專利名稱：非接觸式調節自耦變壓器的制作方法
<一>技術領域 本發明屬于變壓器、涉及自耦變壓器，尤其是涉及用電子開關來使抽頭式自耦變壓器實現調壓和穩壓調節的技術方案和電路。
<二>背景技術 自耦變壓器是一種初次級有公共繞組的特殊變壓器，它只需變換輸出電壓高于或低于輸入電壓的那小部分功率，它與相同容量的變壓器相比，具有體積小，重量輕和成本低等優點，尤其是在輸入輸出電壓比較接近的場合，其優勢就更為明顯。現有交流穩壓器中所使用的變壓器，除了開關型交流穩壓器之外，機呼所有交流穩壓器產品中都是使用自耦變壓器變換電壓來實現穩定輸出電壓的。
現有自耦變壓器僅有兩種類型，一種是機械觸點調節的接觸式調壓自耦變壓器，另一種是抽頭式自耦變壓器。接觸式自耦調壓變壓器其最大優點是變壓比是可調的，其輸出電壓可以在輸入電壓上下連續調節。輸出電壓既可高于又可低于輸入電壓，但它存在著調節電壓時必須使用機械轉動、移動碳刷方式來實現。在交流穩壓器等自動調節系統中應用還需使用伺服電機來進行調節，因此它存在碳刷易換損壞、可靠性差、結構復雜、調節速度慢和成本高等缺點。是否可用現代電子調節技術創新一種無滑動觸點的電子調節自耦變壓器，使它適用于制造交流穩壓器來取代這種古老陳舊需要經常維修、可靠性差，而又被廣泛應用著的機械觸點滑動調節方式呢？本發明的技術方案是要解決這個難題。
抽頭式自耦變壓器其變壓比是固定的，只能用在需要升高或降低一個固定電壓的場合，其輸出電壓是不能調節的，它又可分為升壓自耦變壓器和降壓自耦變壓器兩種類型。中間抽頭輸入電壓的抽頭式自耦變壓器是升壓自耦變壓器，其輸出電壓只能比輸入電壓高一個固定值，能否使其輸出電壓能同接觸式調壓自耦變壓器相類似，使它在輸入電壓上下的一定范圍內實現連續無級調節呢？中間抽頭輸出電壓的抽頭式自耦變壓器是降壓自耦變壓器，其輸出電壓只能比輸入電壓低一個固定值，能否使其輸出電壓也能同接觸式調壓自耦變壓器相似、使它在輸入電壓上下的一定范圍內實現連續無級調節呢？本發明的技術方案就能夠解決這兩種抽頭式自耦變壓大器能在輸入電壓上下一定范圍內實現連續無級調節的難題。同一發明人曾在“電源調節電路及其應用”的發明專利申請號97122302.5文件中公開了一種在抽頭式自耦變壓器的抽頭上串聯一個升壓次級繞組電子調節的非接觸式交流穩壓變壓器的技術方案，但是由于這種技術方案需要在變壓器中間芯柱磁路中增加一個氣隙，氣隙的增加會使變壓器磁阻增大、效率降低，因此也還不夠理想，至今尚未用于產品。是否可取消這個氣隙和抽頭上串聯的這個次級繞組呢？發明人又經過六年的努力探索研究，終于獲得成功。本發明的非接觸式調節自耦變壓器，也可稱為電子開關調節的自耦變壓器。它給自耦變壓器增添了一種既可實現調壓又可實現穩壓的新類型。
在電子開關通斷比調節電路中沒有引入輸出采樣信號的非接觸式調節自耦變壓器稱它為非接觸式調壓自耦變壓器。在電子開關通斷比調節電路中引入輸出采樣電壓的非接觸式調節自耦變壓器稱它為非接觸式穩壓自耦變壓器。為了區別現有調壓自耦變壓器和自耦式交流穩壓器，可簡稱它們為龔氏自耦調壓器、龔氏自耦穩壓器。
<三>
發明內容
本發明的目的是提供一種在抽頭式自耦變壓器鐵芯柱上增加一個由電子開關控制的交流控制繞組、通過調節電子開關通斷比的方法調節交流控制繞組中交流電流大小的方式來實現抽頭式自耦變壓器輸出電壓在一定范圍內連續無級調節的技術方案。
本發明是這樣實現的，將抽頭式自耦變壓器的鐵芯換成多芯柱鐵芯[15]，將自耦變壓器的升降壓繞組的全部或大部分與原來繞組分開，分成繞組[1]和繞組[2]，再將[1]和[2]分別繞在鐵芯[15]的芯柱[18]和[16]上，并將它們串聯(正向或反向)成抽頭式自耦變壓器，再在繞有初次級公共繞組的芯柱[18]之外的其它芯柱上，增加一個控制繞組[3]用交流電子開關[4]通斷比例來調節繞組[3]中的控制電流。并使其通過繞組[3]與繞組[2]的電流在繞組[2]所在的芯柱[16]上所產生的磁通方向相反的方式連接，就能使抽頭式自耦變壓器實現輸出電壓在輸入電壓上下連續無級調壓。只要在交流電子開關的控制電路中引入輸出采樣電壓信號，就能使本發明的非接觸式調節自耦變壓器輸出電壓穩定而成為一個非接觸式穩壓自耦變壓器。
本發明的非接觸式調節自耦變壓器有非接觸式調壓自耦變壓器和非接觸式穩壓自耦變壓器二種。它主要由單相或三相多芯柱變壓器鐵芯[15]、初次級公共繞組[1](可以帶有部分升降壓繞組)、升降壓繞組[2]、交流控制繞組[3]和交流電子開關[4]及其控制電路[5]組成。繞組[1]和繞組[2]是繞在不同芯柱上的繞組，并且串聯成抽頭式自耦變壓器。繞組[3]繞在非繞組[1]所在的芯柱上，交流電子開關[4]用來調節流過繞組[3]中的交流控制電流[I3]、自耦變壓器鐵芯[15]，單相是一個中間芯柱截面不等于兩側芯柱截面之和的非標單相日字鐵芯，三相是一個六芯柱田字鐵芯，每相流過繞組[3]的控制電流I3與流過繞組[2]的電流I2在繞組[2]所在的芯柱[16]上所產生的磁通方向是相反的，調節電流I3，就可使繞組[2]上的感應電勢而達到輸出電壓調節的目的。只要在交流電與開關[4]的控制電路中引入輸出采樣，本發明的非接觸式調節自耦變壓器就成為一個交流電子開關通斷比調節的非接觸式穩壓自耦變壓器。
本發明的非接觸式調壓自耦變壓器和交流穩壓器，有單相和三相兩大類，單相自耦變壓器的鐵芯[15]是一個非標單相日字鐵芯，按照繞組[1]、繞組[2]和繞組[3]繞在不同芯柱上，其變壓器又可分為無磁分路的三芯柱變壓器。有磁分路的雙芯柱變壓器，有磁分路的三芯柱變壓器和有磁分路的四芯柱變壓器等幾種類型。本發明三相自耦變壓器鐵芯[15]是一個字鐵芯，變壓器是六芯柱三相變壓器。
本發明所使用的交流電子開關[4]有相控和斬控兩大類。斬控交流電子開關又有對稱角調節型、PWM脈寬調節型和SPWM正弦脈寬調節型三種。在電子開關[4]使用斬控開關調節時，為使電子開關可靠工作，可在繞組[3]兩端并聯過電壓吸收裝置或并聯一個與電子開關[4]互補導通的續流電子開關。
本發明的非接觸式調節自耦變壓器，可廣泛用于設計制造電子調壓自耦變壓器、節電器和交流穩壓器產品，以及現有接觸式調壓自耦變壓器所能使用的多種場合。它具有無觸點、連續無級、調節迅速、結構簡單可靠、和本低廉等優點。具有很大市場開發前景。有較好的經濟效益和社會效益。
本發明的非接觸式調節自耦變壓器的主要特征將由附圖和實施例中得到體現。
<四>
附圖1是本發明的單相電路圖。附圖2和3是本發明單相三芯柱結構實施例。附圖4和5是本發明單相有磁分路雙芯柱結構實施例。附圖6和7是本發明單相有磁分路三芯柱結構實施例。附圖8和9是本發明三相六芯柱結構實施例。
附圖1單相非接觸式調節自耦變壓器電路中[15]是變壓器日字鐵芯、[1]是初次級公共繞組、[2]是升降壓繞組、[3]是交流控制繞組、[4]是交流電子開關、[5]是交流電子開關[4]的控制電路，[16]、[17]和[18]是鐵芯[15]上的芯柱，在芯柱[17]上沒有線圈時，它就成為芯柱[16]和芯柱[18]的一條磁分路，繞組[1]繞在芯柱[18]上、[12]和[14]為繞組[1]的兩個端，[13]是繞組[1]上的一個中間抽頭，它是用來調整輸出高于和低于輸入電壓上下限大小而設置的，繞組[2]繞在芯柱[16]上，[10]和[11]是繞組[2]的兩個端。繞組[3]非繞在芯柱[18]上(它可以繞在芯柱[17]上，也可以繞在芯柱[16]上，或者一部分繞在芯柱[17]上，另一部分繞在芯柱[16])，[8]和[9]是繞組[3]的兩個端。I1、I2和I3是流過繞組[1]、[2]和[3]中的交流電流。[6]和[7]是交流電子開關[4]的二個主端。交流電子開關[4]的一個主端與繞組[3]的一端相連，交流電子開關的另一個主端和繞組[3]的另一端如何連接決定于繞組[1]與繞組[2]的串聯方式(順串還是反串)和自耦變壓器輸入端的選擇(繞組[1]和繞組[2]串聯后的全部繞組做交流輸入端，還是繞組[1]兩端，或其抽頭[13]端與繞組[1]的一端做交流輸入兩端)，它只要滿足流過繞組[2]的電流I2和流過繞組[3]的電流I3在繞組[2]的芯柱[16]上所產生的磁通方向相反的條件即可，它是本發明的最主要技術特征。附圖1(b)示出繞組[1]和繞組[2]反串連接的單相非接觸式調節自耦變壓器電路圖，而附圖1(c)示出繞組[1]和繞組[2]順串連接的單相非接觸式調節自耦變壓器電路圖，附圖1(c)與公知抽頭式自耦變壓器連接方式相同，它可在[10]端輸入交流電壓，也可在[11]和[12]連接點，或繞組[1]的抽頭[13]端輸入交流電壓。附圖1(a)是本發明的單相非接觸式調節自耦變壓器的通用電路圖。其中[III]為輸入輸出公共端。在[I]端為交流輸入端時，[II]或[13]端是交流輸出端。在[I]端為交流輸出端時，[II]端或[13]端]端是交流輸入端。電子開關[4]的一個主端[V]與輸入輸出公共端[III]相連接，控制繞組[3]的一端與電子開關[4]的另一主端相連接，控制繞組[3]的另一端可根據自耦變壓器具體結構和調節范圍主要有下面四種連接方式1)[IV]端與[III]端相連接(此種情況相當于繞組[3]與電子開關[4]直接相并聯，此時控制電流I3為繞組[3]上感應電勢所產生的感生電流)；2)[IV]端與繞[1]抽頭[13]端相連接；3)[IV]端與[II]端相連接。4)[IV]端與[I]端相連接。這幾種連接方式都應該保證使繞組[2]中的電流I2與繞組[3]中的電流I3在繞組[2]的芯柱[16]上所產生的磁通相反的原則。
三相非接觸式調節自耦變壓器電路圖由三個單相電路圖組成，即由一個三相變壓器田字鐵芯[15]、三個相同的繞組[1]，三個相同的繞組[2]、三個相同的繞組[3]和三個相同的單相交流電子開關或一個三相交流電子開關[4]及其控制電路[5]組成。
本發明的單相和三相交流電子開關在采用斬控型電子開關時，為降低電子開關的耐壓和減少諧波，在電路中都可附加公知的過電壓吸收裝置或在繞組[3]兩端并聯有與電子開關[4]相互補導通的續流電子開關和[4’]Lc諧波吸收網絡。
<五>具體實施方式
本發明非接觸式調節自耦變壓器，根據電子開關[4]的控制電路[5]中是否引入輸出采樣可分調壓和穩壓二種類型，它們的主電路和自耦變壓器結構相同。因此本發明又可稱為非接觸式調壓穩壓自耦變壓器。
附圖2是單相非接觸式調節自耦變壓器，優選結構實施例之一。[III]為交流輸入輸出公共端，[I]為交流輸入端、[II](或[13])為交流輸出端。繞組[1]、[2]和[3]分別繞在日字鐵芯[15]的芯柱[18]、[17]和[16]上。繞組[1]和[2]反串連成抽頭式自耦變壓器，繞組[3]直接和電子開關[4]相并聯，調節電子開關通斷比例就可實現輸出電壓在輸入電壓上下一定范圍內調壓。在電子開關控制電路[5]中引入輸出電壓采樣調節時，它就成為穩壓輸出的交流穩壓器，其工作原理如下通過繞組[1]和[2]的電流I1和I2在芯柱[17]上產生的磁通方向相同。在芯柱[16]上產生的磁通方向相反(稱為反串連接)，因此在繞組[3]上有較高的感應電勢。在輸入電壓最高時，使電子開關[4]完全關閉，通斷比為零，輸出電壓是輸入電壓通過繞組[2]降壓而獲得。在輸入電壓最低時，使電子開關[4]全導通，通斷比最大，繞組[3]中就有最大的短路感生電流I3、I3和I2在芯柱[16]上所產生的磁通方向相反，I3電流所產生的磁通在繞組[2]上的感應電勢方向與輸入交流電源相同，因此輸出電壓就等于輸入電壓和I3電流在繞組[2]上的感應電勢兩者之和。而使輸出電壓升高，由于I3是可以通過調節電子開關[4]的通斷比來進行調節的，因此輸出電壓也就可通過調節電子開關通斷比在輸入電壓上下一定范圍內調節。在電子開關[4]的控制電路[5]中引入輸出電壓采樣時，它就成為輸出電壓不隨輸入電壓變化的交流穩壓器。附圖2中的實施例還可將繞組[1]和[2]順串連接，此時將繞組[1]的[12]端與繞組[2]的[11]端相連。繞組[2]的[10]為交流輸入端，繞組[2]的抽頭[13]端為交流輸出端，并將繞組[3]繞在繞組[2]的芯柱[16]上，這樣調節電子開關的通斷比同樣能使輸出電壓在輸入電壓上下一定范圍內進行調節，成為順串的一個實施例。
附圖3是單相非接觸式調節自耦變壓器優選結構之二，它是將附圖2中的繞組[3]的感應電勢和交流輸入電源相加來增加控制電流和輸出電壓的調節范圍。它與附圖2相比，調壓范圍大。電子開關耐壓要求高，在電子開關采用斬控電子開關時，最好在繞組[3]二端并聯一個互補導通的電子開關。另外繞組[3]的[9]端還可根據需要由連接在輸入端[I]改為連接在輸出端[II]或繞組[1]的抽頭[13]端。
附圖4是單相非接觸式調節自耦變壓器優選結構實施例之三，它是將繞組[2]和[3]繞在同一芯柱[16]上，繞組[1]繞在芯柱[18]上，中間就有一磁分路[17]。它是繞組[1]和[2]反串連接有磁分路的雙芯柱調節自耦變壓器，它與附圖3相比，相同的控制電流I3可獲得繞組[2]增大的升壓電壓。因此電子開關電流容量較小。同樣根據需要還可將繞組[3]與[I]端相連的[8]端改為連接在輸出[II]端或繞組[1]的抽頭[13]端上。如果要將附圖4的[II]端改為交流輸出端，只要將繞組[2]的[11]端與繞組[1]的[12]端相連(即順串)，將繞組[2]的[10]端與[I]端相連即可。
附圖5是單相非接觸式調節自耦變壓器優選結構實施例之四，它同附圖4的區別是繞組[1]和[2]由反串改為順串，繞組[3]的[9]端與輸入[I]端相連接，[8]端與電子開關[4]相連接。同樣附圖5繞組[3]的[9]端可連接在輸出[II]端或繞組[1]的抽頭[13]端上。如果將附圖5的[II]端改為交流輸入端而將[I]端改為交流輸出端，只要將繞組[2]的[10]端與繞組[1]的[12]端相連(即反串)，將繞組[2]的[11]端與[I]端相連即可。
附圖6是非接觸式調節自耦變壓器的優選結構實施例之五，它是附圖4的改進結構，將附圖4芯柱[16]上的二個繞組繞在附圖4的日字鐵芯[15]右側上下兩段磁軛上即成為附圖6的結構，附圖6的電子開關使用反向并聯的兩個晶閘營。在控制電路中引入輸出采樣，它就成一個簡單可靠經濟實惠的單相無觸點交流穩壓器。
附圖7是單相非接觸式調節自耦變壓器優選結構實施例之六，它是附圖5的改進結構，將附圖5芯柱(16)上的二個繞組繞在附圖5的日字鐵芯[15]右側上下兩段磁軛上即成為附圖7的結構。附圖7的電子開關[4]使用兩個二極管和兩個全控器件組成斬控電子開關[4]，為減低斬控電子開關的耐壓還在繞組[3]兩端并聯有一個由兩個二極管和兩個全控器件組成的續流電子開關[4’]，控制電路要使兩個電子開關互補導通。在控制電路中引入輸出采樣，并加上適當LC高頻吸收網絡，它就成為一種高性能交流電子穩壓器。
由附圖6和7可看出，它們是本發明有磁分路的三芯柱單相非接觸式調節自耦變壓器。將附圖6和7繞在芯柱[16]上的繞組[1]分成兩個，分別繞在其左右兩側的磁軛上，就可成為本發明有磁分路的四芯柱單相非接觸式調節自耦變壓器。將附圖4和5中的繞組[1]繞在日字鐵芯左側上段磁軛上，繞組[2]和[3]繞在日字鐵芯右側上段磁軛上就可發明三相田字鐵芯六芯柱非接觸式調節自耦變壓器。
附圖8是三相非接觸式調節自耦變壓器優選結構實施例之一，它主要由一個三相田字鐵芯[15]、三個相同的繞組[1]、三個相同的繞組[2]、三個相同的繞組[3]和由三個二極管與三個晶閘管組成的三相交流電子開關[4]及其觸發控制電路[5]組成。三相中每一相的繞組[1]和繞組[2]反串連接成抽頭式自耦變壓器。每相繞組[3]的[8]端接輸入[I]端，另一端[9]與該相晶閘管的陰極和二極管的陽極相連，三個晶閘管陽極和三個二極管陰極相連。調節晶閘管觸能發信號的相位就能調節[II]端與公共端[III]之間的輸出電壓。繞組[3]的[8]端除和繞組[2]的[11]端相連之外，還可以與輸出[II]端或繞組[1]抽頭[13]端相連。其交流輸出端也可根據需要選在繞組[1]的抽頭[13]輸出。附圖8還可以選擇[II]端或[13]端為交流輸入，[I]端為交流輸出。此時必須將繞組[1]和繞組[2]反串改為順串連接，即[11]與[II]相連，[10]與[I]相連。在三相控制電路中引入輸出采樣，本實施例就成為交流穩壓器，，也可稱它為反串田字鐵芯三相交流穩壓器。
附圖9是三相非接觸式調節自耦變壓器優選結構實施例之二。它和附圖8不同之處是三個繞組[1]和三個繞組[2]是順串連接成三相抽頭式自耦變壓器的，三個控制繞組[3]的連接方向也和附圖8相反，其三相電子開關是三個晶閘管以三角形方式相連接，這種連接方式可以省去三個二極營。但由于三個晶閘管的觸發信號沒有公共點會增加觸發電路的復什性，因此各有長處。附圖8中的三相電子開關和附圖9中的電子開關二者可以互換。附圖9和附圖8一樣可以選擇[II]端或[13]端為交流輸入，[I]端為交流輸出，此時只要將繞組[1]和繞組[2]由順串連接都改為反串即可。在附圖9的三個晶閘管的控制電路中引入輸出采樣，本實施例就成為三相交流穩壓器，也可稱它為反串田字鐵芯三相交流穩壓器。
為了獲得低諧波高性能的田字鐵芯三相交流穩壓器，可以將附圖8和9中的三相相控電子開關改為三相斬控電子開關，控制方式采用PWM或SPWM，根據需要還可增加與斬控電子開關互補導通的續流電子開關和LC濾波網絡。
從上述單相和三相非接觸式調節自耦變壓器實施例中就可清楚看出，單相自耦變壓器的鐵芯是非標日字鐵芯，三相自耦變壓器鐵芯是六芯柱田鐵芯，使用本發明設計制造的調壓器和穩壓器產品，具有結構簡單、可靠性好、成本低、響應速度快等優點，是交流穩壓器和調壓器更新換代產品，可取代現有大部分機電調節的補償式交流穩壓器，磁放大式交流穩壓器和抽頭自動轉換式交流穩壓器，具有很大市場開發前景，較好的經濟效益和社會效益。
權利要求
1.一種非接觸式調節自耦變壓器，它主要由多芯柱變壓器鐵芯[15]、初次級公共繞組[1]、升降壓繞組[2]、交流控制繞組[3]和交流電子開關[4]及其控制電路[5]組成，其特征是鐵芯[15]單相是一個非標單相日字鐵芯、三相是一個田字鐵芯，繞組[1]和繞組[2]在鐵芯[15]的不同芯柱上，并串接成抽頭式自耦變壓器，繞組[3]非在繞組[1]的芯柱上，繞組[3]與電子開關[4]連接成控制回路，并且使流過繞組[3]的電流I3與流過繞組繞組[2]的電流I2在繞組[2]所在的芯柱上產生的磁通方向相反，用調節電子開關[4]通斷比加方法調節繞組[3]電流、繞組[2]上的感應電勢和自耦變壓器的輸出電壓，控制電路[5]中引入輸出采樣，自耦變壓器就可實現穩壓輸出。
2.根據權利要求1所述的非接觸式調節自耦變壓器，其特征是單相繞組[1]、繞組[2]和繞組[3]分別繞在日字鐵芯[15]的三個芯柱上。
3.根據權利要求1所述的非接觸式調節自耦變壓器，其特征是單相繞組[1]繞在日字鐵芯[15]的芯柱[18]上，單相繞組[2]和繞組[3]繞在芯柱[16]上，日字鐵芯[15]有一個鐵柱[17]做磁分路。
4.根據權利要求1所述的非接觸式調節自耦變壓器，其特征是三相田字鐵芯的左側上中下三個芯柱[18]上繞有三相繞組[1]、右側上中下三個芯柱[16]上繞有三相繞組[2]和三相繞組[3]。
5.根據權利要求1和2所述的非接觸式調節自耦變壓器，其特征是變壓器是一個單相三芯柱調壓穩壓自耦變壓器。
6.根據權利要求1和3所述的非接觸式調節自耦變壓器。其特征是；變壓器是一個單相雙芯柱調壓穩壓自耦變壓器。
7.根據權利要求1和4所述的非接觸式調節自耦變壓器，其特征是變壓器是一個三相六芯柱田字鐵芯調壓穩壓自耦變壓器。
全文摘要
本發明的非接觸式調節自耦變壓器屬于調壓穩壓自耦變壓器，涉及用電子開關通斷比來調節抽頭式自耦變壓器輸出電壓使其達到連續無級調節的方法的電路。它由單相或多相變壓器鐵芯[15]。初次級公共繞組[1]，升降壓繞組[2]，控制繞組[3]和電子開關[4]及其控制電路等組成。其特征是繞組[1]和[2]非在同一芯柱上，并串接成抽頭式自耦變壓器。繞組[3]非在繞組[1]芯柱[18]上，并與電子開關[4]相連成為通斷比控制回路，流過控制繞組[3]的交流電流與流過繞組[2]的電流在繞組[2]芯柱[16]上所產生的磁通方向相反。它可廣泛用于單相和三相交流調壓和穩壓產品，應用本發明的無觸點單相和三相交流穩壓器產品，具有結構簡單可靠、無觸點、成本低、調節迅速性能好等優點。有很大市場開發前景。
文檔編號H01F30/02GK1641809SQ20041000087
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月1日 優先權日2004年1月1日
發明者龔秋聲 申請人:龔秋聲