准恒定电流、电压控制交流电负载装置

摘要

一种不怕短路,所用元器件少,成本低,又可延长电器使用寿命的准恒定电流、电压控制交流电负载装置。它由一组合电容器一端接交流电压输入端,另一端接开关K,开关K接交流电压输入端形成闭合回路,开关K两端接交流电负载(电器)构成。本发明结构简单,用途广泛,是用于保护交流电电器的理想产品。

说明书

本发明属于一种交流电器控制装置，特别是涉及一种工作在特定的准恒流区或准恒压区的准恒定电流、电压控制交流电负载装置。

目前，用于交流电器负载的控制装置各式各样种类繁多，现举两例，如普通白炽灯至今仍还被广泛使用，其一重要原因是它具有与太阳光接近的显色性，显色指数接近100％。但白炽灯的使用寿命短，为了延长白炽灯的寿命，人们又研制出了低压卤钨白炽灯。它不仅延长了白炽灯的使用寿命，而且还提高了光效。可低压卤钨白炽灯还有一致命的弱点，那就是必须要用一个变压器才能工作，为使推广使用受到了一定的限制。又如，电视机已普及到千家万户，它给人们的工作、学习和生活带来方便和乐趣。但因某种原因电视机常常会出现各种各样的故障，烧毁电视机中的电子元件，使得电视机不能工作，甚至还会引起火灾的发生，给个人、集体、奈至国家造成不可估量的损失。电视机最容易出现故障的地方就是电源，也是产生不良后果的魁首，现大多数电视机的电源都采用开关式电源，由它取代了传统的带铁芯变压器的电源，这种电源的工作方式是，将市电直接经过整流输出的高压加到以开关工作状态的电路上，这样电路上的一些电子元件很易于击穿，如果电路中某一电子元件一旦击穿，就会造成电视机电源短路的危险。虽在电视机的电源前加有保险丝，但因保险丝熔值的偏差或其它原因的影响，在保险丝未熔断前就已烧坏了许多与之相关的电子元器件，甚至还会造成起火爆炸的巨大损失。

本发明的主要目的在于，克服现有技术的缺点，而提供一种准恒定电流、电压控制交流电负载装置，使其它不仅可以取代低压卤钨白炽灯使用的变压器，而且还能在负载发生短路时，防止如电视机中电子元器件的损坏及火灾的发生，起到安全防火的作用。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：本发明控制交流电负载装置工作在准恒流、恒压状态，它包括有电容器C和开关K，其特征在于：交流电压输入端接电容器C，电容器C接开关K，开关K接交流电压输入端成闭合回路，开关K两端接交流电负载，接入交流电负载后开关K是断开的，交流输入电压、电容器C和交流电负载成闭合回路。

电容器C是一组合电容器，由一个电容器或多个电容器C串联或多个电容器C并联构成，组合电容器C有多个输出端。

交流负载为电视机，控制装置的开关K接电视机电源输入端，其工作在恒压区。

交流负载是低压卤灯，控制装置的开关K可以是1-8个串联连接，在每个开关K的两端接一低压卤钨白炽灯，其工作在恒流区。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和积极效果：其控制交流负载装置用于交流电负载不怕短路，节省元器件，成本低，还可延长电器的使用寿命，具有防火其功效，控制装置自身的结构简单。

本发明的具体结构由以下实施例及其附图详细给出。

图1为本发明的电路原理图。

图2a、b是图1电路原理图中电容器的结构视图。

图3是本发明的实施例电路原理图。

图4是本发明的另一实施例电路原理图。

图5a、b是形成恒流区的三角形视图。

图6是恒流区图形。

图7a、b是形成恒压区的三角形视图。

图8是恒压区图形。

下面首先阐明准恒流、准恒压区的理论根据：本发明的目的是通过“控制装置”与“负载”之间相互关系，使负载与交流电之间的“控制装置”能在工程设计要求范围内，实现一段准恒流区。本发明就是在这一段准恒流区内，所取的每一特定值都可使负载R，从O增到R′这一段区间内的交流电流I～数值，可以按照设计要求近似不变，这就是准恒流的意思。

同上述“控制装置”尚可在特定工程设计要求下，实现一段准恒压区，这就是说可根据各个不同国家的交流电网，在这段准恒压区内取一特定值，设计出有许多固定电压的负载，可以直接接入，从而又产生了使负载在世界各国不同电压标准下通用，既模糊控制负载的功能。此装置还避免了在通电瞬间产生的浪涌电流对负载冲击的新功能。

本发明属交流电负载控制装置，其特点是采用可控制的准恒流特性驱动负载做功，是一种可以单独作用或内藏作用的独立电器。实质上它是一个“电容集合”电路，根据实际用途而采用不同的值组合，其基础具有很简单的表述及图形形式，它对商业电网具有补赏作用。即以一定数量的容性电流去抵消一定数量必然存在的感性(各种接于电网上的铁或磁芯线圈以及长线电感引起的)电流，对提高电网的总体功率因数cosφ具有良好作用因而投入电网的应用是很合理合算(减少输电线电功率的损耗)的事情。

产生准恒流区的根据(以中国电网为例)：通常连接形式如图1所示；

阻抗公式如下：(纯阻形式) $>>Z>=>>>Xc>2>>+>>R>2>\; >->->->->->->>(>1>)>>>s>$

因： $>>Xc>=>>1>>2>\pi fc>\; >->->->->->->>(>2>)>>>s>$

其中：f为商业电网交流电频率在中国为f=50Hz(赫)，C为电容等效值F(法)。

R为负载电阻值(欧姆)，三者关系是一直角三角形的三个边，如图5-a所示，众所周知，以直角三角形三个边的值同乘，以定值电流I_～则成为另一直角三角形，它分别对应的将是电网电压U_～以及容抗电压U_xc以及负载电压U_R三者的关系如图5-b

数值关系是：U_～²=U²_xc+U²_R

从以上推算可得到I_～下降10％的准恒流区的大小，设定条件如下：

以I_～为标准值，下降10％的值将为0.9I_～这时对应的容抗电压也为0.9U_xc，负载电压为0.9U_R。

那么标准值I_～将对应R=O的情形，则U_～=U_xc在中国例如此值即为

U=U_xc=220伏，此时对应0.9U_xc的值为：

220-(1-0.9)×220=198伏

求出：U_R的容许值(既保证在100％～90％I_～时的对应值)

换句话说既U_R从0～95.9伏范围内，可认为I_～基本不变(准恒流区)，将95.9伏除以电流I_～值，则求出R′值的大小。即： $>>R>\prime >=>>95.9>>I>~>\; >\Omega >>s>$

那么：R从O变到R′就是被此方法开发的准恒流区的实际电阻负载变化的宽度，以图6所示。

产生准恒压区的根据(以中国电网为例)：如果设定的标准为电压下降至电网电压90％的话，那么就可以求出准恒压区，和上面推导的方法一样，只要把U_xc和U_R值的数值位置交换一下即可进入准恒压区的分界点R″的值将按照下述关系： $>>R>″>=>>198>>I>~>\; >\Omega >>s>$

大于R″的负载值的电器即可以认为工作在准恒压区，直接以图形数值表示如图7。

此时I_～为不符合恒电流并小于恒电流值的负载电流，只要电器用具的实际负载电流小于此值，则电器可和用于实际电网产生同样功能。所不同的是电器已实际处于不怕短路的保护之下了，准恒压区如图8所示。

本发明(不包括负载)实际损耗的定量根据：由于是一种电容，那么电容的实际损耗即是本身的损耗。很显然用于直流的电解电容器是不适用的。所有无极性电容只要耐压值合理，其损耗值按惯例由其损耗角决定。

即：tgσ=ωCR    其中：ω=2πf

C为电容值，R为各种损耗所折算的等值电阻。损耗角tgσ制造材料不同而异，一般在10％～0.1％的范围里，通过特别制作，损耗当然还可以减小。所以按照中等水平的电容器，其实际发热量已可忽略。

本发明能保持正弦交流电的根据，由于电容器通常都是线性元件，只要加在它上面的是正弦交流电压，其产生的也是正弦交流电流，如果负载也是线性的，如纯电阻。当然不会发生交流正弦波的畸变，因而它不会产生附加高次谐波，下式就是例证：

不管电流值数量多小，当然也不会发生波形畸变。工作频率范围确定的根据：众所周知，电容的容抗是随频率变化而变化的，如前指出：即：容抗与频率成反比

这就意味着获得同样大小的定电流值，则频率数愈高，则电容值愈小，这不仅可大幅度缩小体积，也可相应降低成本。当然，如果无限制的提高频率，则也会造成电容结构的困难或高频波损耗增大，这在工程上是权衡的。所以提出的频率范围为50Hz(赫)～10Hz(兆赫)明显的具有工程合理性。

功率范围的根据：电容作为一种元件只要通过电流就相应产生电压降，所以只要设计的电容能通过电流的允许值，以及耐压性能，能超过电压降的数值，功率范围宽是必然的结果。以10KW为例，在中国220伏上只要容许下述交流电流通过，那么即可以认为达到10KW级。

只要电容选择上耐压大于伏(正弦交流电压峰值)，电流大于50安，即可认为能提供的功率范围进入10KW级。至于向小的范围扩张的话，那就更没有问题了。

本发明的温度范围：电容器容许的工作范围就是本发明的温度范围，如有特出需要只要经过特别设计，范围当然可以大大拓宽的。通常做到

-40℃(或以下)到100℃(或以上)是完全可行的。

下面以负载为电视机和低压卤钨白炽灯的实施例：

请参阅图1、图2、所示的是本发明控制装置的电路结构原理图，由交流输入电压U_～、电容器C和开关K组成闭合电路，在开关K的两端接电器负载，当使用电器接入电路时，开关K断开，这时交流输入电压U_～、电容器C与电器负载形成闭合回路，其负载工作在所设计的恒流区或恒压区。为了满足电器负载所需的电压、电流的要求，电容器实际是一组合电容器，它可以是单独一个电容器，也可以是多个串联、并联或串联再并联的电容器，组合电容器可有多个输出端，以满足电器负载不同的需要。

请参阅4是一低压卤钨白炽灯，现使用的低压卤灯必须经过变压器降压或者用电子变压器方可在市电使用，给用户带来很大不便，并且带有高次谐波的干扰以及变压器的电能损耗等。本发明的低压卤灯是由组合电容器C、开关K及接在开关K两端的卤钨白炽灯组成。所述的电容器和卤钨白炽灯是串联连接，电容器是一个组合电容器，它可以一个电容器，也可以是多个电容器串联或并联，组合电容器有多个引出点，以满足不同电器负载需求。低压卤灯的卤钨白炽灯D可以是1-8个，分别接在1-8个开关K上，只要其串联压降满足0.436X电网电压值(对应电网电压下浮10％)。其点燃低压卤灯的理论根据和计算办法如下：以中国电网电压220伏，频率50赫兹为例，

其中：U_～为220伏    所以I_c=220×314C(安) $>>C>=>>>I>c>>>220>\times >314>\; >>s>$

只要

就能符合设计条件，其中W_R为低压卤灯瓦数，U_R为低压卤灯电压。

其连接形式是把计算的电容器与220伏电压串联后接上低压卤钨白炽灯，电容器压降U_c和低压卤灯压降U_R和电网电压U_～符合下述关系。

即：U_～²=U_c²+U_R²

进一步计算证明，使I_c下降10％的U_R值。

即：

198伏是由下式计算得来，

以上计算证明，利用这个恒流区点燃一个12伏或8个12伏的低压卤灯，虽然负载可从1变至8倍，但电流变化10％，这在现有技术应用中是首例，并且在低压照明灯具的应用中产生出下述特点：

(1)．用一个组合电容器代替变压器，在点燃8个低压灯时，等于省掉7个变压器，可大幅度降低成本。

(2)．电容器自身损耗小，不发热，不宜损坏。

(3)．定值直流加热钨丝使灯泡有一个渐亮过程，避免了在通电瞬间产生的浪涌电流对灯丝的冲击，使灯丝得到了良好的保护延长了低压灯的寿命。

(4)．低压灯在工作时无谐波干扰。

(5)．重量较轻、条件减小、不发热。

(6)．灯具呈容性阻抗，对电网功率因数有一定补偿作用。

(7)．具有不怕短路的安全功能。

(8)．由于省掉铁心变压器，省掉了变压器的能耗。

请参阅图3是负载采用电视机的实施例：本控制装置由输入电网电压、电容器和接在开关K两端的电视机组成。电容器是串接在电视机电源输入端与交流电网之间，应用根据如下所述，因为准恒压区是假定电网电压下浮10％时所产生的。本示例可下浮5％为出发点，那么：

220-(220×5％)=209伏

取近似值即为210伏。根据此数可按下式计算出电容器压降： $>>>U>xc>>=>>>220>2>>->>210>2>\; >=>65.57>>s>(伏)取近似值为66伏$

再根据电视机输入功率计算出电视机实用电流：

W_TV为电视机输入功率，由下式可计算出实际电容器值：

这时电视机的应用产生如下实效：

(1)．增加不大的成本，可以防止和减小由于电视机电源短路引起的燃烧及其它故障。

(2)．所接入的组合电容器，不发热，不易损坏。

(3)．由于对输入电流有明显限制，对电视机显象管和相关元件有延长寿命减少故障的作用。

(4)．不会由于电视机出现故障而反过来影响电网安全(双向保护)。

本发明的电路构思及器件新的用法，在电器领域内尚属首创，为电器领域的创造构思开辟了一个崭新的空间。其应用在灯头、插座、家电、低压加热器等电器方面，同样具有不怕短路、安全、节能、轻便等功效。因此，具有一定的实用性能和开发潜力。