專利名稱：電抗調節電路及其應用的制作方法
(一)技術領域 本發明屬于電力電子科學領域基礎單元電路，涉及使用雙向電子開關調節鐵芯電抗和電抗壓降的方法和電路，以及應用電抗調節電路制造的產品。
背景技術：
鐵芯電抗器是鐵芯上繞有線圈的部件，它的線圈在交流回路中流過電流就會有電抗和電抗壓降，有很多場合都需要對鐵芯電抗和電抗壓降進行連續無級調節，以使采用鐵芯電抗的整個電路具有某些人們所需要的特性和功能。
現有調節鐵芯電抗的方法有1)調節鐵芯磁路中空氣隙的方法，它是用移動動鐵芯調節磁路中氣隙使磁阻發生變化的原理來實現調節的，此方法在電焊機產品中廣為應用。它存在著需要用機械傳動機構移動鐵芯調節、振動大和不易實現自動調節等缺點。2)調節鐵芯磁飽和成度的方法，它是在鐵芯中增加一個直流控制繞組，用外加可調直流電壓使鐵芯直流磁化，使導磁率發生變化的原理實現電抗繞組的電抗和電抗壓降的調節。此方法在614型交流穩壓器、電焊機和系統的調節控制方面均有應用，它存在著必須外加一個直流控制電源和調節時間常數較大的缺點。3)調節通過鐵芯電抗電流的方法。它是使用雙向電子開關直接與電抗繞組相串聯，使用調節流過電抗繞組的電流來實現電抗和電抗壓降的調節。它在615型和616型交流穩壓器，補償器和電壓調節器中得到應用。它的缺點是雙向電子開關的耐壓和額定電流完全決定于外部電路中的電壓和流過電抗器的電流大小，雙向電子開關的電流等級不能低于通過線圈的電流最大值，耐壓不能低于外部電路所施加的電壓值，本發明要尋求和上述不相同的調節電抗的方法和電路，并吸收上述調節電抗方法和電路的部分優點，克服上述調節電抗的某些缺點。
發明內容本發明是在繞有電抗繞組[1]的鐵芯柱上增加一個交流電流控制繞組[2]，并在控制繞組[2]的兩端或在由繞組[1]和繞組[2]相串聯的繞組兩端之間并聯一個雙向電子開關[4]。使用調節雙向電子開關通斷比，調節繞組[2]中感應電勢所產生的感生電流的方法，來達到調節電抗繞組[1]兩端的電抗和電抗壓降。
本發明的單相電抗調節電路，它由電抗繞組[1]和控制繞組[2]連接成類似于單相變壓器(包括自耦變壓器)形式的鐵芯電抗器和雙向電子開關[4]及其控制電路[5]組成，其特征是電抗繞組[1]兩端與需要調節電抗和電抗壓降的外部電回路相連接，雙向電子開關[4]與繞組(控制繞組[2]或者電抗繞組[1]和控制繞組[2]相串聯的繞組)相并聯，控制電路[5]控制著雙向電子開關的導通與關斷，通過調節雙向電子開關通斷比來達到調節電抗繞組[1]兩端的電抗和電抗壓降。它是應用感應電勢所產生的感生電流，其磁通與產生感應電勢的磁通相抵消的原理理來實現調節的。
本發明的三相電抗調節電路，它由3個電抗繞組[1]和3個控制繞組[2]連接成類似于三個變壓器(包括自耦電壓器)形式的三相鐵芯電抗器和三相雙向電子開關[4]及其控制電路[5]組成，其特征是電抗器的3個電抗繞組[1]分別與需要調節三相電抗和電抗壓降的外部三相回路相連接，電抗器的3個控制繞組[2]與1個三相雙向電子開關[4]相連接，或者與3個單向雙向電子開關[4]分別相并聯，控制電路[5]控制著雙向電子開關[4]的通斷比，通過調節雙向電子開關通斷比來調節繞組中感應電勢所產生的感生電流，而達到調節三相電抗器的電抗和電抗壓降。
本發明的電路都是使用調節雙向電子開關通斷比的方法，調節鐵芯電抗器中繞組感應電勢所產生的感生電流來調節各電抗繞組兩端的電抗和電抗壓降的。因此可稱它為感生電流電抗調節電路，或它稱為龔氏電抗調節電路，以區別現有電抗調節電路和可調電抗器。
本發明與氣隙調節電抗的方法相比，具有無機械振動、可靠性好、調節方便、便于實現自動調節和特性控制等優點。本發明與磁飽和電抗調節電路相比，具有不需要外加直流電源、時間常數小、結構簡單和成本低等優點。本發明與雙向電子開關直接串聯電抗繞組的電抗調節電路相比，由于本發明可使用調整兩個繞組匝數比的方法，來實現用高耐壓小電流的雙向電子開關代替大電流低電壓的雙向電子開關，或者與此相反，并且雙向電子開關與繞組是直接相并聯或等效于相并聯，因此本發明就具有雙向電子開關的耐壓和電流之間可以根據需要相互轉換、諧波少和可靠性高等優點。
本發明的電路是電路特性調節和控制的基礎單元調節電路。可廣泛應用于交流穩定電源、節電器、電焊機、充電機、整流設備和自動控制系統等。它具有無觸點、無機械調節機構、結構簡單、調節時間短、成本低和可靠性好等優點，應用推廣后會有很大的經濟效益和社會效益。
本發明的特性和優點將在后面的附圖和實施例中做進一步說明。
附圖1是本發明的單相和三相電抗調節電路，其中(a)和(b)分別是變壓器和自耦變壓器連接形式的單相電抗調節電路，(c)和(d)分別是變壓器和自耦變壓器連接形式的三相電抗調節電路。附圖2是本發明應用于單相交流穩壓器的一個實施例。附圖3是本發明應用于單相交流穩壓器的另一個實施例。附圖4是本發明應用于同體式交流弧焊變壓器的一個實施例。附圖5是本發明應用于同體式交流弧焊變壓器的另一個實施例。附圖6是本發明應用于三相交流穩壓器的實施例。附圖7是本發明應用于三相整流式直流弧焊電源的實施例。
附圖1(a)是本發明的單相變壓器式電抗調節電路，它由鐵芯[3]、電抗繞組[1]、控制繞組[2]、雙向電子開關[4]及控制電路[5]組成，[6]和[7]是繞組[1]的兩個端，它分別與外部需要調節電抗的交流電回路相連接、[8]和[9]是繞組[2]的兩個端，它分別與雙向電子開關[4]相連接。控制電路[5]控制雙向電子開關的導通與關斷的時間比。當外部電路使繞組[1]中有電流流過時，鐵芯[3]中就有交變磁通存在，繞組[1]和繞組[2]上都會產生感應電勢，在雙向電子開關[4]導通期間，繞組上的感應電勢就會形成短路感生電流。此電流就會在鐵芯[3]上產生1個相反的磁通，使鐵芯[3]內的總磁通降到最小值，此時繞組[1]的電抗和電抗壓降降到最小值。在雙向電子開關[4]關斷期間，繞組雖有感應電勢，但不會有感生電流，也不會使鐵芯[3]中的磁通減少，此時繞組[1]的電抗和電抗壓降為最大值。所以只要調節雙向電子開關[4]在一個周期內的通斷比，就可方便地調節繞組[1]兩端[6]和[7]之間的電抗和電抗壓降在最小值與最大值之間連續無級調節。
附圖1(b)是為了減少附圖1(a)中控制繞組[2]的匝數和導線，使電抗繞組也成為控制繞組的一部分，此時控制繞組就由二個繞組串聯組成，雙向電子開關[4]還是與整個控制繞組相并聯、其工作原理和電路特征與附圖1(a)完全相同，由于電路中兩個繞組是以自耦變壓器形式相連，因此稱它為單相自耦式電抗調節電路。
附圖1(c)是三相變壓器式電抗調節電路，它由A、B和C3個單相電抗調節電路公用一個鐵芯[3]和公用一個三相雙向電子開關[4]及其控制電路[5]組成，工作原理和附圖1(a)相同，3個電抗繞組[1]的6個端分別與3個需要調節三相電抗的電回路相連接，3個控制繞組[2]的6個端與1個三相雙向電子開關[4]相連接，或者與3個單相雙向電子開關相連接，3個控制繞組[2]可以連接成三角形、星形、或六端輸入形式。控制電路[5]控制著1個三相或3個單相雙向電子開關[4]的通斷比，調節通斷比就可調節三相鐵芯電抗中的3個繞組[1]的電抗和電抗壓降。
為了減少三相電抗器中控制繞組[2]的匝數和導線，和上述單相電路相類似，可將它的6個繞組連接成類似于自耦變壓器形式，附圖1(d)示出自耦式三相電抗調節電路。
本發明所使用的雙向電子開關[4]，可以是移相控制型、對稱角控制型、PWM脈寬控制型和SPWM正弦脈寬控制型，還可以根據需要在電路中加入諧波電流濾波電路。三相雙向電子開關[4]可使用整流電路兩個直流輸出端之間并聯一個直流斬控制器件組成。它只需使用一個斬控器件就可調節三相3個控制繞組中的感生電流達到同時調節三相電抗和電抗壓降，會使三相電抗調節電路簡化。
將本發明的單相和三相電抗調節電路與變壓器或自耦變壓器相串聯，并將輸出采樣引入控制電路[5]中，就可獲得應用本發明的多種交流穩壓器和電焊機專利產品。
具體實施方式
應用本發明的電抗調節電路與升壓自耦變壓器相串聯，并在電抗調節電路的控制電路[5]中引入輸出采樣，就能實現輸出電壓穩定，成為交流穩壓器。
本發明應用于單相交流穩壓器的優選結構之一是附圖2的實施例，由附圖2可知，日字鐵芯[3]上面的芯柱上繞有附圖1(a)的電抗調節電路的二個繞組，日字鐵芯[3]下面兩個芯柱上繞有升壓自耦變壓器的公共繞組[13]和升壓繞組[12]。電抗繞組[1]的[7]端與自耦變壓器輸入端[14]相接，電抗繞組[1]的[6]端和自耦變壓器輸入輸出公共端[11]之間輸入市電電壓U1，自耦變壓器兩個輸出端[10]和[11]輸出電壓U2。當市電U1為最低值時，雙向電子開關[4]全導通，電抗壓降接近零，U1經自耦變壓器繞組[12]升壓輸出U2。當市電從最低值逐漸升至最高值時，受輸出采樣調節的雙向電子開關[4]的通斷比逐漸減小，使電抗繞組兩端壓降逐漸增加，并使其所增加的電抗壓降等于市電上升電壓值，就可使輸出U2電壓不受市電U1變化影響而達到穩壓目的。它是一種將電抗調節連接在自耦變壓器輸入端的一種交流穩壓器。
根據需要還可將附圖2上的電抗調節電路的2個繞組繞在日字鐵芯下面的2個芯柱上，而將自耦變壓器的2個繞組繞在日字鐵芯上面1個芯柱上。
本發明應用于單相交流穩壓器的優選結構之二是附圖3的實施例。由附圖3可知，它是一種將電抗調節連接在自耦變壓器輸出端的交流穩壓器。日字鐵芯[3]的中間芯柱和左側芯柱分別繞自耦變壓器公共繞組[13]和升壓繞組[12]。日字鐵右側芯柱上繞附圖1(b)電抗繞組[1]和控制繞組[2]、升壓繞組[12]的[10]端與電抗繞組[1]的[7]端相連。市電U1經自耦變壓器升壓，再經電抗繞組[1]降壓輸出U2。附圖3中示出穩壓器空載，雙向電子開關[4]關閉時，繞組[1]，繞組[12]和繞組[13]上感應電壓的極性都是上正下負。在電抗繞組[1]上的感應電壓大于升壓繞組[12]的感應電壓時，調節雙向電子開關[4]的通斷比，就可無級調節電抗繞組[1]兩端的電壓。因而能使輸出電壓U2在輸入電壓U1上下連續無級調節，我們只要將輸出采樣引入到雙向電子開關[4]通斷比的調節就能獲得穩壓輸出，成為交流穩壓器。
附圖3中交流穩壓器，還可將繞組[13]上面的引出端改接到電抗繞組和升壓繞組相連接端。
上述幾種單相交流穩壓器，具有無觸點、結構簡單、成本低、可靠性高等優點，完全可以取代大部分觸點滑動調節和抽頭轉換調節的交流穩壓器。
本發明應用于交流焊機優選結構是附圖4和附圖5的實施例。它是高校弧焊電源教材中BX2型同體式弧焊變壓器的重大創新。使用本發明電抗調節方法替代陳舊機械調節方法。附圖4是將電抗調節放在焊接變壓器次級回路內調節雙向電子開關[4]的通斷比就可連續無級調節焊接電流。附圖5是將本發明的電抗調節串在焊接變壓器初級回路內。由于電抗串在初級回路會使焊接變壓器的引弧電壓降低。為解決這個問題，在附圖5中使用同一發明人設計的″帶交流電容的交流焊機″(專利號96245461.3)的專利技術。在附圖5中增加有交流升壓電容C。附圖4和附圖5的交流弧焊變壓器，完全克服了BX2型同體式弧焊變壓器所存在的機械振動大、小電流不穩、調節不方便等缺點。它既可適用大電流、又可適用小電流、調節方便，還可實現反饋調節以改善弧焊性能。它可取代現有大部分BX1、BX2、BX3弧焊變壓器。
本發明應用于三相交流穩壓器優選結構是附圖6的實施例。它是由三相電抗調節和三相升壓自耦變壓器串聯而成，三相電抗和三相變壓器使用同一個田字鐵芯[3]，田字鐵芯的左側日字鐵芯上繞三相升壓自耦變壓器6個繞組，右側日字鐵芯上繞三相電抗調節電路中的6個繞組。a1、b1、c1為三相交流輸入端，a2、b2、c2為三相穩壓輸出，三相輸出采樣引入三相雙向電子開關[4]的控制電路[5]來實現穩壓輸出。它與現有電機帶動碳刷調節的三相大功率補償式交流穩壓器相比，具有無觸點、可靠性好、調節迅速，成本低等優點。
本發明應用于三相整流式弧焊電源的優選結構是附圖7的實施例。由附圖7可知，它是由三相電抗器、三相變壓器、引弧壓電容C、橋式整流器和濾波電感組成。電抗器和變壓器使用同一個田字鐵芯[3]，鐵芯的左側日字鐵芯上繞有本發明三相電抗調節電路的每一相的兩個繞組。用三個雙向可控硅來調節三相電抗的電抗壓降使繞在右側日字鐵芯上的三相初級繞組的輸入電壓得到調節器，同時也使三相次組繞組和整流輸出直流電壓和電流得調節。它與2XG型三相磁放大式弧焊整流電源相比，其鐵芯數量就可減少六個，結構簡單，成本低是現有2XG型磁放大式弧焊整流電源的代替產品。
權利要求
1.一種電抗調節電路，它由電抗繞組[1]、控制繞組[2]、鐵芯[3]和雙向電子開關[4]及其控制電路[5]組成，其特征是電抗繞組[1]的兩端[6]和[7]與需要調節電抗和電抗壓降的外部電回路相連接，雙向電子開關[4]與繞組的連接方法有(a)雙向電子開關[4]與繞組[2]相并聯；(b)雙向電子開關[4]與控制繞組[2]和電抗繞組[1]相串聯的繞組相并聯，使用調節雙向電子開關[4]的通斷比來調節電抗繞組[1]兩端的電抗和電抗壓降。
2.根據權利要求1所述的三相電抗調節電路，它由3個電抗繞組[1]、3個控制繞組[2]、1個鐵芯[3]和1個三相雙向電子開關[4]及其控制電路[5]組成，其特征是三相雙向電子開關[4]能夠同時調節繞組中的感應電勢所產生的感生電流。
3.應用權利要求1所述的電抗調節電路制造的交流穩壓器，它主要由電抗調節電路和升壓自耦變壓器組成，其特征是電抗繞組[1]和自耦變壓器的公共繞組[13]相串聯的繞組連接在市電輸入[U1]兩端。
4.應用權利要求1所述的電抗調節電路制造的交流穩壓器，它主要由電抗調節電路和升壓自耦變壓器組成，其特征是電抗繞組[1]和自耦變壓器升壓繞組[12]相串聯的繞組連接在輸入和輸出的非公共端之間。
5.根據權利要求3和4所述的交流穩壓器，其特征是電抗調節電路中的電抗器與升壓自耦變壓器是使用同1個日字鐵芯[3]。
6.應用權利要求1和2所述的電抗調節電路制造的三相交流穩壓器，其特征是三相電抗鐵芯和三相升壓自耦變壓器鐵芯是使用同1個田字鐵芯[3]。
7.應用權利要求1所述的電抗調節電路制造的單相同體式弧焊變壓器，它主要由單相電抗調節電路和單相弧焊變壓器組成，其特征是電抗繞組[1]和弧焊變壓器次級繞組[12]相串聯，并且電抗鐵芯和變壓器鐵芯使用同1個日字鐵芯[3]。
8.應用權利要求1所述的電抗調節電路制造的單相同體式弧焊變壓器，其特征是電抗繞組[1]和弧焊變壓器初級繞組[13]相串聯，并且電抗鐵芯和弧焊變壓器鐵芯是使用同1個日字鐵芯[3]，有1個引弧升壓電容C，一端連在電抗繞組[1]和初級繞組[13]相連結的點上。
9.應用權利要求1所述的電抗調節電路制造的整流式直流弧焊電源，其特征是三相電抗調節電路中的3個電抗繞組[1]和三相整流變壓器的3個初級繞組相串聯，并且三相電抗鐵芯和三相變壓器鐵芯是使用同1個田字鐵芯[3]，使用3個單相雙向電子開關[4]，或使用1個三相雙向電子開關[4]調節輸出電流。
全文摘要
本發明的電抗調節電路屬于電力電子基礎電路，涉及用雙向電子開關調節電抗和電抗壓降的基本單元電路，它由電抗繞組[1]、控制繞組[2]、鐵芯[3]、雙向電子開關[4]及其控制電路組成，其特征是繞組與雙向電子開關相并聯，使用調節雙向電子開關通斷比的方法，來達到調節電抗和電抗壓降的目的。它可廣泛用于單相和三相交流穩壓器、節電器、電焊機、充電機、補償器和其他需要調節電抗的場合。應用于本發明的新型交流穩壓器，具有結構簡單可靠、無觸點、成本低、性能好等優點，可取代現有單相和三相交流穩壓器。應用本發明的電焊機，具有無機械振動、調節方便、結構簡單等優點，可取代現有BX
文檔編號H02P13/00GK1444334SQ0310873
公開日2003年9月24日 申請日期2003年3月25日 優先權日2003年3月25日
發明者龔秋聲 申請人:龔秋聲