專利名稱：一種基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于用電設(shè)備的功率調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及到一種基于可控 硅的功率調(diào)節(jié)裝置。
背景技術(shù)：
可控硅又稱晶間管，具有耐壓高、容量大、體積小等特點(diǎn)，是一種大功率型半導(dǎo)體 器件，廣泛應(yīng)用于電力電子線路中?？煽毓栌挚杉?xì)分為單向可控硅和雙向可控硅兩種。由 于本發(fā)明中只用到了單向可控硅，所以下面只對(duì)單向可控硅加以介紹，并為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在以 下說(shuō)明中將其簡(jiǎn)稱為可控硅，即若無(wú)特殊說(shuō)明，說(shuō)明書(shū)中提到到可控硅即為單向可控硅。可控硅具有陽(yáng)極、陰極和控制極三個(gè)引腳，導(dǎo)通和截止兩種工作狀態(tài)。當(dāng)可控硅處 于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，陽(yáng)極與陰極間壓降極低，約為IV，在大功率應(yīng)用中可以忽略；當(dāng)處于截止?fàn)?態(tài)時(shí)，陽(yáng)極和陰極間漏電流很小，可認(rèn)為處于完全截止?fàn)顟B(tài)。可控硅只有在陽(yáng)極與陰極之間加有正向電壓時(shí)，才可以被施加到控制極與陰極間 的正向觸發(fā)電壓觸發(fā)導(dǎo)通?？煽毓鑼?dǎo)通后，只要陽(yáng)極和陰極之間仍保持正向電壓，無(wú)論觸發(fā) 電壓是否繼續(xù)存在，都將一直保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到這種正向電壓被撤除，如陽(yáng)極和陰極之間 電壓變?yōu)榱慊驑O性發(fā)生改變時(shí)，才重新回到截止?fàn)顟B(tài)。一旦回到截止?fàn)顟B(tài)，可控硅就只能在 陽(yáng)極和陰極間又重新具有正向電壓，且在控制極和陰極之間存在正向觸發(fā)電壓時(shí)方可再次 被觸發(fā)導(dǎo)通?？煽毓韫β收{(diào)節(jié)裝置是以可控硅為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)字控制電路完成電壓調(diào)節(jié)的方式 來(lái)調(diào)節(jié)功率電器設(shè)備。調(diào)壓方式上，傳統(tǒng)方法是移相調(diào)壓，即通過(guò)調(diào)整可控硅導(dǎo)通角來(lái)切削 正弦波，進(jìn)而得到大小不同的電功能量。傳統(tǒng)方法所得到的輸出電壓波形畸變嚴(yán)重，在電網(wǎng) 系統(tǒng)中產(chǎn)生大量諧波分量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種能夠有效地抑制諧波分量，提 高功率因數(shù)，從而減少對(duì)電網(wǎng)的污染的基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，包括一臺(tái)變壓器，該變壓器具有兩個(gè)不同變比的第一級(jí)次級(jí)輸出、第二級(jí)次級(jí)輸出，變 壓器的初級(jí)接電網(wǎng)主回路，兩個(gè)次級(jí)輸出輸出相位相同、電壓不同的第一級(jí)電壓和第二級(jí) 電壓，其中，第一級(jí)電壓小于第二級(jí)電壓；兩組可控硅，分別接變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出；每組可控硅由一個(gè)正相可控硅和一 個(gè)負(fù)相可控硅組成，正相可控硅的陽(yáng)極接變壓器的次級(jí)輸出，負(fù)相可控硅的陰極接變壓器 的次級(jí)輸出，正相可控硅的陰極與負(fù)相可控硅的陽(yáng)極連接在一起，作為該組可控硅的輸出； 兩組可控硅的輸出連接在一起，并接需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的負(fù)載；一個(gè)控制器，控制器的相位捕獲模塊與變壓器的次級(jí)輸出連接，用于獲得次級(jí)輸 出電壓的相位信息，并根據(jù)負(fù)載需要的功率，調(diào)節(jié)導(dǎo)通角α，輸出觸發(fā)信號(hào)給兩組可控硅
(1)、當(dāng)次級(jí)輸出電壓正半周過(guò)零點(diǎn)時(shí)，控制器輸出觸發(fā)信號(hào)給與第一級(jí)次級(jí)輸出 相連接的一組可控硅，觸發(fā)其正相可控硅導(dǎo)通，由第一級(jí)電壓為負(fù)載提供電壓；(2)、當(dāng)次級(jí)輸出電壓正半周相位位于導(dǎo)通角α處時(shí)，控制器輸出觸發(fā)信號(hào)給與 第二級(jí)次級(jí)輸出相連接的一組可控硅，觸發(fā)其正相可控硅導(dǎo)通，同時(shí)，與第一級(jí)次級(jí)輸出相 連接的一組可控硅的正相可控硅因承受反向電壓而自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)，負(fù)載由第一級(jí)電壓轉(zhuǎn) 換成第二級(jí)電壓供電；(3)、當(dāng)次級(jí)輸出電壓負(fù)半周過(guò)零點(diǎn)時(shí)，控制器輸出觸發(fā)信號(hào)給與第一級(jí)次級(jí)輸 出相連接的一組可控硅，觸發(fā)其負(fù)相可控硅導(dǎo)通，與第二級(jí)次級(jí)輸出相連接的一組可控硅 的正相可控硅因承受反向電壓而自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)，負(fù)載由第二級(jí)電壓轉(zhuǎn)換成第一級(jí)電壓供 電；(4)、當(dāng)次級(jí)輸出電壓負(fù)半周相位位于導(dǎo)通角π + α處時(shí)，控制器輸出觸發(fā)信號(hào)給 與第二級(jí)次級(jí)輸出相連接的一組可控硅，觸發(fā)其負(fù)相可控硅導(dǎo)通，同時(shí)，與第一級(jí)次級(jí)輸出 相連接的一組可控硅的負(fù)相可控硅因承受反向電壓而自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)，負(fù)載由第一級(jí)電壓 轉(zhuǎn)換成第二級(jí)電壓供電；控制器按照上述觸發(fā)時(shí)序，周期性地控制兩組可控硅的導(dǎo)通和關(guān)閉，調(diào)節(jié)負(fù)載的功率。本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置中，根據(jù)需要的功率，調(diào)節(jié)導(dǎo)通角α，使其在 0-π范圍內(nèi)變化，即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓在第二級(jí)電壓與第一級(jí)電壓范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)。本發(fā) 明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置在實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓值連續(xù)可調(diào)的同時(shí)還減小了系統(tǒng)震蕩。通過(guò) Matlab仿真可以發(fā)現(xiàn)，該方法與移相調(diào)功相比產(chǎn)生的諧波失真度(THDu)要小得多。諧波失 真度(THDu)小，說(shuō)明諧波分量得到了抑制，功率因數(shù)得到了提高，從而減少對(duì)電網(wǎng)的污染。


圖1是本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置一種具體實(shí)施方式
原理圖；圖2是圖1所示基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置的輸出波形及觸發(fā)信號(hào)時(shí)序圖；圖3是過(guò)零功率調(diào)節(jié)裝置的輸出電壓波形圖；圖4是移相功率調(diào)節(jié)裝置的輸出電壓波形圖；圖5是圖1所示基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置的輸出電壓-THDu曲線圖；圖6是圖1中第二級(jí)電壓U2與第一級(jí)電壓U1的比值B —輸出電壓Utl的THDu最 大值的關(guān)系曲線圖；圖7是圖1所示基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置的級(jí)聯(lián)實(shí)施方式原理圖；圖8是本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置另一種具體實(shí)施方式
原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許 會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。實(shí)施例1
圖1是本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置一種具體實(shí)施方式
原理圖。在本實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置包括變壓器T、兩 組可控硅SCRp SCR2以及微控制器K。變壓器T具有兩個(gè)不同變比的第一級(jí)次級(jí)輸出S1、第二級(jí)次級(jí)輸出S2。變壓器T 的初級(jí)P接電網(wǎng)主回路，電網(wǎng)主回路電壓為Ui,兩個(gè)次級(jí)輸出SpS2輸出相位相同、電壓不同 的第一級(jí)電壓U1和第二級(jí)電壓U2，其中，第一級(jí)電壓U1小于第二級(jí)電壓u2。兩組可控硅SCR” SCR2分別接變壓器T的兩個(gè)次級(jí)輸出，第一級(jí)次級(jí)輸出S1、第二 級(jí)次級(jí)輸出s2?？煽毓杞MSCR1由正相可控硅A1和負(fù)相可控硅B1組成，可控硅組SCR2由正 相可控硅A2和一負(fù)相可控硅B2組成。正相可控硅ApA2的陽(yáng)極分別接變壓器T的次級(jí)輸出SpS2，負(fù)相可控硅BpB2的陰 極分別接變壓器τ的次級(jí)輸出Si、S2,正相可控硅Ap A2的陰極分別與負(fù)相可控硅Bi、B2的 陽(yáng)極連接在一起，作為可控硅組SCRp SCR2的輸出；兩組可控硅SCRp SCR2的輸出連接在一 起，并接需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的負(fù)載R ；在本實(shí)施例中，控制器采用微控制器K，微控制器K的相位捕獲模塊與變壓器的次 級(jí)輸出S1連接，用于獲得次級(jí)輸出電壓U1的相位信息，并根據(jù)負(fù)載R需要的功率，調(diào)節(jié)導(dǎo)通 角α，輸出觸發(fā)信號(hào)給兩組可控硅SCRp SCR2。圖2是圖1所示基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置的輸出波形及觸發(fā)信號(hào)時(shí)序圖。在本實(shí)施例中，如圖1、2所示(1)、當(dāng)次級(jí)輸出電壓正半周過(guò)零點(diǎn)時(shí)，微控制器K輸出觸發(fā)信號(hào)Tr1給與第一級(jí) 次級(jí)輸出S1相連接的一組可控硅SCR1，觸發(fā)其正相可控硅A1導(dǎo)通，由第一級(jí)電壓U1為負(fù)載 R提供電壓u0;(2)、當(dāng)次級(jí)輸出電壓正半周相位位于導(dǎo)通角α處時(shí)，微控制器K輸出觸發(fā)信號(hào) Tr2給與第二級(jí)次級(jí)輸出S2相連接的一組可控硅SCR2，觸發(fā)其正相可控硅A2導(dǎo)通，同時(shí)，與 第一級(jí)次級(jí)輸出S1相連接的一組可控硅的正相可控硅因承受反向電壓而自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)， 負(fù)載由第一級(jí)電壓U1轉(zhuǎn)換成第二級(jí)電壓U2供電；(3)、當(dāng)次級(jí)輸出電壓負(fù)半周過(guò)零點(diǎn)時(shí)，微控制器K輸出觸發(fā)信號(hào)Tr3給與第一級(jí) 次級(jí)輸出S1相連接的一組可控硅SCR1，觸發(fā)其負(fù)相可控硅導(dǎo)通B1，與第二級(jí)次級(jí)輸出S2相 連接的一組可控硅SCR2的正相可控硅A2因承受反向電壓而自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)，負(fù)載R由第二 級(jí)電壓U2轉(zhuǎn)換成第一級(jí)電壓U1供電；(4)、當(dāng)次級(jí)輸出電壓負(fù)半周相位位于導(dǎo)通角π + α處時(shí)，微控制器K輸出觸發(fā)信 號(hào)Tr4給與第二級(jí)次級(jí)輸出S2相連接的一組可控硅SCR2,觸發(fā)其負(fù)相可控硅導(dǎo)通B2,同時(shí)， 與第一級(jí)次級(jí)輸出S1相連接的一組可控硅SCR1的負(fù)相可控硅B1因承受反向電壓而自動(dòng)關(guān) 斷，此時(shí)，負(fù)載R由第一級(jí)電壓U1轉(zhuǎn)換成第二級(jí)電壓U2供電；微控制器K按照上述觸發(fā)時(shí)序，控制兩組可控硅SCRp SCR2的導(dǎo)通和關(guān)閉，調(diào)節(jié)負(fù) 載R的功率。調(diào)節(jié)導(dǎo)通角α使其在0-π范圍內(nèi)變化，即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓U。在第二級(jí)電壓112第 一級(jí)電壓U1范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)；而輸出電壓U。在O-U1范圍內(nèi)的電壓調(diào)節(jié)，則仍使用傳統(tǒng)的 移相調(diào)功方式，在微控制器K控制下，通過(guò)調(diào)節(jié)可控硅組SCR1來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就保證了系統(tǒng)輸出 電壓在O-U2范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)。
在本實(shí)施中，如圖1所示，微控制器K還包括一通信接口，用于與上位機(jī)交互，實(shí)現(xiàn) 人機(jī)交互和遠(yuǎn)程控制。在本實(shí)施例中，獲取調(diào)節(jié)導(dǎo)通角α方法為本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置硬件上較傳統(tǒng)方法更復(fù)雜，需要提供至少兩級(jí) 源電壓，且要求這些源電壓同頻同相，該問(wèn)題可采用同一變壓器多輸出抽頭的方法予以解 決。同時(shí)導(dǎo)通角α值的計(jì)算也需要一定的技巧，在本實(shí)施例中，采用以下方法，獲取導(dǎo)通角 α 本發(fā)明利用兩級(jí)電壓有效值U1和U2，以及負(fù)載上需要的電壓有效值U。，得到求解 導(dǎo)通角α值的數(shù)學(xué)方程f 令眾HP，則 U2 -Uxf(a ) = 2a-sin2a-k = 0。(2)顯然，(2)式為超越方程，不存在解析解，所以需采用數(shù)值計(jì)算的方法求出所需精 度的近似解。又因?yàn)槟壳拔⒖刂破鞯倪\(yùn)算速度都已經(jīng)很快，而調(diào)功系統(tǒng)工作在50Hz工頻 下，對(duì)處理時(shí)間的要求很低，所以很多數(shù)值計(jì)算方法都可以用來(lái)求解，如牛頓迭代法，二分 法等。下面只對(duì)牛頓迭代法的使用加以說(shuō)明。牛頓迭代法又稱為牛頓_拉夫遜方法(Newton-Raphson method)，它是牛頓在17 世紀(jì)提出的一種在實(shí)數(shù)域和復(fù)數(shù)域上近似求解方程的方法。牛頓迭代法是求方程根的重要 方法之一，其最大優(yōu)點(diǎn)是在方程的單根附近具有平方收斂。在⑵式中，設(shè)r是f(a) =0 的根，選取α ^作為r初始近似值，過(guò)點(diǎn)，f(a0))做曲線y = f(a)的切線上，L的方 程為
切線與
7
1(a) =2 (l-cos2 a 0) a +2 a 0cos2 a 0_sin 2 a 0_k,(3)
求出上與α軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)
ai=a0 + k-2a^shl2a%(4)
2(l-cos2a0)
稱^為！·的一次近似值。過(guò)點(diǎn)(h，f(ai))做曲線y = f(a)的切線，并求該 α軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)
a2=ai + kZ2a1±^2aLf(5)
2(l-cos2orj)
稱^為！·的二次近似值。重復(fù)以上過(guò)程，得r的近似值序列，其中
wAz^t^^，(6)
2(1 - cos 2a n)
稱為r的η+l次近似值，以上即為牛頓迭代求根方法。 因?yàn)榍€y = f(a)的導(dǎo)數(shù)
f(a) = 2-2cos2 a > 0,0 < a < ji ,(7)
所以曲線是單調(diào)的。
又因?yàn)?br>
(8)所以f (0) = -k < 0,(9)f(ji) = 23i-k > 0,(10)綜合考慮(7) (9) (10)式及方程的連續(xù)性，可知對(duì)于特定的輸出電壓隊(duì)，方程 f(a)= 0有且只有一個(gè)解r，所以采用牛頓迭代法求近似解是可行的。通過(guò)編程驗(yàn)證牛頓迭代法的準(zhǔn)確度如表1所示 表 1通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，該方法具有很好的收斂性，只經(jīng)過(guò)兩次迭代就已經(jīng)達(dá)到了很 高的精度。對(duì)比前兩組數(shù)據(jù)，在起始值均為90°的情況下，經(jīng)過(guò)兩次迭代后，正解為120° 的誤差明顯要小于正解為45°的誤差；對(duì)比最后兩組數(shù)據(jù)，在正解均為150°的情況下，因 迭代初始值的不同，而產(chǎn)生了不同的誤差，起始值是90°的即使迭代了 3次，其誤差仍大于 起始值是135°的誤差，由此可見(jiàn)迭代初始值與正解的偏差對(duì)近似解的求取影響很大，偏差 越小求解近似解的速度越快。考慮到實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，對(duì)大功率調(diào)節(jié)的控制都是漸進(jìn)式 的慢速過(guò)程，所以采用當(dāng)前使用的近似解作為下一時(shí)刻近似解的迭代起始值，可以在求解 速度和精度上取得最佳的效果。對(duì)比傳統(tǒng)的基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置，可以分析和比較得出本發(fā)明的優(yōu)劣一、周波過(guò)零調(diào)功周波過(guò)零調(diào)功是通過(guò)控制一定時(shí)間內(nèi)周波的導(dǎo)通個(gè)數(shù)與關(guān)斷個(gè)數(shù)之比來(lái)調(diào)節(jié)輸 出功率，如圖3所示，圖下方的百分?jǐn)?shù)為周波導(dǎo)通個(gè)數(shù)與關(guān)斷個(gè)數(shù)之比。該調(diào)功方法下輸出 電壓為完整的正弦波，最大的優(yōu)點(diǎn)在于電網(wǎng)中不會(huì)產(chǎn)生諧波分量。但是可以看到，其輸出電 壓值u。在調(diào)節(jié)過(guò)程中震蕩很大，控制并不平滑，反映在功率上容易出現(xiàn)大起大落的沖擊現(xiàn) 象，不能滿足負(fù)載上電壓電流連續(xù)變化的要求。二、移相調(diào)功移相調(diào)功是通過(guò)使用開(kāi)關(guān)器件切削正弦波，以一種斬波方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率如 圖4所示，圖下方所示，即0、JI/4、Ji/2、3Ji/4為斬波角度，后面用0表示，其取值范圍為 ，可以通過(guò)改變斬波角度0值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載端電壓的大小，比如0 = 0時(shí)完全導(dǎo)通，輸出電壓U。完全等于輸入電壓Ui，而β = π時(shí)輸出電壓U。為零。從圖4可見(jiàn)，移相調(diào)功較過(guò)零調(diào)功方式更加平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)有效值的連續(xù)變化，但 缺點(diǎn)也是明顯的，圖中輸出電壓U。波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，這不但會(huì)產(chǎn)生大量諧波污染電網(wǎng)，同 時(shí)也會(huì)大大降低整個(gè)功率調(diào)節(jié)裝置的功率因數(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效控制。本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置，采用兩級(jí)電壓疊加的方法調(diào)節(jié)負(fù)載功率，在 實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓值連續(xù)可調(diào)的同時(shí)還減小了震蕩。通過(guò)Matlab仿真可以發(fā)現(xiàn)，該方法與移相 調(diào)功相比產(chǎn)生的諧波失真度(THDu)要小得多。在本實(shí)施例中，如圖5所示，為實(shí)現(xiàn)0-200V的輸出，傳統(tǒng)的移相功率調(diào)節(jié)要求變壓 器輸出為200V，本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置第一級(jí)電壓U1為100V，第二級(jí)電壓U2為 200V。從圖5中，我們可以清楚的看出，在輸出電壓相同的情況下，本發(fā)明基于可控硅的功 率調(diào)節(jié)裝置輸出電壓Utl的THDu要比傳統(tǒng)的移相功率調(diào)節(jié)裝置輸出電壓的THDu低很多，特 別是在100V-200V的輸出范圍內(nèi)，本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置輸出電壓U。的THDu在 141. 4V處達(dá)到最大值，為0. 3536，輸出電壓Utl在140V兩端則隨著與140V距離的增大THDu 逐漸減小，而傳統(tǒng)的移相功率調(diào)節(jié)要達(dá)到相同的THDu，輸出電壓只能限定在188. 5V-200V 的狹小范圍內(nèi)。實(shí)施例2本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置輸出電壓Utl的THDu只與參與疊加的第二級(jí)電 壓U2、第一級(jí)電壓U1的比值B = U2Ai1及導(dǎo)通角α有關(guān)，其關(guān)系式為 因?yàn)閷?dǎo)通角α的變化范圍固定為0彡α ( π，所以只能通過(guò)改變電壓比值B來(lái) 改變本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置輸出電壓Utl的THDu。本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置輸出電壓U。的THDu最大值與第一級(jí)電壓Ul、 第二級(jí)電壓U2的電壓比值B的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著電壓比值B的增大輸出電壓U。的THDu也逐漸增大，為了 保證本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置擁有較高的功率因數(shù)。作為實(shí)施例1部分的進(jìn)一步改進(jìn)，在本實(shí)施例中，電壓比值B小于2，以保證THDu 最大值小于0. 3536。但是，這樣輸出電壓U。的范圍就不易很好覆蓋，在本實(shí)施例中，可通過(guò) 級(jí)聯(lián)方式，在輸出電壓Utl的THDu分布不變的情況下，獲得輸出電壓Utl范圍的指數(shù)擴(kuò)大予以 解決。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，輸出電壓范圍內(nèi)各段電壓的使用頻率并不相同，也就可以通 過(guò)分析實(shí)際需求，在使用頻繁的段內(nèi)采用小電壓比值，使用頻率低的段內(nèi)采用大的電壓比 值，從而在系統(tǒng)復(fù)雜度與實(shí)際效益間取得平衡。如圖7所示是作為進(jìn)一步改進(jìn)的基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置的實(shí)例，為三段級(jí)聯(lián) 方式，其變壓器T還具有兩個(gè)不同變比的第三級(jí)次級(jí)輸出S3、第四級(jí)次級(jí)輸出S4，分別輸出 相位相同、電壓不同的第三級(jí)電壓U3和第四級(jí)電壓u4，其中，第三級(jí)電壓U3大于第二級(jí)電壓 U2，小于第四級(jí)電壓u4。第三級(jí)次級(jí)輸出S3、第四級(jí)次級(jí)輸出S4分別接有一組可控硅SCR3、 SCR4，其連接方式與第一、二級(jí)次級(jí)輸出SpS2的連接方式相同。
當(dāng)輸出電壓UQ需要工作在第二級(jí)電壓1!2、第三級(jí)電壓u3則控制電路(未畫(huà)出)輸 出觸發(fā)信號(hào)給第二、三級(jí)次級(jí)輸出s3連接的可控硅組SCR2、SCR3，使其按照觸發(fā)時(shí)序?qū)ê?關(guān)閉，調(diào)節(jié)負(fù)載的功率。同理，輸出電壓％需要工作在第三級(jí)電壓113、第四級(jí)電壓u4，則控 制兩組可控硅組SCR3、SCR4的導(dǎo)通和關(guān)閉，調(diào)節(jié)負(fù)載的功率。這樣在保證電壓比值B小于等 于2的情況下，很好地覆蓋了輸出電壓叫的電壓范圍。本實(shí)施例，為四級(jí)三段級(jí)聯(lián)方式，同樣適合于三級(jí)兩段級(jí)聯(lián)、五級(jí)四段級(jí)以及更多 級(jí)的情形，但以四級(jí)三段級(jí)聯(lián)方式為最佳，如果級(jí)數(shù)太多，會(huì)增加成本和控制的負(fù)責(zé)性。在本實(shí)施例中，第一級(jí)電壓Ul = 280V、第二級(jí)電壓u2 = 360V、第三級(jí)電壓u3 = 720V、第四級(jí)電壓u4 = 2000V，這樣輸出電壓uQ電壓調(diào)節(jié)范圍為280V 2000V，另外，之所以 這樣選擇這四種電壓規(guī)格，是因?yàn)楸緦?shí)施例中的基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置在250V-450V 附近運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，而其他部分運(yùn)行時(shí)間較短。實(shí)施例3圖8是本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置另一種具體實(shí)施方式
原理圖。在本實(shí)施例中，如圖8所示，基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置如實(shí)施例1所示相同，只 是微控制器K增加了數(shù)據(jù)采樣模塊，對(duì)負(fù)載R上的輸出電壓U(l和電流、的檢測(cè)，以獲取負(fù) 載R的功率；微控制器K根據(jù)檢測(cè)獲得的負(fù)載R的功率調(diào)節(jié)導(dǎo)通角a 當(dāng)檢測(cè)獲得的負(fù)載R 的功率小于負(fù)載R需要的功率，即在本實(shí)施例中，來(lái)自上位機(jī)設(shè)定的負(fù)載R的功率時(shí)，則減 小導(dǎo)通角a，而當(dāng)檢測(cè)獲得的負(fù)載R的功率大于負(fù)載R需要的功率時(shí)，則增加導(dǎo)通角a，直 至檢測(cè)獲得的負(fù)載R的功率等于負(fù)載R需要的功率，獲取到導(dǎo)通角a。盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人 員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式
的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變 化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
權(quán)利要求
一種基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，包括一臺(tái)變壓器，該變壓器具有兩個(gè)不同變比的第一級(jí)次級(jí)輸出、第二級(jí)次級(jí)輸出，變壓器的初級(jí)接電網(wǎng)主回路，兩個(gè)次級(jí)輸出輸出相位相同、電壓不同的第一級(jí)電壓和第二級(jí)電壓，其中，第一級(jí)電壓小于第二級(jí)電壓；兩組可控硅，分別接變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出；每組可控硅由一個(gè)正相可控硅和一個(gè)負(fù)相可控硅組成，正相可控硅的陽(yáng)極接變壓器的次級(jí)輸出，負(fù)相可控硅的陰極接變壓器的次級(jí)輸出，正相可控硅的陰極與負(fù)相可控硅的陽(yáng)極連接在一起，作為該組可控硅的輸出；兩組可控硅的輸出連接在一起，并接需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的負(fù)載；一個(gè)控制器，控制器的相位捕獲模塊與變壓器的次級(jí)輸出連接，用于獲得次級(jí)輸出電壓的相位信息，并根據(jù)負(fù)載需要的功率，調(diào)節(jié)導(dǎo)通角α，輸出觸發(fā)信號(hào)給兩組可控硅(1)、當(dāng)次級(jí)輸出電壓正半周過(guò)零點(diǎn)時(shí)，控制器輸出觸發(fā)信號(hào)給與第一級(jí)次級(jí)輸出相連接的一組可控硅，觸發(fā)其正相可控硅導(dǎo)通，由第一級(jí)電壓為負(fù)載提供電壓；(2)、當(dāng)次級(jí)輸出電壓正半周相位位于導(dǎo)通角α處時(shí)，控制器輸出觸發(fā)信號(hào)給與第二級(jí)次級(jí)輸出相連接的一組可控硅，觸發(fā)其正相可控硅導(dǎo)通，同時(shí)，與第一級(jí)次級(jí)輸出相連接的一組可控硅的正相可控硅因承受反向電壓而自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)，負(fù)載由第一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換成第二級(jí)電壓供電；(3)、當(dāng)次級(jí)輸出電壓負(fù)半周過(guò)零點(diǎn)時(shí)，控制器輸出觸發(fā)信號(hào)給與第一級(jí)次級(jí)輸出相連接的一組可控硅，觸發(fā)其負(fù)相可控硅導(dǎo)通，與第二級(jí)次級(jí)輸出相連接的一組可控硅的正相可控硅因承受反向電壓而自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)，負(fù)載由第二級(jí)電壓轉(zhuǎn)換成第一級(jí)電壓供電；(4)、當(dāng)次級(jí)輸出電壓負(fù)半周相位位于導(dǎo)通角π+α處時(shí)，控制器輸出觸發(fā)信號(hào)給與第二級(jí)次級(jí)輸出相連接的一組可控硅，觸發(fā)其負(fù)相可控硅導(dǎo)通，同時(shí)，與第一級(jí)次級(jí)輸出相連接的一組可控硅的負(fù)相可控硅因承受反向電壓而自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)，負(fù)載由第一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換成第二級(jí)電壓供電；控制器按照上述觸發(fā)時(shí)序，周期性地控制兩組可控硅的導(dǎo)通和關(guān)閉，調(diào)節(jié)負(fù)載的功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，所述根據(jù)負(fù)載需 要的功率，調(diào)節(jié)導(dǎo)通角α為依據(jù)牛頓迭代法，求解以下方程獲得導(dǎo)通角αf(a) = 2a-sin Ioc — 2^'= 0 ,υ\-υΙ式中，UpU2為第一、二級(jí)電壓有效值，U0為負(fù)載上需要的電壓有效值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，所述的第二級(jí)電 壓U2、第一級(jí)電壓U1的電壓比值B = U2Ai1小于等于2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，所述的變壓器還 具有不同變比的第三級(jí)次級(jí)輸出、第四級(jí)次級(jí)輸出，分別輸出相位相同、電壓不同的第三級(jí) 電壓U3和第四級(jí)電壓U4，其中，第三級(jí)電壓U3大于第二級(jí)電壓u2，小于第四級(jí)電壓U4 ；且第 三級(jí)電壓U3與第二級(jí)電壓U2的電壓比值小于等于2 ；第三級(jí)次級(jí)輸出、第四級(jí)次級(jí)輸出分別接有一組可控硅，其連接方式與第一、二級(jí)次級(jí) 輸出的連接方式相同；當(dāng)輸出電壓需要工作在第二級(jí)電壓、第三級(jí)電壓，則控制電路輸出觸發(fā)信號(hào)給第二、三級(jí)次級(jí)輸出連接的可控硅組，使其按照觸發(fā)時(shí)序?qū)ê完P(guān)閉，調(diào)節(jié)負(fù)載的功率。同理，輸出 電壓需要工作在第三級(jí)電壓、第四級(jí)電壓，則控制第三、四級(jí)次級(jí)輸出連接的可控硅組導(dǎo)通 和關(guān)閉，調(diào)節(jié)負(fù)載的功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，控制器還包括一 數(shù)據(jù)采樣模塊，對(duì)負(fù)載上的輸出電壓Utl和電流、的檢測(cè)，以獲取負(fù)載的功率； 所述根據(jù)負(fù)載需要的功率，調(diào)節(jié)導(dǎo)通角α為當(dāng)控制器的數(shù)據(jù)采樣模塊檢測(cè)獲得的負(fù)載的功率小于負(fù)載需要的功率，則減小導(dǎo)通角 α，而當(dāng)檢測(cè)獲得的負(fù)載的功率大于負(fù)載需要的功率時(shí)，則增加導(dǎo)通角α，直至檢測(cè)獲得的 負(fù)載的功率等于負(fù)載需要的功率，獲取到導(dǎo)通角a。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)需要的功率，調(diào)節(jié)導(dǎo)通角α，使其在0-π范圍內(nèi)變化，即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓在第二級(jí)電壓與第一級(jí)電壓范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)。本發(fā)明基于可控硅的功率調(diào)節(jié)裝置在實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓值連續(xù)可調(diào)的同時(shí)還減小了系統(tǒng)震蕩。通過(guò)Matlab仿真可以發(fā)現(xiàn)，該方法與移相調(diào)功相比產(chǎn)生的諧波失真度(THDu)要小得多。諧波失真度(THDu)小，說(shuō)明諧波分量得到了抑制，功率因數(shù)得到了提高，從而減少對(duì)電網(wǎng)的污染。
文檔編號(hào)H02J3/18GK101931236SQ20101025921
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者田書(shū)林, 白利兵, 程玉華, 黃建國(guó) 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)