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    交流 电压 控制 装置
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    摘要
    申请专利号:

    CN200880131706.4

    申请日:

    2008.10.28

    公开号:

    CN102197348A

    公开日:

    2011.09.21

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G05F 1/445申请公布日:20110921|||实质审查的生效IPC(主分类):G05F 1/445申请日:20081028|||公开
    IPC分类号: G05F1/445; G05F1/12 主分类号: G05F1/445
    申请人: 莫斯科技株式会社
    发明人: 嶋田隆一
    地址: 日本东京都
    优先权: 2008.10.27 JP 2008-275061
    专利代理机构: 北京三友知识产权代理有限公司 11127 代理人: 黄纶伟;马建军
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN200880131706.4

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2014.05.07|||2011.12.14|||2011.09.21

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明提供一种用简单的方法调整与交流电源连接的负载的电压的交流电压控制装置。为此,在交流电源与负载之间连接将电容器和交流开关电路并联连接而成的磁能再生开关,从在电流的一个循环中出现两次的电容器电压为零的定时起,使交流开关电路导通数毫秒,使电容器电流旁通,减小无功电压,由此调整负载电压。

    权利要求书

    1.一种具有可变无功电压产生功能的交流电压控制装置,该交流电压控制装置被插入在交流电源与负载之间,进行使负载电压增减的控制,其特征在于,该交流电压控制装置具有:可变无功电压产生电路,其由交流开关电路和电容器构成,该交流开关电路由两个逆向导通型的场效应晶体管(以下称作FET)的第一FET的源极和第二FET的源极连接的逆向串联构成,该电容器与所述交流开关电路并联连接,蓄积所述交流开关电路在电流切断时的磁能;控制单元,其向所述第一FET和第二FET各自的栅极提供控制信号,进行所述交流开关电路的导通/截止控制;以及电容器电压零检测电路,其检测所述电容器电压大致为零的定时,向所述控制单元发送所述交流开关电路的导通信号,所述控制单元在所述导通信号的接收定时使所述交流开关电路的两个FET同时导通,然后在经过预先设定的预定时间后,使所述两个FET同时截止,由此使所述电容器再生电流切断时的磁能产生无功电压,通过所述预定时间的增减来改变所述无功电压,调节所述负载电压的增减。2.根据权利要求1所述的交流电压控制装置,其特征在于,用由二极管桥、连接在该二极管桥的直流端子之间的一个GTO晶闸管、IGBT、IEGT、GCT晶闸管或者功率MOSFET等自消弧型的半导体开关构成的交流开关电路置换所述交流开关电路。3.根据权利要求1所述的交流电压控制装置,其特征在于,用由一个三端双向可控硅开关或者逆向并联连接的两个晶闸管构成的交流开关电路置换由所述两个FET构成的所述交流开关电路。4.根据权利要求1~3中的任意一项所述的交流电压控制装置,其特征在于,在所述可变无功电压产生电路中,与所述电容器串联地插入电涌吸收电路,该电涌吸收电路由电阻和线圈并联连接而构成。5.一种照明控制系统,其特征在于,所述负载是荧光灯、水银灯或者钠蒸气灯等具有感性负载的放电灯,利用权利要求1~4中的任意一项所述的交流电压控制装置控制所述放电灯的亮度。6.一种电动机控制系统,其特征在于,所述负载是具有感性负载的电动机,利用权利要求1~4中的任意一项所述的交流电压控制装置控制所述电动机的旋转。7.一种多相交流电源稳定系统,其是将权利要求1~4中的任意一项所述的交流电压控制装置与三相交流等的多相交流电源的各相连接而成的,用于消除不平衡电压。8.一种谐波产生防止系统,其特征在于,其是将权利要求1~4中的任意一项所述的交流电压控制装置与三相交流的各相连接而成的,通过星形-三角形变换来消灭电流三次谐波。

    说明书

    交流电压控制装置

    技术领域

    本发明涉及利用磁能再生开关来控制负载电压、电流的装置,该磁能再生开关连接在交流电源与负载之间。

    背景技术

    将磁能再生开关(以下称作MERS)插入在交流电源与负载之间,能够通过使电流相位进相来控制负载电压,这种技术已被公开(例如,参照日本特开2004-260991号公报)。

    所述MERS由4个逆向导通型半导体开关构成,需要产生4个栅极控制信号。(以下,把这种方式的MERS称作全桥型MERS)

    与此相对,全桥型MERS的功能有一部分受到限制,另外还知道有能够利用两个逆向导通型半导体开关构成的卧式半桥型的简易MERS电路(以下称作卧式半桥型MERS)(例如,参照日本特开2007-058676号公报)。

    卧式半桥型MERS将逆向串联连接两个逆向导通型半导体开关而成的电路,与蓄积磁能的电容器并联连接。这种卧式半桥型MERS在将全部逆向导通型半导体开关的栅极截止时,电流也流到电容器,存在不能完全切断负载电流的缺点,但是具有部件数目少的优点,作为电压控制、功率因数控制用的MERS没有问题。采用功率MOSFET作为逆向导通型半导体开关的卧式半桥型MERS,如果按照两个逆向导通型半导体开关的逆向串联连接的朝向,将功率MOSFET的源极端子彼此连接,则能够利用共同的栅极电源,对这两个功率MOSFET的栅极进行驱动,因而电路简单。但是,需要进行栅极控制信号的相位控制。

    发明内容

    发明要解决的课题

    如果构成交流开关电路的半导体开关元件数量为两个,而且半导体开关元件的栅极控制方法比较简单,则能够与采用作为交流电压控制装置而普及的晶闸管或三端双向可控硅开关(TRIAC)等的交流开关相同地,卧式半桥型MERS成为广泛采用的交流开关。这种交流开关的特征在于,可实现所谓的成为针对三端双向可控硅开关的对偶电路的交流开关,即通过对现有的AC三端双向可控硅开关装置设为进相电流来调整交流电压。

    采用更加简易的卧式半桥型MERS,能够利用使其磁能再生的功能、电流相位的进相控制功能、可变电容器功能等,进一步扩大磁能再生开关整体的应用范围,所述卧式半桥型MERS限制了现有采用4个逆向导通型半导体开关的全桥型MERS的电流切断功能。

    因此,本发明的目的在于,提供一种采用新方式的磁能再生开关的交流电压控制装置,通过将全桥型MERS的4个逆向导通型半导体开关的元件数量减少为两个,同时采用更简单的栅极控制方法,使得磁能再生开关不仅能够采用逆向导通型半导体开关,而且能够采用其它的自消弧型的半导体元件。

    用于解决课题的手段

    为了实现本发明的上述目的,本发明提供一种具有可变无功电压产生功能的交流电压控制装置,该交流电压控制装置被插入在交流电源与负载之间,进行使负载电压增减的控制,其特征在于,该交流电压控制装置具有:可变无功电压产生电路,其由交流开关电路和电容器构成,该交流开关电路由两个逆向导通型的场效应晶体管(以下称作FET)的第一FET的源极和第二FET的源极连接的的逆向串联构成,该电容器与交流开关电路并联连接,蓄积交流开关电路在电流切断时的磁能;控制单元,其向第一FET和第二FET各自的栅极提供控制信号,进行交流开关电路的导通/截止控制;以及电容器电压零检测电路,其检测电容器电压大致为零的定时,向控制单元发送交流开关电路的导通信号,

    控制单元在导通信号的接收定时使交流开关电路的两个FET同时导通,然后在经过预先设定的预定时间后,使两个FET同时截止,由此使电容器再生电流切断时的磁能产生无功电压,通过预定时间的增减来改变无功电压,调节负载电压的增减。

    并且,本发明的上述目的还能够通过以下方式来实现,即,用由二极管桥、连接在该二极管桥的直流端子之间的一个GTO晶闸管、IGBT、IEGT、GCT晶闸管或者功率MOSFET等自消弧型的半导体开关构成的交流开关电路置换所述交流开关电路,或者,用由一个三端双向可控硅开关或者逆向并联连接的两个晶闸管构成的交流开关电路置换所述交流开关电路。

    另外,本发明的上述目的还能够通过以下方式来有效地实现,即,在可变无功电压产生电路中,与电容器串联地插入电涌吸收电路,该电涌吸收电路是由电阻和线圈并联连接而构成的。

    附图说明

    图1是表示本发明的采用磁能再生开关的交流电压控制装置的实施例1的结构的框图。

    图2是表示模拟现有的卧式半桥型磁能再生开关的动作的模型(A)及其结果(B)的图。

    图3是表示模拟本发明的实施例1的动作的模型(A)及其结果(B)的图。

    图4是表示本发明的实施例2的交流电压控制装置的结构(只是一部分)的框图,(A)是采用一个功率MOSFET的情况,(B)是采用一个逆向导通的GTO晶闸管的情况。

    图5是表示利用三端双向可控硅开关构成交流开关电路的本发明的交流电压控制装置的实施例3的结构(只是一部分)的框图。

    图6是表示图5所示的实施例3的模拟模型(A)及其结果(B)的图。

    图7是表示与电容器串联地插入的电涌吸收电路的一例的图。

    具体实施方式

    下面,参照附图说明本发明的优选实施方式。对各个附图中示出的相同的构成要素、部件、处理标注相同的标号,并适当省略重复说明。并且,实施方式只是示例,不能限定发明,实施方式中记述的全部特征或其组合不一定是发明的实质性内容。

    本发明将磁能再生开关连接在交流电源与负载之间,该磁能再生开关是将电容器和交流开关电路并联连接而成的,在电流的一个循环中出现两次的电容器电压为零的定时,使交流开关电路导通数毫秒,使电容器电流在交流开关电路中旁通,减小无功电压,由此调整负载电压。因此,不需要像现有的全桥型MERS和现有的卧式半桥型MERS那样利用与电源电压同步的脉冲,对逆向导通型半导体开关的栅极进行导通/截止控制。

    图2的(A)表示典型的卧式半桥型MERS的模拟电路。图2的(B)表示在图2的(A)的模拟电路中使栅极控制信号的相位进相100度后的模拟结果。更具体地讲,图2的(B)表示电源电流、负载电流、栅极控制信号、电容器电压、电源电压以及负载电压。观察图2的(B)可知,从电容器电压为零的时刻起,电流开始流过逆向导通型半导体开关,电容器被短路,在经过预定时间后,逆向导通型半导体开关截止,由此电容器利用再生电流而产生无功电压,负载电压减小。然后,电源电压的极性反转,在电容器电压减小而再次为零时,使逆向导通型半导体开关导通并进行短路,以使电流不流向电容器。在这种情况下,根据栅极控制信号,导通电气角的进相指令为100度,但是实际导通的时间(电流流向逆向导通型半导体开关的时间)是3.98mS。

    结果,可知能够在电容器电压为零时,使逆向导通型半导体开关导通,使电容器电流旁通,通过调整使电流旁通的时间来控制卧式半桥型MERS的动作。这样,具有不需检测电源电压的相位即可控制逆向导通型半导体开关的栅极的优点,这是本发明的一大特点。

    图3表示按照与图2相同的电路常数将交流开关电路与电容器并联连接,在从电容器电压为零的时刻起将电容器短路3.98mS时间后,使交流开关电路截止,这些动作与图2的磁能再生动作等效。由此,实现比现有更简单的新的卧式半桥型MERS的控制方法,不需检测电源电压的相位,在电容器电压为零的时刻使将电容器短路导通的交流开关电路导通,控制电容器电压。

    并且,对于逆向串联连接的两个逆向导通型半导体开关,使逆向导通型半导体开关的栅极完全同时导通/截止,因而具有只需一个栅极控制电路即可的优点,更重要的是,在该逆向导通型半导体开关采用功率MOSFET的情况下,在逆向导通时栅极也导通,因而成为导通电阻相比只有寄生二极管的通电时变小的同步整流动作,能够使导通损耗为最小,具有能够减小交流开关电路的导通损耗的优点。

    图4表示即使利用二极管桥、一个GTO晶闸管、IGBT、IEGT、GCT晶闸管或者功率MOSFET等自消弧型的半导体开关,构成在该电容器电压为零的时刻使半导体开关元件导通的交流开关电路,也能够采用这种控制方法。在半导体开关的元件数量为一个时,即可实现与卧式半桥型MERS等效的动作,这使得栅极控制电路只有一个即可,部件数目减少,产生交流电压控制装置的小型化的优点。

    实施例1

    图1表示权利要求1涉及的实施例(以下称作实施例1)。将功率MOSFET用作逆向导通型半导体开关,将两个功率MOSFET?S1、S2以将彼此的源极端子连接的方式进行逆向串联连接,在两个漏极端子之间连接蓄积磁能的电容器2。在功率MOSFETS1、S2的源极-栅极之间连接栅极脉冲产生电路5a,利用栅极控制电路5b控制功率MOSFET的栅极的导通/截止的定时。另外,权利要求1中的“控制单元”具有栅极脉冲产生电路5a和栅极控制电路5b双方的功能。电容器电压零检测电路6检测电容器电压为零的定时,向栅极控制电路发送该检测信号。

    栅极控制电路5b接收来自电容器电压零检测电路6的信号,确定脉冲的开始定时。设定的脉冲宽度的时间为3.98mS,在此期间使MERS电容器C短路。

    图3的(A)表示实施例1的图1的模拟电路和电路常数。假设交流电源为有效电压=200Vrms、电源频率f=50Hz,负载为电阻分量R=100Ω、电感分量L=120mH(内部电阻3Ω)的高功率因数的电抗稳定器型水银灯。因此,与负载并联地连接功率因数改善电容器CpF=25mF。

    在不存在功率因数改善电容器CpF的低功率因数的负载中,为了在MERS电容器C随着电流的极性反转而放电之后,使MERS电容器C的电压达到零,使逆向导通型半导体开关的开闭在无电压、无电流状态下进行开闭,则MERS电容器C的静电电容值小于与负载的电感L的电感值与电源频率的谐振条件是必不可缺的。其中,MERS电容器C的静电电容=10mF。

    另外,在图3的(A)的模拟电路中,为了改善负载的功率因数,与负载并联地连接功率因数改善电容器CpF,能够没有问题地进行动作。

    图3的(B)表示图3的(A)的模拟结果。其结果是相对于交流电源电压(输入电压)200Vrms,负载电压从200Vrms向162Vrms减小。

    在本发明中,检测电容器电压为零的时刻,使交流开关电路导通,下面示出该导通时间与负载电压的关系。

    图4表示权利要求2涉及的实施例(以下称作实施例2)。通过将二极管桥和一个自消弧型的半导体开关进行组合来实现交流开关电路。在电容器电压为零的时刻,向自消弧型的半导体开关的栅极发送栅极控制信号,使自消弧型的半导体开关导通,对电容器电压进行钳位。与实施例1相同,在预定时间之后,向自消弧型的半导体开关的栅极发送栅极控制信号,使自消弧型的半导体开关截止时,使电容器产生无功电压。

    在图4中,二极管桥阻止逆向电流,因而只要是自消弧型的(能够导通/截止的)半导体开关即可,能够使用逆向导通的GTO晶闸管、IGBT、IEGT、GCT晶闸管、功率MOSFET等。

    图5表示权利要求3涉及的实施例(以下称作实施例3)。取代实施例1中利用两个逆向串联连接的功率MOSFET构成的交流开关电路,图5所示的最简单的交流电压控制装置将采用一个三端双向可控硅开关的交流开关电路与电容器并联连接,在电容器电压为零的时刻使三端双向可控硅开关导通,进行短路以便不产生电容器电压,或者通过使三端双向可控硅开关不导通而使电容器产生无功电压,从而使负载电压分阶段地增减。

    图6表示图5的电路的模拟电路(图6的(A))和模拟结果(图6的(B))。前半部分是将交流开关电路短路,后半部分是使交流开关电路不导通而产生无功电压。负载电压(输出电压)从200Vrms分阶段地急剧变化为55Vrms,虽然是串联插入电容器这种简单的控制,但是如果注意到在电容器电压为零的时刻使三端双向可控硅开关导通,则能够进行这种控制。利用基于光耦合元件等的绝缘型三端双向可控硅开关构成的固体继电器(SSR),能够采用具有零交叉开关功能的固体继电器。例如,电风扇等的小型电机的输出控制和荧光灯的调光等能够分阶段地实施而不需连续改变,因而根据用途也能够采用这种控制。

    根据本发明的交流电压控制装置,能够减少构成交流开关电路的半导体开关的元件数量,并且不需要检测交流电源的电压的相位并与其同步地进行开闭,因而能够简化电路。并且,利用一个栅极控制电路使两个FET同时导通/截止,因而能够简化栅极脉冲产生电路。并且,作为构成交流开关电路的半导体开关的元件,能够利用三端双向可控硅开关、晶闸管等。

    产业上的可利用性

    以上提出的MERS是将在电流切断时电流具有的磁能蓄积在电容器中,没有损耗地在负载侧再生的磁能再生开关,具有新的方式及控制方法。与现有的交流开关即晶闸管或三端双向可控硅开关不同,能够利用并联连接的电容器进行电压控制且电流不间断。

    因此,在将本发明的交流电压控制装置适用于荧光灯、水银灯或者钠蒸气灯等具有感性负载的放电灯时,能够进行连续调光。具体地讲,例如以图3的(A)所示的模拟电路为例,通过利用可变电阻器等改变栅极脉冲产生电路最后一级的单稳态多谐振荡器电路的时间常数设定,并调整功率MOSFET的导通时间,由此能够进行放电灯的连续调光。

    并且,根据本发明的交流电压控制装置,在连接的交流负载是纯电阻性负载的情况下,通过控制负载电压,使负载电流成为进相电流,因而能够有望与连接于相同系统的其它退相电流负载一并实现功率因数改善的效果。并且,在连接的交流负载是感性负载例如感应电动机的情况下,能够使负载电压上升也能够使负载电压下降,因而也能够容易地考虑在控制电动机的输出的电动机控制系统中的应用。

    在现有的全桥型MERS中,必须驱动4个逆向导通型半导体开关各自的栅极,但在本发明(实施例1、图1)中,对于逆向导通型半导体开关为两个的卧式半桥型MERS,还检测电容器电压为零的时刻,利用交流开关电路将电容器短路,由此不需要检测交流电源的电压相位。

    本方式能够采用简单的共同接地的栅极脉冲产生电路,使两个逆向导通型半导体开关同时导通。在功率MOSFET的情况下,如果在逆向导通时使栅极导通,则导通电阻相比寄生二极管导通时变小,因而导通损耗进一步减小。

    以上利用单相电路进行了说明,通过在各相插入这种新方式的卧式半桥型MERS,当然也能够应用于三相交流。通过按照每相进行控制,能够应对三相的不平衡电压的情况。在这种情况下,具有通过星形-三角形变换来消灭电流三次谐波等的效果。因此,通过在三相交流等多相交流电源的各相插入本发明的交流电压控制装置,能够实现消除不平衡电压的多相交流电源稳定系统。并且,在三相交流电源的各相插入本发明的交流电压控制装置,能够实现通过星形-三角形变换来消灭电流三次谐波的谐波产生防止系统。

    在负载已改善功率因数的情况下,根据本发明的交流电压控制装置,将不能增加负载电压,但如果只在降低负载电压的方向采用,则也可以将功率因数改善电容器Cpf置于负载侧来改善功率因数。

    并且,本发明的交流电压控制装置成为电容器输入电路,因而也可以在从交流电源侧流入谐波的情况下附加电涌吸收电路。图7表示电涌吸收电路的示例,但也可以将L-R的并联电路与电容器串联连接。

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