CN1076064A - 可控器件变换变压比的交流可控调压电路 - Google Patents

Abstract

本发明可控器件变换变压比的交流可控调压电 路由电源、可控器件、触发电路、变压器和负载组成， 有单相和三相两类，电路具有电源电压降低50％时 还能够输出额定电压和功率，输出电压调低到50％ 还能够输出额定功率和两倍于额定电流，有变压器初 级和次级调压12种基本电路，可用于单相和三相交 流调压、稳压、低电压大电流和高电压大功率初级可 控调压的整流设备，无变压器电源直接调压电路及大 功率单相或多相电加热设备。

Description

本发明属于电力电子技术领域内的电源基础电路。

同一发明人发明的桥全可控整流电路（专利号：CN87105504·X）和桥半（全）整流电路（专利公开号CN1045007A）。突破了自从发明可控整流电路至今一直保持着可控整流电路的低电压输出直流电流不可能大于其最高输出电压时的最大允许值一统天下，实现了在50%最高电压输出时能获得2倍于现今桥式可控整流电路的输出电流，并且具有功率因数高、变压器损耗低。谐波少和控制精度高等一系列优点。但是它们只解决交流变换成可控直流输出的问题，并没有解决交流可控调压电路随电压的降低输出功率减少、功率因数低和谐波污染大等问题。

现有的单相交流可控调压电路是用一只双向可控硅或者两只正反向相隔并联的单向可控硅作基本电路来实现交流可控调压的，多相交流可控调压电路是用和单相相同的多个交流调压电路组成的，所有这些有变压器的交流可控调压电路，它们在低电压输出时匀不能够输出大于最高输出电压时的电流值，其输出功率小，功率因数低、谐波大、谐波对电网的污染大，因此提高现有交流可控调压电路在低电压输出的电流和功率，减少谐波对电网的污染就成为电力电子科学领域内的一项重大的研究课题。

本发明的目的是要提高现有交流可控调压电路在低电压输出时的电流和功率，减少谐波，在设备中应用此类电路时，能够增加低电压输出电流和功率，从而充分发挥设备在低电压时的潜在能力。

本发明的解决方案是将变压器初级或次级分成两组或两组以上相对称的绕组;在低电压输出时，使用可控器件，将两组或两组以上次级绕组正负半周交替或并联输出来增加低电压时的输出电流和功率，或者使两组或两组以上初级绕组相串联，用改变变压器的变压比来增加低电压输出电流和功率，而在高电压输出时，使用可控器件又能够将两组或两组以上次级绕组自动切换成串联输出交流电，或者将两组或两组以上初级绕组自动切换成正负半周交替或并联输入交流电，而输出较大电流和功率。在无交压器电源直接交流可控调压时，是将负载分成两个或两个以上，使用可控器件在低功率时，使其相串联，而在高功率时使其自动换成正负半周交替或相并联。

本发明的单相有变压器的交流调压主电路主要有附图1、2、3、和4、5、6六种基本电路形式（保护电路和触发电路匀未画出），无变压器电源直接单相交流可控调功电路根据附图1～6的思想主要有附图7所示。

附图1所示的单相初级或次级交流可控调压电路，是一种在50%输出电压点有一个最佳工作点的交流可控调压电路。附图8是附图1的初级交流可控调压时的输出电压和触发信号波形，此时a和b为两个交联输入端，c和d为两个交流可控输出端。附图9是附图1的次级交流可控调压时的输出电压和触发信号波形，此时c和d为两个交流输入端，而a和b为两个交流可控输出端。

附图1初级交流可控调压电路对照附图8波形其工作原理说明如下：变压器B有两个初级绕组Ⅰ和Ⅱ，一个次级绕组Ⅲ，初级绕组匝数分别为n₁和n₂，次级绕组匝数为n，交流可控输出两端电压为Ucd，Ⅳ为触发信号控制电路，可控硅KP₁、KP₂、KP₃和KP₄的触发信号分别为t₁、t₂、t₃和t₄。当电源电压a端为正，b端为负时，触发信号t₃使可控硅KP₃导通后，电源电流由a端到绕组Ⅰ首端和尾端，可控硅KP₃、绕组Ⅱ首端和尾端回到电源负端b形成回路，变压器次级输出电压Ucd由三个绕组的匝数比所决定，此时Ucd为nUab/（n₁+n₂），当触发信号t₄使可控硅KP₄导通后，可控硅KP₃立即承受反向电压而关断，电源电流由a端到可控硅KP₄、绕组Ⅱ回到电源负端b成回路，输出电压Ucd由nUab/（n₁+n₂）跃变为nUab/n₂，当电源电压b端为正、a端为负时，触发信号t₂使可控硅KP₂导通后，电源电流由b端到绕组Ⅱ、可控硅KP₂、绕组Ⅰ回到电源负端a形成回路。输出电压Ucd由匝数比所决定、其值为nUab/（n₁+n₂₂），当触发信号t₁使可控硅KP₁导通后，可控硅KP₂立即承受反向电压而自动关断，电源电流由b端到绕组Ⅰ回到电源负端a成回路，其输出电压Ucd为nUad/n₂。由附图8输出电压波形图可知：①当n₁＝n₂，t₃＝π-t₂，t₄＝π-t₁时，输出波形正负对称。②n₁＝n₂，t₃＝O，t₂＝t₄＝π，t₁＝2π时，输出电压为完整的正弦波形，有一个最佳工作点，其输出电压为最高输出电压的50%，当t₄＝0，t₁＝π时，输出完整的正弦波形，其输出电压为本电路的最大值。现有的变压器初级交流可控硅调压电路，在输入电源电压降低到额定输入电压的50%时，变压器输出功率就要降低50%，而附图1的变压器初级交流可控调压电路，由于能自动切换变压器两个初级绕组交替或串联输入电流，以适应输入电压的降低和升高，它在50%电源电压输入时，能够使电源正负半周替输入变压器的两个初级绕组，从而改变了整个电路的变压比，使输出电压和功率保持在额定值。这是本发明突出的进步之处。

附图1次级交流可控调压电路对照附图9波形其工作原理说明如下：变压器B有二个次级绕组Ⅰ和Ⅱ，其电压分别为U₁和U₂、一般都选用U₁＝U₂，变压器初级绕组输入电压为Ucd，t₁、t₂、t₃和t₄分别为可控硅KP₁、KP₂、KP₃和KP₄的触发信号，当次级电压U₁和U₂上端为正，下端为负时，触发信号t₁使可控硅KP₁导通后，电压U₁经输出端a和b到可控硅KP₁形成输出回路，输出电压Uab得到U₁正半波可控电压，当触发信号t₂使可控硅KP₂导通后，可控硅KP₁立即承受反向电压而关断，此时输出端a和b得到U₁和U₂正半周相叠加的可控电压：当U₁和U₂上端为负、下端为正时，触发信号t₄使可控硅KP₄导通后，输出端得到的是U₂负半周的可控电压，当触发信号t₃使可控硅KP₃导通后，可控硅KP₄立即承受反向电压而关断，此时输出端得到的是U₁和U₂负半周相叠加的可控电压。由附图9输出电压波形图可知：①当U₁＝U₂，t₃＝π+t₂，t₄＝π+t₁时，输出电压Uab为正负对称波形。②当U₁＝U₂，t₁＝0t₂＝t₄＝π，t₃＝2π时，输出电压为完整的正弦波，有一个最佳工作点，输出电压是最高输出电压的50%。③当t₂＝0，t₃＝π时，输出完整的正弦波，其输出电压为二个次级绕组电压之和，为本电路所能输出的最大电压值。现有的有变压器的次级可控交流调压电路，在输出电压降低50%时，变压器的输出功率要降低50%，而附图1的次级交流可控调压电路，由于它能在50%输出电压时自动切换成两个次级绕组Ⅰ和Ⅱ正负半周交替输出，允许的最大输出电流为两个次级绕组有效允许值之和，因此，能输出比现有次级可控调压电路增大一倍的电流和功率，这不能不说是有现可控调压电路的一大进步。

应该指示的是附图1的可控硅调压电路，不论是初级可控调压还是次级可控调压，两个可控硅KP₂和KP₃还可用一个双向可控硅来替代：可控硅KP₁和KP₂还可以有同时对换阳极和阴极的连接方法;可控硅KP₁和KP₂还可以用双向可控硅替代，也可以分别在KP₁和KP₂上各并联一个方向相反的单向可控硅，此时电路就会变成由两绕组正负交替工作转变成两绕组并联工作。

根据附图1所示的变压器初级交流可控调压电路可以得到电源电压直接（无变压器）的交流可控调压电路，因为变压器次级负载直接反射到变压器两个初级绕组Ⅰ和Ⅱ，因此电源直接交流可控调压电路可用两个负载电阻R₁和R₂代替附图1中的初级绕组Ⅰ和Ⅱ，就可得到附图7a所示的有两个负载的直接电源交流可控调压电路，其工作原理如上述的相类同，它在低功率输入时，两个负载通过可控硅KS相串联，输入电流小，在高功率输入时，两个负载通过可控硅KP₁和KP₂交替得到半波电流，输入电流大。将附图7a中的可控硅换成双向可控硅时，两个负载电阻R₁和R₂都可得到双向交流电流，相当于两个负载电阻R₁和R₂相并联（高功率输入时）。将附图7a中的双向可控硅KS移至电源a端与电阻R₁之间，可得附图7C的电路。在某些要求调节输入功率范围较小的场合，附图7a中的双向可控硅可以不用。此时附图7a的可控调压电路就成了附图7b的交流可控调压电路。对于二相零式电源，两个负载的电源直接交流可控调压电路还可由推理得到附图7d的二相零式交流可控调压电路。多个单相直接交流可控调压电路组成多相直接交流可控调压电路。这类交流可控调压电路其特征在于有两个或两个以上直接或间接（通过可控器件）相串联的负载电阻，主要用于电阻炉，它一般都采用零触发控制加热功率，它同现有电源直接交流可控调压电路相比，可以减少电网的冲击电流和提高控制精度。

由上述可知：附图1所示的交流可控硅调压电路在50%输出电压处有一个固定的最佳的工作点，但是在实践应用中总是希望这一个最佳工作点能够根据实际需要设计在经常工作电压值附近，或者希望有多个匀均分布的最佳工作点分布在整个交流可控调压范围之内，以达到最佳的实际应用效果。

附图2所示的单相变压器初级或次级交流可控调压电路，是一种在50%以上输出电压点上有一个最佳工作点的交流可控调压电路。附图10所示的是附图2次级交流可控调压电路的输出电压波形图。附图2电路的初级交流可控调压的输出电压波形图与附图10相类似。

附图2的电路是附图1的电路初级或次级两个独立绕组Ⅰ和Ⅱ的中间分别引出一个中间插头，将Ⅰ绕组电压分成U₁和U₂，将Ⅱ绕组电压分成U₃和U₄，其工作原理分析和附图1相类似，当附图2中的电压U₁＝U₂＝U₃＝U₄时，由附图2和附图10可知，该电路在三分之二输出电压值有一个最佳工作点，改变Ⅰ和Ⅱ绕组的中间抽头位置，即改变U₁、U₂、U₃、U₄的比值，就可改变最佳工作点的位置。增加中间抽头的数目和连接在中间抽头上的可控硅数量，就可增加最佳工作点的数目。

附图3所示的单相变压器初级或次级交流可控调压电路，是一种在50%以下输出电压点上有一个最佳工作点的交流可控调压电路，附图11所示的是附图3次级交流可控调压电路的输出电压波形图。附图3电路的初级交流可控调压电路的输出电压波形图与附图11相类似。

附图3的电路也是在附图1的电路初级或次级两个独立绕组Ⅰ和Ⅱ的中间分别引出一个中间抽头，将绕组Ⅰ电压分成U₁和U₂，将绕组Ⅱ电压分成U₃和U₄，但其可控硅KP₂和KP₃的接法与附图2有些区别，其工作原理和附图2相类似，当附图3中的电压U₁＝U₂＝U₃＝U₄时，由附图11的波形图中可清楚地得知。此电路在三分之一输出电压点上有一个最佳工作点，改变Ⅰ和Ⅱ绕组中的抽头位置，也可以改变最佳工作点的位置。同样在Ⅰ绕组U₂段和Ⅱ绕组U₄段增加中间抽头数目和连接在这些中间抽头上的可控硅数目，就可增加在50%输出电压以下的最佳点的数目。

由上述可知附图1、2和3包含三种初级交流可控调压电路和三种次级交流可控调压电路，其特征在于变压器的初级或次级有两组独立的主绕组Ⅰ和Ⅱ，这两绕组Ⅰ和Ⅱ的非同名端之间至少连接有一个可控器件，并且Ⅰ绕组的一个输入（或输出）端与Ⅱ绕组的一个非输入（或输出）端之间连接有可控器件，通过改变可控器件的触发信号顺序和相位，可使交流可控调压电路在低电压输出时输出：两组初级绕组Ⅰ和Ⅱ相串联的次级可控电流，或者两组次级绕组Ⅰ和Ⅱ可控交替或并联输出可控电流，而在高电压输出时输出：半个周期内的前部分为低电压输出时的可控波形，而后部分又能自动切换成两组初级绕组可控交替或并联输入的次级变流波形，或者自动切换成两组次组绕组串联可控波形。附图7所示的无变压器的交流可控调压电路其特征在于负载是二个或二个以上的偶数个，其连接方式与变压器两个独立绕组Ⅰ和Ⅱ相类似。

附图4所示的单相初级或次级交流可控调压电路，是对应于附图1的另一种在50%输出电压点有一个最佳工作点的交流可控调压电路，它们使用的方法是相同的，两种电路不同之处在于附图1必须有二个独立的初级或次级绕组来实现可控调压，变压器多一个引出头，而附图4只要带中间抽头的初级或次级绕组就可实现可控调压，但必须增加一个双向可控器件或两个正反方向相并联的单向可控器件，增加一个器件的压降。附图4电路的输出电压波形与附图1电路的输出波形相类似，可参考附图8和9，附图4电路的触发信号与附图1不同，在初级调压时，触发信号的先后顺序是：正半周时，同时触发双向可控硅KS₂和KS₄，输出nUab/（n₁+n₂）电压，再触发单向可控硅KP₃，此时双向可控硅KS₄立即承受反向电压而关断，输出电压由nUab/（n₁+n₂）突跳到nUab/n₂，负半周时，同时触发双向可控硅KS₂和KS₄，输出nUab/（n₁+n₂）负半周电压，再触发单向可控硅KP₁，此时双向可控硅KS₂立即承受反向电压而关断，输出电压由nUab/（n₁+n₂）负半周电压突跳到输出nUab/n，负半周电压。在次级调压时，触发信号的先后顺序是：正半周时，同时触发双向可控硅KS₄和单向可控硅KP₁，输出U₁电压，再触发双向可控硅KS₂，此时单向可控硅KP₁立即承受反向电压而关断，输出电压由U₁突变为（U₁+U₂），负半周时，同时触发双向可控硅KS₂和单向可控硅KP₃，输出U₂负半周电压，再触发双向以控硅KS₄，此时单向可控硅KP₃立即承受反向电压而关断，输出电压由U₂负半周突跳到（U₁+U₂）。显然附图4中的双向可控硅KS₂和KS₄都可以用二个正反方向相并联的单向可控硅所代替，图4中的KP₁和KP₃还可以同时对调阴极和阳极。

附图5所示的单相初级或次级交流可控调压电路，是对应于附图2的另一种在50%以上输出电压点上有一个最佳工作点的交流可控调压电路，它与附图2电路的区别在于初级或次级调压绕组节省了一个绕组和一个引出头，变压器的利用率提高了，但是附图5比附图2多了一个双向可控硅的管压降。其输出电压波形与附图2电路相类似，其触发信号顺序和工作原理与附图4相类似。

附图6所示的单相初级或次级交流可控调压电路，是对应于附图3的另一种在50%以下输出电压点上有一个最佳工作点的交流可控硅调压电路，它与附图3相比。节省了一组变压器绕组，提高了变压器利用率，减少了变压器的一个引出头，但是需用二个双向可控硅，增加了一个双向可控硅的管压降，其触发电路较复杂，其触发信号顺序和工作原理与附图4相类似，其输出电压波形与附图3电路相类似。

上述附图1到6所示电路分析可知，本发明的单相变压器交流可控调压电路有六种初级可控调压电路和六种次级可控调压电路，这几种基本交流调压电路在输出电压的区间之内都只有一个最佳工作点，根据这些电路可以派生得到很多在整个输出电压范围内有多个最佳工作点的交流可控调压电路，例如，用八个可控器件同时实现初级和次级相类似的交流可控调压电路。

用上述多个附图1到6任一种初级或次级单相交流可控调压电路可以组成多相初级或次级多相交流可控调压电路，用多个附图7所示的电源直接交流可控调压电路也可以组成多相交流电源对负载的直接可控调压电路。附图12电路示出了三相变压器初级（或者次级）三角形连接方式的三相交流可控调压电路的一种、附图12中未画出变压器次级（或初级）绕组。它可用于初级调压的可控整流设备。

本发明上述的单相和多相交流调压电路中的可控硅还可以使用晶体管，闸流管和其它开关控制器件，我们统称为可控器件。

本发明的可控器件的触发控制电路有零触发和移相触发两种类型，移相触发电路的特征在于半个周期内每一相产生有两种或两种以上有相位差的触发信号。

本发明主电路特征在于使用可控器件使变压器绕组或负载电阻自动变换串联和并联相结合的方法。在有变压器时，变压器的每一相的初级或次级有两组或两组以上的主绕组，它们通过改变与其相连接的可控器件的触发控制信号的顺序和相位来调节交流可控电压，使交流可控调压电路在低电压输出时输出：多个初级绕组相串联所得到的次级变流可控调压电流，或者是两段或两组次级绕组直接正负半周交替或并联输出的可控调压电流，而在高电压输出时输出：半个周期内的前部分为低电压输出时相同的可控调压电流，后部分又能自动切换成两组初级绕组正负半周交替或并联输入所得到的次级交流可控调压电流，或者自动切换成两组或两组以上次级绕组串联得到的可控调压电流，在无变压器时，其特征在于负载是两个或两个以上，它们和可控器件连接的方式同变压器初级调压方式相类似，负载之间直接或通过可控器件间接相串联。本发明的触发控制电路有零触发和移相触发两种类型，触发控制电路保证实现上述的自动切换过程，移相触发电路的特证在于在半个周期内每一相产生有两种或两种以上有相位差的触发信号。

本发明主要用于单相和多相需要交流调压的场合，例如：交流调压、稳压、调速，低压大电流和高压大功率初级调压的可控整流设备和有两个以上负载的电源直接调压的电加热设备等。

Claims (10)

1、一种使用可控器件实现自动改变变压器变压比的交流可控调压电路，它由单相或多相电源，单相或多相变压器，多只可控器件及其触发控制电路和负载组成，其特征在于使用可控器件及其触发控制电路实现自动改变变压器的变压比和移相控制变压器交流输入或者交流输出电压的交流可控调压方法，在低电压输出时，可控器件使变压器初级几个绕组相串联实现初级交流可控调压，或者使变压器次级几个绕组正负半周交体输出或并联输出实现次级交流可控调压。而在高电压输出时，可控器件使输出电压半个周期内的前部分为低电压输出时相同变压比的电压，后部分又能自动切换成几个初级绕组正负半周交替输入或并联输入实现初级交流可控调压，或者自动切换成几个次级绕组相串联输出实现交流可控调压。

2、根据权利要求1所述的电路，其特征在于单相变压器初级（或次级）有两个绕组Ⅰ和Ⅱ，在Ⅰ尾端与Ⅱ首端之间串联有正反向相并联的两个单向可控器件，在Ⅰ首端与Ⅱ尾端、Ⅰ尾端与Ⅱ首端之间各连接有一个可控器件。

3、根据权利要求1所述的电路，其特征在于单相变压器的初级（或次级）有两个带中心抽头的绕组Ⅰ和Ⅱ，在Ⅰ首端和中心抽头上分别接有两个可控器件的阳极，这两个器件的阴极相并联后接到Ⅱ首端，在Ⅱ尾端和中心抽头上分别接有两个可控器件的阴极，这两个器件的阴极相并联后接到Ⅰ尾端。

4、根据权利要求1所述的电路，其特征在于单相变压器初级（或次级）有两个带中心抽头的绕组Ⅰ和Ⅱ，在Ⅰ中心抽头上接有两个可控器件的阴极（或阳极），这两个器件的阳极（或阴极）分别接Ⅱ首端和尾端，在Ⅱ中心抽头上接有另外两个可控器件的阴极（或阳极），这两个器件的阳极（或阴极）分别接Ⅰ的首端和尾端。

5、根据权利要求1所述的电路，其特征在于单相变压器初级（或次级）是一个带中心抽头的绕组，在绕级首尾两端与两个输入（输出）端之间分别接有两个双向可控器件，在中心抽头与两个输入（输出）端之间分别接有两个单向可控器件。

6、根据权利要求1所述的电路，其特征在于单相变压器初级（或次级）有带有两个中间抽头的绕组，在绕组首尾两端与两个输入（输出）端之间分别接有两个双向可控器件，在两个中间抽头与两个输入（输出）端之间接有两个单向可控器件。

7、根据权利要求1所述的电路，其特征在于三相变压器初级（或次级）每一相都有一个带中心抽头的绕组，全部绕组接成三角形连接方式，在三角形的三个顶点与输入（或输出）三相之间连接有三个双向可控器件，在绕组三个中心抽头与输入（或输出）三相之间连接有三个单向可控器件。

8、根据权利要求1所述的触发控制电路，其特征在于在半个周期内产生有两种有相位差的触发信号的触发电路。

9、根据权利要求1和8所述的触发电路，包括移相触发控制和零触发控制两大类。

10、根据权利要求1所述的可控器件，包括可控硅和晶体管。

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