電源調節電路及其應用的製作方法

2023-04-24 19:45:16 2

專利名稱：電源調節電路及其應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於基礎電源調節電路，涉及帶有電源變壓器和交流電力電子開關的單相和多相交流和直流輸出的電源調節電路。
目前公知的帶有電源變壓器和交流電力電子開關(以下簡稱電子開關)調節的交流和直流電源調節電路，主要有一次側交流電源與變壓器初級繞組之間串聯有可控矽的調節電路，如變壓器初級用可控矽交流調壓，變壓器次級經整流二極體整流的電鍍電源。發明專利申請「一種三芯柱變壓器的交流弧焊機」(CN1056075A)中的電源調節也是屬於此類電路，美國庫珀博士發明的「UARITRON」電源調節電路也是屬於在電源一次側交流電源迴路中串有電子開關的電源調節電路，此電路中除有變壓器和電子開關--雙向可控矽之外，還需交流電容器和電抗器，電路較復什，只適用於輸出交流電壓接近於一次側交流電壓的調節。還有發明專利申請「交流弧焊變壓器(CN1114079A)中的電源調節電路，它將雙向可控矽串聯在變壓器次級迴路中，而改善了可控矽調節對電網諧波電流的汙染，但可控矽串在次級迴路中，其電流容量和損耗大，成本高，也不可能使用在點焊、淬火、電鍍、電解等很低電壓輸出的交流和直流電源的調節，另外它在三相直流弧焊機中，必須使用三個單相三芯柱變壓器調節也是很不經濟的。又如本發明申請人申請的發明專利「單相和多相非零基礎調壓電路」(CN1122967A)和「可控器件變換變壓比的交流調壓電路，」(CN1076064A)，前者也只適用於輸入輸出電壓相近的電源調節，後者由於可控器件較多和控制觸發電路較復什，應用範圍也受到一些限制。
本發明的目的是提供一種用電子開關調節變壓器內阻抗的電子調節技術方案，它是使用帶有2個或2個以上初級繞組的電源變壓器和電子開關來實現電子無級調節。
本發明是怎樣來實現的，將多個初級繞組繞在變壓器鐵芯中的不同芯柱上，並且至少有1個初級繞組中串聯有電子開關來調節該繞組通過的一次側電流，使該繞組通過的電流與其它初級繞組通過的電流之比例發生變化，變壓器的內阻抗也隨著改變，使變壓器次級繞組的輸出電流、電壓和功率也跟隨電子開關的導通和關斷時間比例的調節而變化來實現電源無級電子調節。
同本發明有關的單相和多相(包括交流輸出和直流輸出)電源調節電路，主要由變壓器(包括單相和多相)，電子開關和整流器件等組成，其特徵在於電源調節電路的電源變壓器鐵芯上至少有兩個繞在不同芯柱上的初級繞組(2)和(3)，一個次級繞組(5)，至少有一個初級繞組(3)串聯有交流電子開關(7)，它對另一個繞組(2)流過的初級電流，有分流作用(相當於兩個繞組並聯通過初級電流)，調節交流電子開關(7)的導通和關斷時間比例，就能調節流過兩個繞組(2)和(3)的初級電流比例的變化，從而調節變壓器的內阻抗來達到調節次級繞組(5)的輸出電流、電壓和功率的目的。
本發明所使用的電子開關是由可控矽等半控器件和GTO、GTR和IGBT等全控器件及其觸發控制電路組成的相控電子開關、零觸發周期控制的電子開關和斬控電子開關，此類電子開關為公知技術，本發明不作說明，只說明和本發明特徵有關的電子開關主迴路的兩個端(8)和(9)，與變壓器初級繞組之間相連接的電路。
本發明所使用的變壓器有單相和三相兩種，單相變壓又分為雙芯柱、三芯柱和四芯柱三種形式，雙芯柱變壓器除通常口字鐵芯外，還有一種有漏磁分路鐵芯(用來增強漏磁)的雙芯柱變壓器。三相變壓器還有田字鐵芯的六芯柱變壓器和目字鐵芯的六芯柱變壓器。
本發明的電源調節電路可廣泛用於弧焊、切割、點焊、穩壓、調壓、淬火、電解、電化、電鍍、充電等設備中的交流、直流和交直流電源中，特別是在焊接和切割電源中得到應用後完全可取代現有8×1、8×2、8×3、8×6、88×5和82×5等各種交流和整流式直流弧焊電源。在穩壓電源中應用可取代現有帶觸點的大功率穩壓器。本發明具有很大的經濟效益和社會效益。
本發明的電源調節電路特徵和優點將由下面的附圖和實施例作進一步說明。


(1)、(2)、(3)、和(4)--變壓器初級繞組；(5)--變壓器次級繞組；(6)--變壓器鐵芯；(7)--交流電力電子開關；(8)和(10)--繞組(2)的引出頭，(9)和(11)--繞組(3)的引了頭；(12)和(13)--變壓器與一次電源相連接端；(14)和(15)--變壓器次級交流輸出端，(16)--本發明特徵部分；(17)--整流器；(18)、(19)和(22)--變壓器芯柱；(20)--變壓器鐵軛；(21)--變壓器漏磁鐵芯。
附圖1是與本發明有關的電源調節電路示意圖·其特徵部分在虛線櫃16內所示。
附圖2是本發明在單相雙芯柱漏磁變壓器結構的電源調節電路的實施例圖。
附圖3和4是本發明在單相雙芯柱增強漏磁變壓器結構的電源調節電路的實施例圖。
附圖5是本發明在單相四芯柱增強磁變壓器結構的電源調節電路的實施例圖。
附圖6、7、8、9、10和11是本發明在單相三芯柱變壓器結構的電源調節電路的實施例圖。
附圖12是本發明在三相六芯柱田字鐵芯變壓器結構的電源調節電路的實施例圖。
附圖13是應用本發明電源調節電路的三相整流式直流焊機產品的電源主電路原理圖。
附圖1是本發明單相電源調節電路，其三相電源調節電路由三個單相調節電路組成，不論單相還是三相，它們都有共同的特徵，其特徵在附圖1的虛線櫃(16)內所示，在變壓器鐵芯(6)的不同芯柱上至少繞有兩個初級繞組(2)和(3)，繞組(3)的一個端(11)與繞組(2)的一個同名端(10)相連接，繞組(3)的另一端(9)與繞組(2)的另一端(8)連接有電子開關(7)，在電子開關全導通期間，繞組(2)和(3)相當於並聯，在電子開關(7)全斷開期間，繞組(3)中沒有電流通過，因此通過調節電子開關(7)的通斷時間比例，就可調節繞組(2)和(3)中通過一次側電流的分配比例關係，從而調節變壓器的磁通分配和內阻抗，來達到調節次級繞組(5)的交流輸出電流、電壓和功率的目的。初級繞組(1)和(4)是為了使電源獲得所需的不同輸出特性而設置的，繞組(1)或(4)都可以不使用，也可以(1)和(4)兩個繞組都不使用，此時，初級繞組僅有兩個繞組(2)和(3)，或者三個繞組[(1)、(2)、和(3)；或者(1)、(2)、和(4)]。
在附圖1初級繞組輸出端增加如附圖1所示的整流器(17)，本發明就可實現輸出直流的調節。電子開關(7)可以連接到繞組(2)的(10)端與繞組(3)的(11)端之間，此時只要將繞組(2)的(8)端與和繞組(3)的(9)端相連接即可。
附圖2的變壓器結構是附圖1中的初級繞組(1)不用時的電源調節電路，它是一個同8×6弧焊變壓器相類似結構的高漏磁變壓器，芯柱(19)上的初級繞組(2)和(4)與芯柱(18)上的繞級繞組(5)繞在不同芯柱上，耦合不緊，存在著較大的漏磁，而級繞組(3)與次級繞組(5)繞在同一芯柱(18)上，耦合緊密，漏磁較少，因此，只要調節電子開關(7)的通斷比例，使通過繞組(2)和(3)的初級電流分配比例發生變化，就可調節變壓器初、次級之間的耦合鬆緊成度，從而達到調節變壓壓器次級輸出電流、電壓和功率的目的。由於電子開關的通斷比例可以連續無級調節，並且還可實現穩流、穩壓等性質的反饋調節，因此使用它來設計製造交流弧焊變壓器，其性能將遠優子現有的8×6弧焊變壓器。
由於口字鐵芯變壓器的漏磁不可能做很大，做得太大也很不經濟，因此，電流調節圍也不可能做到很大，並且這種漏磁變壓器次級輸出開路電壓與電子開關調節位置基本上無關，為了增大電流和電壓調節範圍，可以在附圖2的變壓器鐵芯上增加漏磁鐵芯(21)，附圖3、4和5就是對附圖2的一種改進設計，當鐵芯(21)與鐵軛(20)之間設有氣隙時，調節電子開關(7)就可以在一定範圍內調節次級繞組(5)的開路電壓，它適合設計製造調壓電源。當鐵芯(21)與鐵軛(20)之間留有氣隙時，調節電子開關(7)次級繞組(5)的開路電壓基本上不變化，它適合設計製造焊接和切割機電源。附圖(3)的調節範圍小於附圖4，附圖3和4的變壓器結構更適合於圓筒式繞組，而附圖5適合於盤式繞組，應用附圖5就可以設計製造比現有8×1弧焊變壓器工藝更簡單，性能更優越的全新一代電焊機產品，該產品可在氣隙內用非磁性材料，氣隙內就沒有機械振動，因此在大小電流工作時都很穩定，能在很寬的範圍內實現連續無級電子調節、並可實現穩流等反饋獲得優良的焊接性能，這是現有8×1交流焊機無法與它相比的全新一代產品。
附圖6、7和8是中間鐵芯柱僅繞次級繞組、兩側鐵芯柱僅繞初級繞組的單相三芯柱變壓器結構的接線圖。附圖6變壓器鐵芯兩側對稱地繞有(1)、(2)、(3)和(4)四個初級繞組，調節範圍較小。附圖7變壓器兩側僅繞有(2)和(3)兩個初級繞組，調節範圍最大，它與發明專利CN1056075A公開的附圖2和附圖3變壓器結構相同，但是其電子開關與初級繞組連接的電路不相同，其工作原理也就完全不相同，本發明與該發明相比較，具有電子開關額定容量小，電網諧波電流少和功率因高的顯著優點。附圖8變壓器一側鐵芯柱繞有(1)和(2)兩個初級繞組，另一側鐵芯柱僅繞有初級繞組(3)，其調節範圍一般在附圖6和附圖7之間，為了節省導線等原因，在達到調節範圍情況下，一次側的部分繞組還可以繞在中間鐵芯柱上，附圖9變壓器結構就是把初級繞組(4)和次級繞組(5)都繞在中間鐵芯柱(22)上。
為了使本發明的三芯柱變壓器次級輸出的開路電壓有較大的調節範圍，可在三芯柱變壓器中間芯柱(22)與鐵軛(20)之間留有氣隙，將附圖7和8的變壓器中間芯柱(22)與鐵軛(20)之間留有氣隙時，在電子開關(7)全關斷時，中間芯柱上的繞組(5)感應電壓就很低，可以達到輸出開路電壓從接近零到額定電壓之間連續無級調壓的目的。
附圖10和附圖11是交流穩壓電源的電路結構原理連接圖。它們都是在中間鐵芯柱(22)與鐵軛(20)之間留有氣隙，初級繞組(1)設有抽頭與次級繞組(5)相串聯，(9)和(10)為交流輸入端，(9)和(11)為調壓穩壓輸出端。在交流輸入電壓偏高時，由於次級繞組(5)在電子開關不導通期間感應電壓接近於零，而次級繞組又接在初級繞組(2)的抽頭上，因此可以使交流輸出端(9)和(11)之間輸出比交流輸入端(9)和(10)之間低的電壓，從而起到降壓作用，調節電子開關(7)的通斷時間比例就可調節次級繞組(5)上的感應電壓，從而達到調節(9)和(11)之間交流輸出端的電壓，來實現調壓和穩壓的目的，使用附圖11的變壓器結構和電子開關就可設計製造大功率交流穩壓調壓電源，它和現有補償式自耦變壓器調壓的大功率穩壓調壓電源相比，具有無觸點和電子控制調節時間快等優點，因此本發明的電源調節電路也是交流穩壓調壓電源走向無觸點、低成本、高可靠性的一種技術方案。
使用附圖2至附圖11三個單相變壓器和三個電子開關均可實施三相電源的調節，但是使用三個單相變壓器在三相電源中是不經濟的，附圖12示意出實施本發明所用的一種三相六芯柱田字鐵芯變壓器結構。在同一橫座標的左右兩個鐵芯柱(18)和(19)上繞有同一相的初、次級組(1)、(2)、(3)和(5)四個繞組。上、中、下六個鐵芯柱上分別繞有三相初、次級12個繞組，變壓器兩側鐵軛(20)的中間有二條漏磁鐵芯(21)、漏磁鐵芯(21)與鐵芯柱(18)和(19)共同磁軛之間，可根據需要留氣隙，或不留氣隙，三個電子開關(7)連接成星形，由附圖12可知，三個初級繞組(2)連接成星形，其公共點為(13)，三個電子開關(7)連接成星形，其公共點為(9)，由於三相星形連接電路的特點，不論將附圖12中的兩個公共(13)和(9)是否相連接，調節三個電子開關(7)都能使通過三個初級繞組(2)的三相電流和通過三個初級繞組(3)的三相電流比例發生變化，因此本發明在三相電路中公共點(13)和(9)之間可以相連接，也可以不相連接，它們都能通過調節三個電子開關達到調節三相輸出電流、電壓和功率的目的。附圖12中的三個次級繞組(5)可以連接成星形，也可以連接成三角形。
上述附圖2至12的任何一種變壓器次級繞組所獲得的交流電都可以使用整流器(17)整流成直流電，獲得交流調節的直流電源，和交流調節的交直流電源。
附圖13示意出本發明的三相交流調節的整流式直流弧焊機電源的變壓器結構和主電路，輸出電流調節使用三個雙向可控矽(或六個單向可控矽)，整流器使用6隻矽二極體組成三相橋整流器，本發明的這一實施例與發明專利申請CN1114079A中的弧焊變壓器相比，具有三大優點①電源變壓器由三個變成一個，使結構簡化，並且節材；②整流電路由六相橋式整流變為三相橋式整流，二極體由12個變為6個，不但使整流器件減少了一半，而且使器件和次級導線的導通角和利用率大為提高。從而節省材料和成本；③雙向控矽由次級迴路調節變為初級迴路調節，可減少雙向可控矽額定電流容量4至7倍，這就進一步降低了成本和損耗。
權利要求
1.一種電源調節電路，它主要由電源變壓器、交流電子開關和整流器件等組成，其特徵在於電源調節電路的電源變壓器鐵芯上至少有兩個繞在不同芯柱上的初級繞組(2)和(3)，一個次級繞組(5)，至少有一個初級繞組(3)串聯有交流電子開關(7)，它對另一個初級繞組(2)流過的電流有分流作用，調節交流電子開關(7)的導通和關斷時間比例，就能調節流過兩個初級繞組(2)和(3)的電流比例，從而調節變壓器的內阻抗來達到調節次級繞組(5)的輸出電流、電壓和功率。
2.根據權利要求1所述的電源調節電路，其特徵在於變壓器的鐵芯是一個單相雙芯柱鐵芯，初級繞組(2)和(4)繞在芯柱(19)上，初級繞組(3)和次級繞組(5)繞在芯柱(18)上，繞組(2)和(3)一個同名端相連接，交流電子開關(7)連接在繞組(2)和(3)的另一同名端上。
3.根據權利要求1所述的電源調節電路，其特徵在於變壓器的鐵芯是一個單相有漏磁鐵芯(21)的雙芯柱鐵芯，在漏磁鐵芯(21)的一側芯柱(19)上繞組有初級繞組(2)，在漏磁鐵芯(21)的另一側芯柱(18)上繞有初級繞組(3)。
4.根據權利要求1所述的電源調節電路，其特徵在於變壓器鐵芯是一個單相中間有漏磁磁鐵芯(21)的四芯柱鐵芯，在漏磁鐵芯(21)的一側的上下兩個芯柱(19)上均繞有初級繞組(2)，在漏磁鐵芯(21)的另一側的上下兩個芯柱(18)上均繞有初級繞組(3)。
5.根據權利要求1所述的電源調節電路，其特徵在於變壓器鐵芯是一個單相三芯柱鐵芯，兩側的芯柱(18)和(19)上分別繞有初級繞組(3)和(2)，中間芯柱(22)上繞有次級繞組(5)。
6.根據權利要求1和5所述的電源調節電路，其特徵在於三芯柱鐵芯兩側芯柱(19)和(18)上還分別繞有初級繞組(1)和(4)。
7.根據權利要求1和5所述的電源調節電路，其特徵在於三芯柱鐵芯的一側芯柱(19)上繞有初級組(1)。
8.根據權利要求1和5所述的電源調節電路，其特徵在於三芯的中間柱(22)上還繞有初級繞組(4)。
9.根據權利要求1和5所述的電源調節電路，其特徵在於變壓器鐵芯是一個三相六芯柱田字鐵芯，三相六個初級繞組(1)和(2)分別繞在漏磁鐵芯(21)右側三個上、中、下芯柱(19)上，三相三個初級繞組(3)和三個次級繞組(5)分別繞在漏磁鐵芯(21)左側三個上、中、下芯柱(18)上。
10.根據權利要求1和9所述的電源調節電路，其特徵在於三相整流式直流弧焊機的電源中有一個田字鐵芯三相變壓器，使用三個雙向可控矽KS作交流電子開關(7)實現交流調節，使用二極體做交/直變換的整流式直流焊機。
全文摘要
本發明屬於基礎電源調節電路,它主要由變壓器、交流電子開關和二極體等組成,其特徵在於變壓器上至少有兩個繞在不同芯柱上初級繞組(2)和(3),一個次級繞組(5),一個交流電子開關(7),其中電子開關(7)與繞組(3)相串聯,通過調節電子開關(7)的通斷比例來調節變壓器內阻抗達到調節輸出電流、電壓和功率的目的,它可廣泛用於焊接、切割、穩壓、淬火、電解、電化、電鍍和充電等設備中的交、直流電源,具有很大的經濟效益和社會效益。
文檔編號H02M5/12GK1216413SQ9712230
公開日1999年5月12日 申請日期1997年11月1日 優先權日1997年11月1日
發明者龔秋聲 申請人:龔秋聲