一種超高速節(jié)能型交流穩(wěn)壓裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種超高速節(jié)能型交流穩(wěn)壓裝置，包括控制單元、電壓檢測(cè)單元、第一電子開關(guān)、第二電子開關(guān)、市電連接端和穩(wěn)壓電源輸出端，市電連接端與穩(wěn)壓電源輸出端之間的三相線路上依次串接有第一儲(chǔ)能電感、限流電阻、儲(chǔ)能電容以及第二儲(chǔ)能電感；各限流電阻兩端分別并接有可控開關(guān)；可控開關(guān)的控制輸入端連接控制單元；兩電子開關(guān)分別包括控制輸入端和三個(gè)電流輸入端，其中控制輸入端連接控制單元，第一電子開關(guān)的電流輸入端分別連接在限流電阻與儲(chǔ)能電容之間，第二電子開關(guān)的電流輸入端分別連接在儲(chǔ)能電容與第二儲(chǔ)能電感之間；電壓檢測(cè)單元的輸入端連接市電連接端，將檢測(cè)到的電壓信號(hào)輸出至控制單元；控制單元控制可控開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，以及第一電子開關(guān)和第二電子開關(guān)的導(dǎo)通和截止。
【專利說明】一種超高速節(jié)能型交流穩(wěn)壓裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及綜合電力電子控制、微電子、大功率器件設(shè)計(jì)及專用功率模塊設(shè)計(jì)等技術(shù)的穩(wěn)壓控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種適用于供電電壓不穩(wěn)定場(chǎng)所，能夠?qū)Σ环€(wěn)定電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的超高速節(jié)能型交流穩(wěn)壓裝置及其控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前我國的終端用電常處于電壓不穩(wěn)定狀態(tài)，我國《供電營業(yè)規(guī)則》規(guī)定供電電壓允許偏差為不超過額定值的±10%，而實(shí)際測(cè)量江蘇多地企業(yè)的用電電壓白天多在+10%左右波動(dòng)，考慮到功率和電壓是平方關(guān)系，如果用電電壓超壓10%，設(shè)負(fù)載的阻抗不變，實(shí)際功率將超過額定值20%。
[0003]為了避免電壓不穩(wěn)定帶來的電能損失，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)存在相應(yīng)的穩(wěn)壓產(chǎn)品，但是傳統(tǒng)的穩(wěn)壓產(chǎn)品多注重于穩(wěn)壓功能，本身卻要消耗電能。目前市場(chǎng)上尚無穩(wěn)壓同時(shí)還可節(jié)能的產(chǎn)品。已有的普通穩(wěn)壓器用在穩(wěn)壓節(jié)能方面存在多項(xiàng)缺陷:一是調(diào)壓速度慢，調(diào)壓時(shí)間> I秒，對(duì)于精密設(shè)備的快速反應(yīng)不能適應(yīng)；二是效率偏低，一般在95%左右，如果穩(wěn)壓節(jié)能5%，只夠本身消耗，而且空載時(shí)變壓器仍有耗電，可能還增加了用電量；三是消耗銅材、鋼材多，重量、體積很大。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型通過功率模塊及相應(yīng)控制架構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不穩(wěn)定電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到高速調(diào)壓的同時(shí)還能夠節(jié)能的目的。
[0005]本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為:一種超高速節(jié)能型交流穩(wěn)壓裝置，包括市電連接端和穩(wěn)壓電源輸出端，所述市電連接端與穩(wěn)壓電源輸出端之間的三相線路上依次串接有第一儲(chǔ)能電感、限流電阻、儲(chǔ)能電容以及第二儲(chǔ)能電感；
[0006]上述各限流電阻兩端分別并接有可控開關(guān)；
[0007]還包括控制單元、電壓檢測(cè)單元、第一電子開關(guān)和第二電子開關(guān)；可控開關(guān)的控制輸入端連接控制單元；第一電子開關(guān)和第二電子開關(guān)分別包括控制輸入端和三個(gè)電流輸入端，其中控制輸入端連接控制單元，第一電子開關(guān)的三個(gè)電流輸入端分別連接在三相線路中限流電阻與儲(chǔ)能電容之間，第二電子開關(guān)的三個(gè)電流輸入端分別連接在三相線路中儲(chǔ)能電容與第二儲(chǔ)能電感之間；電壓檢測(cè)單元的輸入端連接市電連接端以檢測(cè)輸入電壓，然后將檢測(cè)到的電壓信號(hào)輸出至控制單元；控制單元根據(jù)電壓信號(hào)控制可控開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，以及第一電子開關(guān)和第二電子開關(guān)的導(dǎo)通和截止。
[0008]本實(shí)用新型在應(yīng)用時(shí)，市電輸入的不穩(wěn)定電壓可被自動(dòng)調(diào)整為穩(wěn)定的交流穩(wěn)壓電源輸出給三相負(fù)載，穩(wěn)壓器自身耗能少，電壓調(diào)節(jié)迅速。
[0009]進(jìn)一步的，本實(shí)用新型還包括濾波單元，濾波單元由分別串接在穩(wěn)壓輸出端三相線路與公共端之間的濾波電容組成，可對(duì)輸出電壓中的高頻諧波進(jìn)行濾波。
[0010]更進(jìn)一步的，本實(shí)用新型中限流電阻皆為防浪涌熱敏電阻。第一電子開關(guān)SI和第~■電子開關(guān)S2為現(xiàn)有的占空比可調(diào)的聞速電子開關(guān)集成芯片，其具有用于調(diào)節(jié)占空比的端口即控制輸入端。電壓電流測(cè)量單元可利用現(xiàn)有的電壓電流測(cè)量電路，將測(cè)得的電壓電流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸給控制單元?？刂茊卧蛇x用現(xiàn)有的單片機(jī)，可控開關(guān)可利用繼電器輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，控制單元單片機(jī)控制繼電器線圈的通斷電，從而達(dá)到控制可控開關(guān)通斷的目的。通過電流電壓的測(cè)量，控制單元能夠判斷穩(wěn)壓器接入電源的狀態(tài)，從而控制可控開關(guān)在電源接入穩(wěn)壓器啟動(dòng)時(shí)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，并在一段時(shí)間后控制可控開關(guān)閉合，從而將限流電阻短路，避免其上的電能損耗。
[0011]對(duì)于上述超高速節(jié)能型穩(wěn)壓器進(jìn)行控制時(shí)，本實(shí)用新型對(duì)第一電子開關(guān)和第二電子開關(guān)的控制方法為:對(duì)市電連接端的輸入電壓進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)輸入電壓與既定的穩(wěn)定電壓進(jìn)行比較:
[0012]當(dāng)輸入電壓等于穩(wěn)定電壓，則將第一電子開關(guān)及第二電子開關(guān)的導(dǎo)通和截止占空比分別設(shè)置為50% ;且第一電子開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，第二電子開關(guān)為截止?fàn)顟B(tài)；
[0013]當(dāng)輸入電壓小于穩(wěn)定電壓，則將第一電子開關(guān)的占空比設(shè)置為大于50% ;且第一電子開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，第二電子開關(guān)為截止?fàn)顟B(tài)；
[0014]當(dāng)輸入電壓大于穩(wěn)定電壓，則將第一電子開關(guān)的占空比設(shè)置為小于50%,且第一電子開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，第二電子開關(guān)為截止?fàn)顟B(tài)。
[0015]本實(shí)用新型的有益效果為:區(qū)別于傳統(tǒng)穩(wěn)壓產(chǎn)品:無工頻變壓器，可以使效率提高、重量減輕從而改善性能；無逆變器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活，性能好；無可控硅，提高功率因數(shù)，減小諧波干擾。同時(shí)大幅度降低了穩(wěn)壓器自身的重量和尺寸，產(chǎn)品可應(yīng)用在所有的需要穩(wěn)壓的用電場(chǎng)合，特別是適合于小體積安裝的場(chǎng)合，將會(huì)給國家?guī)砭薮蠼?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1所示為本實(shí)用新型原理結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0017]圖2所示為本實(shí)用新型工作過程中一種工作通路示意圖；
[0018]圖3所示為本實(shí)用新型工作過程中另一種工作通路示意圖；
[0019]圖4所示為本實(shí)用新型工作過程中第三種工作通路示意圖；
[0020]圖5所示為本實(shí)用新型工作過程中第四種工作通路示意圖；
[0021]圖6所示為本實(shí)用新型控制方法中SI與S2的導(dǎo)通時(shí)序示意圖；
[0022]圖7所示為SI與S2的電路原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說明。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明的超高速節(jié)能型交流穩(wěn)壓裝置，包括市電連接端Us和穩(wěn)壓電源輸出端Uo，所述市電連接端Us與穩(wěn)壓電源輸出端Uo之間的三相線路上依次串接有第一儲(chǔ)能電感L1、L2、L3，限流電阻Rtl、Rt2、Rt3，儲(chǔ)能電容Cl、C2、C3，以及第二儲(chǔ)能電感L4、L5、L6 ;各限流電阻兩端分別并接有可控開關(guān)K1、K2、K3 ;還包括控制單元、電壓檢測(cè)單元、第一電子開關(guān)SI和第二電子開關(guān)S2 ;各可控開關(guān)K1、K2、K3的控制輸入端分別連接控制單元；第一電子開關(guān)SI和第二電子開關(guān)S2分別包括控制輸入端和三個(gè)電流輸入端，其中控制輸入端連接控制單元，第一電子開關(guān)Si的三個(gè)電流輸入端分別連接在三相線路中限流電阻Rtl、Rt2、Rt3與儲(chǔ)能電容C1、C2、C3之間，第二電子開關(guān)S2的三個(gè)電流輸入端分別連接在三相線路中儲(chǔ)能電容C1、C2、C3與第二儲(chǔ)能電感L4、L5、L6之間；電壓檢測(cè)單元可采用現(xiàn)有的電壓傳感器I及模數(shù)轉(zhuǎn)換器2實(shí)現(xiàn)，電壓檢測(cè)單元中的電壓傳感器I的輸入端連接市電連接端Us以檢測(cè)輸入電壓，然后將檢測(cè)到的電壓信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器2轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出至控制單元3，控制單元3可選用現(xiàn)有單片機(jī)等微型控制芯片；控制單元根據(jù)電壓信號(hào)控制可控開關(guān)K1、K2、K3的開關(guān)狀態(tài)，以及第一電子開關(guān)SI和第二電子開關(guān)S2的導(dǎo)通和截止。
[0025]穩(wěn)壓輸出端Uo三相線路與公共端之間還串接有濾波電容C4、C5、C6，組成濾波單元，以對(duì)輸出電壓中的高頻諧波進(jìn)行濾波。穩(wěn)壓輸出端Uo與公共端之間的三相線路上分別串接回路電阻Rl、R2和R3。
[0026]本發(fā)明在應(yīng)用時(shí)，市電輸入的不穩(wěn)定電壓可被自動(dòng)調(diào)整為穩(wěn)定的交流穩(wěn)壓電源輸出給三相負(fù)載，無需傳統(tǒng)的交流穩(wěn)壓裝置的變壓器和逆變電路，穩(wěn)壓器自身耗能少，電壓調(diào)節(jié)迅速。
[0027]實(shí)施例
[0028]限流電阻Rtl、Rt2、Rt3皆為防浪涌熱敏電阻。第一電子開關(guān)SI和第二電子開關(guān)S2可采用現(xiàn)有的占空比可調(diào)的高速電子開關(guān)集成芯片，其具有用于調(diào)節(jié)占空比的端口即控制輸入端。電壓電流測(cè)量單元可利用現(xiàn)有的電壓電流測(cè)量電路，將測(cè)得的電壓電流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸給控制單元?？刂茊卧蛇x用現(xiàn)有的單片機(jī)，可控開關(guān)K1、K2、K3可利用繼電器輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，控制單元單片機(jī)控制繼電器線圈的通斷電，從而達(dá)到控制可控開關(guān)通斷的目的。通過電流電壓的測(cè)量，控制單元能夠判斷穩(wěn)壓器接入電源的狀態(tài)，從而控制可控開關(guān)在電源接入穩(wěn)壓器啟動(dòng)時(shí)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，并在一段時(shí)間后控制可控開關(guān)閉合，從而將限流電阻短路，避免其上的電能損耗。
[0029]對(duì)本發(fā)明的超高速節(jié)能型穩(wěn)壓器中的第一電子開關(guān)和第二電子開關(guān)進(jìn)行控制的方法為:對(duì)市電連接端Us的輸入電壓進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)輸入電壓與既定的穩(wěn)定電壓進(jìn)行比較，此穩(wěn)定電壓可根據(jù)穩(wěn)壓器實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的電壓等級(jí)進(jìn)行人為確定，然后利用電壓比較器實(shí)現(xiàn)兩電壓值的比較結(jié)果輸出，比較結(jié)果輸出至控制單元單片機(jī)后，單片機(jī)即可根據(jù)比較結(jié)果控制電子開關(guān)的導(dǎo)通和截止；或者將輸入電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后輸入至單片機(jī)，與事先通過軟件寫入單片機(jī)的既定穩(wěn)定電壓進(jìn)行比較，進(jìn)而獲得比較結(jié)果，控制電子開關(guān)導(dǎo)通或截止，上述方法皆可利用現(xiàn)有軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
[0030]請(qǐng)參考圖7，本發(fā)明的電子開關(guān)S1、S2也可以采用圖示電路原理，各電子開關(guān)模塊由三組可關(guān)斷晶閘管GTO組成，GTO也可用IGBT或MCT、IGCT等現(xiàn)有可控功率器件替代。每組反向并接的可關(guān)斷晶閘管GTO中，6個(gè)GTO的門極1-6即為電子開關(guān)的控制端，對(duì)應(yīng)電子開關(guān)的端口①-⑥；GTO的剩余兩極一極用于分別連接三相線路中的一相，即端口⑦-⑨；另一極三組相接后接地，即端口⑩。對(duì)于圖7所示的電子開關(guān)，通過控制其中的6個(gè)GTO的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間從而調(diào)節(jié)占空比大小的方法為現(xiàn)有技術(shù)。
[0031]請(qǐng)參考圖6，本發(fā)明對(duì)電子開關(guān)的具體控制方法為:
[0032]當(dāng)輸入電壓等于穩(wěn)定電壓，則將第一電子開關(guān)及第二電子開關(guān)的導(dǎo)通和截止占空比分別設(shè)置為50% ；
[0033]當(dāng)輸入電壓小于穩(wěn)定電壓,則將第一電子開關(guān)占空比設(shè)置為大于50% ；
[0034]當(dāng)輸入電壓大于穩(wěn)定電壓，則將第一電子開關(guān)占空比設(shè)置為小于50% ；
[0035]且上述三種控制方法下，第一電子開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，第二電子開關(guān)為截止?fàn)顟B(tài)。
[0036]本發(fā)明的控制原理具體為:市電輸入端輸入的為不穩(wěn)定的三相電源電壓Us，限流電阻Rtl、Rt2、Rt3是現(xiàn)有專用的防浪涌熱敏電阻，用于在啟動(dòng)時(shí)防止電流過高，起到限流的作用，在啟動(dòng)結(jié)束后即通過控制單元控制可控開關(guān)K1-K3閉合使其限流電阻Rtl、Rt2、Rt3短路。SI和S2是現(xiàn)有的高速電子開關(guān)器件芯片，在三相電源電壓的一個(gè)0.02秒周期(工頻50赫茲)內(nèi)，SI和S2高頻導(dǎo)通或截止。
[0037]在SI的Tqn(導(dǎo)通)期間，同時(shí)S2截止，三相電源通過電感LpLyLdP SI形成回路，以A相回路為例，如圖2所示，此時(shí):
[0038]電源電壓Usi全部加在電感L1上，所以L1上的壓降為Usi，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可得:
[0039]Uhl = Usi = L1


Cll
[0040]經(jīng)過Tqn時(shí)間后，L1上的電流增量是: Α4ι(ον) - ~^~ Ton — D1
[0041](式中，A=I為SI占空比，Ts = T0N+T0FF為導(dǎo)通周期)。
[0042]而在SI的Tqff(截止)期間，同時(shí)S2導(dǎo)通，三相電源通過電感Lp L2、L3,電容(^、C2、C3和S2形成回路，以A相回路為例，如圖3所示，此時(shí):





/Vr
[0043]L1 上的壓降為:t/u =L Y -Usi=-L1-^-



CU
[0044]可得山=-UciUsl dt


厶I
[0045]經(jīng)過Tqff時(shí)間后，L1上的電流增量是:
[0046]Azu(off) - —~T0ff =.......-~SJ-(1 - D1 )TS
n 7ON
[0047](式中，A=7為SI導(dǎo)通的占空比，Ts = T0N+T0FF為導(dǎo)通周期)。

iS
[0048]根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件: ^zLl(ON) =|A^j(OFF)|
U、' Ur, - U,, ^ 、
[0049]可得:Di7s = ^-J^— (1 — Di )7s
l^x1jI
[0050]通過化簡(jiǎn)可得:Uci =①


丄一/,丨
[0051]進(jìn)一步的，考慮輸出環(huán)路，以A相為例:在下一個(gè)SI的TM(導(dǎo)通)期間，同時(shí)S2截止，SUCpL4和負(fù)載R1形成一個(gè)通路,如圖4所示，此時(shí):
[0052]L4 上的壓降為:UL4 = Uc1-U01
[0053]可得:Uia= O1- Uol — L4 ———


CU
[0054]經(jīng)過Tqn時(shí)間后，L4上的電流增量是:& L4(ON) = ~j^ ^ON ~ ~ ^ON






4
[0055]而在下一個(gè)SI的Tqff(截止)期間，同時(shí)S2導(dǎo)通，S2、L4和負(fù)載R1形成一個(gè)通路，如圖5所示，此時(shí):
[0056]L4 上的壓降為:Ul4 =U01
CU
[0057]經(jīng)過Tqff時(shí)間后，L4上的電流增量是:Δ/



L4(OFF) — Z^ ^OFF



乙4
[0058]由于在S2的導(dǎo)通和截止期間，電感L4上的電流不能發(fā)生突變，所以存在穩(wěn)態(tài)條件為:AZL4(ON) ~ |^L4(OFF)J
[0059]所以，^
-^4A

U(Tqn + ^OFF ) UcriTc^ U0]
[0060]解之可得:~=②
I ONI ONM
[0061](式中，A=^為SI導(dǎo)通的占空比，Ts = T0N+T0FF為導(dǎo)通周期)。

々S
[0062]將①式代入②式解得:
[0063]U01=MtZsi，式中 M=
I II DI
[0064]故當(dāng)D1 = 50%U01 = Usi
[0065]D1MO^時(shí)，Uqi > Usi
[0066]D1GO%時(shí)，U01 < Usi
[0067]換言之即:
[0068]當(dāng)輸入電壓等于穩(wěn)定電壓時(shí)，將D1設(shè)置為等于50%，即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓；
[0069]當(dāng)輸入電壓小于穩(wěn)定電壓時(shí)，將D1設(shè)置為大于50% ,即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓；
[0070]當(dāng)輸入電壓大于穩(wěn)定電壓時(shí)，將D1設(shè)置為小于50% ,即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。
[0071]D1S置的具體值可以通過檢測(cè)當(dāng)前的輸入電壓，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值或者實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置，只需滿足上述設(shè)置條件即可。
[0072]采用本發(fā)明的穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)及控制方法，無需采用傳統(tǒng)變壓器或逆變器，只需通過改變的高速電子開關(guān)SI和S2的占空比，即可使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定電壓，且電子調(diào)速比機(jī)械調(diào)速更快、更準(zhǔn)，重量更輕。
【權(quán)利要求】
1.一種超高速節(jié)能型交流穩(wěn)壓裝置，包括市電連接端和穩(wěn)壓電源輸出端，其特征是，所述市電連接端與穩(wěn)壓電源輸出端之間的三相線路上依次串接有第一儲(chǔ)能電感、限流電阻、儲(chǔ)能電容以及第二儲(chǔ)能電感； 上述各限流電阻兩端分別并接有可控開關(guān)； 還包括控制單元、電壓檢測(cè)單元、第一電子開關(guān)和第二電子開關(guān)；可控開關(guān)的控制輸入端連接控制單元；第一電子開關(guān)和第二電子開關(guān)分別包括控制輸入端和三個(gè)電流輸入端，其中控制輸入端連接控制單元，第一電子開關(guān)的三個(gè)電流輸入端分別連接在三相線路中限流電阻與儲(chǔ)能電容之間，第二電子開關(guān)的三個(gè)電流輸入端分別連接在三相線路中儲(chǔ)能電容與第二儲(chǔ)能電感之間；電壓檢測(cè)單元的輸入端連接市電連接端以檢測(cè)輸入電壓，然后將檢測(cè)到的電壓信號(hào)輸出至控制單元；控制單元根據(jù)電壓信號(hào)控制可控開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，以及第一電子開關(guān)和第二電子開關(guān)的導(dǎo)通和截止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高速節(jié)能型交流穩(wěn)壓裝置，其特征是，還包括濾波單元，濾波單元由分別串接在穩(wěn)壓輸出端三相線路與公共端之間的濾波電容組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高速節(jié)能型交流穩(wěn)壓裝置，其特征是，所述限流電阻皆為防浪涌熱敏電阻。
【文檔編號(hào)】G05F1/12GK204009642SQ201420496596
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】劉旭明, 謝東藩 申請(qǐng)人:金陵科技學(xué)院