專利名稱：自動換擋式交流穩壓器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種自動換擋式交流穩壓器，它在電網輸入電壓產生波動時使用電器獲得穩定的電壓。
傳統的自動換擋式交流穩壓器，其換擋的執行元件大多是繼電器，盡管控制繼電器換擋的電子線路有多種的形式，一般地說這種穩壓器是采用自動調節輸入抽頭的，即它自動地使電網實際電壓與變壓器實際工作繞組的標稱電壓大體相符，以保證輸出大體穩定。要提高穩壓的精度，就應在電網電壓變動不大時就換擋，自動變換變壓器的輸入點。如果電網電壓波動范圍大，所需換擋的級數也就多。例如，要在電網電壓波動范圍在270V至110V時每波動10V便自動換擋，那么按傳統設計的自動換擋式交流穩壓器需要15只執行繼電器，15組標稱電壓為10V的等量電壓調整繞組，其控制線路是十分復雜的。如果要制成寬范圍、高精度的這種穩壓器，就會更加困難。
本發明的任務是要提供一種改進的自動換擋擋式交流穩壓器。換擋的執行元件可仍用繼電器，也可用可控硅。這種改進的穩壓器，它所需的執行元件顯著地減少，控制線路也比較簡單，這種設備結構簡單，制造成本低，穩壓精度比較高，性能可靠，它不僅可取代傳統的繼電器式穩壓器，而且在一定的范圍內替代價格昂貴的全自動交流電子穩壓器。
本發明的任務是以如下的方式完成的，這種改進的自動換擋式交流穩壓器的電壓調整繞組匝數不是等量的，而是按等比級數設計的，各個電壓調整繞組的端點與各個控制線路相接，這樣各個電壓調整繞組是依據這些執行元件的動作與否分別以不同的組合形式串入電路中工作。由于電壓調整繞組的匝數是成等比關系的，第二個電壓調整繞組的匝數相當于二倍的第一個匝數，第三個的匝數相當于4倍的第一個匝數，第四個的匝數相當于8倍的第一個匝數……，這樣，當電網的輸入電壓的波動范圍增大時，這種改進的自動換擋式交流穩壓器只要用少量的幾個執行元件就可完成傳統的使用數量眾多的執行元件才能承擔的穩壓要求。例如當電網電壓波動范圍在125V～250V之間時，采用這種改進的自動換擋式交流穩壓器只要用三個執行元件就可以替代傳統的使用(23-1)＝7個的執行元件的常用穩壓器，有關詳細情況請參閱中國專利CN87207664。當電網電壓波動范圍從270V至110V時，采用這種改進的自動換擋式交流穩壓器只要用4個執行元件就可替代傳統使用的(24-1)＝15個執行元件的常用穩壓器。同理，用5個執行元件所組成的這種穩壓器可替代使用(25-1)＝31個執行元件的常用穩壓器……。
為了實現對執行元件變化狀態的控制，可采用模-數轉換器組成的控制電路，隨著電網輸入電壓的波動，模-數轉換器中的比較器和反相器各個端口的電位發生變化，使各個執行元件的狀態發生變化，如果以執行元件的接通和斷開兩種狀態用二進制的“1”和“0”表示，那么執行元件狀態的各種不同組合即成為一個二進制的數字，與此同時，受到執行元件控制的各個電壓調整繞組將以二進制的數字相對應的狀態形式串入電路中工作。這樣不管電網輸入電壓如何波動，輸出的電壓始終保持在所要求的范圍內，從而達到穩壓的目的。
按這種改進的方案設計出適應電網輸入電壓波動范圍為270V～110V，每波動10V就換擋的穩壓器，僅需要四個執行元件，四組電壓調整繞組，其控制線路十分簡單，這四個電壓調整繞組的標稱電壓不再都是10V，分別是10V，20V，40V，80V，它們之間剛好成等比級數，即電壓調整繞組的匝數是成等比關系的。這四個電壓調整繞組通過特殊的線路控制執行元件，針對不同的電網輸入電壓，或者執行元件都不動作，或者都產生動作，或者某一個或某二個或某三個產生動作，所有不同狀態的組合總和為C04+C14+C24+C34+C44＝16，與其相對應的電壓調整繞組的所有不同組態標稱電壓從小到大分別是0V，10V，20V，30V……150V，在變壓器的繞組中設計一個共用的標稱為120V的繞組，那么便可以得到總標稱值為120V，130V，……260V，270V的工作繞組以適應電網電壓從110V至270V的變化范圍。其實這四個執行元件和四個電壓調整繞組的不同組合狀態可以表示為二進制的四位數，以執行元件的動作與否表示為“1”和“0”，以及電壓調整繞組是否串入工作表示為“1”和“0”，那么這個二進制四位數表示為0000，0001，0010，……1111。能使電網的實際輸入電壓與變壓器實際工作繞組標稱電壓相符的控制線路有許多種形式，其中最簡單的一種是采用模-數轉換器將電網電壓所處的檔次轉換成為二進制的四位數，并直接轉換成執行元件和電壓調整繞組的狀態，使這種穩壓器的輸出電壓保持穩定220±5%之內。
下面將結合附圖對本發明作進一步的闡述。
圖1表示本發明的電路原理圖。
圖中表示電網輸入電壓波動范圍從270V至110V之間時每波動10V就換擋的穩壓器電器、它采用四個電壓調整繞組(1)、(2)、(3)、(4)，它們的匝數n1∶n2＝n2∶n3＝n3∶n4＝2，因此這四個電壓調整繞組的標稱電壓分別為10V，20V，40V，80V，相互之間剛好成等比關系，這些電壓繞組的不同組合可使它們的組合標稱電壓從0V變化到150V總共有16種不同的狀態。在穩壓變壓器中還有一個共同的繞組(5)，其標稱電壓值為120V，這樣不同繞組的電壓標稱值總和分為120V，130V，140V……260V，270V，它們可以分別適應電網輸入電壓從270V至110V之間的變化范圍。
這四個電壓調整繞組是通過特殊的線路控制四個繼電器的執行元件(6)、(7)、(8)、(9)以實現各種各樣的變化。當電網電壓處在第一擋時即其電壓為120V～110V，所有的繼電器(執行元件)都不動作，從而使所有四個電壓調整繞組都退出工作，只有一個共同的繞組(5)進入工作;當電網電壓處在130V～120V的第二擋時，繼電器(9)產生動作，標稱電壓為10V的電壓調整繞組(4)和共同的繞組(5)串入工作;當電網電壓處在第三擋即140V～130V時，繼電器(9)釋放，而繼電器(8)動作，將標稱電壓為20V的電壓調整繞組(3)串入工作，而電壓調整繞組(4)退出工作……如果把電壓調整繞組是否串入工作及執行元件繼電器是否動作用二進制“1”和“0”表示，那么它們的組合形成為一個二進制的四位數，即0000，0001，0010，……1111，從而使四個電壓調整繞組的組合共計有16種狀態。從圖中可看出，取樣電位器(10)使其動臂輸出的直流電壓為電網輸入電壓有效值的3%。當電網電壓從270V至110V之間波動時，取樣電壓變動范圍從8.1V至3.3V之間變化。穩壓管(11)的穩壓值剛好是電網輸入電壓下限的取樣值即3.3V。輸入到模-數轉換器(12)的取樣模量為4.8V～0V，當電網電壓從270V～260V逐擋向120V～110V變化時，取樣模量則從4.8V～4.5V逐擋變化到0.3V～0V。在模-數轉換器(12)中，四個比較器(13)、(14)、(15)，(16)是用一塊四運算放大器制成的，四個比較器的同相輸入端都是動作電壓的參考端，其中第一個比較器(13)的參考電壓是固定的，它剛好等于取樣模量上限的一半，即4.8V× 1/2 ＝2.4V，而其余各個比較器的參考電位是隨機確定的。這四個比較器的反相輸入端是連在一起，取樣模量則從這里輸入。另外在模-數轉換器(12)中還有四個反相器(17)、(18)、(19)、(20)，它們也是用一塊四反相器做成的，反相器的使用是為了使輸出一致，反相器的正電源電壓等于取樣模量的上限，即4.8V。反相器的輸出只能是4.8V，或者0V，用高電位表示1，低電位表示為0，反相器(17)、(18)、(19)、(20)的輸出狀態形成二進制的四位數。
模-數轉換器(12)是從高位到低位逐步決出取樣模量相應的二進制四位數，以此控制四個繼電器執行元件(6)、(7)、(8)、(9)的動作，從而使四個電壓調整繞組(1)、(2)、(3)、(4)以各種與電網輸入電壓相應的狀態進入工作，使自動換擋式交流穩壓器的輸出電壓始終保持穩定。下面我們舉個實例來說明，假設電網輸入電壓處在第10擋，即在〔120V±(10-1)×10V〕＝210V～200V之間時，取樣模量為(210V×3%-3.3V)＝3V～2.7V，由于這一電壓高于第一個比較器(13)的同相輸入端參考電位2.4V，比較器(13)的輸出為低電位，反相器(17)的輸出為1，即高電位，取樣模量對應的二進制四位數的首位就這么決定了。由于反相器輸出為4.8V晶體管(20)處于飽和狀態，繼電器(6)產生吸合動作，電壓調整繞組(1)便串入變壓器工作繞組中。反相器(17)輸出為高電位即4.8V，使比較器(14)、(15)、(16)的同相輸入端分別通過電阻(22)、(23)、(24)接至4.8V，它影響到這些比較器參考電位的隨機確定。現在來看第二位比較器(14)的參考電位，由于其同相輸入端通過電阻(22)接至4.8V，又通過電阻(25)接至2.4V，電阻(22)和(25)的阻值相同，可求得比較器(14)的參考電位為3.6V，由于輸入到該比較器的取樣模量為3V～2.7V，低于參考電位，故比較器(14)的輸出為高電位，反相器(18)的輸出則為低壓電位，即為0，這就決定了取樣模量對應的二進制四位數的第二位，由于反相器(18)的輸出為0，晶體管(26)截止，繼電器(7)釋放，電壓調整繞組(2)退出工作。正是由于反相器(18)的輸出為0，使比較器(15)、(16)的同相輸入端通過電阻(27)、(28)接地，這些會影響到它們參考電位的隨機確定。再來看模-數轉換器(12)的第三位比較器(15)情況，注意到前二級輸出對本級的影響，可知本比較器的同相輸入端通過電阻(23)接至高電位4.8V，通過電阻(29)接到2.4V，通過電阻(27)接地，求得其參考電位為3V，取樣模量是仍為3V～2.7V，它低于參考電位，故比較器(15)的輸出為高電位，反相器(19)的輸出為0，這就決定了取樣模量對應的二進制四位數第三位的數值。由于反相器(19)的輸出為0，晶體管(30)截止，繼電器(8)釋放，電壓調整繞組(3)退出工作。由于反相器(19)輸出為0，比較器(16)的同相輸入端便通過電阻(31)接地，這影響到比較器(16)參考電位的確定。最后來看模-數轉換器(12)的第四位比較器(16)，注意到前三級輸出對本級的影響，可知比較器(16)的同相輸入端通過電阻(24)接到4.8V，通過電阻(28)和(31)接地，通過電阻(32)接到2.4V上，可求得其參考電位為2.7V，這個數值低于取樣模量3V～2.7V，故比較器(16)輸出為低電位，從而使反相器(20)的輸出為1，這就決定取樣模量對應的二進制四位數的第四位數字。因為反相器(20)輸出為高電位，晶體管(33)飽和，繼電器(9)吸合，電壓調整繞組(4)投入工作。綜上所述，當電網輸入電壓處在第10擋即210V～200V時，模-數轉換器(12)得到取樣模量的二進制四位數為1001，控制繼電器(6)和(9)產生吸合動作，電壓調整繞組(1)和(4)串入工作繞組，實際上變壓器工作繞組的總標稱電壓為120V+80V+10V＝210V，這與電網實際輸入電壓相符合，使從穩壓器輸出的電壓始終保持穩定。至于其他擋的情況與上述介紹的情況基本上相似，這里就不再詳細地敘述。
若要求穩壓精度進一步提高，可以采用5個電壓調整繞組，控制電路中的模-數轉換器采用5個比較器和5個反相器，執行元件可用5個繼電器，這種自動換擋式交流穩壓器雖然只用5個執行元件，它的精度可與常用的繼電器式交流穩壓器中使用31個個繼電器進行工作的相當。若采用6個電壓調整繞組，6個執行元件和具有6個比較器，6個反相器的模-數轉換器所組成的自動換擋式交流穩壓器，其作用相當于63個繼電器的常用的交流穩壓器。另外，這種自動換擋式交流穩壓器的執行元件也可采用可控硅元件，當然這時制造成本會有所提高，控制線路也比較復雜一些。采用這種形式的自動換擋式交流穩壓器可以在一定的范圍內取代價格昂貴的交流電子自動穩壓器。
權利要求
1.一種由電壓調整繞組(1)、(2)、(3)、(4)、執行元件的繼電器(6)、(7)、(8)、(9)、取樣電位器(10)、穩壓管(11)和模-數轉換器(12)所組成的自動換擋式交流穩壓器，其特征是電壓調整繞組(1)、(2)、(3)、(4)的匝數是成等比關系的，即n1∶n2=n2∶n3=n3∶n4=2，這四個電壓調整繞組的端點分別與執行元件(6)、(7)、(8)、(9)的觸點相接，而執行元件(6)、(7)、(8)、(9)的接點是與模-數轉換器(12)的輸出端相連。
2.按權利要求1所規定的自動換擋式交流穩壓器，其特征是匝數成等比關系的電壓調整繞組的數目可在3、4、5、6之間變化，與其相應的執行元件，控制線路中的模-數轉換器(12)所具有的比較器和反相器也相應變化。
3.按權利要求1所規定的自動換擋式交流穩壓器，其特征是在模-數轉換器(12)中四個比較器(13)、(14)、(15)、(16)的同相輸入端是動作電壓的參考端，四個反相器(17)、(18)、(19)、(20)輸出端與執行元件(6)、(7)、(8)、(9)相接。
4.按權利要求1所規定的自動換擋式交流穩壓器，其特征是控制電壓調整繞組的執行元件(6)、(7)、(8)、(9)可采用可控硅元件。
全文摘要
本發明公開了一種自動換擋式交流穩壓器，它采用模—數轉換器將電網輸入電壓轉換成一個二進制數字，這個二進制數字控制執行元件呈現相應的狀態，從而使匝數成等比關系的電壓調整繞組以不同組合形式申入變壓器工作繞組，使穩壓器的輸出始終保持穩定。這種自動換擋式交流穩壓器結構簡單，造價低廉，精度高，適用范圍廣。
文檔編號G05F1/253GK1043807SQ8810898
公開日1990年7月11日 申請日期1988年12月27日 優先權日1988年12月27日
發明者陳新森, 陳茂霖 申請人:陳茂霖, 陳新森