СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G05F1/30 H02M5/12 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано, например, в стабилизаторах переменного напряжения, исполнительный орган которых выполнен в виде вольтодобавочного трансформатора.

Известен стабилизатор напряжения, содержащий вольтодобавочный трансформатор с тремя первичными и одной вторичной обмотками, три тиристорных ключа и блок управления [А. с. N 652542, G 05 F 1/22, 1976 г.].

Недостатками известного устройства являются низкие массогабаритные и стоимостные показатели, вызванные применением трехобмоточного вольтодобавочного трансформатора, а также низкая надежность, вызванная изменением полярности напряжения на тиристорах в пусковых и переходных режимах.

Наиболее близким к изобретению является стабилизатор переменного напряжения, содержащий трехобмоточный вольтодобавочный трансформатор с тремя тиристорными ключами и блоком управления, вход которого соединен с выходными выводами, причем вторичная обмотка трансформатора включена между первым входным и первым выходным выводами стабилизатора, первая первичная обмотка своим концом через первый тиристорный ключ соединена с объединенными вторым выходным и вторым входным выводами стабилизатора, к которым через второй тиристорный ключ началом подключена вторая первичная обмотка трансформатора, а третий тиристорный ключ включен между концом первой и началом второй первичных обмоток [А. с. N 1065832, G 05 F 1/20, 1982 г.]
Применение указанного устройства позволяет улучшить надежность, массогабаритные и стоимостные показатели за счет применения в трансформаторе двух первичных обмоток и упрощенной схемы управления. Однако, в случае применения устройства в сетях только с повышенным напряжением, что наиболее характерно для сетей, работающих в ночное время (сети наружного освещения), либо для сетей, расположенных вблизи источников питания (промышленная либо промышленно-складская зона городов), вследствие уменьшения требуемого диапазона регулирования напряжения существенно снижаются удельные стоимостные и массогабаритные показатели. Поэтому очевидной является необходимость приведения устройства в соответствие с требуемым диапазоном регулирования напряжения. Кроме того, при работе устройства в пусковых и переходных режимах возможны отказы в работе тиристоров, вызванные изменением полярности суммарного напряжения на тиристорах при переходе из одного режима работы в другой.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать стабилизатор переменного напряжения, в котором введением новых параметров и связей обеспечивается сохранение полярности напряжения на тиристорах в пусковых и переходных режимах, изменение числа первичных обмоток и за счет этого повышается надежность работы и улучшаются массогабаритные и стоимостные показатели устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в стабилизаторе переменного напряжения, содержащем вольтодобавочный трансформатор с вторичной и первичной обмотками, тиристорные ключи, включенные в цепь первичной обмотки, и блок управления, вход которого соединен с выходными выводами устройства, вторичная обмотка трансформатора включена между первым входным и первым выходным выводами, причем вывод вторичной обмотки, являющийся ее началом, присоединен к первому входному выводу устройства, а вывод вторичной обмотки присоединен к первому выходному выводу, вывод первичной обмотки через первый тиристорный ключ соединен с объединенными вторым входным выводом и вторым выходным выводом, вывод первичной обмотки, являющийся ее началом, соединен с первым выводом второго тиристорного ключа, а второй вывод первичной обмотки соединен со вторым выводом второго тиристорного ключа, дополнительно введено два синхронизирующих трансформатора, два защитных диода, два транзисторных ключа, два защитных резистора, два ограничительных диода и два токоограничительных резистора, а второй вывод первичной обмотки, являющийся ее началом, соединен с первым входным выводом устройства, параллельно тиристорам первого тиристорного ключа включена первичная обмотка первого синхронизирующего трансформатора, к выходным выводам устройства подключена первичная обмотка второго синхронизирующего трансформатора, причем начало первичной обмотки первого синхронизирующего трансформатора соединено с первичной обмоткой вольтодобавочного трансформатора, начало первичной обмотки второго синхронизирующего трансформатора соединено с концом вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, а управляющие электроды тиристоров первого тиристорного ключа соединены с защитными диодами, аноды которых соединены с защитными резисторами и вторичными обмотками первого синхронизирующего трансформатора, концы которых присоединены к коллекторам транзисторных ключей, базы которых соединены с другими концами защитных резисторов и концами вторичных обмоток второго синхронизирующего трансформатора, причем к аноду защитного диода первого тиристора первого тиристорного ключа вторичная обмотка первого синхронизирующего трансформатора присоединена началом, а к аноду защитного диода второго тиристора первого тиристорного ключа вторичная обмотка первого синхронизирующего трансформатора присоединена концом, соответственно другие концы вторичных обмоток первого синхронизирующего трансформатора присоединены к коллекторам транзисторных ключей, базы которых соединены с другими концами защитных резисторов, катодами ограничительных диодов и выводами вторичных обмоток второго синхронизирующего трансформатора, причем база транзистора первого тиристора первого тиристорного ключа соединена с началом вторичной обмотки второго синхронизирующего трансформатора, а база транзистора второго тиристора первого тиристорного ключа - с концом вторичной обмотки второго синхронизирующего трансформатора, другие выводы вторичных обмоток второго синхронизирующего трансформатора соединены через токоограничивающие резисторы с эмиттерами транзисторных ключей и катодами соответствующих тиристоров первого тиристорного ключа.

Введение новых элементов и новых связей между ними обеспечивают достижение поставленной цели, что соответствует критерию изобретения "новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявленное решение от прототипа, не были выявлены, поэтому они обеспечивают ему соответствие критерию "существенные отличия". На прилагаемом чертеже приведена схема стабилизатора переменного напряжения. Стабилизатор переменного напряжения содержит вольтодобавочный трансформатор 1 со вторичной 2 и первичной 3 обмотками, управляемыми с помощью первого и второго тиристорных ключей. Параллельно тиристорам первого тиристорного ключа 4 подключена первичная обмотка 5 первого синхронизирующего трансформатора 6. Управляющий электрод первого тиристора 7 первого тиристорного ключа 4 соединен с катодом защитного диода 8, анод которого соединен с началом вторичной обмотки 9 первого синхронизирующего трансформатора 6 и одним из выводов защитного резистора 10, конец вторичной обмотки 9 первого синхронизирующего трансформатора 6 присоединен к коллектору транзисторного ключа 11, другой вывод защитного резистора 10 присоединен к базе транзисторного ключа 11, катоду ограничительного диода 12 и началу вторичной обмотки 13 второго синхронизирующего трансформатора 14, конец вторичной обмотки 13 второго синхронизирующего трансформатора 14 присоединен к одному из концов токоограничивающего резистора 15, другой конец токоограничивающего резистора 15 соединен с анодом ограничительного диода 12, эмиттером транзисторного ключа 11 и катодом тиристора 7 первого тиристорного ключа 4. Управляющий электрод тиристора 16 первого тиристорного ключа 4 соединен с катодом защитного диода 17, анод которого соединен с концом вторичной обмотки 18 первого синхронизирующего трансформатора 6, одним из выводов защитного резистора 19, начало вторичной обмотки 18 первого синхронизирующего трансформатора 6 присоединено к коллектору транзисторного ключа 20, другой вывод защитного резистора 19 присоединен к базе транзисторного ключа 20, катоду ограничительного диода 21 к началу вторичной обмотки 22 второго синхронизирующего трансформатора 14, начало вторичной обмотки 22 второго синхронизирующего трансформатора 14 присоединено к одному из концов токоограничивающего резистора 23, другой конец токоограничивающего резистора 23 соединен с анодом ограничительного диода 21, эмиттером транзисторного ключа 20 и катодом второго тиристора 16 первого тиристорного ключа 4.

Катоды и управляющие электроды тиристоров 24, 25 второго тиристорного ключа 26 соединены с блоком управления 27, начало первичной обмотки 28 второго синхронизирующего трансформатора 14 присоединено к выходному выводу устройства, связанному с концом вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, а конец первичной обмотки 28 второго синхронизирующего трансформатора 14 присоединен ко второму выходному выводу.

Стабилизатор переменного напряжения работает следующим образом. В начале каждого полупериода питающего напряжения в момент, когда значение ЭДС E₁ на зажимах первичной обмотки 3 трансформатора 1 больше напряжения на выходных выводах U₁ и имеет с ним одинаковую полярность, включаются в каждую из полуволн поочередно транзисторные ключи 11 и 20, обеспечивая протекание тока через управляющие электроды силовых тиристоров 7 и 16 первого тиристорного ключа 4 в соответствующие полупериоды. Соответственно первичная обмотка 3 трансформатора 1 подключается к входным выводам устройства, обеспечивая режим вольтовычета. При этом осуществляется передача части энергии из нагрузочной цепи в питающую и уменьшение напряжения на выходных выводах на величину ЭДС E₂ на зажимах вторичной обмотки 2 вольтодобавочного трансформатора 1. Момент включения тиристоров 24, 25 второго тиристорного ключа 26, присоединенного одним концом к началу, а вторым - к концу первичной обмотки трансформатора 1, устанавливается блоком управления 27 в зависимости от величины напряжения U₁ на входных выводах устройства.

При подаче напряжения на управляющие электроды тиристоров 24, 25 второго тиристорного ключа 26 последние закорачивают первичную обмотку, обеспечивая режим "нулевой" добавки. При этом напряжение на зажимах первичной обмотки 3 по величине становится равным падению напряжения на тиристорах 24, 25 ключа 26, оставаясь неизменным по фазе. Вследствие уменьшения величины ЭДС E₁ на зажимах первичной обмотки 3 трансформатора 1 изменяется полярность напряжения, приложенного к тиристорам 7, 16 первого тиристорного ключа 4. В результате изменяется полярность напряжения на вторичных обмотках 9, 18 синхронизирующего трансформатора 6, ток через управляющие электроды тиристоров 7, 16 первого тиристорного ключа 4 не протекает и тиристоры 7, 16 отключаются. При этом вследствие неизменности фазы напряжения на зажимах первичной обмотки включение тиристора 25 ключа 26 способствует отключению тиристора 7 тиристорного ключа 4 в одну из полуволн, а включение тиристора 24 тиристорного ключа 26 способствует отключению тиристора 16 тиристорного ключа 4 в другую полуволну. Последнее исключает режим короткого замыкания в случае включения тиристоров 24 либо 25 ключа 26 при включенных тиристорах 7 либо 16.

При напряжении сети U₁, значительно большем его номинального значения (U₁= U_1max > U_1н) угол включения тиристоров 24, 25 тиристорного ключа 26 равен 180^o. При напряжении сети U₁, близком к его номинальному значению (U₁ ≈ U_1н) угол включения тиристоров 24, 25 тиристорного ключа 26 равен 0^o. Кривая выходного напряжения U₂ на выходных выводах имеет синусоидальную форму. При изменении напряжения сети U₁ от максимального значения (U₁=U_1max) до его номинального значения (U₁=U_1н), то есть (U_1max > U₁ > U_1н) тиристоры 24, 25 тиристорного ключа 26 включаются с углом α = 0 - 180^o, зависящим от отклонения величины напряжения сети U₁ и от его номинального значения. Кривая выходного напряжения U₂ имеет при этом ступенчато-синусоидальную форму.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет осуществлять стабилизацию напряжения на его выходных выводах при изменении напряжения на входных выводах от его максимального значения U_1max до его номинального U_1н.

Введение новых связей и параметров позволило повысить надежность работы устройства за счет постоянства полярности напряжения на тиристорах первого тиристорного ключа в пусковых и переходных режимах, а также улучшить его массогабаритные и стоимостные показатели за счет изменения числа первичных обмоток трансформатора.

Изобретение предназначено для использования в электрических сетях с напряжением ниже номинального. Изобретение позволяет стабилизировать напряжение на выходе устройства за счет создания регулируемой добавочной ЭДС путем чередования двух режимов: режима встречного включения и режима короткого замыкания. Техническим результатом является повышение надежности. 1 ил.

Стабилизатор переменного напряжения, содержащий вольтодобавочный трансформатор с вторичной и первичной обмотками, тиристорные ключи, включенные в цепь первичной обмотки, и блок управления, вход которого соединен с выходными выводами устройства, вторичная обмотка трансформатора включена между первым входным и первым выходным выводами, причем вывод вторичной обмотки, являющийся ее началом, присоединен к первому входному выводу устройства, а другой вывод вторичной обмотки присоединен к первому выходному выводу, вывод первичной обмотки через первый тиристорный ключ соединен с объединенными вторым входным выводом и вторым выходным выводом, вывод первичной обмотки, являющийся ее началом, соединен с первым выводом второго тиристорного ключа, а второй вывод первичной обмотки соединен со вторым выводом второго тиристорного ключа, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два синхронизирующих трансформатора, два защитных диода, два транзисторных ключа, два защитных резистора, два ограничительных диода и два токоограничительных резистора, при этом второй вывод первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, являющийся ее началом, соединен с первым входным выводом устройства, параллельно тиристорам первого тиристорного ключа включена первичная обмотка первого синхронизирующего трансформатора, к выходным выводам устройства подключена первичная обмотка второго синхронизирующего трансформатора, причем начало первичной обмотки первого синхронизирующего трансформатора соединено с первичной обмоткой вольтодобавочного трансформатора, начало первичной обмотки второго синхронизирующего трансформатора соединено с концом вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, а управляющие электроды тиристоров первого тиристорного ключа соединены с защитными диодами, аноды которых соединены с защитными резисторами и вторичными обмотками первого синхронизирующего трансформатора, концы которых присоединены к коллекторам транзисторных ключей, базы которых соединены с другими концами защитных резисторов и концами вторичных обмоток второго синхронизирующего трансформатора, причем к аноду защитного диода первого тиристора первого тиристорного ключа вторичная обмотка первого синхронизирующего трансформатора присоединена началом, а к аноду защитного диода второго тиристора первого тиристорного ключа вторичная обмотка первого синхронизирующего трансформатора присоединена концом, соответственно другие выводы вторичных обмоток первого синхронизирующего трансформатора присоединены к коллекторам транзисторных ключей, базы которых соединены с другими концами защитных резисторов, катодами ограничительных диодов и выводами вторичных обмоток второго синхронизирующего трансформатора, причем база транзистора первого тиристора первого тиристорного ключа соединена с началом вторичной обмотки второго синхронизирующего трансформатора, а база транзистора второго тиристора первого тиристорного ключа - с концом вторичной обмотки второго синхронизирующего трансформатора, другие концы вторичных обмоток второго синхронизирующего трансформатора соединены через токоограничивающие резисторы с эмиттерами транзисторных ключей и катодами соответствующих тиристоров первого тиристорного ключа.