带无级调压消弧开关的大功率功率补偿稳压调容交流电源的制作方法
【专利摘要】带无级调压消弧开关的大功率功率补偿稳压调容交流电源。本发明主要应用于需要电压无级或有级调节的，有稳压、调容、无功补偿要求的阻性、阻感性交流负载系统中。当电网二次电压需要调节时系统即可无级调压，也可有级调压，具有调压、调容的功能；当电网电压需要恒定时，在电网电压任意波动的情况下，可以高速维持电网二次侧电压恒定，具有稳压、增容、功率因数调整的功能，最重要的是消除传统的功率因数调整中的马太效应。有自动化高，谐波低，节能，免维护的特点。有级调压时输出电压波形为正弦波。无级调压时电压波形在任意周波内由连续的正弦波周波片段组成，电压波形连续，调压范围小时近似正弦波。调压范围在0-100%之间。
【专利说明】带无级调压消弧开关的大功率功率补偿稳压调容交流电源
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电压可平滑无级调节且电压电流波形连续无中断区间，在阻性、阻感性、阻容性交流系统中应用的可功率因数调整的新技术。本发明技术原理是在一个电压的连续正弦波(串变调压变压器的主变输出波形，电压值固定)的任意周波上迭加另一个(或数个)同步率电压可调节的(由交流调压器调节)通断的正弦波周波(串变调压变压器的串变输出波形，此电压高低由通断比决定)进行合成，合成的电压可以是连续有级调压(由串变调压变压器三次侧开关代替交流调压器调节或两者共同调节控制时，输出波形为正弦波)，也可以是平滑无级调压(由交流调压器控制时，输出电压波形连续类似正弦波即任意周波内均由电压陡升陡降的连续正弦波段组成，连续正弦波段一般由一个完整的正弦波周波上再迭加间断的正弦波周波片断组成，波形曲线象正弦波一样有电压过零点，无电压过零点区间，脉动系数小)，调压范围可在0-100%之间。当本专利技术用在需要稳压的系统中时可在串联合成电压的输出端口(见图11-15)并联电容器组进行功率因数调整的技术。具有容量补偿、增容、稳压、无级调压、功率因数调整、变压器免维护、可自动控制功能。如应用于需变压器调容，电压不稳，电压需无级调节且对波形要求精度较高，功率因数低，节能，免维护，需要使用高速响应、无弧、无触点化变压器分接开关的防火、防电弧放电的电气设备等系统中。
[0002]本发明可以把交流调压器当作无级调压分接开关使用，或与变压器有级分接开关配合使用，两者也可单独使用。应用于电压即可连续有级调节又可平滑无级调节、特别是要求电压波形连续无中断区间的阻性、阻感性、阻容性交流负载系统中。由于本发明原理是在一个连续正弦波上迭加一个间断正弦波进行电压连续调节的，输出波形比较接近正弦波，达到对设备的影响降到最低，因此在阻性、阻感性、阻容性交流负载系统中应用可以实现电压平滑无级、宽范围、连续性调节，具有易于实现设备自动化、功率因数高、损耗低、谐波小、电压无中断区间、电流连续的特点。
[0003]本发明还可应用于:即可以用低电压去控制高电压的平滑无级电压调节，也可用高电压去控制低电压的平滑无级电压调节即把交流调压器做高速响应、无触点化变压器分接开关使用。如用0.38KV电压去控制220KV电压等级的电压平滑无级调节(采用升压串变调压变压器)，如调压范围小，波形接近正弦波。
[0004]本发明具有防火，节电，增大变压器容量，减小设备投资，减小电压波动与闪变，减少系统所需无功功率，提高系统自身功率因数的显著效果。
[0005]本发明解决了原有交流调压器调节电压时，电压电流波形中断点区间长，过零点次数多，电压电流时断时续，电压波动大，不连续电流造成断弧起弧次数过多，功率输入时断时续，造成谐波大、闪变过大、不连续燃弧、断弧起弧次数过多的重大问题。
[0006]本技术对阻性、阻感性交流负载系统中实现对电压、电流、功率调节自动(计算机)控制的目标具有重要意义。
【背景技术】[0007]现阶段，当对阻性、阻感性、阻容性交流负载系统的电压、电流、功率进行无级平滑调节时主要是由交流调压器串接在变压器的一次侧或二次侧完成的。调压原理是对变压器输出的交流正弦波由交流调压器进行控制，通过开通几个周波再关断几个周波或在周波内断开一部分至几部分正弦波的区段的办法调节电压电流，输出电压波形是断续的正弦波，调压是通过改变通断比来实现的。
[0008]交流调压器的控制方式有三种:整周波通断控制，相位控制，斩波控制。要整周波通断控制方式中，晶闸管是作为交流开关使用的，它把负载与电源接通几个周波再断开几个周波，通过改变通断比来改变改变负载上电压有效值。相位控制时,在电源电压上下半波的某一个 u相位时刻分别触发导通正反向晶闸管，负载上得到的是缺了一部分的正弦交流电压，改支拦制角即可改变所缺部分的大小从而达到调压的目的。斩波控制方式中，晶闸管要带有强迫关断电路或采用电力晶体管等能自判断的元件，在电源电压的每个周波中开关元件多次通断，把一个正弦波斩波成多个脉冲段加到负载上，改变斩波的通断比即可实现调压。相位控制交流调压又称相控调压，是交流调压中基本控制方式，应用最广。
[0009]由以上可知，原有交流调压器调压时产生电压零点区间长，过零点次数多，电压电流时断时续，造成电压波动大，不连续电流造成断弧起弧次数过多，功率输入时断时续，谐波大。
[0010]交流调压器是通过改变电压波形来实现调压的，因此输出的电压波形不再是完整的正弦波，谐波分量较大，但其基波分量仍是通过电源电压同频率的交流电，因此可以认为交流调压器只变换了交流电的电压，而没有改变交流电的频率。
[0011]由于交流调压器调压时产生电压零点区间长造成谐波大、闪变过大、不连续燃弧、断弧起弧次数过多、电压电流时断时续。电弧稳定性差影响设备的产量和质量，易使变压器和负载产生内部过电压，对变压器、开关、电机等负载的绝缘产生不利影响，影响其使用寿命，增大能耗，造成电阻、电感性、电容性负载等相关设备输入功率不均衡的重大问题。
[0012]交流调压器容量(KVA) =所选用电力电子元器件如晶闸管的正常工作所需电压有效值(V) X所选用电力电子元器件如晶闸管的正常工作所需电流有效值(A) / 1000。
[0013]交流调压器驱动容量(KVA)=所带负载正常工作电压有效值(V) X所带负载正常工作电流有效值(A) / 1000。
[0014]交流调压器驱动比=交流调压器控制容量(KVA) /交流调压器驱动容量(KVA)。此值越低成本越低，效率越高。
[0015]现阶段，一般的交流调压器控制容量大于交流调压器的驱动容量。负载功率越大，所需交流调压器的驱动容量越大，则所需电子元件的电压、电流有效值越大。在现有技术条件下，电力电子元件的电压、电流有效值是有限的。在高电压、大电流、大容量负载上，需要的电力电子元件靠串并联解决，成本越来越大，技术难度是越来越大，广大用户无法承担的。随着经济高速发展，各种用电设备向着高电压、大容量方向发展，因此急需一种用小容量、低电压、小电流的交流调压器去控制高电压、大容量、大电流变压器或其他负载的无级调压。
[0016]随着现代工业的迅猛发展，用电设备的容量越来越大，相关设备均向着高电压大容量发展。同时一些用电设备对电压、电流波形精度要求越来越高，对相应的稳压技术要求也越来越高。
[0017]首先，上述用电设备经常出现短路，空载，瞬时过负荷等瞬变状态，造成电流极不稳定，导致电压大幅度波动，闪变越来越大，使设备汲取的有功功率减少，母线电压下降严重，设备无法正常使用。电流的突然中断，易使变压器绕组产生内部过电压，对变压器、开关等电气设备的绝缘产生不利影响，影响其使用寿命，增大能耗。
[0018]其次，负载变化大的用电设备，容量越大，短网电抗的相对值变化越大，功率因数忽升忽降，导致增大电源容量，给系统带来更大电压波动，并增大能耗。
[0019]再次，在电压下降严重、影响用电设备使用的主要原因有电网传输路线过长、设备无功大、变压器容量过小、变压器负载等级高瞬间过负荷严重、设备谐波大。
[0020]传统的功率因数调整是在变压器的一次侧或二次侧并联电容器组的方法，但这种方法有无法克服的缺陷。当负载较小一次或二次电网电压高时，电容两端电压升高，电容容量以平方关系升高，功率因数升高，促使一次或二次电网电压更高。当负载较大电网电压低时，电容器两端电压降低，电容器容量以平方的关系迅速下降，功率因数也以平方的关系下降，造成一次或二次电网电压更低，恶性循环的结果是系统电能质量受到严重影响，我们可以把这叫传统功率因数调整的马太效应。
[0021]因此上述原因都造成电网负荷功率因数下降，电压质量差劲。为稳定电压，降低能耗，减少谐波，提高功率因数，增加有功功率，提高其电气性能，提高生产效率，采用改进型并联电容器调功率因数的新技术是当务之急。
[0022]综上所述，目前急需一种可稳压的，低成本，调压范围大，可平滑无级调压(波形连续且接近正弦波)，也可有级调压(正弦波)，输出电压电流连续，可快速调整变压器容量，改变传统并联电容器调整功率因数的新技术。本发明人据此发明了带无级调压消弧开关的大功率功率补偿稳压调容交流电源(以下简称大功率交流稳压电源)的新技术。
【发明内容】
[0023]带无级调压消弧开关的大功率功率补偿稳压调容交流电源的发明目的:当电网二次电压需要调节时系统即可无级调压，也可有级调压(此时大功率交流稳压电源只能由交流调压器与串变调压变压器组成)，具有调压、调节变压器容量的功能；当电网电压需要恒定时，在电网电压任意波动的情况下，可以高速维持电网二次侧电压恒定(此时大功率交流稳压电源由交流调压器、串变调压变压器、电容器组组成，也可由交流调压器与串变调压变压器组成，视是否需功率因数调整而定)，具有稳压、增容、功率因数调整、节能的功能，最重要的是消除传统的功率因数调整中的马太效应。
[0024]本发明又一目是实现交流调压器调压时输出电压连续无级平滑可调，波形连续且可以接近正弦波的技术。
[0025]本发明又一目的是使输出电压可连续有级调压(输出波形为正弦波)、也可以是平滑无级调压(输出电压波形连续无断点比较接近正弦波，调压范围越小越接近正弦波)。当两者结合使用时调压范围更宽，谐波更小，波形更接近正弦波。
[0026]本发明又一目的是用小容量、低电压、小电流的交流调压器去控制高电压、大容量、大电流负载的无级调压，并使交流调压器电压、电流可以自由选择，交流调压器容量只与调压范围有关，与所调压的负载电压、容量无关。[0027]本发明又一目的是对晶闸管等电力电子控制元件进行相控调压稳流、控制输入功率和投切功能的控制比较容量，响应速度快，因此可以实现自动(计算机)控制的目标也可人工控制的目标。
[0028]本发明又一目的是解决交流调压器调压时由于开关元件在每个周波均有通断，是通过改变电压波形来实现调压的，因此产生电压零点区间长，电压是断续的，在电网上造成谐波，闪变过大，在负载上造成不连续燃弧、断弧、起弧次数过多、电压电流时断时续的问题。
[0029]本发明又一目的是解决在交流调压器调节控制负载系统时引起电压波动与闪变的问题。
[0030]本发明又一目的是当交流调压器与串变调压变压器三次侧开关配合使用时，在串变调压变压器规定的电压范围和功率范围内，本系统可做通用型电压可平滑调节的大功率交流电源，即在一定容量范围内、一定电压范围内的电气设备均可使用。
[0031]本发明又一目的是把交流调压器当作高速响应、无触点化变压器分接开关使用。应用于有防火要求、防止开关电弧放电要求的设备中。当与变压器普通分接开关两者结合使用时调压范围更宽，谐波更小，波形更接近正弦波。
[0032]原有交流调压器调压是通过开通几个周波再关断几个周波或在周波内断开一部分至几部分正弦波的区段的原理形成，输出电压波形是断续的正弦波，调压是通过改变通断比来实现的。产生电压在零点区间长，过零点次数多，电压电流时断时续，造成谐波、电压波动大，不连续电流造成断弧起弧次数过多，功率输入时断时续的问题。据其存在的问题，本发明专利技术是采用在一个连续正弦波上迭加一个由交流调压器调压的间断正弦波进行电压连续调节的，合成波形比较接近正弦波，以达到波形对设备的影响降到最低。
[0033]所述带无级调压消弧开关的大功率功率补偿稳压调容交流电源由交流调压器(当不需无级调压时，此由变压器开关代替)、串变调压变压器、并联电容器组组成；其特征是在一个固定电压绕组上串接另一个(或数个)由交流调压器控制或由变压器开关控制或由两者共同控制的电压可调节的绕组，串接的绕组电压可正可负，容量调整、调压范围可在0-100%之间；并在两串联电压的输出端口并联电容器组进行功率因数调整。
[0034]所述交流调压器是指把两个晶闸管或其他电力电子元件反并联(也可用双向晶闸管代替)后串联在交流电路中，通过对晶闸管或其他电力电子元件的控制就可以控制交流输出。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。由其组成的单三相电路即交流调压器。也就是由晶闸管等电力电子元件构成的把一种交流电变成另一种同步率不同电压交流电的控制装置。交流调压器按其所调控的相数不同可分为单相交流调压器及三相交流调压器。交流调压器控制方式主要为在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制可以方便地调节输出电压的有效值，或控制晶闸管的时刻都是在电源电压过零的时刻，也可以在每个交流电源周期都通过触发延迟角α对输出电压波形进行控制，在突发情况下也可能以采用通断控制的交流电力控制电路，即当做交流调功电路和交流无触点开关使用。通常控制晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零的时刻，这样，在交流电源接通期间，负载电压电源都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。
[0035]在任意形式的变压器电源(采用交流调压电路串接在变压器的一次侧或变压器的二次侧)中，采用交流调压电路调节变压器一次电压，在这些电源中如果采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控电源可以很多晶闸管串联。也可以用交流调压电路调节变压器二次电压，低电压大电流电源可以很多晶闸管并联。但此时电压和电流是非连续性的，波形是断续的。
[0036]所述串变调压变压器的特征为串变调压变压器即由两台变压器组成，一台为主变压器(简称主变)，一台为串联变压器(简称串变)，两台变压器(无论需要或不需要利用设置在主变压器上的单独调压绕组给另一台变压器一次侧供电)的二次绕组串联在一起，主变二次绕组电压恒定，交流调压器调节串变二次绕组电压，致使串联在一起的两个二次绕组电压发生改变，从而改变主、串变二次绕组的合成电压。
[0037]所述串变调压变压器凡在二次绕组端连接成串变调压变压器的调压原理形式，无论由几台变压器在二次侧串联也属于本专利定义的串变调压变压器形式。
[0038]所述串变调压变压器主变和串变两二次侧线圈可以设计为首尾相连直接串联成一相的串接结构(非8字型线圈结构)。
[0039]所述串变调压变压器两二次侧线圈可以设计为8字型线圈结构。此方案结构简单，紧凑，占地面积小。
[0040]所述串变调压变压器的特征为两同相二次侧绕组串联后形成单相，当需三相时，主串联变压器两二次侧绕组可设计成任意联结组别。
[0041]所述串变调压变压器的特征为两同相低压绕组串联后形成一相，当需三相时，主串联变压器两低压绕组可设计成延边三角形联结组结构，如应用于在原有变压器上进行本技术的改造时有重大功效。
[0042]所述串变调压变压器的特征还可以是其他变压器形式，如单器身变压器、前置自耦调压变压器的变压器等也可产生相同功能，但与串变调压变压器相比电压电流连续性差，电压电流波形有中断区间。
[0043]所述本发明专利主要技术方案采用交流调压电路串接在串变调压变压器三次侧(主变调压线圈和串变一次侧线圈均可叫三次侧)，当串接在三次侧时交流调压电路其电压、电流值都比较适中，这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。特别是串变调压变压器主变二次侧恒电压，波形是标准的正弦波，交流调压器调整三次侧电压时串变二次侧输出电压波形是断续的正弦波，调压是通过改变串变电压的通断比来实现的，总输出电压是两电压迭加关系，总输出电压波形是一个标准正弦波迭加一个(或数个)断续的同步率正弦波周波片断。则过零点波形与普通电源电压过零点相同，解决了交流调压器对普通变压器或电源相控时有电压中断区间引起电压波动、电流不连续的问题。因电压调节的是串变二次侧，所以整周波通断，相位控制，斩波控制均可以采用。
[0044]所述串变调压变压器低压电压输出表达式:
U = U1IU2
式中:
U-串变调压变压器二次侧输出电压(V)；
U1-串变调压变压器主变压器二次侧电压(V)；
U2-可调节的串变调压变压器的串变二次侧电压(V)。
[0045]所述本发明方案的交流调压器的驱动容量=串变调压变压器总容量。
[0046]所述本发明方案的交流调压器的容量=串变调压变压器中的串变容量乘以一个大于I的固定系数。
[0047]所述一般类型的串变调压变压器的串变容量=变压器总容量X调压范围百分比X 50%。故交流调压器只需控制串变容量就可以控制整个串变调压变压器总容量，改变串变电压就可改变整个串变调压变压器总容量的输出电压。即使调压范围在100%，串变容量也只是变压器总容量的一半，而且串变高压电压在原理上可以任意设定，这也可以说交流调压器的电压、电流组合可以任选，便于选择一个安全系数高、成本低的交流调压器。
[0048]所述三相交流调压器在阻感性负载中，由于电感的作用使电压过零时电流并未过零，因此串变调压变压器低压电压在阻感性负载中晶闸管导通角不但与控制角有关，而且与负载的阻抗角有关，同时还要考接线方式的特点，因此定量分析比较困难，只能采用监测调整的方法。下面只给出输出电压估算公式，虽非准确，但可看出调整方向:
【权利要求】
1.一种在一个恒定电压的正弦波上迭加另一个(或数个)由交流调压器进行电压调节的波形有间断的正弦波的电压合成和功率调节技术，即在一个固定电压上迭加一个(或数个)大小可连续调节的电压，合成电压可以平滑无级调压(输出电压波形连续类似正弦波即任意周波内均由电压陡升陡降的连续正弦波段组成，连续正弦波段一般由一个完整的正弦波周波上再迭加同步率的间断的正弦波周波片断组成，波形曲线象正弦波一样有电压过零点，无电压过零点区间，脉动系数小)，调压范围可在0-100%之间的大功率交流稳压电源系统；当本专利技术用在需要稳压的系统中时，可在串联合成电压的输出端口(见图11-15)并联电容器组进行功率因数调整；大功率交流稳压电源包括交流调压器、串变调压变压器，并联电容器组组成；应用于需要无功补偿的、需稳压的、电压需有级或无级调压的、要求电压波形连续无中断区间的、需变压器调容的、需要防火、需要防开关电弧放电的阻性、阻感性、阻容性交流负载系统中，还能应用于各种电力系统无功调节，电压需有级或无级调压的灯光调节、交流电机调速、电机起动、电炉冶炼(加热)等系统中；交流调压器也可当作高速响应、无触点化变压器分接开关使用。
2.由权利I所述的串变调压变压器的特征为由两台变压器组成，一台为主变压器(简称主变)，一台为串联变压器(简称串变)，两台变压器(无论需要或不需要利用设置在主变压器上的单独调压绕组给另一台变压器一次侧绕组供电)的二次绕组串联在一起，主变二次绕组电压恒定，串变二次绕组电压变化，致使串联在一起的两个二次绕组电压发生改变，从而改变主、串变二次绕组的合成电压。
3.由权利2所述串变调压变压器其调压原理特征可知凡在二次端连接成串变调压变压器的调压原理形式或者由两个及以上大小变化的电压合成一个电压，无论由几台变压器在二次侧串联也属于本专利定义的串变调压变压器形式。
4.由权利2所述串变调压变压器的特征为两同相低压绕组串联后形成单相低压绕组(可以采用首尾联接结构也可采用8字型线圈结构)，当需三相时，串联调压变压器低压绕组可设计成任意联结组别(包括延边三角形)。
5.由权利I所述交流调压器的特征为采用交流调压电路串接在串变调压变压器三次侧，把交流调压器当作高速响应、无触点化变压器分接开关使用。
6.由权利I所述并联电容器组的特征为电容器组并联在串变调压变压器二次出线的端口处。
7.由权利6所述电容器组的特征为可以是单独由电容器组成单相，三相结构。
8.由权利6所述电容器组的特征为可以是由电感串联电容器组成单相，三相结构，采用机械或晶闸管控制投切功能；也可以是静止无功补偿装置(SVC)，包括晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)，以及两者的混合装置(TCR+TSC)，或者晶闸管控制电抗器(TCR)与固定电容器(FC)或机械投切电容器(MSC)混合使用的装置(TCR+MSC)等；变压器的其他补偿方式如有源补偿方式此不全部列出。
9.由权利I所述大功率交流稳压电源包括交流调压器、串变调压变压器，并联电容器组组成；也可由交流调压器、串变调压变压器组成，用在电网二次电压需要调节系统中，成为可调容、可无级调压功能的交流电源，同时也具有稳压功能；也可由串变调压变压器、并联电容器组组成，用在当电网电压需要恒定的系统中，成为具有无功补偿、稳压、增容的交流电源。
10.由权利I所述并联电容器组的特征可以是交流调压器与电容器组串联组合后，并联在某一电压端口，具有在网络端口电压变化的情况下并联电容器的功能，由交流调压器调压维持电容器两端电压基本恒定。
【文档编号】H02J3/16GK103762598SQ201310727548
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2013年12月26日
【发明者】孙崇山 申请人:孙崇山