專利名稱：交流電壓控制裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及利用磁能再生開關來控制負載電壓、電流的裝置，該磁能再生開關連接在交流電源與負載之間。
背景技術(shù)：
將磁能再生開關(以下稱作MERS)插入在交流電源與負載之間，能夠通過使電流相位進相來控制負載電壓，這種技術(shù)已被公開(例如，參照日本特開2004-260991號公報)。所述MERS由4個逆向?qū)ㄐ桶雽w開關構(gòu)成，需要產(chǎn)生4個柵極控制信號。(以下，把這種方式的MERS稱作全橋型MERS)與此相對，全橋型MERS的功能有一部分受到限制，另外還知道有能夠利用兩個逆向?qū)ㄐ桶雽w開關構(gòu)成的臥式半橋型的簡易MERS電路(以下稱作臥式半橋型MERS)(例如，參照日本特開2007-058676號公報)。臥式半橋型MERS將逆向串聯(lián)連接兩個逆向?qū)ㄐ桶雽w開關而成的電路，與蓄積磁能的電容器并聯(lián)連接。這種臥式半橋型MERS在將全部逆向?qū)ㄐ桶雽w開關的柵極截止時，電流也流到電容器，存在不能完全切斷負載電流的缺點，但是具有部件數(shù)目少的優(yōu)點，作為電壓控制、功率因數(shù)控制用的MERS沒有問題。采用功率MOSFET作為逆向?qū)ㄐ桶雽w開關的臥式半橋型MERS，如果按照兩個逆向?qū)ㄐ桶雽w開關的逆向串聯(lián)連接的朝向，將功率MOSFET的源極端子彼此連接，則能夠利用共同的柵極電源，對這兩個功率 MOSFET的柵極進行驅(qū)動，因而電路簡單。但是，需要進行柵極控制信號的相位控制。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題如果構(gòu)成交流開關電路的半導體開關元件數(shù)量為兩個，而且半導體開關元件的柵極控制方法比較簡單，則能夠與采用作為交流電壓控制裝置而普及的晶閘管或三端雙向可控硅開關(TRIAC)等的交流開關相同地，臥式半橋型MERS成為廣泛采用的交流開關。這種交流開關的特征在于，可實現(xiàn)所謂的成為針對三端雙向可控硅開關的對偶電路的交流開關，即通過對現(xiàn)有的AC三端雙向可控硅開關裝置設為進相電流來調(diào)整交流電壓。采用更加簡易的臥式半橋型MERS，能夠利用使其磁能再生的功能、電流相位的進相控制功能、可變電容器功能等，進一步擴大磁能再生開關整體的應用范圍，所述臥式半橋型MERS限制了現(xiàn)有采用4個逆向?qū)ㄐ桶雽w開關的全橋型MERS的電流切斷功能。因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種采用新方式的磁能再生開關的交流電壓控制裝置，通過將全橋型MERS的4個逆向?qū)ㄐ桶雽w開關的元件數(shù)量減少為兩個，同時采用更簡單的柵極控制方法，使得磁能再生開關不僅能夠采用逆向?qū)ㄐ桶雽w開關，而且能夠采用其它的自消弧型的半導體元件。用于解決課題的手段為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供一種具有可變無功電壓產(chǎn)生功能的交流電壓控制裝置，該交流電壓控制裝置被插入在交流電源與負載之間，進行使負載電壓增減的控制，其特征在于，該交流電壓控制裝置具有可變無功電壓產(chǎn)生電路，其由交流開關電路和電容器構(gòu)成，該交流開關電路由兩個逆向?qū)ㄐ偷膱鲂w管(以下稱作FET)的第一 FET的源極和第二 FET的源極連接的的逆向串聯(lián)構(gòu)成，該電容器與交流開關電路并聯(lián)連接，蓄積交流開關電路在電流切斷時的磁能；控制單元，其向第一 FET和第二 FET各自的柵極提供控制信號，進行交流開關電路的導通/截止控制；以及電容器電壓零檢測電路，其檢測電容器電壓大致為零的定時，向控制單元發(fā)送交流開關電路的導通信號，控制單元在導通信號的接收定時使交流開關電路的兩個FET同時導通，然后在經(jīng)過預先設定的預定時間后，使兩個FET同時截止，由此使電容器再生電流切斷時的磁能產(chǎn)生無功電壓，通過預定時間的增減來改變無功電壓，調(diào)節(jié)負載電壓的增減。并且，本發(fā)明的上述目的還能夠通過以下方式來實現(xiàn)，S卩，用由二極管橋、連接在該二極管橋的直流端子之間的一個GTO晶閘管、IGBT、IEGT、GCT晶閘管或者功率MOSFET等自消弧型的半導體開關構(gòu)成的交流開關電路置換所述交流開關電路，或者，用由一個三端雙向可控硅開關或者逆向并聯(lián)連接的兩個晶閘管構(gòu)成的交流開關電路置換所述交流開關電路。另外，本發(fā)明的上述目的還能夠通過以下方式來有效地實現(xiàn)，S卩，在可變無功電壓產(chǎn)生電路中，與電容器串聯(lián)地插入電涌吸收電路，該電涌吸收電路是由電阻和線圈并聯(lián)連接而構(gòu)成的。


圖1是表示本發(fā)明的采用磁能再生開關的交流電壓控制裝置的實施例1的結(jié)構(gòu)的框圖。圖2是表示模擬現(xiàn)有的臥式半橋型磁能再生開關的動作的模型(A)及其結(jié)果(B) 的圖。圖3是表示模擬本發(fā)明的實施例1的動作的模型(A)及其結(jié)果(B)的圖。圖4是表示本發(fā)明的實施例2的交流電壓控制裝置的結(jié)構(gòu)(只是一部分)的框圖， (A)是采用一個功率MOSFET的情況，⑶是采用一個逆向?qū)ǖ腉TO晶閘管的情況。圖5是表示利用三端雙向可控硅開關構(gòu)成交流開關電路的本發(fā)明的交流電壓控制裝置的實施例3的結(jié)構(gòu)(只是一部分)的框圖。圖6是表示圖5所示的實施例3的模擬模型(A)及其結(jié)果(B)的圖。圖7是表示與電容器串聯(lián)地插入的電涌吸收電路的一例的圖。
具體實施例方式下面，參照

本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。對各個附圖中示出的相同的構(gòu)成要素、部件、處理標注相同的標號，并適當省略重復說明。并且，實施方式只是示例，不能限定發(fā)明，實施方式中記述的全部特征或其組合不一定是發(fā)明的實質(zhì)性內(nèi)容。本發(fā)明將磁能再生開關連接在交流電源與負載之間，該磁能再生開關是將電容器和交流開關電路并聯(lián)連接而成的，在電流的一個循環(huán)中出現(xiàn)兩次的電容器電壓為零的定時，使交流開關電路導通數(shù)毫秒，使電容器電流在交流開關電路中旁通，減小無功電壓，由此調(diào)整負載電壓。因此，不需要像現(xiàn)有的全橋型MERS和現(xiàn)有的臥式半橋型MERS那樣利用與電源電壓同步的脈沖，對逆向?qū)ㄐ桶雽w開關的柵極進行導通/截止控制。圖2的㈧表示典型的臥式半橋型MERS的模擬電路。圖2的⑶表示在圖2的
(A)的模擬電路中使柵極控制信號的相位進相100度后的模擬結(jié)果。更具體地講，圖2的
(B)表示電源電流、負載電流、柵極控制信號、電容器電壓、電源電壓以及負載電壓。觀察圖 2的⑶可知，從電容器電壓為零的時刻起，電流開始流過逆向?qū)ㄐ桶雽w開關，電容器被短路，在經(jīng)過預定時間后，逆向?qū)ㄐ桶雽w開關截止，由此電容器利用再生電流而產(chǎn)生無功電壓，負載電壓減小。然后，電源電壓的極性反轉(zhuǎn)，在電容器電壓減小而再次為零時，使逆向?qū)ㄐ桶雽w開關導通并進行短路，以使電流不流向電容器。在這種情況下，根據(jù)柵極控制信號，導通電氣角的進相指令為100度，但是實際導通的時間(電流流向逆向?qū)ㄐ桶雽w開關的時間)是3.98mS。結(jié)果，可知能夠在電容器電壓為零時，使逆向?qū)ㄐ桶雽w開關導通，使電容器電流旁通，通過調(diào)整使電流旁通的時間來控制臥式半橋型MERS的動作。這樣，具有不需檢測電源電壓的相位即可控制逆向?qū)ㄐ桶雽w開關的柵極的優(yōu)點，這是本發(fā)明的一大特點。圖3表示按照與圖2相同的電路常數(shù)將交流開關電路與電容器并聯(lián)連接，在從電容器電壓為零的時刻起將電容器短路3. 98mS時間后，使交流開關電路截止，這些動作與圖 2的磁能再生動作等效。由此，實現(xiàn)比現(xiàn)有更簡單的新的臥式半橋型MERS的控制方法，不需檢測電源電壓的相位，在電容器電壓為零的時刻使將電容器短路導通的交流開關電路導通，控制電容器電壓。并且，對于逆向串聯(lián)連接的兩個逆向?qū)ㄐ桶雽w開關，使逆向?qū)ㄐ桶雽w開關的柵極完全同時導通/截止，因而具有只需一個柵極控制電路即可的優(yōu)點，更重要的是， 在該逆向?qū)ㄐ桶雽w開關采用功率MOSFET的情況下，在逆向?qū)〞r柵極也導通，因而成為導通電阻相比只有寄生二極管的通電時變小的同步整流動作，能夠使導通損耗為最小， 具有能夠減小交流開關電路的導通損耗的優(yōu)點。圖4表示即使利用二極管橋、一個GTO晶閘管、IGBT、IEGT、GCT晶閘管或者功率 MOSFET等自消弧型的半導體開關，構(gòu)成在該電容器電壓為零的時刻使半導體開關元件導通的交流開關電路，也能夠采用這種控制方法。在半導體開關的元件數(shù)量為一個時，即可實現(xiàn)與臥式半橋型MERS等效的動作，這使得柵極控制電路只有一個即可，部件數(shù)目減少，產(chǎn)生交流電壓控制裝置的小型化的優(yōu)點。實施例1圖1表示權(quán)利要求1涉及的實施例(以下稱作實施例1)。將功率MOSFET用作逆向?qū)ㄐ桶雽w開關，將兩個功率MOSFET S1、S2以將彼此的源極端子連接的方式進行逆向串聯(lián)連接，在兩個漏極端子之間連接蓄積磁能的電容器2。在功率M0SFETS1、S2的源極-柵極之間連接柵極脈沖產(chǎn)生電路如，利用柵極控制電路恥控制功率MOSFET的柵極的導通/ 截止的定時。另外，權(quán)利要求1中的“控制單元”具有柵極脈沖產(chǎn)生電路fe和柵極控制電路恥雙方的功能。電容器電壓零檢測電路6檢測電容器電壓為零的定時，向柵極控制電路發(fā)送該檢測信號。柵極控制電路恥接收來自電容器電壓零檢測電路6的信號，確定脈沖的開始定時。設定的脈沖寬度的時間為3. 98mS，在此期間使MERS電容器C短路。
圖3的㈧表示實施例1的圖1的模擬電路和電路常數(shù)。假設交流電源為有效電壓=200Vrms、電源頻率f = 50Hz，負載為電阻分量R = 100 Ω、電感分量L = 120mH(內(nèi)部電阻3Ω)的高功率因數(shù)的電抗穩(wěn)定器型水銀燈。因此，與負載并聯(lián)地連接功率因數(shù)改善電容器 CpF = 25mF。在不存在功率因數(shù)改善電容器CpF的低功率因數(shù)的負載中，為了在MERS電容器C 隨著電流的極性反轉(zhuǎn)而放電之后，使MERS電容器C的電壓達到零，使逆向?qū)ㄐ桶雽w開關的開閉在無電壓、無電流狀態(tài)下進行開閉，則MERS電容器C的靜電電容值小于與負載的電感L的電感值與電源頻率的諧振條件是必不可缺的。其中，MERS電容器C的靜電電容= 10mF。另外，在圖3的㈧的模擬電路中，為了改善負載的功率因數(shù)，與負載并聯(lián)地連接功率因數(shù)改善電容器CpF，能夠沒有問題地進行動作。圖3的⑶表示圖3的㈧的模擬結(jié)果。其結(jié)果是相對于交流電源電壓(輸入電壓)200Vrms,負載電壓從200Vrms向162Vrms減小。在本發(fā)明中，檢測電容器電壓為零的時刻，使交流開關電路導通，下面示出該導通時間與負載電壓的關系。
權(quán)利要求
1.一種具有可變無功電壓產(chǎn)生功能的交流電壓控制裝置，該交流電壓控制裝置被插入在交流電源與負載之間，進行使負載電壓增減的控制，其特征在于，該交流電壓控制裝置具有可變無功電壓產(chǎn)生電路，其由交流開關電路和電容器構(gòu)成，該交流開關電路由兩個逆向?qū)ㄐ偷膱鲂w管(以下稱作FET)的第一 FET的源極和第二 FET的源極連接的逆向串聯(lián)構(gòu)成，該電容器與所述交流開關電路并聯(lián)連接，蓄積所述交流開關電路在電流切斷時的磁能；控制單元，其向所述第一 FET和第二 FET各自的柵極提供控制信號，進行所述交流開關電路的導通/截止控制；以及電容器電壓零檢測電路，其檢測所述電容器電壓大致為零的定時，向所述控制單元發(fā)送所述交流開關電路的導通信號，所述控制單元在所述導通信號的接收定時使所述交流開關電路的兩個FET同時導通， 然后在經(jīng)過預先設定的預定時間后，使所述兩個FET同時截止，由此使所述電容器再生電流切斷時的磁能產(chǎn)生無功電壓，通過所述預定時間的增減來改變所述無功電壓，調(diào)節(jié)所述負載電壓的增減。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流電壓控制裝置，其特征在于，用由二極管橋、連接在該二極管橋的直流端子之間的一個GTO晶閘管、IGBT、IEGT、GCT晶閘管或者功率MOSFET等自消弧型的半導體開關構(gòu)成的交流開關電路置換所述交流開關電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流電壓控制裝置，其特征在于，用由一個三端雙向可控硅開關或者逆向并聯(lián)連接的兩個晶閘管構(gòu)成的交流開關電路置換由所述兩個FET構(gòu)成的所述交流開關電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中的任意一項所述的交流電壓控制裝置，其特征在于，在所述可變無功電壓產(chǎn)生電路中，與所述電容器串聯(lián)地插入電涌吸收電路，該電涌吸收電路由電阻和線圈并聯(lián)連接而構(gòu)成。
5.一種照明控制系統(tǒng)，其特征在于，所述負載是熒光燈、水銀燈或者鈉蒸氣燈等具有感性負載的放電燈，利用權(quán)利要求1 4中的任意一項所述的交流電壓控制裝置控制所述放電燈的亮度。
6.一種電動機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述負載是具有感性負載的電動機，利用權(quán)利要求1 4中的任意一項所述的交流電壓控制裝置控制所述電動機的旋轉(zhuǎn)。
7.一種多相交流電源穩(wěn)定系統(tǒng)，其是將權(quán)利要求1 4中的任意一項所述的交流電壓控制裝置與三相交流等的多相交流電源的各相連接而成的，用于消除不平衡電壓。
8.一種諧波產(chǎn)生防止系統(tǒng)，其特征在于，其是將權(quán)利要求1 4中的任意一項所述的交流電壓控制裝置與三相交流的各相連接而成的，通過星形-三角形變換來消滅電流三次諧波。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用簡單的方法調(diào)整與交流電源連接的負載的電壓的交流電壓控制裝置。為此，在交流電源與負載之間連接將電容器和交流開關電路并聯(lián)連接而成的磁能再生開關，從在電流的一個循環(huán)中出現(xiàn)兩次的電容器電壓為零的定時起，使交流開關電路導通數(shù)毫秒，使電容器電流旁通，減小無功電壓，由此調(diào)整負載電壓。
文檔編號G05F1/445GK102197348SQ20088013170
公開日2011年9月21日 申請日期2008年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者嶋田隆一 申請人:莫斯科技株式會社