本发明涉及一种变压器，这种变压器通过自动调节所吸收的无功功率而实现电压调节。 更具体地说，本发明涉及一种自调电抗的变压器，这种变压器安装在电感可调的三柱磁芯上，这种可调电感器在本申请人的4，620，144号美国专利（1986年10月28日审定公告）中已经说明并得到保护。
实际上，发明人已经发现，在上述4，620，144号美国专利中所说明并得到保护的可调电感器的磁芯上绕上附加的绕组就能获得一个有效且自动地调节电压的装置，或者获得一个能用交流电流源例如容性源给负载供电的变压器，同时有效并自动地实现电源电压和其供给负载的电压的调节。
根据本发明，提供一种变压器，这种变压器包括一个由第一柱、第二柱和第三柱组成的磁芯，每个柱上都有第一端和第二端。三个柱的第一端通过磁芯的第一公共点连在一起，而三个柱的第二端通过磁芯的第二公共点连在一起。这种变压器还包括第一绕组（所谓的初级绕组）以及第二绕组，第一绕组绕在至少一个磁芯柱上并且由电源供给交流电流，第二绕组也绕在至少一个磁芯柱上并且被电源电流感应产生交流电流。第一绕组和第二绕组如此布置在磁芯上，使得第一和第二绕组中的两个交流电流在第二和第三柱地每一个柱中产生一个交流磁通。控制绕组被通以直流电流，并且如此布置在磁芯上，使得上述直流电流在第二和第三柱的每一柱中都产生直流磁通。当交流磁通和直流磁通在第二和第三柱的一个柱中方向相同时，则在第二和第三柱的另一个柱中方向相反。这种变压器还包括将第二绕组的交流电流转换为直流电流的装置，这直流电流用来供给控制绕组。因此，供给控制绕组的直流电流的大小随着第二绕组中交流电流的幅度变化而变化，以便使第二和第三柱中的直流磁通的磁力线密度也随之变化并控制第二和第三柱对于交流磁通的导磁率。次级绕组受第二和第三柱中的交流磁通的感应并与负载相连以便给其供电。
更优越地，第二柱上带有第一气隙，第三柱上带有第二气隙，第一气隙横切第二柱中产生的总磁通的磁力线，第二气隙横切第三柱中的总磁通的磁力线。
根据本发明的一个最佳实施例，电流转换装置为一个二极管桥式电路，这个电路用来将第二绕组中的交流电流整流，并给控制绕组提供整流后的电流，这个整流后的电流就是供给控制绕组的直流电流。这种变压器可以进一步包括一个与第二绕组并联的固定电感器，和/或一个响应于第二绕组的交流电流的交流互感器，这个交流电流互感器的次级绕组的两端分别与二极管桥式电路的输入端和输出端相连，其交流电流供给二极管桥式电路。
根据本发明的另一个最佳实施例，初级绕组绕在第一柱上，第二绕组包括第一和第二交流线圈。第一和第二交流线圈相互串联，并分别绕在第二柱和第三柱上。而且，控制绕组包括第一和第二控制线圈，它们也是相互串联并分别绕在第二和第三柱上。从而，初级绕组和第二绕组的第一和第二交流线圈中的交流电流产生一个由第一和第二柱所确定的闭合磁路的第一交流磁通，以及一个沿着由第一和第二柱所确定的闭合磁路的第二交流磁通。而第一和第二控制线圈中的直流电流产生一个沿着由第二和第三柱所确定的闭合磁路的直流磁通。
次级绕组最好绕在第一柱上，并且包括（a）一个与外部负载相连的绕组，（b）一个与第二绕组中彼此串接的第一和第二交流线圈相并联的绕组，以便给彼此串接的第一和第二交流线圈提供交流电流，（c）既包括与外部负载相连的第一绕组又包括与第二绕组的两个线圈并联的第二绕组。
可以通过单绕组中间带抽头而形成初级绕组和次级绕组。
在阅读了下面这种自调电抗的变压器的最佳实施例的具体说明以后，就可以更加清楚地了解本发明的目的、优点及其它特征，下面仅参照附图对本发明作具体说明。
图1表颈痉⒚鞯拇兜目傻鞯缈沟谋溲蛊鞯牡谝桓鍪凳├?
图2表示图1所示的变压器的三个磁芯柱上的绕组叠绕情况。
图3表示本发明的带气隙的可调电抗的变压器的第二个实施例。
图4表示本发明的可调电抗的变压器的第三个实施例的等效电路。
图5表示带气隙的可调电抗的变压器的等效电路，用来说明其工作原理。
图6表示根据图5所示的电路所获得的本发明的变压器的特性曲线。
图7表示本发明的变压器在不同负载下的几条有代表性的特性曲线。
首先应该说明，在不同的附图中，相同的元部件用同一参考数字表示。
如图1所示，带气隙的自调电抗的变压器包括一个三柱磁芯1，它包括一个中心柱2以及两个外柱3和4。柱2、3和4的上端通过磁芯1的第一公共点5连在一起，而柱2、3和4的下端通过磁芯1的第二公共点6连在一起。
应该注意，本发明书中以及后来的权利要求书中，“柱”这个术语是指连接磁芯1的两个公共点5和6的三个磁路中的每一个磁路。
三个柱2、3和4最好截面相同。虽然两个外柱3和4的截面相同是重要的，但中心柱的截面可以等于也可以大于外柱3和4的截面。
气隙7位于外柱3的中间，而气隙8位于外柱4的中间，气隙7和8具有相同的尺寸。
交流线圈9a和直流控制线圈10a绕在外柱3上，而交流线圈9b和直流线圈10b绕在外柱4上，线圈9a和9b串联，并且它们的匝数相同，直流线圈10a和10b也串联，并且它们的匝数也相同。
全波桥式整流器11包括几个二极管，并按通常的方式构成，全波整流器11使得串联的线圈9a和9b与串联的线圈10a和10b串接起来，通过线圈9a和9b的交流电流被整流，而经过这样整流后的电流再供给绕组10a和10b，为方便起见，称这种整流后的供给绕组10a和10b的电流为“直流电流”。
上述参照图1所述的带有气隙的自调电抗的变压器的结构相当于申请人在4，620，144号美国专利（1986年10月28日审定公告）中所说明的并得到保护的可变电感器的结构图。
初级绕组12绕在中心柱2上，并由电源13供给交流电流，绕组12中的交流电流在中心柱2中产生交流磁通，而且交流磁通通过也绕在中心柱2上的次级绕组16，所以，次级绕组16中就感应产生交流电流。
绕组16的一端与线圈9a的自由端连接，而另一端与二极管桥式电路11的交流输出端19连接，从而，次级绕组16中产生的交流电流供给串联的线圈9a和9b，并经二极管桥式电路11整流后供给串联的控制绕组10a和10b。
通过适当地选择绕组12和16的匝数比就可以使供给线圈9a和9b的电压按要求降低。从而不需外部降压变压器即可降低电压。
如图3所示，当电源电压大小合适时，线圈9a和9b可以直接由电源13供给交流电流，在具体情况下，电源13的一端与线圈9a的自由端相连，而电源13的另一端与二极管桥式电路11的交流电流输出端19相连。此外，由电源13供给线圈9a和9b的交流电流通过二极管桥式电路11整流，以供给控制线圈10a和10b提供直流电流。
如图1和图3所示，线圈10a和10b是如此分别绕在外柱3和4上，并如此连接起来，使得供给它们的直流电流（整流后的电流）所产生的直流磁通FC通过由两个外柱3和4所确定的闭合磁路（当然包括气隙7和气隙8的路径在内），而没有直流磁通经过中心柱2。
同样如图1和图3所示，绕组12、线圈9a和9b以及可能有的绕组16具有相同的极性。因此，绕组12、线圈9a和9b以及可能有的次级绕组16中的交流电流在柱2和3所确定的闭合磁路中产生第一交流磁通，并且在柱2和4所确定的闭合磁路中产生第二交流磁通。在中心柱2中第一和第二交流磁通彼此同向。
在电源交流电流的每一正半周的期间内，相应地也是在初级绕组12、线圈9a和9b和可能有的绕组16的交流电流的每一个正半周期间，直流磁通和第一交流磁通在外柱3中相互反向，因此，直流磁通使得柱3对交流磁通的导磁率增加。相反，直流磁通和交流磁通在外柱4中彼此同向，因此，直流磁通使得柱4对交流磁通的导磁率降低。
当然，如上所述，在电源13的每一个正半周期间，直流磁通和交流磁通相互迭加。可以容易地看出，在电源13的交流电流的每一个负半周期间，情况刚好相反，因为此时第一和第二交流磁通在外柱3和4中的方向相反。
直流磁通FC的作用是使得磁芯1深饱和或者浅饱和以便控制磁芯1对于第1和第2交流磁通的导磁率。直流磁通FC增强会引起线圈9a、9b和绕组12的电抗减小，并且引起这三个线圈中的交流电流增大，由自调电抗的变压器吸收的无功功率的大小就随着直流磁通FC的改变而变化。由于线圈10a和10b中的直流电流（整流后的电流）以及相应的直流磁通FC自动成比例地随线圈9a和9b中交流电流的大小改变而改变，从而就可以自动控制磁芯1对交流磁通的磁导率，因而就可以自动控制本发明变压器的无功功率的吸收。
正如下面将要具体说明的那样，在给定电源电流范围内，变压器对所吸收的无功功率的自动控制使得串联绕组9a和9b上的交流电压以及相应的电源13的交流电压能够调节在给定的值上，这个给定的值可以通过适当地调节带气隙的自调电抗变压器的参数来调整。
另一个绕在中心柱2上的次级绕组14受中心柱2中的总的交流磁通感应而产生交流电流供给外负载15，负载15与次级绕组14的两个端点相连，供给负载15的电压大小当然由初级绕组12和14的匝数比来确定。由于电源13的交流电压被调节，因此，绕组14两端供给负载15的电压也被自动调节。
如图2所示，线圈9a和10a绕在中间带有气隙7的外柱3上，对应地，线圈9b和10b也绕在中间带有气隙8的外柱4上。在柱3和4上这样迭绕线圈9a、9b、10a和10b有一个优点，即能够大大减小气隙7和8处的漏磁通。
绕在中心柱2上的绕组12、14、16也采用上述这种优越的迭绕方式，如图2所示。
在一个实施例中，中心柱2上的绕组12、14和可以用带抽头220到224的单绕组21来代替。正如图4中的等效电路所来示的那样，绕组21绕在中心柱2上，而电源13通过其抽头220和224给绕组21提供交流电压和电流。通过绕组21的抽头222和224给绕组9a和9b提供交流电压和电流。上面已经说过，绕组9a和9b中的电流由二极管桥式电路11整流，以便供给控制绕组10a和10b。绕组21通过抽头222和224给负载15提供交流电流。因此图4所示的变压器就作为一个自耦变压器工作。
单绕组21的应用大大减少了构成变压器所需要的导线。此外，在某些电路中，导线的直径也可以减小。
现在借助于图6所示的特性曲线来叙述带气隙的可调电抗变压器的某些工作特性，这些曲线是根据对图5所示的电路进行测量的结果绘制的。
在图4所示的情况下，图5所示的电路包括一个绕在中心柱2上并带有抽头220到224的绕组21，电源13与绕组21的抽头221和224相连。绕组9a和9b直接从电源13获得交流电流。更进一步地说，电源13的一端与线圈9a的自由端相连，而另一端与二极管桥式电路11的交流输出端19相连。
首先，应该说明，本发明的变压器是一个具有三种功能的单磁芯装置：
-作为上述4，620，144号美国专利中所说明的并被保护的带有气隙的自控可调电感器，它能够从电源吸收大量的无功功率，只要电源电压在预设的某一电压的基础上稍微升高一点就会如此（见图7）。所吸收的无功功率的大小基本上与电压的增加成比例，并可以改变并调节电源13的电压。
-当作变压器时，它可以通过次级绕组14或21给外部负载如15供给所要求的电压。当电源13的电压通过吸收无功功率来调节时，如上所述，供给负载的电压也得以调节。以及
-当带有次级绕组16时，或者当使用自耦变压器电路时，由绕组9a和9b构成的内部负载可由一个比电源13的电压低的电压供电。从经济的角度来说，这种供电方式是非常可取的，因为高压绝缘的费用以及桥式整流电路11的高压二极管的价格很高。
然而，必须指出，本发明带有气隙的自调电抗变压器其工作过程不同于传统的通过其次级绕组给带气隙的自激可调电感器供电的变压器（在上述美国专利4，620，144中说明并得到保护），事实上，变压器部分例如初级绕组12和次级绕组14，以及可能有的次级绕组16，和可变电抗器部分即绕组9a、9b、10a、10b都安装在同一个磁芯1上，因而它们通过磁芯1中的第一和第二交流磁通相互影响，从而变压器工作特性的数学表达式也要修正。
首先，变压器的工作电压V0（图5中标出）在图1所示的情况下，取决于绕组9a和9b中的每一个绕组与次级绕组16的匝数比，在图13所示的情况下，取决于绕组9a和9b中的每一个绕组与初级绕组12的匝数比。在图4所示的情况下，取决于绕组9a和9b的每一个绕组与绕组21在抽头221和抽头224之间的这部分绕组的匝数比。此外，工作电压值与上述匝数比之间的关系是非线性的。
图6示出了一些特性曲线，这些特性曲线表示上述匝数比取不同值时工作电压V0的具体变化情况。应该注意，图6的曲线表示工作电压V0随电源电流i0（见图5）的变化关系。
表1列出了图5中的绕组21在抽头221和224之间的匝数N21，绕组9a和9b的每一个线圈的匝数N9，以及绕组10a和10b的每一个线圈的匝数N10，每一组数据都对应于相应的一条曲线。
由表1和图6所示的曲线可以容易地看出，通过改变匝数N9与匝数N21的比值可以调整带气隙的可调电抗变压器的工作电压V0，实际上，在所有曲线的情况下，匝数N21保持恒定（60匝），而匝数N9在曲线A1、A2和A3的情况下为60匝，在曲线B1和B2的情况下为50匝，在曲线C的情况下为40匝。此外，从图6可以清楚地看出，工作电压V0随匝数比N9/N21的变化是非线性的。
图6中的两组曲线（即由A1、A2和A3组成的一组和B1、B2组成的另一组）和表1说明：当匝数N21和N9保持恒定时，在电压调节范围内，匝数N10的变化引起工作电压V0和电流i0关系曲线的斜率变化，而且可以容易地看出，斜率对匝数比N10/N9的变化非常敏感。
尽管这也可以从理论上加以证明，然而图6所示的曲线已经完全清楚地表明，在电压调节范围内，工作电压V0是比值N9/N21
的函数，V0和i0的关系曲线的斜率是比值N10/N9的函数。由于初级绕组21和交流绕组9a和9b绕在同一磁芯1上，因而它们相互感应，所以比值N9/N2对工作电压V0有影响。
通过适当调整比值N9/N21和N10/N9，可以使得V0与i0的关系曲线的斜率在电压调节范围内为零，而且在这个电压调节范围内，也能把工作电压调节在所要求的值上。
为了防止磁芯1的中心柱2饱和，已经发现，柱2的截面积S2、匝数N21、外柱3和4的截面积S3，4，以及匝数N9必须满足下列关系：
N21·S2≥N9·N3，4
因此，当柱2、3和4的截面相同时，比值N9/N21必须小于或等于1。
所以，带气隙的自调电抗变压器的工作过程不同于申请人在美国专利4，620，144号（1986年10月28日审定公告）中所说明的并得到保护的带气隙的自控可调电感器的工作过程。
然而，在可调电抗器的情况拢溲蛊鞔判镜钠?和8使得根据本发明所构成的所有变压器的工作特性相同，因为气隙7和8大大减小了其工作特性对这些变压器磁芯不同的敏感度，并且大大减小了其工作特性对其它不希望的现象（在美国专利4，620，144中已阐述）的敏感度。
当然，对本发明的变压器能够进行所需的工作特性的调节，这在美国专利4，620，144（1986年10月28日审定公告）中已经详细说明。
然而，本发明进一步提出了下列附加的调节装置，这些调节装置用来调节带气隙的自调电抗变压器的工作特性。
根据第一种方法，固定电感器20与串联的绕组9a和9b并联（图1和图3），由于电源13而感应产生的交流电流流过电感器20，该电流的大小取决于电感器20的电感量。这个交流电流经整流后流入绕组10a和10b中。从而产生了附加的直流磁通，该磁通通过由外柱3和4所确定的闭合磁路，而且该磁通与绕组9a和9b的交流电流经整流后的电流所产生的直流磁通相互同向。通过改变电感器20的电感量，可以精确地调节工作电压V0（在电压调节范围内）。电感器20线性工作或过磁化（is over excited）（允许饱和）。
另一种方法在于用一个电流互感器17（图1和图3），这个电流互感器17包括一个次级绕组，其一端与二极管桥式电路11的交流输入端18相连，而另一端与二极管桥式电路11的交流输出端19相连。电流互感器17通过其次级绕组响应绕组9a和9b中的交流电流而感应产生一个交流电流，这个由电流互感器17的次级绕组所产生的交流电流经二极管桥式电路11整流后供给线圈10a和10b，从而产生一个附加的直流磁通，这个磁通通过由外柱3和4所确定的闭合磁路其方向与绕组9a和9b的交流电流经整流后的电流所产生的直流磁通的方向相同。当互感器17所产生的电流的大小随绕组9a和9b中的电流变化时，附加的直流磁通也随之变化。通过适当选择变压器的特性，可以在电压调节范围内改变V0和i0关系曲线的斜率。
当然，为了调整带气隙的自调电抗变压器的工作特性，需要的时候，可以同时采用电感器20和互感器17。
图7表示本发明的变压器在其次级（如绕组14）连接不同负载时的工作特性。
更具体地说，图7中的曲线G表示变压器不带负载（空载）时的V0和i0的关系曲线。曲线D、E和F表示变压器把电源的电能供给负载的情况下的工作特性，曲线F所对应的负载大于曲线E所对应的负载，而曲线E所对应的负载大于曲线D所对应的负载。在电压调节范围内，当负载变化时，甚至当变压器空载（曲线G）时，电压V0保持相对稳定。
本领域的普通技术人员可以意识到，带气隙的自调电抗变压器构成了一个简单的交流电压调节装置。这种电压调节是通过自动控制无功功率的吸收而实现的。
带气隙的自调电抗变压器的一个有意义的应用是（在上述4，620，144号美国专利中的可变电感器的情况下）对负载的交流电压进行调节，其交流电压是用电力线或更通常地由容性源（电容耦合）供给的。
在这种应用中，容性源构成了电源13，负载是电阻性的、电抗性的或者既是电阻性的又是电抗性的。如图7所示，本发明的变压器给负载提供所要求的电能，而使电压V0保持相对稳定，从而使得供给负载的电压保持相对稳定。
当用来使容性源（通过电容耦合）给负载供电时，带气隙的自调电抗变压器的内部电损耗不会随着供给这个负载的交流电流的增加而增加。事实上，当本发明的变压器供给负载的电流增大时，绕组9a和9b中的交流电流以及由交流电流整流而得到的绕组10a和10b中的直流电流都减小。
尽管通过带气隙的自调电抗变压器的最佳实施例来说明本发明，但应该注意到，在附加的权利要求的范围内能够对这些实施例以及对这种变压器的应用加以改进，而不改变或变换本发明的目的和实质内容。