СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H02M5/257 G05F1/38 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в электрических сетях, снабженных автоматическими регуляторами-стабилизаторами переменного сетевого напряжения повышенного быстродействия.

Известны схемы тиристорных стабилизаторов переменного напряжения с вольтодобавочными (вольтоповышающими и вольтопонижающими) трансформаторами, первичные обмотки которых включаются параллельно источнику сетевого напряжения, как правило, с помощью встречно-параллельных тиристоров, а вторичные обмотки - последовательно с нагрузкой. Регулирование выходного напряжения в подобных схемах осуществляется в необходимых ограниченных пределах с помощью тиристоров импульсно-фазовым способом. Основным назначением устройств является стабилизация сетевого напряжения в условиях меняющейся нагрузки и возможного изменения ЭДС источника по принципу автоматического регулирования с применением отрицательной обратной связи по напряжению нагрузки. С целью повышения быстродействия тиристорного регулятора выключение тиристоров осуществляется принудительно с помощью специального узла искусственной коммутации, основным элементом которого служат коммутирующие конденсаторы (см., например, авт. св. СССР N 1092648, кл. Н 02 J 3/12).

Наиболее близким по технической сущности можно признать стабилизатор однофазного переменного напряжения в линиях электропередач, содержащий вольтоповышающий и вольтопонижающий трансформаторы, первичные обмотки которых подключены параллельно источнику сетевого напряжения, причем первичная обмотка вольтопонижающего трансформатора подключена с помощью контактов реле, а первичная обмотка вольтоповышающего трансформатора подключена с помощью встречно-параллельных тиристоров (симистора). Вторичные обмотки упомянутых трансформаторов соединены последовательно с нагрузкой. Система управления содержит систему автоматического регулирования и стабилизации выходного напряжения с применением отрицательной обратной связи, устройство импульсно-фазового управления тиристорами (симистором), а также конденсаторное устройство искусственной коммутации тиристоров (симистора) (см. авт. св. СССР N 1473004, кл. Н 02 J 3/12, бюл. 14, 1989).

Недостатком указанного стабилизатора следует признать сравнительную сложность и большие массогабаритные показатели в связи с необходимостью применения коммутирующих конденсаторов.

Целью изобретения является упрощение и уменьшение массогабаритных показателей стабилизатора за счет совмещения функций вольтодобавочного трансформатора с функциями устройства принудительного запирания тиристоров (симистора) и появляющейся в связи с этим возможностью исключения из схемы коммутирующих конденсаторов.

Поставленная цель достигается тем, что вторичная обмотка вольтоповышающего трансформатора шунтирована встречно-параллельными тиристорами (симистором), управляющая цепь которых посредством трансформатора гальванической развязки, стабилитрона и выпрямительного моста подключена в параллель к указанной вторичной обмотке вольтоповышающего трансформатора.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема силовой части предлагаемого стабилизатора и блок-схема цепей управления тиристорами; на фиг. 2 - диаграмма выходного напряжения стабилизатора (для случая резистивной нагрузки), поясняющая принцип его действия.

Устройство содержит вольтопонижающий 1 и вольтоповышающий 2 трансформаторы, вторичные обмотки которых подключены последовательно с нагрузкой 3 к источнику сетевого напряжения. Первичная обмотка вольтоповышающего трансформатора подключена в параллель к источнику сетевого напряжения с помощью встречно-параллельных тиристоров (симистора) 4, а первичная обмотка вольтопонижающего трансформатора подключена также в параллель к источнику сетевого напряжения с помощью контактов 5 реле, катушка 6 которого также включена параллельно сети. Вторичная обмотка вольтоповышающего трансформатора зашунтирована дополнительным симистором 7, управляющая цепь которого посредством трансформатора 8 гальваническoй развязки, стабилитрона 9 и выпрямительного моста 10 подключена в параллель к указанной обмотке вольтоповышающего трансформатора. Система автоматического регулирования и стабилизации выходного напряжения содержит устройство 11 импульсно-фазового управления, подключенное выходом к управляющему электроду симистора 4, а входом - к выходу регулятора 12, к двум входам которого подключены соответственно напряжение U_у и напряжение отрицательной обратной связи U_ос, снимаемое с датчика 13 выходного напряжения нагрузки.

Принцип действия стабилизатора рассмотрим на конкретном примере однофазной электрической сети с действующим значением номинального напряжения 220 В (для стабилизации трехфазной сети возможна установка трех идентичных стабилизаторов по схеме "звезда" или "треугольник" либо, что рациональнее, двух стабилизаторов по схеме "открытый треугольник"). Тогда реальное соотношение напряжений в первичной и вторичной обмотках вольтопонижающего трансформатора 1 может быть, например U₁₁/U₁₂ = 220/12 (B), а для вольтоповышающего трансформатора 2 может быть U₂₁/U₂₂ = 220/36 (B). При этом стабилитрон 9 должен быть выбран таким, чтобы его напряжение "пробоя" превышало амплитудное значение вторичного напряжения трансформатора 2, т.е.
Рассмотрим работу стабилизатора при напряжении сети и нагрузки, меньшем номинального уровня, т.е. при U_c < 220 B. Полагается, что в этом случае реле 6 находится в исходном выключенном состоянии и его контакты 5 шунтируют первичную обмотку трансформатора 1, соответственно, напряжение на его вторичной обмотке также равно нулю. При выключенном состоянии симистора 4 нагрузка образует последовательную цепь с вторичной обмоткой трансформатора 2, выполняющего в этом случае роль реактора. При этом большая часть сетевого напряжения будет прикладываться к обмотке, а напряжение нагрузки может быть практически равно нулю (см. фиг. 2). Однако это имеет место лишь на начальном участке полуволны сетевого напряжения, длительность которого определяется напряжением "пробоя" стабилитрона 9

После того, как напряжение достигнет указанного уровня и стабилитрон 9, находящийся в первичной обмотке трансформатора 8 гальванической развязки, начнет проводить ток, увеличится ток в управляющей цепи симистора 7 и последний включится. Шунтирование вторичной обмотки трансформатора 2 с помощью симистора 7 приведет к скачкообразному изменению мгновенного напряжения нагрузки U₃ до уровня напряжения сети U_с. Полагается, что система автоматического регулирования и стабилизации выходного напряжения работает по известному принципу отклонения выходной координаты (U_ос) от заданного значения (U_у). Сигнал ошибки регулирования с выхода регулятора 12 поступает на вход устройства импульсно-фазового управления 11, которое вырабатывает отпирающие импульсы для симистора 4. Чем меньше выходное напряжение стабилизатора, тем меньше фазовый угол управления симистором α, тем больше величина вольтодобавки, которую вносит вторичная обмотка трансформатора 2 в цепь нагрузки. Включение симистора 4 в момент α приводит к подключению первичной обмотки трансформатора 2 к источнику сетевого напряжения, при этом во вторичной обмотке индуцируется ЭДС, фаза которой благодаря указанному на схеме способу соединения первичной и вторичной обмоток совпадает с фазой напряжения сети. В результате симистор 7 оказывается под воздействием обратного напряжения указанной обмотки и запирается, имея при этом достаточное время для восстановления своей запирающей способности. Запирание симистора 7 приводит к тому, что мгновенное напряжение нагрузки с момента α до конца полупериода определяется суммой сетевого напряжения и напряжения вторичной обмотки вольтоповышающего трансформатора 2. При этом эффективное значение вольтодобавки, вносимой трансформатором 2 за период, находится в прямой зависимости, как отмечалось, от ошибки регулирования, что обеспечивает эффект стабилизации выходного напряжения. Выключение симистора 4 на рассматриваемом полупериоде осуществляется естественным путем после снижения сетевого напряжения, а затем и тока первичной обмотки трансформатора 2 до нуля.

Следует отметить, что повторное включение симистора 7 и шунтирование вторичной обмотки указанного трансформатора возможно лишь после выключения симистора 4. Данное условие может быть выполнено соответствующим подбором напряжения стабилизации стабилитрона 9. В течение следующих полупериодов сетевого напряжения работа схемы будет происходить аналогично.

Если напряжение сети превысит номинальный уровень U_с > 220 B, реле 6 включится и тем самым подаст с помощью контактов 5 сетевое напряжение на первичную обмотку трансформатора 1. Обмотки указанного трансформатора, как указано на схеме, соединены таким образом, что индуцированная во вторичной обмотке ЭДС противофазна напряжению сети, поэтому результирующее напряжение нагрузки будет определяться разностью сетевого напряжения и ЭДС вторичной обмотки вольтопонижающего трансформатора 1. Если указанное понижение выходного напряжения окажется избыточным, в работу включится рассмотренная система стабилизации с вольтоповышающим трансформатором 2.

Следует отметить, что для коммутации первичной обмотки вольтопонижающего трансформатора 1 вместо контакта 5 электромагнитного реле могут использоваться и полупроводниковые ключи (например, симисторы), управляемые полупроводниковым реле, однако, учитывая, что переход сетевого напряжения через номинальное значение имеет низкую частоту, применение электромагнитного реле, особенно при небольшой мощности стабилизатора (до 10 кВт), представляется более целесообразным.

Таким образом, рассмотренный стабилизатор обеспечивает поддержание постоянства выходного напряжения при колебаниях сетевого напряжения в обе стороны от номинала с применением минимального количества полупроводниковых приборов. Введение дополнительного симистора 7 обеспечивает шунтирование обмотки вольтоповышающего трансформатора на тех интервалах времени, когда вольтодобавка не нужна, что способствует более эффективной токовой загрузке устройства и сети в целом. Совмещение функций вольтодобавочного трансформатора с функциями устройства искусственной коммутации тиристоров позволило исключить коммутирующие конденсаторы, что является достоинствами предложенного технического решения.

Предложенный стабилизатор напряжения обеспечивает по сравнению с известными аналогами меньшие массогабаритные показатели за счет применения минимального количества полупроводниковых приборов и более эффективной токовой загрузкой устройства и сети в целом. Устройство обеспечивает совмещение функций вольтодобавочного трансформатора с функциями устройства принудительного запирания тиристоров. 2 ил.

Стабилизатор напряжения, содержащий вольтоповышающий и вольтопонижающий трансформаторы, первичные обмотки которых подключены параллельно источнику сетевого напряжения, причем первичная обмотка вольтопонижающего трансформатора подключена с помощью контактов реле, а первичная обмотка вольтоповышающего трансформатора подключена с помощью встречно-параллельных тиристоров (симистора), вторичные обмотки упомянутых трансформаторов соединены последовательно с нагрузкой, а система управления содержит систему автоматического регулирования и стабилизации выходного напряжения с применением отрицательной обратной связи и устройство импульсно-фазового управления встречно-параллельными тиристорами (симистором), отличающийся тем, что вторичная обмотка вольтоповышающего трансформатора шунтирована дополнительными встречно-параллельными тиристорами (симистором), управляющая цепь которых посредством трансформатора гальванической развязки, стабилитрона и выпрямительного моста подключена в параллель к указанной вторичной обмотке вольтоповышающего трансформатора.