專利名稱：用于產(chǎn)生直流電壓或直流電流的裝置和方法
用于產(chǎn)生直流電壓或直流電流的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種裝置以及一種相應(yīng)的方法，該裝置用于產(chǎn)生直流 電壓或直流電流并配備變壓器。
才艮據(jù)[l]， Andreas Kremser,電才幾和驅(qū)動(dòng)的基本特征(Grundzuege elektrischer Maschinen und Antriebe), Teubner出X反3土， ^/f圖力口凈爭，1997， 第47頁，機(jī)械變壓器位于電能的傳輸路徑開始時(shí)，該機(jī)械變壓器把 發(fā)電機(jī)電壓轉(zhuǎn)換到傳輸電壓。經(jīng)常作為自耦變壓器實(shí)施的所謂的聯(lián)網(wǎng) 間變壓器應(yīng)用在電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中。配電網(wǎng)變壓器用于從中壓電網(wǎng)(功率從 kVA到2500kVA,上電壓從3.6到24 kV,下電壓大多數(shù)400V,最大 l.lkV)對(duì)用戶的終端供應(yīng)。
圖3(也參見[1]，第52頁，圖3.4以及[2]，R. Oberholzer，電機(jī)構(gòu)建 (Konstruktion elektrischer Maschinen), I.變壓器，瑞士中部的技術(shù)學(xué)校: 盧塞恩1979)顯示了用于空轉(zhuǎn)的變壓器的向量圖。在無負(fù)載的變壓器 上的交流電壓Ul通過變壓器的初級(jí)線圈驅(qū)動(dòng)激勵(lì)電流I化。激勵(lì)電流
110由兩個(gè)分量組成，即磁化電流lM和鐵耗電流IpE。落后于交流電壓
Ul 90。的磁化電流IM與磁框架中的磁通量①同相，該磁框架典型地由 若干纏繞的心子(Schenkeln)或芯(Kern)構(gòu)成。鐵耗電 與交流電壓 Ul同相。
交流電壓U1和鐵耗電流IpE的積產(chǎn)生鐵耗功率，該鐵耗功率由磁
滯損耗和渦流損耗組成。磁化電流lM和初級(jí)線圈Wl的線圈臣數(shù)N1
產(chǎn)生第 一初級(jí)磁通勢(shì)(也稱磁電壓)eo，該磁通勢(shì)通過磁路驅(qū)動(dòng)磁通量
①o?！菲澩縊o是與初級(jí)線圈Wl和變壓器的次級(jí)線圏W2鏈才秦 (verketten)的，并且在這些線圈中產(chǎn)生電壓El和E2。在初級(jí)線圖上產(chǎn) 生的電壓El是與應(yīng)用的電壓Ul相差180。，并且減小了電壓降110 * Z1(Z1是初級(jí)線圈的阻抗)。電壓降I化承Z1在功率變壓器中只占端電壓U1的0.3。/。-1%,并且在下文中忽略。因此，圖3描述了在空轉(zhuǎn)中 變壓器的簡化向量圖。
正如在

圖1中所示的，假如阻抗Z連接到變壓器的次級(jí)線圈W2 上，次級(jí)電流I2就在次級(jí)線圈W2中流動(dòng)，在次級(jí)線圈W2中感應(yīng)的 電壓E2通過次級(jí)回^各驅(qū)動(dòng)該次級(jí)電流。
次級(jí)電流12與次級(jí)線圈的線圏N2形成次級(jí)磁通勢(shì)e2，該磁通勢(shì)
產(chǎn)生次級(jí)磁通量(D2，該磁通量與初級(jí)側(cè)產(chǎn)生的磁通量①q反作用，并 且力求消除這個(gè)磁通量。為了防止上述情況的發(fā)生，除空轉(zhuǎn)電流110 之外，還必須有補(bǔ)償電流I2'在初級(jí)線圈Wl中流動(dòng)，該補(bǔ)償電流在初
級(jí)線圈wi的線圈中引起附加的初級(jí)磁通勢(shì)e!，該磁通勢(shì)ei產(chǎn)生附加 的初級(jí)磁通量A。為了產(chǎn)生兩個(gè)磁通勢(shì)e!和02的平衡，并且消除磁
通量①和(D2，則對(duì)于補(bǔ)償電流I2'適用如下關(guān)系12'= 12 * N2/N1 。 合起來保留通過第一初級(jí)磁通勢(shì)e。引起的磁通量<D0，正如在圖4中 所示。
對(duì)于進(jìn)一步的觀察忽略由負(fù)載電流12和12'引起的漏磁通量，該 漏磁通量通過合適的措施盡可能保持低。
在圖5中描述了在變壓器的歐姆感應(yīng)的負(fù)栽中存在的量。通過負(fù) 載阻抗的次級(jí)電流I2的穿過產(chǎn)生次級(jí)端電壓U2，該次級(jí)端電壓基 于在次級(jí)線圈W2的歐姆電阻上的電壓降和在漏泄電壓降比感應(yīng)的次 級(jí)電壓E2更小，該次級(jí)電壓與感應(yīng)的初級(jí)電壓E2 —起與；茲化通量①o 相差90°。
在[l]中，章節(jié)3.10.1,第72和73頁中描述了空轉(zhuǎn)的變壓器接通到 穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)時(shí)的過程。
空轉(zhuǎn)的變壓器的電壓等式是 in =Ri il +L! /dt。
帶有正弦曲線的干擾量ul(t) = v2 UN sin(①t)的這種一階微分方程 的牙急定解(stationaer loesung)是
①sTAT(t)=①n 1/Z0 (Ri sin(cot) — X！ cos (①t))或者
6①stat (t)=①n sin(cot -cpo) 其中，tancpo—XJRO。
然而通量必須在緊接著接通之后是零，①(0) = 0,以致在穩(wěn)定項(xiàng) (stationaerer Term)之外的解還包含臨時(shí)部分(fluechtigen Anteil)和暫態(tài) 部分(Ausgleichsglied):
辦)=。匿(t) +% & / Z。 * ,
暫態(tài)部分。NX!/Z(^e-仏以時(shí)間常數(shù)T衰減，其中，1 = "/^。 由于Ri X！,穩(wěn)定通量(stationaerer Fluss)的大約雙倍值作為最大 值在第 一次半周期之后達(dá)到。
根據(jù)[3],變壓器的工作特性(實(shí)驗(yàn)TR), D-ITET(信息技術(shù)與電氣 工程系)，功率電子技術(shù)和測(cè)量技術(shù)教席，蘇黎世ETH(聯(lián)邦理工學(xué)院) 的驅(qū)動(dòng)和》茲軸岸義#支術(shù)專業(yè)組，(參見 http :〃www. eek.ee. ethz. ch/student/fachpraktikum-mavt/anleitungen/TR.pd f )只有當(dāng)沒有負(fù)栽與次級(jí)側(cè)連接時(shí)，在變壓器接通到電網(wǎng)時(shí)安全自動(dòng) 裝置自身才偶然觸發(fā)。根據(jù)[3]，基于在應(yīng)用的電壓U1和磁通量0之 間的相移，在電壓最大值或最小值的時(shí)刻打開變壓器是有利的，其中， 磁通量①等于零。因?yàn)橥?D是與存儲(chǔ)的磁能量耦合的，并且因此可 以不是跳3夭形狀地改變。與之相反，當(dāng)人們?cè)陔妷航涣銜r(shí)打開變壓器
時(shí)，通量①就不在最大值Omax時(shí)開始，而同樣在<D = 0時(shí)開始，并且
在半周期之后上升到最大值± 2①，即由電壓時(shí)間面積 (Spa皿ungszeitflaeche)預(yù)先給予的總的通量行程(Flusshub)。因此通過
相應(yīng)大的磁化電流IM使芯遠(yuǎn)遠(yuǎn)地進(jìn)入飽和。很短時(shí)間之后，暫態(tài)過程
衰減，并且變壓器漸漸變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，正如在[l],第73頁中所描述的。 對(duì)于進(jìn)一步的觀察重要的是，這個(gè)干擾的接通過程實(shí)際上如果可
能的話可以避免，其中，在[3]中描述了合適的措施(例如用半導(dǎo)體開
關(guān)在電壓最大值中的時(shí)間精確的接通)。
根據(jù)[l]，第1頁，為了變換電能應(yīng)用整流器和變壓器。從交流電
流到交流電流的變換采用變壓器進(jìn)行。從交流電流到直流電流的變換采用整流器進(jìn)行。從這些論斷中遵循以下原理，即整流器總是連在變壓器之后，也就是說是設(shè)置在次級(jí)側(cè)的。也就是說首先采用變壓器改變交流電壓，并且然后才采用整流器整流。
對(duì)于不同的應(yīng)用，在極小的電壓時(shí)需要大電流，例如在電阻焊接技術(shù)中或在電鍍裝置中。在相反的情況下，在高電壓時(shí)需要小的直流電流，正如在濾塵器中。為了把交流電流轉(zhuǎn)換成大的直流電流中，特別冷卻的半導(dǎo)體是必需的。從半導(dǎo)體方面，高電壓導(dǎo)致在絕緣時(shí)的巨大的問題，并且對(duì)半導(dǎo)體的反向電壓提出高要求?；诎雽?dǎo)體的高負(fù)載或基于產(chǎn)生影響的干擾，正如過壓，偶然出現(xiàn)了在半導(dǎo)體上的缺陷，該缺陷也許可以引起總的半導(dǎo)體組的損壞，由此可以產(chǎn)生很高的費(fèi)用結(jié)果，該費(fèi)用結(jié)果可以是前聯(lián)的變壓器的費(fèi)用的數(shù)量級(jí)。
此外，對(duì)于不同的應(yīng)用和應(yīng)用者的個(gè)別需求需要^^多不同的、用于整流的半導(dǎo)體，該半導(dǎo)體分別組成許多單元的鏈條的最后部分，這些單元構(gòu)成電能的轉(zhuǎn)變。通過多個(gè)不同的半導(dǎo)體組成部分相應(yīng)地產(chǎn)生高的生產(chǎn)費(fèi)用、庫存費(fèi)用、銷售費(fèi)用和保養(yǎng)費(fèi)用。
現(xiàn)在，本發(fā)明以該任務(wù)為前提，即實(shí)現(xiàn)用于產(chǎn)生直流電壓或直流電流的一種裝置并給出一種方法，其中，避免已描述的缺點(diǎn)。
尤其可以實(shí)現(xiàn)用于產(chǎn)生直流電壓或直流電流的一種裝置，采用該裝置可以特別有利地實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)變。
此外，可以實(shí)現(xiàn)用于產(chǎn)生直流電壓或直流電流的一種裝置，采用該裝置可以特別有利地實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)變，從電流源經(jīng)過一個(gè)或更多相導(dǎo)體輸出該電能。
此外，應(yīng)該用根據(jù)本發(fā)明的裝置實(shí)現(xiàn)以下可能性，即用^艮少不同設(shè)計(jì)方案在廣泛的應(yīng)用范圍中應(yīng)用半導(dǎo)體整流器。
此外，應(yīng)該保護(hù)半導(dǎo)體整流器更好地防止負(fù)載側(cè)的干擾。
用裝置和方法解決這個(gè)任務(wù)，該裝置和方法具有在權(quán)利要求1以及13說明的特征。本發(fā)明的有利的設(shè)計(jì)方案在其他權(quán)利要求中說明。
用于產(chǎn)生直流電壓或直流電流的裝置具有至少一個(gè)整流器元件和至少一個(gè)變壓器，該整流器元件優(yōu)選地為可控的整流器元件，例如閘流管或三端雙向可控硅開關(guān)，該變壓器帶有至少一個(gè)初級(jí)線圈和至少一個(gè)次級(jí)線圈。
至少一個(gè)經(jīng)過單相或多相供電線的導(dǎo)線與交流電壓源相連的初級(jí)線圈和至少 一個(gè)與負(fù)載相連的次級(jí)線圈是設(shè)置在對(duì)應(yīng)的、用于輸送磁通量<D的磁框架上的，該磁框架可以任意熟知的構(gòu)型用相應(yīng)數(shù)目的^茲軛和芯實(shí)現(xiàn)，該磁輒和芯組成了至少 一個(gè)磁路。
根據(jù)本發(fā)明，至少一個(gè)初級(jí)線圈是經(jīng)過整流器元件與交流電壓源相連的，以致對(duì)于相應(yīng)的極性的每個(gè)交流電壓半波，初級(jí)電流Il可被傳導(dǎo)通過整流器元件并通過初級(jí)線圈，該初級(jí)電流始終在同樣的方向
上通過》茲框架或在其中實(shí)現(xiàn)的》茲路來驅(qū)動(dòng)f茲通量0)。
用相應(yīng)極性的每個(gè)半波、采用必要時(shí)^L控制的半導(dǎo)體元件使變壓器或初級(jí)線圈與供電網(wǎng)絡(luò)相連，以致初級(jí)電流可以流動(dòng)，該初級(jí)電流至少近似地相應(yīng)于接通電流，也就是說依賴于固定機(jī)器或變壓器的、
也就是說，正當(dāng)沒有利用的半波出現(xiàn)時(shí)，在磁框架中或在鐵(Eisen)中以及在氣隙中存儲(chǔ)的能量如此程度地輸出，以致變壓器返回到在半波傳輸之前的狀態(tài)。
在氣隙中存儲(chǔ)的磁能量擴(kuò)大了無功功率，然而幾乎無損耗地重新輸出。與之相反，利用氣隙尺寸的選擇，可以用所期望的方式影響鐵上出現(xiàn)的場強(qiáng)HFE以及分別產(chǎn)生的剩磁BR 。場強(qiáng)需求和由此而來的磁化電流在氣隙的應(yīng)用中得以增加，變壓器的特性曲線被修正(geschert)或線性化。因此，在氣隙和磁化電流之間存在著相互作用，該相互作用允許有利地影響接通過程并因此也有利地影響變壓器的斷路過程。
根據(jù)本發(fā)明的方法
在二極管作為整流器元件的應(yīng)用中，這個(gè)整流器元件立刻在交流電壓半波的交零之后導(dǎo)通或"接通"?！菲澩?p在cp = 0時(shí)開始，并且在半周期之后增加到最大值士 2cp,即由電壓時(shí)間面積預(yù)先給予的總
9的通量行程。因此也產(chǎn)生在次級(jí)回路中測(cè)量的量的倍增。為了帶有相應(yīng)高的磁化電流lM的芯不進(jìn)入飽和中，可以相應(yīng)地確定氣隙尺寸?；谠谙嗤瑯O性的半波之間的距離，變壓器不轉(zhuǎn)入在變壓器的常規(guī)運(yùn)行時(shí)稱為穩(wěn)定狀態(tài)的狀態(tài)。
其中，二極管導(dǎo)通， 一直到初級(jí)電流Il,或磁化電流IM和補(bǔ)償電流I2'的總和是零時(shí)。由于二極管在初級(jí)電流Il交零之后截止，并且不傳輸?shù)诙氩?，所以傳輸脈沖發(fā)生的直流電流。次級(jí)電流I2和次級(jí)電壓U2的半波在次級(jí)側(cè)上產(chǎn)生，該半波始終具有相同的極性。
根據(jù)本發(fā)明，也可以優(yōu)選地通過分開的磁路傳輸兩個(gè)半波，并且輸送到負(fù)載。假如只分別傳導(dǎo)一半電流的兩個(gè)部分變壓器相位正確地聯(lián)接，就將兩個(gè)脈沖序列補(bǔ)充到脈沖發(fā)生的直流電流。但是因?yàn)閷?duì)于每個(gè)部分變壓器只傳輸同 一方向的半波，只有一半額定電流流入部分
變壓器中，并且在相同的導(dǎo)線截面上只產(chǎn)生損失的1/4(Pv = (1/2) A2 *R)。因此，兩個(gè)部分變壓器的額定功率的總和比相應(yīng)的正常變壓器的額定功率小。
與之相反，假如在兩個(gè)脈沖之間的空隙足夠大，就可以代替兩個(gè)部分變壓器只應(yīng)用變壓器，該變壓器具有兩個(gè)初級(jí)線圈，該初級(jí)線圈分別極性正確地(Polaritaetsrichtig)傳輸半波。
根據(jù)本發(fā)明的方案在多相系統(tǒng)中也可以特別有利地應(yīng)用。其中，對(duì)于每個(gè)相可以只重新傳輸一個(gè)或兩個(gè)半波。因此，帶有大大減小的
波度的電壓出現(xiàn)在次級(jí)側(cè)上。
根據(jù)本發(fā)明的方案可以應(yīng)用于變壓器的不同的構(gòu)型和功率。例如應(yīng)用了 EI-、 UI-或3UI-型。
根據(jù)本發(fā)明的方案具有很多的優(yōu)點(diǎn)。直流電壓的產(chǎn)生用簡單的措施并且在利用變壓器的、對(duì)此有利的特征的情況下進(jìn)行，即利用接通特性，該接通特性到目前為止認(rèn)為是有缺點(diǎn)的。此外，特別有利的是，從用戶側(cè)通過變壓器使半導(dǎo)體整流器去耦，并且一方面更好地保護(hù)，另一方面可以更有利地選擇。半導(dǎo)體整流器尤其可以更少量類型來標(biāo)
10樣的需求的滿足可通過變壓器的線圈元件的相應(yīng)的尺寸確定或接線來可選l奪地進(jìn)行。此外，特別有利的是，次級(jí)側(cè)上產(chǎn)生的直流電壓的大小和極性可以毫無問題地用簡單的方式來調(diào)節(jié)，即通過變換比的切換或通過線圈的換極。
此外，根據(jù)本發(fā)明的方案可以在每個(gè)功率范圍中有利地應(yīng)用。在很高功率的范圍中可以明顯地減小制造費(fèi)用，并且也尤其可以明顯地減小用于功率電子設(shè)備的保養(yǎng)費(fèi)用。
接下來利用附圖更詳細(xì)地闡述本發(fā)明。其中
圖1顯示了變壓器T,其初級(jí)線圈Wl與交流電壓源Q相連，并且其次級(jí)線圈W2與負(fù)載Z相連；
圖2顯示了帶有整流器橋GR的圖1的變壓器T，該整流器橋經(jīng)過開關(guān)S把脈沖發(fā)生的直流電壓Ul輸送給變壓器T的初級(jí)線圈Wl;
圖2a顯示了從圖2的整流器橋GR中輸出的脈沖發(fā)生的直流電
壓；
圖2b顯示了在圖2的開關(guān)S閉合之后次級(jí)電壓U2轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定狀
態(tài)中；
圖3顯示了在空轉(zhuǎn)中的圖1的變壓器T的簡化的向量圖4顯示了在負(fù)載時(shí)的圖1的變壓器T的磁通勢(shì)eo、 6i和02;
圖5顯示了在歐姆感應(yīng)的負(fù)載時(shí)的圖1的變壓器T的筒化的向量
圖6顯示了帶有圖1的變壓器T和可控的整流器元件D的根據(jù)本發(fā)明的裝置，經(jīng)過該整流器元件，通過開關(guān)S把相同極性的交流電壓半波U1輸送給變壓器T的初級(jí)線圈Wl;
圖7a顯示了初級(jí)電壓Ul和在正半波之中傳輸?shù)某跫?jí)電流Il的曲線圖，該初級(jí)電流由磁化電流IM和補(bǔ)償電流12'組成。
圖7b顯示了次級(jí)電壓U2和次級(jí)電流12的對(duì)應(yīng)于初級(jí)電流II的曲線圖。
圖8顯示了帶有兩個(gè)變壓器T1、 T2的根據(jù)本發(fā)明的裝置，該變壓器的初級(jí)線圈W 、 Wu分別經(jīng)過整流器元件Dl、 D2與交流電壓源Q相連，并且該變壓器的次級(jí)線圏W21或W22這才羊地與負(fù)載Z相連，即在其中對(duì)于所對(duì)應(yīng)的半波交替?zhèn)鲗?dǎo)的次級(jí)電流12在同樣的方向上流經(jīng)負(fù)載Z;
圖9顯示了帶有變壓器T1P2的才艮據(jù)本發(fā)明的裝置，該變壓器帶有兩個(gè)在共同的鐵芯上設(shè)置的初級(jí)線圈Wn、 W12，該初級(jí)線圈分別這樣地經(jīng)過整流器元件Dl或D2與交流電壓源Q相連，并且這樣地設(shè)置在變壓器Tn^的共同的磁框架JK上，即使得交替地用相應(yīng)的極性的每個(gè)交流電壓半波把每個(gè)初級(jí)電流Il在初級(jí)線圈W 、 W!2的每個(gè)中傳導(dǎo)，該初級(jí)電流通過》茲框架JK分別在同樣的方向上驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的磁通量①。
圖10顯示了帶有變壓器T3w的根據(jù)本發(fā)明的裝置，該變壓器帶有三個(gè)初級(jí)線圈Wm、 W1S、 W1T，該初級(jí)線圈的笫一端分別經(jīng)過對(duì)應(yīng)的整流器元件Dr或Ds或Dt與相R、 S、 T相連，并且該初級(jí)線圈的第二端分別與三相電流線PL3的零線0相連，并且該變壓器帶有三個(gè)次級(jí)線圈Wm、 W2S、 W2T,該次級(jí)線圈這樣地與負(fù)載Z相連，即使得
交替地在次級(jí)線圈W2R、 W2S、 Wjr中傳導(dǎo)的次級(jí)電流I2R、 12s和I2T
始終在同樣的方向上流經(jīng)負(fù)載Z;
圖lla顯示了采用相角控制調(diào)節(jié)的初級(jí)電壓Ul和相應(yīng)的初級(jí)電流Il的曲線圖11b顯示了次級(jí)電壓U2和次級(jí)電流I2對(duì)應(yīng)于圖lla的初級(jí)電流Il的曲線圖12a顯示了在圖10的變壓器丁3 1的初級(jí)線圈W1R、 W1S、 W1T中的采用相角控制調(diào)節(jié)的初級(jí)電流I限、I1S、 117的曲線圖12b顯示了在圖10的負(fù)載電阻Z上的電壓Uz的曲線圖l3顯示了帶有變壓器T3P2的根據(jù)本發(fā)明的裝置，該變壓器帶有三對(duì)初級(jí)線圈W11R、 Wur和Whs、 W!2S和Wut、 W12T，該初級(jí)線
圈的笫一端分別經(jīng)過對(duì)應(yīng)的整流器元件Dju、 Dr2或Ds!、 Ds2或Dn、Dt2與相R、 S、 T相連，并且該初級(jí)線圈的第二端與三相電流線PL3的零線0相連，并且該變壓器帶有次級(jí)線圏W2R、 W2S、 W2T,該次級(jí)線圏這樣地與負(fù)載Z相連，即使得交替地在次級(jí)線圈W2R、 W2S、 W2T中傳導(dǎo)的次級(jí)電流I2R、 128和12T始終在同樣的方向上流經(jīng)負(fù)載Z;
圖14a顯示了在圖13的變壓器T3P2的初級(jí)線圈W11R、 Wur或Wus、Wus或WnT、Wm"中的采用相角控制調(diào)節(jié)的初級(jí)電流Ilw、Ils"I1T1、 I1r2、 I1S2、 11t2的曲幾困；和
圖14b顯示了在圖13的負(fù)載電阻Z上的電壓Uz的曲線圖。圖1顯示了變壓器T，其初級(jí)線圈Wl與交流電壓源Q相連，并且其次級(jí)線圈W2與負(fù)載Z相連。起初利用圖3、 4和5描迷該變壓器T的功能性。圖7的向量圖對(duì)于理解下列的發(fā)明是特別有意義的，
從中得知，初級(jí)電流Il主要由磁化電流IM和用于補(bǔ)償次級(jí)電流I2的
補(bǔ)償電流12'組成，該補(bǔ)償電流在相位方面不同。
圖2顯示了帶有整流器橋GR的圖1的變壓器T,該整流器橋在開關(guān)S閉合之后把在圖2a中顯示的脈沖發(fā)生的直流電壓U1輸送給變壓器T的初級(jí)線圈Wl。
在圖2b中顯示了，采用初級(jí)側(cè)上應(yīng)用的脈沖發(fā)生的直流電壓U1在次級(jí)側(cè)上產(chǎn)生同樣脈沖發(fā)生的電壓U2，該電壓的直流電壓部分隨著時(shí)間常數(shù)i;-Ll /Rl衰減，該時(shí)間常數(shù)依賴于初級(jí)線圈Wl的電感L1和電阻RL
因此明顯的是，釆用在圖2中顯示的裝置在負(fù)載側(cè)上不能夠產(chǎn)生可應(yīng)用的直流電壓。
圖6顯示了帶有圖1的變壓器T和整流器元件D的根據(jù)本發(fā)明的裝置，只要所顯示開關(guān)S是閉合的，則經(jīng)過該整流器元件把相同極性的交流電壓半波U1輸送給變壓器T的初級(jí)線圈Wl,。因此，在相應(yīng)極性的半波期間，初級(jí)電流II是通過整流器元件D和通過初級(jí)線圈Wl傳導(dǎo)的， 一旦磁化電流lM和用于補(bǔ)償次級(jí)電流12的補(bǔ)償電流
12'互相消除時(shí)，該初級(jí)電流變?yōu)榱?。在這個(gè)時(shí)刻(Il =0)之后整流器元 件D —直到相應(yīng)極性的下一個(gè)半波開始時(shí)都截止，并且在這個(gè)下一次
半波開始時(shí)才導(dǎo)通。
只要設(shè)置了可控的整流器元件D，就可以采用控制單元CTRL (參 見圖IO)這樣地控制這個(gè)整流器元件，即切斷(anschneiden)要傳輸?shù)陌?波的相位，或者周期地或根據(jù)需求完全排除單獨(dú)的半波。由此可以控 制能量輸出和/或在傳輸?shù)陌氩ㄖg的空隙，以便把變壓器T轉(zhuǎn)變到合 適的運(yùn)行狀態(tài)中，例如使得在變壓器T中存儲(chǔ)的磁能量W的完全的 輸出成為可能。
當(dāng)然，整流器元件D在其中導(dǎo)通的交流電壓半波U1相互隔開半 波長，對(duì)于該半波長沒有由整流器元件D傳導(dǎo)電流。
在其中整流器元件D仍不傳導(dǎo)電流并且初級(jí)線圈中斷的時(shí)間期 間，仍存儲(chǔ)在變壓器中的場能量W經(jīng)過次級(jí)線圈W2如此程度地減少， 以致在整流器元件的下一次激活時(shí)實(shí)際上重新產(chǎn)生接通過程，該場能 量W主要由鐵中的場能量WFE和在氣隙中的場能量Ws組成，正如以 下所示
W = 1 /2 JH * B * AV WFE + Ws = HFE * BFE * VFE + 1 /2 Hs * B5 *Vs。
磁通密度B是穩(wěn)定的，并且在氣隙中和在鐵氧體中有著近似相同 的大小(B^Bfe-B5)。磁場強(qiáng)度H是不穩(wěn)定的，它在氣隙中比在鐵氧 體中大，相差因子為pr。
因此，帶有次級(jí)線圈W2的磁框架JK作為存儲(chǔ)扼流圈 (Speichersdrossel)出現(xiàn)在這個(gè)狀態(tài)中。在根據(jù)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)扼 流圈中，鐵氧體芯的磁路經(jīng)常通過氣隙d中斷。然后，在存儲(chǔ)扼流圏 中存儲(chǔ)的能量幾乎完全地在這個(gè)氣隙d中插入。芯K僅用于傳導(dǎo)磁場。 氣隙d用于降低磁通密度B。這避免了芯材料的飽和并且也在高磁化 時(shí)確保了線性的電感曲線。
14圖7a顯示了初級(jí)電壓Ul和在正半波之中傳輸?shù)某跫?jí)電流II的 曲線，該初級(jí)電流由^f茲化電流lM和補(bǔ)償電流I2'組成。在圖7a中顯示 了 ，在初級(jí)電壓Ul在時(shí)刻71經(jīng)過零之前，磁化電流lM和補(bǔ)償電流I2' 在時(shí)刻to相互抵消，并且因此初級(jí)電流Il在時(shí)刻to變?yōu)榱?。因此，?流器元件D已經(jīng)在初級(jí)電壓U1交零之前截止，因此為了磁系統(tǒng)的松 弛，提供了初級(jí)電壓U1的超過一半的周期持續(xù)時(shí)間。此外，時(shí)刻t0 和因此裝置的特性可以通過氣隙d的相應(yīng)的尺寸確定繼續(xù)操控。
圖7b顯示了次級(jí)電壓U2和次級(jí)電流12的對(duì)應(yīng)于初級(jí)電流II的 曲線，該次級(jí)電壓和次級(jí)電流始終構(gòu)成相同極性的脈沖，并且基于起 初描述的通量行程從最大值士 20增加到雙倍的數(shù)值。
圖8顯示了帶有兩個(gè)變壓器Tl、 T2的根據(jù)本發(fā)明的裝置，該變 壓器的初級(jí)線圈Wu、 Wu分別經(jīng)過整流器元件Dl、 D2與交流電壓 源Q相連，并且該變壓器的次級(jí)線圈W21或W22這才羊地與負(fù)載Z相連， 使得在其中對(duì)于對(duì)應(yīng)的半波交替輸送的次級(jí)電流12在相同的方向上 流經(jīng)負(fù)載Z。兩個(gè)整流器元件D1、 D2在當(dāng)前的設(shè)計(jì)方案中是半導(dǎo)體 二極管，其中，該整流器元件用陰極與對(duì)應(yīng)的初級(jí)線圈Wn或Wu相 連，并且用陽極與供電線PL的不同的導(dǎo)線PL1或PL2相連。因此， 整流器元件D1、 D2通過初級(jí)線圈Wu、 Wu交替地傳導(dǎo)初級(jí)電流Il, 以致極性正確地輸送給負(fù)載Z的、次級(jí)產(chǎn)生的脈沖對(duì)相同極性的脈沖 鏈進(jìn)行補(bǔ)充。對(duì)于技術(shù)人員顯而顯見的是，極性交換在初級(jí)側(cè)或次級(jí) 側(cè)上可用不同的方式實(shí)現(xiàn)，以致可以沒有問題地產(chǎn)生帶有第 一極性或 第二極性的經(jīng)整流的脈沖。為了改變變換比和因此為了改變產(chǎn)生的直 流電壓的大小，初級(jí)線圈和/或次級(jí)線圈可以配備分接頭，在該分接頭 上可以可選擇地輸送初級(jí)電壓或降低(abnehmen)次級(jí)電壓。
圖9顯示了帶有兩個(gè)在共同的鐵芯上設(shè)置的初級(jí)線圈W 、 W12 的變壓器T1P2,該初級(jí)線圈分別這樣地經(jīng)過整流器元件Dl或D2與交 流電壓源Q相連，并且這樣地設(shè)置在變壓器Tn^的共同的磁框架JK
15II在初級(jí)線圈Wu、 Wu的每個(gè)中輸送，該初級(jí)電流通過磁路或磁框 架JK始終在同樣的方向上驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的磁通量O。兩個(gè)可控的整流器
元件D1和D2采用陽極或陰極與供電線PL的第一導(dǎo)線PL1相連，并 且采用陰極或陽極與對(duì)應(yīng)的初級(jí)線圈Wu或Wu的一端相連，其另外 一端共同地與供電線PL的第二導(dǎo)線PL2相連。與圖8的方案相比， 在本發(fā)明的這個(gè)設(shè)計(jì)方案中只需要磁框架JK。但是在圖8的方案中減 少了功率損耗。此外，圖8的方案也可以用傳導(dǎo)的初級(jí)電流Il之間的 明顯更少的空隙實(shí)現(xiàn)，然而該空隙是電可控的，只要設(shè)置了可控的整 流器元件D。
本發(fā)明在三相電流系統(tǒng)中是可以特別容易和有利地應(yīng)用的。圖10 顯示了帶有三個(gè)初級(jí)線圏W1R、 W1S、 Wn的三相電流變壓器T3n，該 初級(jí)線圏的笫一端分別經(jīng)過整流器元件DR或Ds或DT與對(duì)應(yīng)的相R、 S、 T相連，并且該初級(jí)線圈的第二端分別與三相電流線PL3的零線0 相連，該變壓器帶有三個(gè)次級(jí)線圈W2R、 、V2S、 MA2T，該次級(jí)線圈這樣 地與負(fù)載Z相連，即，使得交替地在次級(jí)線圈W2R、 W2S、 W2T中傳 導(dǎo)的次級(jí)電流I2R、 12S和l2T始終在同樣的方向上流經(jīng)負(fù)載Z。整流器
元件Dr或Ds或.DT的每一個(gè)采用其陽^L與三相電流線PL3的對(duì)應(yīng)的 相R、 S、 T相連，采用其陰極與對(duì)應(yīng)的初級(jí)線圈W1R、 W1S、 Wrr相 連，并且采用其控制電極clR、 cls、 c1t與控制羊元CTRL的對(duì)應(yīng)的輸 出端相連，采用該控制單元例如可以實(shí)現(xiàn)相角控制。次級(jí)線圈^Wm、 W2S、 Wn是并聯(lián)的，并且相同極性的脈沖傳輸給所連接的負(fù)載Z。在 前聯(lián)的濾波電路SS中平滑脈沖，該濾波電路具有例如與負(fù)載Z串聯(lián) 的濾波扼流圈LS和/或與負(fù)載Z并聯(lián)的充電電容器Cl。
圖lla顯示了用于上面描述的裝置的任一個(gè)的采用相角控制調(diào)節(jié) 的初級(jí)電壓U1和相應(yīng)的初級(jí)電流Il的曲線，該裝置配備有相角控制。 因此，整流器元件Dr或Ds或D"殳有在電壓Ul的相應(yīng)的半波開始時(shí) 已經(jīng)開始，而是在獲得控制信號(hào)以后，并且因此以延遲p導(dǎo)通。圖lib 顯示了次級(jí)電壓U2和次級(jí)電流I2的^f應(yīng)圖lla的初級(jí)電流Il的曲線。圖12a顯示了在圖10的變壓器T奶的初級(jí)線圈W1R、 W1S、 W1T 中的采用相角控制調(diào)節(jié)的初級(jí)電流IU、 Ils、 IlT的曲線。圖12b顯示 了在圖10的負(fù)載電阻Z上的電壓Uz的曲線。
圖13顯示了帶有三對(duì)初級(jí)線圈W11R、 Wur和W11S、 Wus以及 W11T、 Wi2T的變壓器T犯2，該初級(jí)線圈的第一端分別經(jīng)過對(duì)應(yīng)的整流 器元件Dju、 Dr2或Dw、 Ds2或D^、 Dt2與相R、 S、 T相連，并且該 初級(jí)線圈的第二端與三相電流線PL3的零線0相連，該變壓器還帶有 次級(jí)線圈Wm、 W2S、 W2T,該次級(jí)線圈這樣地與負(fù)載Z相連，即，使
得交替地在次級(jí)線圈W2R、 W2S、 W2T中傳導(dǎo)的次級(jí)電流Im、 12S和Irr
始終在同樣的方向上流經(jīng)負(fù)載Z 。
初級(jí)線圈對(duì)WnR、 W，或Wus、 Wus或Wm、 W]2丁是串聯(lián)的， 并且經(jīng)過耦合點(diǎn)與三相電流線PL3的零線O相連。與之不同，初級(jí)線 圈W11R、 Wur或Wlls、 W12S或W11T、 Wm的自由端經(jīng)過整流器元件 Dri 、 Dr2或DS1 、 DS2或DT1 、 DT2與三相電流線PL3的對(duì)應(yīng)的相R、 S、 T相連，其中，第一整流器元件D^或Ds2或DT2用陽極而第二整流器 元件Dr2或DS2或DT2用陰極與三相電流線PL3的對(duì)應(yīng)的相R、 S、 T 相連。其中，相互乂十應(yīng)的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈W11R、 W12R、 Wm或
W11S、 W12S、 W2S或Wut、 W12T、 W2T是分別設(shè)置在磁框架的分開的 芯Kr、 Ks、 Kt上的。三相電流變壓器T3P2基本上也可以由單相變壓 器T^2組成，正如其在上面說明的裝置中所應(yīng)用的。
在圖13中所顯示的裝置中，優(yōu)選可控的整流器元件DR1、 Dr2、 DS1、 DS2、 DT1、 Di2的每一個(gè)對(duì)于三相R、 S、 T的每一個(gè)的半波分別 導(dǎo)通，以致分別傳輸六個(gè)脈沖。
圖14a顯示了在圖13的變壓器T3P2的初級(jí)線圈W11R、 Wur和
Wus、Wus和WuT、W^t中的采用相角控制調(diào)節(jié)的初級(jí)電流Ilw、Ilsh
I1T1、 I1r2、 I1S2、 11t2的曲殘；以及
圖14b顯示了在圖13的負(fù)載電阻Z上的電壓Uz的已經(jīng)很大程度 上平滑的曲線。
1權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生直流電壓或直流電流的裝置，帶有至少一個(gè)整流器元件(D)和至少一個(gè)變壓器(T)，該變壓器具有至少一個(gè)經(jīng)過供電線(PL)的導(dǎo)線(PL1，PL2)與交流電壓源(Q)相連的初級(jí)線圈(W1)和至少一個(gè)與負(fù)載(Z)相連的次級(jí)線圈(W2)，該初級(jí)線圈和次級(jí)線圈設(shè)置在對(duì)應(yīng)的磁框架(JK)上，該磁框架用于傳導(dǎo)磁通量Φ，該裝置的特征在于，所述初級(jí)線圈(W1)是經(jīng)過所述整流器元件(D)與所述交流電壓源(Q)相連的，以致對(duì)于相應(yīng)的極性的每個(gè)交流電壓半波，初級(jí)電流I1是可以通過所述整流器元件(D)并通過所述初級(jí)線圈(W1)傳導(dǎo)的，所述初級(jí)電流始終在相同的方向上通過所述磁框架(JK)驅(qū)動(dòng)所述磁通量Φ。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，兩個(gè)初級(jí)線圈(Wu; W^)分別這^f羊地經(jīng)過所述整流器元件(Dl或D2)與所述交流電壓源(Q) 相連，并且這樣地設(shè)置在所述變壓器(Tm)的共同的磁框架(JK)上，使 得交替地用相應(yīng)的極性的每個(gè)交流電壓半波把每個(gè)初級(jí)電流II在初 級(jí)線圏(Wu; Wu)的每個(gè)中輸送，該初級(jí)電流通過所述磁框架(JK)分別 在相同的方向上驅(qū)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的石茲通量①。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，兩個(gè)初級(jí)線圈(Wn; Wu)分別經(jīng)過整流器元件(D)與所迷交流電壓源(Q)相連，并且設(shè)置在 分開的磁框架(JKl, JK2)上，以及分別設(shè)置在所述兩個(gè)磁框架(JKl, JK2)之一上的次級(jí)線圈(Wn或W22)這樣地與負(fù)栽(Z)相連，使得在其中對(duì)于對(duì)應(yīng)的半波交替?zhèn)鲗?dǎo)的次級(jí)電流12在相同的方向上流經(jīng)所迷負(fù)載 (Z)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，a)所述初級(jí)線圈(Wu; W^)分別用第一端分別經(jīng)過極化不同的整 流器元件(D1或D2)與所述供電線(PL)的第一導(dǎo)線(PL1)相連，并且用 所述初級(jí)線圈(Wu; Wi2)的第二端與所述供電線(PL)的第二導(dǎo)線(PLl) 相連，或者b)所述初級(jí)線圈(Wn; Wu)分別用第一端分別經(jīng)過^L化相同的整 流器元件(Dl或D2)并且用所述初級(jí)線圈(Wu; W]2)的所述第二端與所 述供電線(PL)的不同的導(dǎo)線(PL1或PL2以及PL2或PL1)相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述變壓器(T刑) 具有三個(gè)初級(jí)線圈(W恥W1S, W1T)，所述初級(jí)線圈的第一端分別經(jīng)過 所對(duì)應(yīng)的整流器元件(DR或Ds或DT)與三相電流線(PL3)的相(R, S, T) 相連，而所述初級(jí)線圏的所述第二端與三相電流線(PL3)的零線(0)相 連，并且所述變壓器(T奶)具有與所述初級(jí)線圈(Wm, W1S, W1T)磁性地 耦合的次級(jí)線圈(Wm, W2S, W2T),該次級(jí)線圈這樣地與所述負(fù)載(Z)相 連，使得交替地在所述次級(jí)線圈(W2R， W2S, W2T)中傳導(dǎo)的次級(jí)電流I2R、 I2S和I2T始終在相同的方向上流經(jīng)所述負(fù)載(Z)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述變壓器(Tgp2)具有三對(duì)初級(jí)線圈(WuR , Wur或Wm , W)2s或W11T , W12T)，所述初 級(jí)線圈的第一端分別經(jīng)過所對(duì)應(yīng)的整流器元件(D!u; Dr2或D^; Ds2或 DT1; Di2)與三相電流線(PL3)的相(R, S, T)相連，以及所述初級(jí)線圈的 第二端與所述三相電流線(PL3)的零線(0)相連，并且所述變壓器(T奶) 具有與所述初級(jí)線圈(W恥W1S, W1T)磁性地耦合的次級(jí)線圈(W2R, W2S，W2T)，該次級(jí)線圈這樣地與所述負(fù)載(Z)相連，使得交替地在所述次級(jí)線圈(W2R， W2S, W2T)中傳導(dǎo)的次級(jí)電流I漢、12S和l2T始終在相同的方向上流經(jīng)所述負(fù)載(z)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于，相互耦合的 所述初級(jí)線圈和次級(jí)線圈(W!r , Wm和W1S , Wm和W1T ， W2t)或(Whr, W12R, W漢和W11S， W12S, Wm和W11T, W12T, W2T)分別設(shè)置在所述磁框 架的芯(Kr或Ks或Kt)上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所 述一個(gè)或多個(gè)磁框架(JK)優(yōu)選地具有磁軛或芯、氣隙(d)，該氣隙優(yōu)選 地是這樣選擇的，即在鐵中的場強(qiáng)從不超出設(shè)置的數(shù)值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述整流器元件(D)或所述這些整流器元件(Dl, D2或者Dr或Ds或DT 或者DR1; Dr2或DS1; Ds2或DT]; DT2)具有與控制單元(CTRL)相連的控 制輸入(cl; clR, cls, clT)，并且是可以由所述控制單元(CTRL)這樣地控 制的，即切斷相同極性的要傳輸?shù)陌氩ǖ南辔缓?或周期地或按需要地 不傳輸相同極性的單個(gè)半波。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述整流器元件 (D)或每個(gè)所述這些整流器元件(Dl, D2或者Dr或Ds或Dt或者DR1; Dr2或DS1; DS2或DT1; Di2)是可控的半導(dǎo)體，優(yōu)選是閘流管或三端雙向 可控硅開關(guān)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于， 所述次級(jí)線圈(W2)或所述這些次級(jí)線圏(W^, Wa或W2R, W2S, Wrr或(W1R, W2R或W化，Wm或W1T, W2T)經(jīng)過有源的或無源的濾波電路(S)與所述負(fù)載(Z)相連，該濾波電路具有至少一個(gè)組件，如有可能具有串 聯(lián)的扼流圈(Ls)和/或并聯(lián)到所述負(fù)載(Z)的充電電容器(Cs)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于， 所述變壓器(T,...)或所述這些變壓器(T,…)的變換比是可改變的。
13. —種用于產(chǎn)生直流電壓或直流電流的方法，尤其是指使用根 據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的裝置，該裝置與單相交流電壓源 或多相交流電壓源(Q)連接，并且為了轉(zhuǎn)變電能該裝置具有至少 一個(gè)整 流器元件(D1， D2或者Dr或Ds或DT或者DR1; Dr2或DS1; Dm或DT1; D丁2)和至少一個(gè)變壓器(T, Tl, T2, T1P2, T3P1， T3P2),該方法的特征在于， 每個(gè)整流器元件(D1， D2或者Dr或Ds或Dt或者DR1; Dr2或DS1; DS2 或DT1; DT2)周期地或按需要地把相同極性的半波輸出給所對(duì)應(yīng)的初級(jí) 線圈(Wl,…)，該半波由所對(duì)應(yīng)的次級(jí)線圈(W2)極性正確地輸送到所述 負(fù)載(Z)。
全文摘要
用于產(chǎn)生直流電壓或直流電流的裝置，其具有至少一個(gè)整流器元件(D)和至少一個(gè)變壓器(T)，該變壓器具有至少一個(gè)經(jīng)過供電線(PL)的導(dǎo)線(PL1，PL2)與交流電壓源(Q)相連的初級(jí)線圈(W1)和至少一個(gè)與負(fù)載(Z)相連的次級(jí)線圈(W2)，該初級(jí)和次級(jí)線圈設(shè)置在對(duì)應(yīng)的磁框架(JK)上，該磁框架用于輸送磁通量Φ。根據(jù)本發(fā)明，該初級(jí)線圈(W1)是經(jīng)過整流器元件(D)與交流電壓源(Q)相連的，以致對(duì)于相應(yīng)的極性的每個(gè)交流電壓半波，電流I1是可以通過整流器元件(D)并通過初級(jí)線圈(W1)輸送的，該電流始終在相同的方向上通過磁框架(JK)驅(qū)動(dòng)磁通量Φ。
文檔編號(hào)H02M7/06GK101669275SQ200880004193
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2008年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月5日
發(fā)明者馬克斯·布賴特梅爾 申請(qǐng)人:馬克斯·布賴特梅爾