СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УЗКОДИАПАЗОННЫМ РЕГУЛЯТОРОМ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G05F1/30 H02M5/257 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике и может быть использовано для регулирования или стабилизации переменного напряжения.

Известен способ управления узкодиапазонным регулятором переменного напряжения, выполненным на ключах с двухсторонней проводимостью и естественной коммутацией и трансформатора с первичной обмоткой, подключенной посредством ключей к сети, и вторичной обмоткой, включенной в цепь нагрузки [1]
Способ основан на формировании последовательности тактовых интервалов, синхронизированных с сетью и имеющих длительность, равную полупериоду напряжения сети, а также задании алгоритма замыкания ключей двумя временными интервалами со взаимно изменяющейся длительностью внутри тактового интервала для реализации фазового принципа регулирования напряжения нагрузки вверх и вниз относительно напряжения сети [1]
К недостаткам способа следует отнести низкие энергетические показатели, большую установленную мощность ключей и снижение эксплуатационной надежности при уменьшении коэффициента трансформации для получения узкодиапазонного регулирования напряжения нагрузки вверх и вниз относительно напряжения сети. Последние два недостатка обусловлены тем, что при естественной коммутации ключей невозможно шунтировать первичную обмотку трансформатора в бестоковые паузы.

Известен также способ управления узкодиапазонным регулятором переменного напряжения, содержащим мостовые коммутаторы, выполненные на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, и двухобмоточный трансформатор, включенный по схеме вольтодобавочного через указанные коммутаторы [2] Способ основан на формировании для каждого мостового коммутатора двух последовательностей тактовых интервалов с длительностями не больше полупериода сети и образовании внутри каждого тактового интервала двух временных интервалов со взаимно изменяющимися длительностями, которые задают длительность замкнутого состояния ключей мостовых коммутаторов, а регулирование напряжения нагрузки осуществляют взаимным встречным изменением длительностей временных интервалов первой и второй последовательностей для каждого коммутатора.

Но и этот способ имеет недостатки, к которым, прежде всего, следует отнести сложность силовой схемы и большой процент коммутационных потерь преобразователя.

Наиболее близким по физической сущности к заявляемому является способ управления узкодиапазонным регулятором переменного напряжения, выполненным в виде моста на ключах с двухсторонней проводимостью и трансформатора с первичной обмоткой, включенной в цепь нагрузки [3] Способ основан на формировании двух синхронизированных с сетью последовательностей тактовых интервалов, длительности которых равны половине периода напряжения сети. В операцию способа входит также образование внутри каждого тактового интервала двух временных интервалов со взаимно изменяющимися длительностями относительно начала тактового интервала. Этими временными интервалами задают алгоритм переключения полностью управляемых ключей мостового коммутатора, посредством которого подключают первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора к сети или закорачивают ее, а также обеспечивают согласное или встречное включение первичной и вторичной обмоток вольтодобавочного трансформатора. В процессе регулирования переменного напряжения алгоритм управления обеспечивает чередование режимов "вольтодобавки" или "вольтовычета" с закорачиванием первичной обмотки трансформатора в зависимости от соотношения между длительностями первого и второго временных интервалов первой и второй последовательностей тактовых интервалов.

Способ обеспечивает регулирование напряжения без сдвига первой гармоники выходного напряжения относительно напряжения сети, снижая искажения на входе и выходе регулятора, и за счет этого улучшает коэффициент мощности устройства и снижает потери от высших гармонических составляющих.

Однако способ-прототип имеет недостатки, к которым следует отнести большой процент коммутационных потерь и сложность силовой схемы устройства.

Большой процент коммутационных потерь вызван двумя обстоятельствами. Во-первых, высокой частотой коммутации ключей из-за того, что период коммутации в два раза меньше периода сети. Во-вторых, большими токами в моменты переключений ключей моста, через которые из-за инертности выключения ключей создаются кратковременные короткие замыкания на сеть, а также большая вероятность возникновения устойчивого короткого замыкания в области равенства напряжений сети и нагрузки.

Сложность силовой схемы, а именно схемы мостового коммутатора на ключах с двухсторонней проводимостью, вызваны тем, что в ней в соответствии с операциями способа все ключи должны быть полностью управляемые, например в виде диодного моста с двухоперационным тиристором в диагонали.

Задачей заявляемого изобретения является усовершенствование способа управления, позволяющего упростить реализацию узкодиапазонного регулирования переменного напряжения и улучшение КПД.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого способа, заключается в следующем:
1. Упрощение силовой схемы. Введение двух прерываний в интервалы проводимости полностью управляемых ключей одной ветви моста позволяет в другой ветви моста заменить ключи с искусственной коммутацией на ключи с естественной коммутацией, то есть заменить, например, два диодных моста с двухоперационными тиристорами в диагоналях на два симистора.

Эта дополнительная операция способа производится введением в тактовый интервал (например, для определенности) первой последовательности двух интервалов прерывания с длительностью, необходимой для восстановления запирающих свойств ключей с естественной коммутацией, причем начала этих интервалов прерывания совпадают с передними и задними фронтами второго временного интервала (в данном конкретном случае) второй последовательности.

2. Снижение коммутационных токов и коммутационных потерь позволяет снизить установленную мощность ключей и размеров их радиаторов, что повышает эксплуатационную надежность коммутатора и устройства в целом. Введение двух других прерываний интервалов проводимости полностью управляемых ключей, находящихся в одной из ветвей моста, позволяет существенно снизить токи коммутации и коммутационные потери за счет устранения происходящих через ключи кратковременных коротких замыканий фазы сети на нулевой провод.

Эта дополнительная операция способа производится введением в тактовый интервал (как уже отмечалось, для определенности) первой последовательности двух интервалов прерывания с длительностями, необходимыми для восстановления запирающих свойств ключей с искусственной коммутацией, причем начала этих интервалов прерывания совпадают с передними и задними фронтами второго временного интервала, относящегося к той же (взятой для определенности) первой последовательности.

Введение в тактовые интервалы каждой последовательности по третьему временному интервалу и увеличение длительности тактовых интервалов до периода сети позволяет при сохранении симметричного управления (без сдвига первой гармоники) снизить общее число переключений ключей за период и за счет этого дополнительно снизить коммутационные потери.

Признаки, характеризующие заявляемое изобретение:
Ограничительные формируют две последовательности тактовых интервалов с одинаковой длительностью и внутри каждого тактового интервала образуют два временных интервала со взаимно изменяющимися длительностями, которые задают длительность замкнутого состояния ключей моста, причем временными интервалами первой и второй последовательностей задают длительность замкнутого состояния ключей первой и второй ветви моста, которыми переключают, соответственно, начало и конец первичной обмотки трансформатора с фазы сети на нулевой провод, а регулирование напряжения нагрузки осуществляется взаимным встречным изменением длительностей временных интервалов первой и второй последовательностей.

Отличительные для каждой последовательности задают длительность тактового интервала, равную периоду напряжения сети, а длительность первого временного интервала, относящегося к одной из последовательностей, в два раза меньше длительности второго временного интервала, относящегося к другой последовательности и в каждую последовательность введен третий временной интервал, который для каждой определенной последовательности по выполняемой функции эквивалентен, а по длительности равен первому временному интервалу, относящемуся к той же последовательности, причем длительности вторых временных интервалов первой и второй последовательностей определяют точками пересечения напряжения управления соответственно с первым и вторым опорными напряжениями, которые соответственно сдвинуты на "+" 90^o и "-" 90^o относительно напряжения сети, формируются с частотой, равной частоте сети и амплитудой, не меньше максимального значения напряжения управления, а также в тактовый интервал с соответствующими временными интервалами одной из последовательностей вводят четыре интервала прерывания с длительностями, необходимыми для восстановления запирающих свойств соответствующих полностью управляемых ключей одной ветви моста и неполностью управляемых ключей другой ветви моста, начала которых совпадают с передними и задними фронтами вторых временных интервалов как первой, так и второй последовательностей.

На фиг. 1 приведены временные диаграммы процесса формирования выходного напряжения и одного из алгоритмов управления ключами согласно заявляемому способу (вариант, когда прерывания производятся в тактовом интервале первой последовательности); на фиг. 2 изображена схема силовой части устройства, работающего по предложенному алгоритму управления и один из вариантов системы управления, реализующей этот алгоритм.

На фиг. 1 введены следующие обозначения:
U₁ и U₂ напряжение сети и напряжение нагрузки;
U(+)2

= U₁(1+kt) и U(-)2 = U₁(1-kt) уровни напряжения нагрузки при работе способа в режимах вольтодобавки и вольтовычета;
kt коэффициент трансформации трансформатора;
T_K T_I 2π период коммутации, равный периоду сети и длительности тактового интервала как первой, так и второй последовательностей;
a и β длительности вторых временных интервалов второй и первой последовательностей, соответствующие интервалам проводящего состояния ключей 3 и 1 и в сумме равные периоду сети (α + β = T₁);;
α/2 длительность первого и третьего временных интервалов в тактовом интервале T_к первой последовательности, соответствующие интервалам проводимости ключа 2;
β/2 длительности первого и третьего временных интервалов в тактовом интервале T_к второй последовательности, соответствующие интервалам проводимости ключа 4;
U_оп1 и U_оп2 опорные напряжения для формирования временных интервалов, соответственно, первой и второй последовательностей;
U_у напряжение управления.

Устройство (фиг. 2), работающее по предложенному способу, содержит мост на ключах 1-4 с двухсторонней проводимостью, причем в одной ветви моста ключи 1 и 2, как и в прототипе, полностью управляемые, а в другой ключи 3 и 4, в отличие от прототипа, заменены на симметричные тиристоры. К диагонали моста подключена первичная обмотка трансформатора 5, вторичная обмотка которого включена в цепь нагрузки 6. Управляющие электроды ключей моста соединены с системой управления 7, которая подключена к сети 8 при помощи синхронизирующего трансформатора 9. Система управления также содержит дифференциаторы 10 и 11, компараторы 12 и 13, диоды 14 и 15, одновибраторы 16, 17, 18, 19, инверторы 20 и 21, логический формирователь импульсов 22, в качестве которого, например, могут быть использованы логический элемент 4 ИЛИ-НЕ и элемент 2 И. Завершают схему четыре выходных каскада 23, 24, 25, 26, подключенные к соответствующим ключам мостового коммутатора, каждый из которых содержит усилитель мощности и элемент гальванической развязки.

Способ в соответствии с фиг. 1 осуществляется следующим образом.

На тактовых интервалах коммутации ключей моста, равных периоду сети (T_к T₁), содержится по три последовательных временных интервала, начало первого из которых совпадает с началом периода сети.

При пересечении одноименных временных интервалов ключами смежных плеч моста обеспечивается работа устройства (фиг. 2) в режиме закоротки и устраняется дроссельный режим трансформатора. При пересечении первых временных интервалов ключами 1 и 3, вторых ключами 2 и 4 и третьих вновь ключами 1 и 3, закорачивается первичная обмотка трансформатора 5.

При пересечении других (не одноименных) временных интервалов разных последовательностей ключами противоположных плеч моста реализуется работа трансформатора 5 в режимах вольтодобавки и вольтовычета. В случае α ≅ β (фиг. 1, а) ключи 1 и 4 обеспечивают вольтовычет, а при a = β (фиг. 1,б) ключи 2 и 3 обеспечивают вольтодобавку. Переход от регулируемой вольтодобавки к регулируемому вольтовычету происходит при a = β T_к/2 T₁/2.

Схема одного из возможных вариантов системы управления (фиг. 2), реализующая заявленный способ, работает следующим образом.

Синхронизирующий трансформатор 9 формирует из напряжения сети два пониженных напряжения, одно из которых синфазно, а другое противофазно напряжению сети. Эти напряжения сдвигаются на 90^o при помощи дифференциаторов 10 и 11 и для сравнения с напряжением управления подаются на компараторы 12 и 13. На выходе компаратора 12 формируются прямоугольные отрицательные и положительные импульсы (фиг. 1), которые предназначаются для управления соответственно 1 и 2 ключами, а на выходе компаратора 13 формируются прямоугольные положительные и отрицательные импульсы соответственно для 3 и 4 ключей. Диоды 14 и 15 выделяют из двух полярных прямоугольных выходных напряжений компараторов 12 и 13 положительные импульсы, предназначенные для управления ключами 2 и 3, а положительные последовательности импульсов для управления 1 ключом формируются диодом 14 и инвертором 20, для ключа 4 диодом 15 и инвертором 21. Для формирования импульсов с длительностью, равной времени восстановления полностью управляемых тиристоров (на фиг. 1 показаны со штриховкой), используются одновибраторы 16 и 17 и инвертор 20, а ключей с неполной управляемостью (на фиг. 1 показаны без штриховки) одновибраторы 18 и 19 и инвертор 21. Для формирования прерываний в интервалах проводимости полностью управляемых ключей 1 и 2 с указанными длительностями применен логический формирователь 22. Суммирование с инверсией выходных импульсов одновибраторов осуществляется элементом ИЛИ-НЕ. Эти импульсы перемножаются с двумя последовательностями импульсов, сформированных для управления ключей 1 и 2.

Способ, как более совершенный, может заменить известные способы управления узкодиапазонным регулятором переменного напряжения.

Использование: изобретение относится к электротехнике. Сущность изобретения: cпособ управления узкодиапазонным регулятором переменного напряжения, выполненным на однофазном вольтодобавочном трансформаторе и мостовом тиристорном коммутаторе, позволяет повысить энергетические показатели и упростить тиристорный мостовой коммутатор и уменьшить его установленную мощность. Технический результат достигается за счет введения в интервалы проводящего состояния двух полностью управляемых ключей с двусторонней проводимостью интервалов прерывания на время восстановления запирающих свойств как этих ключей, так и двух ключей с естественной коммутацией. Рассмотрен один из вариантов аналого-цифровой системы управления, реализующий предложенный способ управления. 2 ил.

Способ управления узкодиапазонным регулятором переменного напряжения, выполненным в виде моста на ключах с двухсторонней проводимостью и трансформатора с первичной обмоткой в диагонали этого моста и вторичной обмоткой, включенной в цепь нагрузки, заключающийся в том, что формируют две последовательности тактовых интервалов с одинаковой длительностью и внутри каждого тактового интервала образуют два временных интервала со взаимно изменяющимися длительностями, которыми задают длительность замкнутого состояния ключей моста, причем первым и вторым временными интервалами первой последовательности задают длительность замкнутого состояния ключей первой ветви моста, которыми подключают начало первичной обмотки трансформатора соответственно к фазе сети и к нулевому проводу, первым и вторым интервалами второй последовательности задают длительность замкнутого состояния ключей второй ветви моста, которыми подключают конец первичной обмотки трансформатора соответственно к фазе сети и к нулевому проводу, а регулирование напряжения нагрузки осуществляют взаимным встречным изменением длительностей временных интервалов первой и второй последовательностей относительно тактового интервала, отличающийся тем, что для каждой последовательности задают длительность тактового интервала, равную периоду напряжения сети, начало первого временного интервала каждой последовательности совпадает с началом периода сети, а длительность первого временного интервала, относящегося к одной из последовательностей, в два раза меньше длительности второго временного интервала, относящегося к другой последовательности, и образуют третий временной интервал, который для каждой определенной последовательности по выполняемой функции эквивалентен, а по длительности равен первому временному интервалу, относящемуся к той же последовательности, временные интервалы каждой последовательности следуют друг за другом, причем длительности вторых временных интервалов первой и второй последовательностей определяют точками пересечения напряжения управления соответственно с первым и вторым опорными напряжениями, которые соответственно сдвинуты на +90 и -90^o относительно напряжения сети, формируются с частотой, равной частоте сети, и амплитудой не меньше максимального значения напряжения управления, а также в тактовый интервал одной из последовательностей с временными интервалами, которыми задают продолжительность замкнутого состояния полностью управляемых ключей одной из ветвей моста, вводят четыре интервала прерывания, два из которых началами совпадают с началом и концом второго временного интервала этой же последовательности, и по длительности равны времени восстановления запирающих свойств полностью управляемых ключей, а два других интервала прерывания началами совпадают с началом и концом второго временного интервала другой последовательности и по длительности равны времени восстановления запирающих свойств ключей с естественной коммутацией, время замкнутого состояния которых задают временными интервалами другой последовательности.