УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ Российский патент 1997 года по МПК H02M1/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания нагрузок регулируемым напряжением от сети переменного тока подачей на нагрузку части каждого рабочего полупериода напряжения сети.

Известны устройства для фазового управления вентильными элементами, в которых элемент открывают с заданным сдвигом относительно момента перехода напряжения сети через нуль, после чего элемент пропускает ток нагрузки до тех пор, пока ток не уменьшится до величины тока удержания при снижении или перемене знака питающего переменного напряжения [1, 2] Недостатком таких устройств является отставание первой гармонической составляющей тока, потребляемого из сети, от напряжения сети, в особенности при малых значениях напряжения на нагрузке.

С другой стороны, известно устройство для управления тиристорами при питании от сети постоянного тока, в котором для запирания тиристора ток нагрузки, протекающий через открытый тиристор, понижают до величины тока удержания, разряжая в направлении, противоположном протеканию тока нагрузки, заранее заряженный конденсатор, подключая последний с помощью вспомогательного тиристора [3] Такое устройство имеет нагрузочный резистор, соединенный с анодом вспомогательного тиристора, и поэтому неэкономично.

Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является обеспечение опережения или синфазности первой гармонической составляющей тока нагрузки, потребляемого из сети переменного тока, относительно напряжения сети, используя вспомогательный вентильный элемент и конденсатор, как в схеме [3] с одновременным снижением потерь энергии.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройство для фазового управления вентильным элементом, соединенным последовательно с нагрузкой к выводам питающей сети переменного тока, содержащее блок фазового управления вентильным элементом, введен второй управляемый вентильный элемент, конденсатор и блок управления вентильным элементом, при этом к силовым выводам первого вентильного элемента подключена последовательная цепочка из конденсатора и второго вентильного элемента, выход введенного блока управления соединен с управляющим входом первого вентильного элемента, а выход блока фазового управления соединен с управляющим входом второго вентильного элемента.

Техническим результатом решения поставленной задачи является улучшение качества потребляемой нагрузкой из сети энергии, что приводит к уменьшению потерь энергии в сети.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие ее работу; на фиг. 3 и 4 примеры реализации устройства.

Устройство (фиг. 1) для управления вентильным элементом 1, соединенным последовательно с нагрузкой 2 к выводам питающей сети переменного тока 3 и 4, содержит конденсатор 5, второй управляемый вентильный элемент 6, блок управления 7 первым вентильным элементом 1 и блок фазового управления 8 вторым вентильным элементом 6. Нагрузка 2 соединена последовательно с вентильным элементом 1 между выводами питающей сети переменного тока 3 и 4, к силовым выводам вентильного элемента 1 подключена последовательная цепочка из конденсатора 5 и вентильного элемента 6, выход 9 блока управления 7 соединен со входом 10 вентильного элемента 1, а выход 11 блока фазового управления 8 соединен со входом 12 вентильного элемента 8.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы, поясняющие работу схемы для случая, когда вентильные элементы 1 и 6 имеют двухстороннюю проводимость и ток нагрузки опережает напряжение сети. На фиг. 2 представлены: 13 кривая напряжения сети между выводами 3 и 4, 14 кривая напряжения на нагрузке 2 и 15 кривая напряжения на конденсаторе 5.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. В установившемся режиме к началу каждого полупериода напряжения сети (к моментам времени t_o, t_o + T/2 и т.д.) вентильные элементы 1 и 6 заперты, конденсатор 5 заряжен до напряжения, равного или меньшего амплитуды напряжения питающей сети (на фиг. 2 к моменту времени t_o напряжение на конденсаторе 5 равно амплитудному и имеет отрицательную величину).

В момент времени t_o блок управления 7 открывает вентильный элемент 1 и на нагрузку 2 подается положительная полуволна напряжения сети. Одновременно с этим блок фазового управления 8 начинает отсчитывать заданную задержку угла включения и в момент времени t₁ открывает второй вентильный элемент 6. Конденсатор 5, разряжаясь через открытые вентильные элементы 6 и 1, запирает последний, так как ток разряда конденсатора 5 превышает значение тока нагрузки в момент времени t₁. После этого конденсатор 5 перезаряжается до положительной амплитуды напряжения сети, вентильный элемент 6 запирается, как только мгновенное значение напряжения сети станет меньше амплитудного, и схема опять, как и перед моментом времени t_o, находится в состоянии, когда вентильные элементы 1 и 6 заперты, а конденсатор заряжен до амплитудного, теперь положительного, напряжения. Начиная с момента времени t_o + T/2 процесс повторится, но в отрицательный полупериод напряжения сети и т.д. в результате чего на нагрузку будет подаваться переменное напряжение с первой гармонической составляющей тока сети, опережающей напряжение сети.

Если блок 8 открывает вентильный элемент 6 с задержкой, большей, чем Т/4, конденсатор 5 заряжается до величины напряжения, меньшего, чем амплитудное (фиг. 2, момент времени t₂).

В случае выполнения блока управления 7 в виде блока фазового управления аналогично выполнению блока 8 схема способна обеспечивать синфазность первой гармонической составляющей тока и напряжения сети, для чего вентильный элемент 1 включают блоком 7 с первой заданной задержкой, после чего со второй задержкой включают блоком 8 вентильный элемент 6.

На фиг. 3 представлен пример выполнения устройства в случае, когда каждый вентильный элемент 1 и 6 выполнен в виде двух встречно-параллельно соединенных тиристоров (16, 17 и 18, 19 соответственно). Блок управления 7 тиристорами 16 и 17 имеет первый 20 и второй 21 динисторы, первый 22 и второй 23 диоды и первый 24, второй 25 и третий 26 резисторы, при этом для перевода устройства в рабочее состояние в блоке 7 предусмотрен управляющий ключевой элемент 27 (например, контакт реле, переключателя и т.д.). Динистор 21, ключевой элемент 27, резистор 24 и динистор 22 образуют последовательную цепочку, выводы которой катоды динисторов 21 и 22 подключены к силовым выводам встречно-параллельно соединенных тиристоров 16 и 17 так, что катод динистора 20 соединен с катодом тиристора 16 и катод динистора 21 соединен с катодом тиристора 17. Встречно-параллельно каждому динистору подключены диоды (диод 22 к вывода динистора 20 и диод 23 к выводам динистора 21), между выводом катода диода 22 и выводом управляющего электрода тиристора 16 подключен резистор 25, а между выводом катода диода 23 и выводом управляющего электрода тиристора 17 резистор 26. Блок фазового управления 8 управляет тиристорами 18 и 19 с помощью импульсного трансформатора 28 и может быть выполнен, например, как [4]
Устройство (фиг. 3) работает следующим образом. При непроводящем состоянии ключевого элемента 27 к выводам сети 3 и 4 подключен блок 8, который каждый полупериод открывает один из тиристоров 18 и 19, из-за чего конденсатор 5 перезаряжается через нагрузку (напряжение на нем диаграмма 15 на фиг. 2). Тиристоры 16 и 17 открыться не могут, т.к. цепь управления ими разорвана элементом 27.

Перевод элемента 27 в проводящее состояние приводит к появлению тока в резисторе 24 и в общем случае одновременно появляется напряжение на одном из динисторов 20, 21 и ток через один из резисторов 25 или 26, т.е. в одном из управляющих электродов тиристоров 16 или 17. Динамические характеристики динисторов и тиристоров таковы, что в рассматриваемом случае динистор открывается раньше, шунтирует управляющий переход тиристора и последний не отпирается (в случае необходимости "снизить" быстродействие тиристора возможно, подключив параллельно управляющему переходу конденсатор, что широко используется для повышения помехоустойчивости тиристорных схем).

После перехода в начале следующего, например, положительного полупериода напряжения сети через нуль начинает протекать ток через нагрузку 2, диод 23, элемент 27, резистор 24, резистор 25 и управляющий переход тиристора 16. Величины сопротивлений резисторов 24 и 25 таковы, что тиристор 16 должен открыться до того, как напряжение на резисторе 25 приблизится к пороговому напряжению динистора 20 и произойдет это вблизи начала полупериода. Если эти условия выполнены, то в начале положительного полупериода (вблизи момента времени t_o на фиг. 2) тиристор 16 открывается и одновременно блок 8 начинает отсчет времени задержки включения тиристора 18. В момент времени t₁ тиристор 18 открывается, конденсатор 5 разряжается на открытые тиристоры 18 и 16, последний закрывается (повторное его включение из-за того, что на блок 7 вновь подается напряжение, не происходит, как описано выше), конденсатор 5 перезаряжается, тиристор 10 запирается и т.д. в последующие полупериоды, пока ключевой элемент 27 находится в проводящем состоянии.

На фиг. 4 представлен пример выполнения устройства в случае, когда вентильные элементы 1 и 6 выполнены в виде симисторов 29 и 30 соответственно. Блок управления 7 выполнен, как и на фиг. 3, и включает первый симметричный динистор 31 и четвертый 32 и пятый 33 резисторы, блок фазового управления 8 включает в себя второй симметричный динистор 34, второй конденсатор 35 и переменный резистор 36, т.е. имеет простейший вид (1). В отличие от схемы фиг. 3 блок фазового управления 8 не подключен постоянно к выводам питающей сети 3 и 4, поэтому для запуска схемы используется переключатель 37 с первым 38 и вторым 39 замыкающими контактами и одним размыкающим контактом 40, а также диод 41.

Пока состояние контактов переключателя 37 соответствует изображенному на фиг. 3, блоки 7 и 8 отключены от сети, симисторы 29 и 30 заперты, а конденсатор 5 заряжен через диод 41 до амплитуды напряжения питающей сети отрицательной полярности. При замыкании контактов 38 и 39 и размыкании контакта 40 переключателя 37 на нагрузку будет подаваться напряжение аналогично тому, как это происходило в схеме фиг. 3, но если переключение произошло перед началом отрицательного полупериода напряжения сети, симистор 29 подаст на нагрузку в начале полупериода отрицательное напряжение, но симистор 30, отпираясь позже от блока 8, не выключит симистор 29, т.к. конденсатор 5 заряжен до напряжения также отрицательной полярности. Таким образом, в данной схеме возможна при включении устройства в работу подача на нагрузку первого полного полупериода напряжения сети, а далее заданная блоком 8 часть каждого полупериода, зато перед началом работы устройство не потребляет энергии.

Устройство может использоваться в однополупериодном варианте, когда вентильные элементы выполнены в виде тиристоров. Если тиристоры подают на нагрузку положительное напряжение (нагрузка может быть индуктивной с обратным диодом), то конденсатор 5 заряжают в отрицательный полупериод через диод, соединенный аналогично диоду 41 в схеме фиг. 4, т.е. подключают этот диод между выводом сети 4 и анодом вентильного элемента 6 тиристора.

Источники информации:
1. "Тиристоры". Технический справочник под ред. В.А.Лабунцова и др. М. Энергия, 1971, с. 227, рис. 9-13.

2. Тамже, с. 229, рис. 9-16.

3. Тамже, с. 189, рис. 8-13.

4. Тамже, с. 237, рис. 9-30.

Использование: устройство для фазового управления вентильным элементом, включенным последовательно с нагрузкой между выводами питающей сети переменного тока, содержащее блок фазового управления, отличается тем, что введен дополнительный управляемый вентильный элемент, конденсатор, управляемый ключевой элемент и блок управления вентильным элементом, при этом к силовым выводам вентильного элемента подключена последовательная цепочка из конденсатора и дополнительного управляемого вентильного элемента, с управляющим входом которого соединен выход блока фазового управления, входные выводы которого соединены с выводами питающей сети, с управляющим входом вентильного элемента соединен выход блока управления, с входом которого соединен управляемый ключевой элемент, предназначенный для запуска устройства внешним сигналом, блок управления вентильным элементом выполнен открывающим вентильный элемент после перехода напряжения сети через нуль, а блок фазового управления выполнен открывающим дополнительный управляемый вентильный элемент после открывания вентильного элемента. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для фазового управления вентильным элементом, включенный последовательно с нагрузкой между выводами питающей сети переменного тока, содержащее блок фазового управления, отличающееся тем, что введен дополнительный управляемый вентильный элемент, конденсатор, управляемый ключевой элемент и блок управления вентильным элементом, при этом к силовым выводам вентильного элемента подключена последовательная цепочка из конденсатора и дополнительного управляемого вентильного элемента, с управляющим входом которого соединен выход блока фазового управления, входные выводы которого соединены с выводами питающей сети, с управляющим входом вентильного элемента соединен выход блока управления, с входом которого соединен управляемый ключевой элемент, предназначенный для запуска устройства внешним сигналом, блок управления вентильным элементом выполнен открывающим вентильный элемент после перехода напряжения сети через нуль, а блок фазового управления выполнен открывающим дополнительный управляемый вентильный элемент после открывания вентильного элемента. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что введен диод, а управляемый ключевой элемент выполнен в виде контактной группы из двух замыкающих и одного размыкающего контактов, при этом блок фазового управления через первый замыкающий контакт подключен к выводам питающей сети, блок управления вентильным элементом через второй замыкающий контакт подключен к силовым выводам вентильного элемента, а размыкающий контакт образует с диодом последовательные цепочки, подключенные к силовым выводам дополнительного управляемого вентильного элемента. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления вентильным элементом выполнен в виде блока синхронного включения вентильного элемента в начале полупериода питающего напряжения. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления вентильным элементом выполнен в виде блока фазового управления вентильным элементом.