CN1009596B - 控制变压器磁化电流的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制两个方向相反电器件(9，10)的各自传导时间的方法及装置，该器件彼此并联连接，并使电流只能单向通过，在加到初级绕组的A.C.电压(U₁)的每个半周内，还使电流(I₂)通过变压器的初级绕组(2)，该控制是这样实现的，以使当变压器的次级(3)加有不对称负载(4，5)时通过变压器的磁化电流能有利地被减至最小和/或保持在已知极限以下，对应于次级绕组(3)的负载(5)的初级绕组内磁化电流是借助两个方向相反器件(9，10)的不同传导时间来控制的。

Description

一种通过控制两个方向相反电器件的各自传导时间来使变压器初级绕组中的磁化电流受限制或减至最小以防止所述变压器的铁芯磁饱和的方法，此两器件是彼此并联连接和只许单向通过电流，并在接到变压器初级绕组的A.C.电压的各半周期间使电流能通过变压器的次级绕组，这一控制的完成方式是：当对变压器的次级加上不对称负载时，能使通过变压器的磁化电流减至最小和/或至少被调整到维持某个给定极限值以下的磁化电流幅值。

根据本发明的第二方面，涉及用于控制两个方向相反电器件的各自导通时间的装置，此两器件是彼此并联连接并只准单向通过电流，该装置以下列方式达到控制，即当不对称负载加至变压器的次级时，通过变压器的磁化电流可被减至最小和/或保持在某个给定极限值以下。

说到“控制传导时间”不仅用来表示控制和调整各器件维持导通的时间，而且还用来表示器件触发时间和/或关断时间的控制，这一用语是指：使器件激活或导通的时间，也指使器件暂停或不导通的时间。说到传导时间的控制也包括控制和调整出现在一个已知触发时间和后面的关断时间之间的电压积分。

众所周知：当变压器的次级加有对称负载或其上未加负载时，例如当变压器空载时，为保持变压器铁芯磁化所需的磁化电流具有按照所加的A.C.电压周期性出现的短暂电流脉冲形式，所加A.C.电压用两个彼此接续的短暂工作周期的电流脉冲是大致相对于零电平而对称的。

人们也知道，当在变压器次级加上不对称负载时，即当取自变压器次级的电流是仅沿一个预定的方向，而沿另一方向的电流被一个只允许单向通电的器件（如一个D.C.整流器）所截止时，则通过变压器的磁化电流将具有不 对称形状，特别是每个相间的电流脉冲将具有极高的幅度，而每个其他或中间的脉冲将具有相当减小的幅度。这同样适用于不对称初级电压的情况。

人们也早已确定：当负载是对称和不对称两种情况下，磁化电流脉冲的时间位置均出现在初级A.C.电压的零-交叉点。

人们也知道：不随时间变化的不平衡负载可借助在初级配置一个二极管来达到平衡，尽管这种解决办法在负载变化时是不成功的。人们也知道：由于大的磁化电流而引起变压器的过热，可借助串联连接在初级电路内的电器件（例如电阻或电感）来避免，尽管由于通常在串联连接的器件上消耗了十分显著的能量而使变压器不能应用这种解决办法。

联邦德国专利申请DT2519361A1公开说明书公开了一种变压器的控制装置，该装置包括接在变压器初级的二个反向并联的晶闸管构成的导通器件，适于程序控制导通器件传导时间的控制器件，测量和/或计算磁化电流的器件，该控制装置能根据变压器铁芯的磁化状态调整变压器的输入电压及其方向，以避免变压器接通电源时初级绕组中出现巨大的起始电流。

本发明可用于这样一种电气装置中，该装置包括一个装有两个方向相反的电气器件的电路，这两个电器件彼此并联连接并使电流仅仅能以单向通过，而且在加到初级绕组的A.C.电压的各个半周期内，使电流通过变压器的初级绕组，而且在该装置中，不对称负载被连接到变压器的次级。

这种电气转换装置的一个突出的技术问题在于提供有利于将磁化电流减至最小和/或将其维持在一个给定极限值以下的方法和装置，即该方法和装置能使各相间的电流脉冲的幅值减小而每个其他或中间脉冲的幅度增大。

另一个受限制的技术问题是提供一种条件，在此条件下，即使加至变压器次级的不对称负载是随时间而变时，也能将磁化电流减至最小。

在本发明范围内的另一技术问题是当变压器的次级加有不对称负载时，可借助于简单手段而使变压器能更有效地使用的问题。

还有一个技术问题是提供环境的问题，这些环境使得即使当变压器 次级所加负载是不对称时，变压器铁芯也不必通过饱和点;人们知道：变压器铁芯的饱和会导致电流脉冲达到这样的幅度，以致造成变压器所不希望有的发热。

另一受限制的技术问题是使借助于简单手段能评价变压器的短暂磁化状态，而且不只是磁化方面的变化，以便能为将磁化电流的幅度减至最小和/或将所述幅度维持在一个给定极限值以下而采取步骤。

人们知道，在本发明范围内的又一技术问题是提供简单装置问题一它能以前述方法将磁化电流减至最小和/或将该电流幅值维持在一个预定的极限值以下，而仍可提供能使磁化电流按照变压器次级绕组上的负载和/或负载的性能而连续调整的条件，特别是当负载被安排成及时地输出不同功率和/或显示随时间而变的负载特性时。

由于在许多情况下，可以考虑选定静电过滤器作为连接到变压器的一个不对称容性负载，则进一步的技术问题就在于提供上述条件，在静电过滤器工作时，特别是当静电过滤器工作在功率消耗随时间显著变化或具有交变极性情况下时，能使由于大的不对称磁化电流所引起的变压器损耗和其内温升维持在一个低的量级上。

一种通过控制两个方向相反电器件的各自传导时间来使变压器初级绕组中的磁化电流受限制或减至最小以防止所述变压器的铁芯磁饱和的方法，所述电器件彼此并联连接并使电流仅能以一个方向通过并在A.C.电压加至次级绕组的各个半周期内，同样允许电流通过变压器的初级绕组，因此，当不对称负载加到变压器的次级时，通过变压器的磁化电流可被减至最小和/或维持在一个给定的极限值以下。

当实施根据本发明的方法或所用的设备时，流过初级绕组的而对应于次级绕组负载上的磁化电流是借助于相对于两个方向相反器件的不同传导时间来控制的。

这样，本发明使变压器次级上的不对称负载的功率输出能够易于调 节或控制。

根据本发明的一个最佳实施例，为了能确定一个和/或两个磁化电流峰值和/或能确定一个构成在一个通常为零电平的基准电平以上和/或以下的磁化电流曲线形式的积分值，就得测量和/或计算主磁化电流。

根据本发明的另一实施例，两个电器件各自的传导时间之间的关系适于达到磁化电流的最小值，这意味着：实质上这两个互相按序的电流脉冲将具有相同的幅度或两个互相按序的电流脉冲的能量值将为最小。

两个电器件各自导电时间之间的关系是适于保持仅与一个给定值以下的磁化电流有关的电流短暂脉冲的幅度。

根据本发明还提出了：在电阻性负载情况下，初级主电流是在A.C.电压的零-交叉点测量的，而这样产生的超过一个预定值的电流值是有助于增大下一个紧接的半周期内的相应器件的导电时间的。在交流电压零-交叉点上测得的初级电流也可作为两个彼此顺序值间比较对象，而且这些值用于控制各器件的传导时间时是以这样一种方式进行的，即，使两个彼此顺序值的“和”达到趋于最小值。

根据本发明的另一实施例，（该实施例就电感或电容负载而论，提供了特殊优点），测量初级电流和次级电流并在所述初级和次级电流间产生的商，这个商，或叫比值，不是由瞬间出现的值产生，就是由一个半周期内的电流积分所确定，所述商可用作一个控制参数，以调节前述电器件的各自传导时间。

该商数可通过计算及时出现在A.C.电压零-交叉点上的瞬时电流值来确定。

实际上，实际器件可包括称之谓闸流晶体管的相位-控制D.C.整流器，其起通角或持续时间通常被调整在A.C.电压的零-交叉点为传导时间终点。当该器件可以这样一种方式控制而达到一个调整后的触发时间和一个调整后的截止时间时，一这些触发和截止时间是借助于 一台微处理机确定时，则可获得特殊优点。

现还发现：当每个半周期期间，对初级电流瞬时值进行10～1000次测量是有利的，最好是每个半周期测100-500次。

根据本发明的一个最佳实施例，紧接在A.C.电压的零-交叉点以前所测得的瞬时值，或者反过来紧接着所述零-交叉点之后所测得的瞬时值用作一个控制电器件各自的传导时间的参数。

本发明旨在借助一个特殊方法和适用此方法的装置，以创造下述条件，即以一种简便方式和尽可能最低的能量损耗，使能量能够加到一个连到诸如不对称负载变压器的次级绕组的静电过滤器上。

由根据本发明的方法和设备所提供的主要优点在于下述保证条件，即，不管加到变压器次级的不平衡负载大小或所述负载的性能如何变化，均能使不对称磁化电流恒定地减至最小值和/或使同磁化电流有关的短持续时间的电流脉冲的幅度保持在一个给定值以下。当上述负载包括一个呈现显著的电容性能和具有及时功耗变化很大的静电过滤器时，本发明提供了特殊优点。

根据本发明方法的主要特征是通过控制方向相反的两个器件的不同的传导时间来控制流过初级绕组而对应于次级绕组负载的磁化电流，而根据本发明装置的主要特征则在于控制装置有效地以下述方式控制方向相反的器件，即借助于两个方向相反器件的不同传导时间来控制通过初级绕组而对应于次级绕组负载的磁化电流。

本发明的基本原理及其应用方法连带着一个静电过滤器，结合附图更具体地说明如下，就附图而论：

图1是一个简单电路图，表示一个不对称负载的变压器;

图2表示一根对称的磁化曲线和伴生的以均匀短持续时间的交变正、负电流脉冲形式的磁化电流;

图3表示了当把非对称负载加至变压器次级时可应用的一根非对称 磁化曲线，同时也表示出现的磁化电流，其每个相间的电流脉冲呈现高幅度和短持续时间脉冲，而其每个其他或中间电流脉冲呈现低幅度和长持续时间电流脉冲;

图4简略地表示了根据本发明一个装置的电路图，用以将磁化电流减至最小和/或将磁化电流幅度维持在一个给定的极限值以下;

图5表示当时对变压器的次级绕组施加一个非对称负载时，在图4所示电路中出现的各种电压和电流波形;和

图6是当把本发明应用到一个静电过滤器时的一个概略说明。

图1的电路包括一个含有初级绕组2和次级绕组3的变压器1-而且还包含用于传导所产生磁场的变压器矽钢片（图未示出）。

初级A.C.电压通过导线2a和2b连接到初级绕组2，而次级A.C.电压出现在连接到次级绕组3的导线3a和3b上，次级A.C.电压可通过二极管4跨接在负载5上。

这样，在次级电路3中只能流过沿箭头I方向的电流，因此在变压器1中的磁化不是对称的，但基本上是单向的。以下将包含一个二极管4和一个负载5的电路称之谓变压器次级上的非对称负载。

在图2中，变压器1的初级绕组2中的磁化电流i在变压器1为对称负载期间，（即在二极管4被短路或在次级绕组3上没有负载时），表现为时间的一个函数。

由图2可见，每个相间的电流脉冲6，6a是负的，而其每个其他或中间的电流脉冲7，7a是正的。由图2还可见：脉冲6，6a和7，7a是随着时间的推移互相对称分布的。

然而，若一个非对称负载按照图1连接，则磁化电流发生变化，图3首先示出变压器铁芯的假想的磁化曲线，其次示出了每个相间的电流脉冲6′，6a′具有极低的幅度和长的时间宽度，另一方面，电流脉冲7′和7a′却包括一个幅度很大和短的时间宽度的电流脉冲。应该注意：图3 用图说明了利用从初级电路电流减去次级电路中置换的负载电流时的不对称磁化的原理。

人们容易看出：电流脉冲7′和7a′在远远超过变压器铁芯饱和点而磁化变压器铁芯，这样，由于在初级绕组中产生很大的电流而导致变压器的热损耗。

这是由于下列事实造成的结果：任何包含有磁元件和加有对零电平对称的A.C.电压的电路将传导一个具有等于两个半周期内幅度的时间积分的电流。

图4表示根据本发明的电路装置，它包括两个方向相反的器件-在图示的实施例中，假定该器件具有相位控制整流器形式，诸如闸流晶体管9，10等类器件，它们彼此并联连接在导线2a中，其每个器件只允许通过各自的一个方向的电流，这两个闸流管是为使电流在加到初级绕组的A.C.电压11的每个半周期间流过初级绕组而配置的。

本发明使传导时间一如以前所定义的：不是导电持续时间，就是触发时间，对闸流管9和10的每一个能这样地被控制，以便使流过变压器1的初级绕组2的磁化电流i减至最小和/或当变压器的次级负载为不对称时，将其维持在一个给定极限值以下。

根据本发明，每个闸流晶体管通过各自的导体9a和10a被连到一个控制装置，该装置包括一台微处理机，用以确定各闸流晶体管的触发时间。适于这一目的的电路被在美国4，486，704号专利说明书中作了图示和描述过。

根据本发明，对应于次级绕组3的负载5的磁化电流i是通过方向相反器件的不同传导时间来调整的。

在控制装置中，可直接的测量和/或计算主磁化电流i，以便能确定磁化电流的一个和/或两个峰值，即对应的电流脉冲7′7a′和6′、6a′的峰值，和/或以便确定某个构成曲线形状或通常为零电平的基准 电平以上和/或以下的磁化电流形状的积分值。

重要的是：两个闸流晶体管的触发时间和截止时间，即闸流晶体管分别导通和不导通的时间，适合于使磁化电流减至最小。

各器件的传导时间之间的关系是适于使仅与磁化电流有关的短持续时间脉冲的幅度7′维持在一个预定值（图3中的标记i′）以下。

在图3中的A.C.电压的零-交叉点U₀，U₀′，可测得初级主电流，特别是磁化电流;而且一个已确定的超过给定值的电流值产生一个送到控制装置的信号，从而命令该装置去增大下一个半周期的闸流晶体管9或10的传导时间。

初级主电流也可在A.C.电压的零-交叉点测得，并比较两个彼此顺序值，比较的结果可被用来控制闸流晶体管的传导时间，以使两个互相顺序值的“和”趋于最小。

可借助于前述美国专利说明书中所描述的控制装置去测量初级电流和次级电流的值，以产生所述初级和次级电流之间的商。这种比较的对象可以是各自的电流脉冲出现的值和/或变化，这种比较可通过对半周期期间电流脉冲的积分来完成。于是这样得到的商就被用于控制装置中，作为一个控制参数，用来调节各闸流晶体管的传导时间。

按照本发明，当通过计算瞬间出现在A.C.电压零-交叉点的电流值而产生商时，提供了一个特殊的优点。使闸流晶体管导通，即触发的时间，以及所述闸流晶体管的传导时间可由包含在控制装置内的一台微处理机控制，以使闸流晶体管可在A.C.电压的零-交叉点被触发。

特制的闸流晶体管能够调整闸流晶体管的触发和截止时间而与A.C.电压的零-交叉点无关。

这里，借助于包含在控制装置内的微处理机可对闸流晶体管的触发时间和/或截止时间进行估算。然而这种估算取决于本技术领域内专业人员的经验，因此将不在此详述。

当初级电流瞬时值在每个半周期内测量许多次时，也可获得一个优点。因此，根据本发明的一个实施例提出了初级电流瞬时值在每个半周期内测量10～1000次，最好为每个半周期测100-500次。

根据一个有利的实施例，出现在紧接A.C.电压零-交叉点以前的初级电流瞬时值被用作一个用来控制各对应闸流晶体管传导时间的参数，不过，紧接零-交叉点之后的瞬时主电流值也可用作所述控制参数。

图5用三部分表示了当变压器的次级绕组接以一个不对称负载时，图4中所示电路中出现的各种电压和电流的波形。

图5中，标记U₁表明加到变压器的主要电压;U₂表示加到变压器初级绕组2的电压;I₂表示流过初级绕组2的电流;I₃表示流过次级绕组3的电流。

在图5中所示的三部分A，B，C中，A表示当闸流晶体管9，10处于全导通和二极管4作为次级绕组的非对称负载接入时的状态。结果，通过初级绕组的电流I₂获得一个在每个正电流脉冲51、52之后的非常明显的向下指向的短持续时间“尖端”52′。

初级电路内的电流I₂只有在正半周51、51′期间是有用的，并因作为半周期51和52的时间间隔应相等，所以尽管没有电流流过负载5，在负半周期间，变压器的初级绕组内就产生大的功耗。

图示部分B表示了仅当闸流晶体管10导通时的电路状态，从而电压U₂达到脉冲53、53′的形状。

这些脉冲53、53′意味着通过初级绕组的电流I₂的每个电流脉冲54、54′将呈现一个导致功耗大的有终止向上指向的非常显著的短持续时间的“尖端”55和55′。

在此具体情况下，次级电路I₃中电流脉冲56、56′的持续时间也被稍稍缩小了。

图示部分C中，闸流晶体管10是导通的，并将正电压脉冲57、57′ 传至初级绕组。此外，闸流晶体管9随时间而受控-例如将电压脉冲58的负的部分传送到初级绕组。

由于这一调整的结果，电流脉冲59、59′在没有“尖端”的情况下，通过初级绕组，同时使通过次级绕组的电流脉冲60、60′，如同图5的图示部分A一样变得对称了。

图6是根据本发明的用以控制静电过滤器70的一个装置的简化电路图。

这种过滤器是高度容性的，同时负载电流I₃随时间的变化很大。

假若这样，重要的是调节闸流晶体管9、10，以使不仅可能维持负载电流的这种变化，而且可能维持通过初级绕组的对称的电流脉冲59、59′。

通过评价电流脉冲的形状或形式，就可借助于微处理机以一种能将变压器内的损耗减至最小的方式去控制各闸流晶体管9、10的触发时间。

当然，本发明不限于上述举例的实施方案，而且可能在下列权利要求范围内作出改进。

Claims (13)

1、一种在变压器的次级加有不对称负载且通过初级绕组的初级电流(I2)是由二个方向相反的电器件控制时，通过控制这二个相反电器件的各自的导通时间，使其具有相互不同的导通时间，从而使得磁化电流(i)为最小或保持在一给定的极限值以下，来防止该变压器的铁芯磁饱和的方法，所述二个方向相反电器件互相并联，且各器件只允许单独一个方向的电流通过，以便在所加交流电压(U1)的相应的各半周期的全部或部分期间将电压(U2)加到变压器的初级绕组上，其特征在于该方法包括下列步骤：

检测在所加的交流电压(U1)的零交叉点附近的磁化电流的短电流脉冲；

调整所述相反电器件的导通时间使得所述短脉冲的峰值保持在一给定值以下。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在交流电压（U1）的零交叉点检测所述初级电流（I2），并且这样确定的值超过给定大小时增大所述器件在交流电压的下一个半周期导通的通导时间。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述交流电压的零交叉点测量所述初级电流（I2），对二个连结的值进行比较，并且以使二连结值的和趋向于最小的方式控制所述电器件的导通时间。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量初级电流（I2）和次级电流（I3），瞬时地或通过在半周期内的积分来确定初级电流和次级电流的商，该商被用作调整所述电器件相应的导通时间的控制参数。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过计算在交流电压的零交叉点出现的瞬时电流值确定所述商。

6、根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于通过相位控制整流器（闸流晶体管）来控制所述初级电流（I2）。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于用调整后的触发时间和调整后的截止时间二者来控制相位控制整流器。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于通过微处理机来估算各相应电器件的触发时间和截止时间。

9、根据权利要求2、3、4、和5中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在各半周期对初级电流（I2）的瞬时值测量10次到1000次。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在各半周期对初级电流（I2）的瞬时值测量100次到500次。

11、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在紧接在交流电压的零交叉点之前发生的瞬时值被用作为控制各相应电器件的导通时间的参数。

12、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在紧接着交流电压的零交叉点之后发生的瞬时值被用作为控制各相应的电器件的导通时间的参数。

13、一种在变压器的次级加有不对称的负载并且通过初级绕组的初级电流（I2）是由二个方向相反的电器件来控制时，通过控制这二个方向相反电器件的各自的导通时间，使其具有不同的导通时间，从而使得磁化电流（i）为最小或保持在一给定的极限值以下，来防止该变压器的铁芯磁饱和的装置，所述二个方向相反的电器件互相并联，且各器件只允许单独一个方向的电流通过，以便在所加的交流电压（U1）的相应的各半周期的全部或部分期间将电压（U2）加到该变压器的初级绕组上，其特征在于该装置包括：

测量在所加的交流电压（U1）的零交叉点附近的磁化电流的短电流脉冲的装置;

调整所述相反电器件的导通时间，使得所述短脉冲的峰值保持在一给定值以下的装置。