專利名稱：高效寬域級數(shù)疊加式交流穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種高效寬域級數(shù)疊加式交流穩(wěn)壓器，由一組變壓器及控制裝置組成。其中各變壓器之間的關(guān)系是按級數(shù)排列的，由微電腦控制切換，使其按照正弦電壓矢量的疊加原理投入運(yùn)行。
由于供電電源電壓不穩(wěn)定，使許多電器不能正常工作。為解決這一普遍性的同題，便有了各種交流穩(wěn)壓器。這些交流穩(wěn)壓器主要有以下幾種1.變壓器抽頭式交流穩(wěn)壓器它是由電子線路控制繼電器切換交流變壓器的抽頭而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的。它具有效率高、波形失真小等優(yōu)點(diǎn)。但存在電壓不能連續(xù)調(diào)節(jié)，抗干擾能力差，以及繼電器觸點(diǎn)的存在使可靠性下降等缺點(diǎn)。
2.自動調(diào)壓器式交流穩(wěn)壓器這種穩(wěn)壓器采用電子線路控制伺服電動機(jī)來驅(qū)動自耦調(diào)壓器的碳刷實(shí)現(xiàn)自動調(diào)壓。這種穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)了電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，具有穩(wěn)壓精度高、效率高、失真小等優(yōu)點(diǎn)。但存在反應(yīng)速度慢，電刷磨損并產(chǎn)生火花，使抗干擾能力和可靠性都受到較大的影響。
3.磁飽和式交流穩(wěn)壓器它利用飽和電抗器與相應(yīng)電容器組合后給定的伏安特性而制成的交流穩(wěn)壓器。具有簡單可靠，且有過載保護(hù)能力等優(yōu)點(diǎn)。但存在體積大，效率低，波形失真大等缺點(diǎn)。
4.磁放大式交流穩(wěn)壓器這種交流穩(wěn)壓器是把磁放大器與自耦變器結(jié)合起來，通過改變磁放大器的阻抗而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的。具有穩(wěn)壓精度高、波形失真小等優(yōu)點(diǎn)。但存在效率低，可靠性差等缺點(diǎn)。
5.交流參數(shù)穩(wěn)壓器它與磁飽和式交流穩(wěn)壓器的區(qū)別在于磁路結(jié)構(gòu)的不同，但其基本原理是相同的。它具有穩(wěn)壓范圍寬，精度高、輸出失真小、可靠性高且具有過載保護(hù)能力等優(yōu)點(diǎn)。但存在體積大、價(jià)格高、效率較低等缺點(diǎn)。
本實(shí)用新型提供一種交流穩(wěn)壓器，它兼有穩(wěn)壓范圍寬、精度高、效率高、體積小、輸出失真小、可靠耐用等優(yōu)點(diǎn)，并具有智能性的過載保護(hù)功能。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的1.一組變壓器B1，B2，……，Bx，其二次側(cè)的輸出電壓Uo1，Uo2，…，Uox則被設(shè)計(jì)成按二進(jìn)制級數(shù)排列。并要求每個(gè)變壓器二次側(cè)的額定輸出電流是相同的。即該變壓器組中前級變壓器的二次側(cè)輸出電壓是與其相鄰的后級變壓器二次側(cè)輸出電壓的一半。
在具體實(shí)例中，x＝4。其一次側(cè)輸入電壓設(shè)計(jì)為Ui1＝Ui2＝Ui3＝Ui4＝220V。二次側(cè)的輸出電壓依次為Uo1＝6V，Uo2＝12V，Uo3＝24V，Uo4＝48V。各變壓器的容量分別為Wb1＝50VA，Wb2＝100VA，Wb3＝200VA，Wb4＝400VA；它們的變比分別是Kb1＝0.025，Kb2＝0.05，Kb3＝0.1，Kb4＝0.2；都是按二進(jìn)制級數(shù)排列的。
2.將供電電壓輸入端與該變壓器組中每個(gè)變壓器的二次側(cè)的輸出端串聯(lián)。按照正弦電壓矢量的疊加原理，將供電電壓Uin與變壓器B1，B2，……，Bx二次側(cè)的輸出電壓串聯(lián)，產(chǎn)生該穩(wěn)壓器的輸出電壓Uout，即Uout＝Uin＋Uo1＋Uo2＋…＋Uoi＋…＋Uox由此可見，其穩(wěn)壓精度為Uo1/2。當(dāng)0＜i＜x＋1時(shí)(i，x都是整數(shù))，上式中各項(xiàng)間存在如下關(guān)系
Uoi＝Kbi*(Uin＋Uo1－Jo2＋…＋Uoi-1)(注本說明書中的符號"*"為乘號；符號"/"為除號)在具體實(shí)例中，x＝4。則Uo1＝Uin*Kb1＝0.2*UinUo2＝(Uin＋Uo1)*Kb2＝0.12*UinUo3＝(Uin＋Uo1＋Uo2)*Kb3＝0.066*UinUo4＝(Uin＋Uo1＋Uo2＋Uo3)*Kb4＝0.03465*Uin那么，該穩(wěn)壓器的輸出電壓Uout＝Uin＋Uo1＋Uo2＋Uo3＋Uo4＝Uin*(1＋0.2＋0.12＋0.066＋0.03465)＝1.42065*Uin可求出，當(dāng)Uout＝220V時(shí)Uin＝Uout/1.42065＝154.8V若允許Uout的下限值為200V，則Uin的下限值Uin＝Uout/1.42065＝140.8V3，通過對變壓器組B1，B2，……，Bx一次側(cè)輸入電壓Ui1，Ui2，……，Uix的控制，使其二次側(cè)輸出電壓Uo1，Uo2，……，Uox以不同的組合與供電電壓Uin相疊加，補(bǔ)償輸入電壓Uin的波動，產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓Uout。從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。
4.由于采用正弦電壓矢量的疊加的原理，則該交流穩(wěn)壓器的效率η取決于輸入電壓Uin與輸出電壓Uout之間的電壓差和變壓器組中各變壓器的效率ηBiη＝1－|(Uout－Uin)/Uout|＋ηBi*|(Uout－Uin)/Uout上式中ηBi是變壓器組中第i個(gè)變壓器的效率。
若變壓器組中各變壓器的效率為ηBi＝0.9，則當(dāng) |(Uout－Uin)/Uout|＝10％時(shí)穩(wěn)壓器的效率η＝(1－0.1)＋(0.1*0.9)＝0.99＝99％當(dāng) |(Uout－Uin)/Uout|＝20％時(shí)穩(wěn)壓器的效率
η＝(1－0.2)＋(0.2*0.9)＝0.98＝98％當(dāng) |(Uout－Uin)/Uout|＝30％時(shí)穩(wěn)壓器的效率η＝(1－0.3)＋(0.3*0.9)＝0.97＝97％當(dāng) |(Uout－Uin)/Uout|＝40％時(shí)穩(wěn)壓器的效率η＝(1－0.4)＋(0.4*0.9)＝0.96＝96％本實(shí)用新型與已有技術(shù)比較其優(yōu)點(diǎn)是1.把二進(jìn)制級數(shù)逐步近似的特點(diǎn)與正弦矢量的疊加原理結(jié)合，使其既有比變壓器抽頭式交流穩(wěn)壓器還高的效率，又可達(dá)到其它各類穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓精度。
2.變壓器組投入組合的變化采用在一次側(cè)控制的方式，具有控制電流小，觸點(diǎn)切換時(shí)無火花的優(yōu)點(diǎn)。又因?yàn)槠涠蝹?cè)各繞組串接且其間無觸點(diǎn)切換，因此該交流穩(wěn)壓器具有可靠耐用的優(yōu)點(diǎn)。
3.由于變壓器組二次側(cè)各繞組串接，其等效電感L與電容C1，C2，……，Cx組成大功率低通濾波器，有效地抑制各種干擾，對輸出電壓起到了靜化作用。
4.由于采用了電腦控制，在出現(xiàn)過壓，欠壓，過流等故障時(shí)，具有智能性的延時(shí)動作。
5.也可使用雙向可控硅作為切換變壓器組投入的器件，應(yīng)用過零切換的控制技術(shù)，既可以減小干擾，又有響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)。
6.根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境，選定合理的變壓器數(shù)量x，并對其中最小的變壓器B1采用磁飽和等穩(wěn)壓技術(shù)。這樣，既可以在減少變壓器數(shù)量x的基礎(chǔ)上達(dá)到高精度，又可保持高效率。
說明書附圖中B1，B2，B3，B4組成x＝4時(shí)的變壓器組；JC0，JC1，JC2，JC3，JC4，JC5是繼電器；N1，N2，N3，N4，N5是開關(guān)晶體管；D1，D2，D3，D4，D5是續(xù)流二極管；C1，C2，C3，C4是電容器；CT是電流互感器；F是保險(xiǎn)絲；K1是電源開關(guān)；K2是復(fù)位按鈕CPU CARD是電腦控制板，CPU采用美國Microchip公司生產(chǎn)的PIC16C5X單片機(jī)。
下面結(jié)合具體實(shí)例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明

圖1(見說明書附圖)是本實(shí)用新型的電路原理圖。
說明書附圖中B1，B2，B3，B4組成x＝4時(shí)的變壓器組，變壓器組中每個(gè)變壓器的一次側(cè)輸入電壓均設(shè)計(jì)成220V；而二次側(cè)輸出電壓依次設(shè)計(jì)成6V，12V，24V和48V。
輸入電壓Uin的一端Uin1通過電源開關(guān)K1接到輸出端Uout1和控制板CPU CARD的u1輸入端。輸入電壓Uin的另一端Uin2通過保險(xiǎn)絲F，變壓器B1，B2，B3，B4的二次線圈，接到控制板CPU CARD的u2輸入端，并且通過電流互感器CT的一次線圈到達(dá)過流過(欠)壓保護(hù)繼電器JC0的常開觸點(diǎn)。當(dāng)該觸點(diǎn)吸合時(shí)，接通輸出端Uout2，產(chǎn)生輸出電壓Uout。
接通開關(guān)K1控制板CPU CARD的u1和u2輸入端得到該板的供電電壓U12(此時(shí)U12＝Uin)，控制板CPU CARD開始工作，并產(chǎn)生控制各繼電器動作電路所需的電源VCC。
首先，控制板CPU CARD檢測u1和u2輸入端的電壓，根據(jù)其與標(biāo)準(zhǔn)電壓值的誤差，產(chǎn)生一組合理的輸出電位P1，P2，P3，P4，P5的組合，控制開關(guān)管N1，N2，N3，N4，N5驅(qū)動繼電器JC1，JC2，JC2，JC4，JC5按此給定的組合動作；同時(shí)，還在P0端產(chǎn)生輸出電位，控制開關(guān)管N0導(dǎo)通，使繼電器JC0吸合，產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)電壓值接近的輸出電壓Uout并向負(fù)載供電，整個(gè)交流穩(wěn)壓器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
進(jìn)入正常工作狀態(tài)之后，控制板CPU CARD不斷地檢測u1和u2端電壓U12和CT1，CT2端的電壓Uct。當(dāng)電壓U12的值與標(biāo)準(zhǔn)電壓值的誤差大于允許值(具體實(shí)例中為3伏)時(shí)，控制板CPU CARD產(chǎn)生一組更為合理的輸出電位P1，P2，P3，P4，P5的組合，控制開關(guān)管N1，N2，N3，N4，N5驅(qū)動繼電器JC1，JC2，JC2，JC4，JC5按此給定的組合動作，使輸出電壓Uout向標(biāo)準(zhǔn)電壓值接近。如此，周而復(fù)始。
在以上過程中，如果控制板CPU CARD檢測到CT1，CT2端的電壓Uct大于允許值，說明該交流穩(wěn)壓器輸出過電流，則根據(jù)過流值的大小確定過流保護(hù)的延時(shí)時(shí)間，當(dāng)延時(shí)時(shí)間到時(shí)，通過P0端的控制電位使繼電器JC0失電，使其觸點(diǎn)斷開，切斷向負(fù)載的供電。當(dāng)過流值較小時(shí)，過流保護(hù)延時(shí)動作時(shí)間較長。反之，則較短。若在給定時(shí)間內(nèi)過流信號消失，不產(chǎn)生過流保護(hù)動作。
同理，如果控制板CPU CARD檢測到u1，u2端的電壓U12大(小)于允許值，且不能繼續(xù)調(diào)節(jié)，說明供電側(cè)過(欠)電壓并已超出該交流穩(wěn)壓器所允許的穩(wěn)壓范圍。則根據(jù)過(欠)壓值的大小確定過(欠)壓保護(hù)的延時(shí)時(shí)間，通過P0端的控制電位使繼電器JC0失電，使其觸點(diǎn)斷開，切斷向負(fù)載的供電。當(dāng)過(欠)壓值較小時(shí)，過(欠)壓保護(hù)延時(shí)動作時(shí)間較長。反之，則較短。若在給定時(shí)間內(nèi)過(欠)壓信號消失，不產(chǎn)生過(欠)壓保護(hù)動作。
當(dāng)繼電器JC5吸合時(shí)，控制變壓器B4的一次側(cè)繞組開路，流經(jīng)負(fù)載的電流在其二次側(cè)繞組上產(chǎn)生反向的電壓Uo1，起到降壓的作用。當(dāng)產(chǎn)生過電流或過(欠)電壓的故障原因被排除后，按復(fù)位按鈕K2，該交流穩(wěn)壓器按上述過程重新啟動，投入運(yùn)行。
由于變壓器組二次側(cè)各繞組串接，其等效電感L與電容C1，C2，C3，C4組成大功率低通濾波器，有效地抑制各種干擾，起到了靜化輸出電壓作用。
權(quán)利要求1.一種高效寬域級數(shù)疊加式交流穩(wěn)壓器，由一組變壓器及控制裝置組成，其特征是將供電電壓輸入端與該變壓器組中每個(gè)變壓器的二次側(cè)的輸出端串聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效寬域級數(shù)疊加式交流穩(wěn)壓器其特征是該變壓器組中前級變壓器的二次側(cè)輸出電壓是與其相鄰的后級變壓器二次側(cè)輸出電壓的一半。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種高效寬域級數(shù)疊加式交流穩(wěn)壓器。該穩(wěn)壓器是由一組變壓器組成的，各變壓器之間的關(guān)系是按級數(shù)排列的，由微電腦控制切換，使其按照正弦電壓矢量的疊加原理投入運(yùn)行。該實(shí)用新型具有高效、寬域和可靠耐用等優(yōu)點(diǎn)?？蓪Ω鞣N功率的單相和三相用電設(shè)備提供穩(wěn)定的交流電壓。
文檔編號G05F1/10GK2245228SQ9523360
公開日1997年1月15日 申請日期1995年4月14日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月14日
發(fā)明者丁健, 張春生 申請人:丁健