(U)的平方成正比。也就是对电阻性用电装置而言，比较小的电压变化会造成化较大的功率变化。因此要把设备通常在一个电压容限(如230V±10％)内完全可以工作的问题考虑进去。
本发明装置因而允许在不控制线路和不干预用电装置的工作模式的情况下进行负载管理。相反，在轻载情况下本发明装置可以用来将供给用电装置的电压提高到大于电源电压。本发明装置根据负载情况进行控制。
当一个带有许多用电装置的电气设备(如电气供电网上的变电所)上的电压下降到基本允许范围内时，那么对更遥远地区的用电装置来说，电压可能会降到允许值以下。因此本发明装置还有利于用在如电气供电网的电压补偿或一般电气设备的电压补偿。
本发明装置不仅可用于降压还可用于升压。这可以通过在用电装置和电源电压之间以相反的顺序切换变压器来实现(将负载电压和额定电压调换一下)。
下面通过参考附图详细地对本发明加以说明，
图1到图5每一张图都示出了根据本发明的自耦变压器的不同绕组。
根据图1，自耦变压器包括带有绕组2的闭合铁芯1。整个绕组2组成了自耦变压器的初级绕组，而绕组2上位于电网L相和到气体放电灯泡6的导线5上的引出端3之间的区4构成了负载区，负载电流经过该负载区流向灯泡6。引出端3和中线N之间的绕组区7组成了自耦变压器的次级绕组，励磁电流IM和与负载有关的补偿电流流过该次级绕组。
电网的L相经旁路导线8与导线5相连。旁路导线8上有第一开关元件9以便在开关元件9闭合时旁路负载区4。次级绕组7的输出端经带有第二开关元件11的导线10与中线N相连。
两个开关元件9和11由接触器组成，即由遥控电磁开关组成，最好由同一个接触器上的闭合触点和断开触点组成，或者由一个接触器上的两个闭合触点组成，如图所示。
设额电压为U1，负载电压为U2。当开关元件9断开且开关元件11闭合时，即接触器没被激励时，灯泡6在电压U2＜U1(被变压器降压)的情况下工作。为了从负载电压U2切换到额定电压U1，需要激励接触器。开关元件9、11，即接触器上的闭合触点和断开触点是这样控制的先断开开关元件11再闭合开关元件9。这样，在接触器的开关转换期间，负载区4短时间(如5到50毫秒)内起电感作用。虽然电感会产生电压降，但很小，因而在开关转换过程中灯泡6上供有充足的电压U2。然后开关元件9闭合，使得负载区4或电感被旁路，这样灯泡6便在额定电压U1下工作，即U2＝U1。
当要求从额定电压U1开关转换到减小的电压U2时，接触器被激励使得开关元件9断开，导致负载区4成为一个电感。然后接触器闭合开关元件11。这样就允许从U2＝U1到U2＜U1不停电转换，反之亦然。
如果额定电压是220伏，那么减小的电压就可能是180伏。无论如何必须保证减小的电压U2大于开启气体放电灯泡所需的最小电压，为了顾及额定电压的波动，减小的电压最好比最小电压大5伏到10伏。
当U2＝U1时，变压器的负载区4因而被旁路，初级绕组2或控制区7停止工作。在电压切换到U2＜U1和从减小的电压切换到电压U2＝U1时，两个开关元件9、11都是这样控制的使负载区4成为一个接在气体放电灯泡前的电感。
图2表示一个在闭合铁芯1上绕有初级绕组12和次级绕组13的变压器。通过导线15和导线16该变压器可如自耦变压器一样切换。
次级绕组13组成了变压器的负载区，即负载电流IL从中流过经由导线14再流到灯泡6的区域。次级绕组13可被带有第一开关元件9的旁路导线8旁路。
在输入端初级绕组12经导线15与电网L相连接，导线15上放置了第二开关元件11。初级绕组12的输出端经导线16与中线N连接。
当灯泡6在减小的电压U2＜U1情况下工作时，开关元件9断开，开关元件11闭合。在转换到电压U2＝U1的开关转换中，开关元件11，即接触器上的闭合触点先被断开，然后开关元件9，即接触器上的第二个闭合触点再被闭合。在这几个毫秒的开关转换期间，次级绕组13作为电感工作，因而保证有足够的电压使灯泡6工作。然后开关元件9闭合，使灯泡6在额定电压U1下工作，也就是U2＝U1。
当负载电压U2从U2＝U1转换到减小的电压U2＜U1时，开关元件9首先被断开使得次级绕组13作为电感工作，随后开关元件11被闭合。
也就是，在U2＝U1时，次级绕组13，即变压器的负载区被旁路，而初级绕组12停止工作。在电压切换到减小的电压U2＜U1和从减小的电压切换到电压U2＝U1时两个开关元件9、11被控制使负载区4成为一个接在气体放电灯泡前的电感。
图3表示一个可灵敏调节负载电压U2的自耦变压器。这里用控制区17代替图1中的次级绕组7。
控制区17由第一部分18和第二部分19组成。第二部分19的匝数与负载区4的匝数相邻。控制区17的第一部分18的匝数包括多个单区I到IV。
每一个单区I到IV在其自身电流通路上都有第一开关元件24到27。此外，开关元件28到31被放置在每个单区I到IV的输入端E和输出端A之间。导线32到35从每个单区I到IV的输入端E引到相关单区I到IV的线匝上，第一开关元件24到27被放置在导线32到35上。还有导线36到39从每个单区I到IV的线匝上引到它们的输出端A。
第一单区I的输入端E经导线40与控制区17的第二部分19的输出端相连，而远离第二部分19的单区IV的输出端A经导线41与中线N相连，开关元件11被放置在导线41上。开关元件28到31被放置在每个单区I到IV的导线32与36、33与37、34与38、35与39之间。
每个单区I到IV具有不同的匝数。例如，单区I可能有10匝，单区II有20匝，单区III有40匝，单区IV有80匝。
因而与中线相连的控制区17的匝数NM可根据引出电压U2而改变。控制区的匝数NM包括第二部分19的恒定匝数NM-const和与中线N相连的单区I到IV的可变匝数NM-V。
也就是，如果控制区17的匝数NM由第二部分19的恒定匝数NM-const和单区I的10匝匝数组成的话，单区I的开关元件24闭合，位于单独区I的输入端E和输出端A之间的开关元件28断开，而剩余单区II到IV的开关元件25、26、27都断开，位于单区II到IV的输入端E与输出端A之间的开关元件29到31都闭合。
例如，如果控制区17的匝数NM等于NM-const加上70匝，那么单区I到III的开关元件24、25、26闭合，而位于单区I到III的输入端E与输出端A之间的开关元件28、29、30断开，而单区IV的开关元件27断开，位于单区IV的输入端E与输出端A之间的开关元件31闭合。
显然，用图3中的单区I到IV可使被连接的匝数从零匝变化到150匝，共分16档，每档间隔10匝。每档都与引出电压的电压值的一定变化相对应。
例如，若额定电压U1为220伏，四个单区I到IV都接上时引出电压U2为210伏，四个单区I到IV都断开即仅用控制区17的第二部分19的匝数时引出电压U2是170伏，因而电压U2就能分16档在170伏到210伏之间变化。
然而，每一档的电压变化值是不一样大的。也就是说，引出电压U2的电压值变化与被连接的匝数之间不存在线性关系。
被连接匝数NR与引出电压U2之间的关系由下列公式得出NR=NL×U2(U1-U2)-NF-----(I)]]>其中NL-表示负载区4的匝数U1-表示额定电压NF-表示控制区17中的第二部分19的恒定匝数。
根据公式(I)计算出了具有6个单区I到VI的例子在单区I的匝数为2匝、单区II的匝数为5匝、单区III的匝数为11匝、单区IV的匝数为24匝、单区V的匝数为54匝、单区VI的匝数为103匝以及额定电压为220伏的条件下，引出电压U2可以从120伏到205伏接线性变化，每档间隔大约为5伏。然而照明设备通常并不需要U2按线性增大或减小，有时甚至不希望这样。
整个有效绕组，即负载区14、控制区17中的具有恒定匝数NF的第二部分19和控制区17的第一部分18中的被连接匝数NR组成了自耦变压器的初级绕组，而第二部分19和第一部分18中的被连接匝数组成了自耦变压器的次级绕组。显然自耦变压器的初级绕组和次级绕组可以变化，这取决于哪些单区I到IV互相连接以及与中线N连接。
这种变压器还可以设计成三相变压器。
根据图3，如果单区I到IV中的第一开关元件24到27和第二开关元件28到31同时闭合，那么有关的单区I到IV被短路以至于被损坏。可以将接触器即遥控开关作为开关元件24到31，它们既便宜又能承受数百万次的开关转换。
然而，当使用接触器作为开关元件24到31时，必然会产生短暂的励磁电流中断。在开关转换期间，即几个毫秒的短暂中断期间，对灯泡6来说负载区4作为电感工作。这样在切换期间加到灯泡6两端的电压为额定电压U1减去负载电压UL。也就是，如果额定电压为220伏，负载电压为5伏，那么当用接触器切换时，加到灯泡上的电压就为215伏。因而会发生短暂的灯光闪烁。
一方面，为了不发生闪烁，每个单区I到IV上的两个开关元件24和28、25和29、26和30、27和31应该同时切换；但另一方面，它们不可以同时闭合，因为要是那样的话会发生短路。
然而短路电流需要一定的时间(如2到10毫秒)才能完全建立起来。因此，如果所用的开关元件24到31具有非常短的开关转换时间，例如开关时间不大于短路电流建立时间的一半，那么由短路造成有关单区I到IV损坏的危险将大大减小。
如果能接受在开关转换期间由灯泡6的灯光的短暂闪烁所表现出来的上述峰值负载，那么就乐意用廉价的商品化接触器。可是，如果单区I到IV的开关24和28、25和29、26和30、27和31同时被激励时就不能用廉价的接触器，即使接触器的开关转换时间比短路电流的建立时间短也是如此。
其补救措施是或者用尺寸较大的接触器，或者在单区I到IV的电流通路的任何地方，例如在导线36到39上设置电阻或电感，图3中为单区I在导线36上放置的电阻43说明了这一点。电阻或电感在短时间内相应地限制短路电流。还有，与电阻43串联的熔断器(图中没有画出)能够在发生开关转换故障时防止变压器着火。
在图4所示的变压器中，初级绕组12由单区I到IV构成，构成方式与图3所示自耦变压器的控制区17中的第一部分18的构成方式相同。同样的标记号码被相应地用到图4中的开关元件24到31、导线32到39和电阻43上。开关元件11被放置在导线16上，将单区IV的输出端与中线N连接起来。由于有导线15和16，因此这种变压器也象自耦变压器一样切换。
在图5所示的实施例中，自耦变压器的控制区17有多个支路53、54、55，通过开关元件50、51、52(最好用接触器)这些支路可交替地与中线N连接。
权利要求
1.一种用自耦变压器进行不停电电压调节的装置，其特征是在初级电路(2，12)中至少有一个开关元件(11；24到31；50，51，52)以使变压器功能不工作，在初级电路(2，12)或在变压器的负载区(4，13)的并联电路中至少还有一个开关元件(9，24到31；50，51，52)，开关元件(9，11；24到31)被控制使负载区(4，13)在为改变用电装置(6)的电压(U2)的开关转换期间成为一个电感。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是开关元件(9，11；24到31；50到52)由接触器组成。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征是初级绕组和/或次级绕组(2，12；17，13)至少部分由单区(I到IV)构成，单区(I到IV)可互相连接成一个与用电装置上的电压(U2)相适应的组合绕组。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征是至少有一个单区(I到IV)，在单区的电流通路上有一个第一开关元件(24到27)，还有一个开关元件(28到31)位于单区的输入端(E)和输出端(A)之间。
5.根据上述权利要求中的一个权利要求所述的装置，其特征是每个单区(I到IV)有一个电阻、一个电感(43)和/或一个熔断器。
6.根据上述权利要求中的一条权利要求所述的装置，其特征是自耦变压器的变压器绕组有一个输入端与电网的(L)相连接，输出端与用电装置(6)连接的负载区(4)，和一个输出端与中线(N)连接的控制区(17)，控制区(17)至少部分由单区(I到IV)构成，单区(I到IV)可与中线N连接成一个与用电装置上的电压(U2)相适应的组合绕组。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征是控制区(17)由一个第一部分(18)和一个处于第一部分(18)与负载区(4)之间的第二部分构成，第二部分(19)与中线(N)连接的匝数是恒定的，第一部分(18)与中线(N)连接的匝数是可变的。
8.将上述权利要求中的任何一条权利要求所述的装置用于调节照明设备。
9.将权利要求1到7中的任何一条权利要求所述的装置用于一个用电装置或一组用电装置的输出控制。
10.将权利要求1到7中的任何一条权利要求所述的装置用于电气设备的电压补偿。
全文摘要
一种用自耦变压器进行不停电电压调节的装置,它有一个第一开关元件(11)用于旁路变压器的负载区(4),和一个第二开关元件(9)用于使变压器的初级绕组(2)停止工作。在改变用电装置(6)上的电压的开关转换中,两个开关元件(9,11)被控制使负载区(4)成为一个电感。
文档编号H01F30/02GK1178597SQ96192536
公开日1998年4月8日 申请日期1996年2月1日 优先权日1996年2月1日
发明者西格弗里德·普洛布斯特, 罗伯特·本纳 申请人:西格弗里德·普洛布斯特, 罗伯特·本纳