МНОГОФАЗНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H02M5/275 

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано для получения регулируемого и стабилизированного многофазного переменного напряжения при питании от источника с нерегулируемым и нестабилизированным многофазным напряжением, причем выходное напряжение регулятора может быть как меньше, так и больше входного напряжения. Такой регулятор может быть использован и как стабилизатор многофазного переменного напряжения и как бестрансформаторное устройство повышения переменного напряжения, и как регулируемый источник стабильного переменного напряжения при нестабильном входном напряжении для различных потребителей (выпрямители, асинхронные двигатели и т.д.).

Известен многофазный регулятор переменного напряжения, содержащий в каждой фазе два встречно-параллельно включенных тиристора [Энергетическая электроника. Справочное пособие. М.: Энергия. 1987, с. 148, рис. 3.56].

Однако указанный регулятор характеризуется ухудшением качества выходного напряжения при его регулировании, ухудшением качества входного тока при регулировании выходного напряжения, неспособностью получения на выходе напряжения большего, чем на входе.

Кроме того, известен многофазный регулятор переменного напряжения [патент Российской Федерации 2122274 "Регулятор трехфазного напряжения], схема которого приведена в приложении, являющийся прототипом предлагаемого изобретения. Регулятор содержит в каждой фазе последовательно включенные (по отношению к источнику входного напряжения) входной LC-фильтр, входной ключ, выходной ключ, нагрузку, соединенную в многоугольник или звезду, в точке соединения выходного ключа и нагрузки включен также накопительный конденсатор, накопительные конденсаторы в фазах могут быть соединены в многоугольник или звезду, а в точке соединения входного и выходного ключей одним концом включен накопительный реактор, накопительные реакторы в фазах также могут быть соединены в многоугольник или звезду, при этом входные и выходные ключи образованы встречно-параллельным соединением полностью управляемого вентиля (в данном случае транзистора) и диода.

Однако указанный регулятор имеет низкое качество входного тока.

Задачей изобретения является создание регулятора многофазного напряжения, способного обеспечить лучшее качество входного тока, при этом сохраняется на прежнем уровне токовая загрузка ключей и качество выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном регуляторе трехфазного напряжения, содержащем в каждой фазе накопительную ячейку, включающую в себя входной ключ в виде встречно-параллельного включения вентиля с полным управлением и обратного диода, выходной ключ, выполненный аналогичным образом, и накопительный реактор, включенный в точке соединения входного и выходного ключей, а также содержащий нагрузку и накопительный конденсатор, накопительный конденсатор в каждой фазе одним концом включен в точке соединения выходного ключа накопительной ячейки и нагрузки, а другим концом включен в точке соединения входного ключа накопительной ячейки с источником входного напряжения, то есть накопительный конденсатор включен параллельно накопительной ячейке.

На фиг. 1 приведена схема предложенного многофазного регулятора переменного напряжения; на примере трехфазного на фиг. 2 приведены временные диаграммы токов и напряжений в различных частях предлагаемого многофазного регулятора переменного напряжения в установившемся режиме.

Предлагаемый многофазный регулятор переменного напряжения с входными зажимами А, В, С (фиг.1) содержит в каждой фазе последовательно включенные накопительную ячейку [НЯ] 1 и нагрузку 2, а также накопительный конденсатор 3, включенный параллельно накопительной ячейке [НЯ] 1, которая состоит из последовательно включенных входного ключа, образованного встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением (в данном случае транзистора) 4 с обратным диодом 5, выходного ключа, выполненного аналогично входному на вентиле с полным управлением 6 с обратным диодом 7, и включенного в точке соединения входного и выходного ключей накопительного реактора 8, накопительные реакторы всех фаз могут быть соединены в многоугольник или звезду, нагрузка также может быть соединена в многоугольник или звезду.

Многофазный регулятор переменного напряжения работает следующим образом. Период коммутации по высокой частоте, определяемый частотными возможностями вентилей с полным управлением (сотни герц для запираемых тиристоров, килогерцы или десятки килогерц - для транзисторов) состоит из двух подинтервалов. На первом подинтервале T₁ вентили с полным управлением входных ключей, выполненные для конкретности описания здесь на транзисторах 4, получают сигналы управления на включение, как показано на фиг.2а. Сигналы на включение вентилей с полным управлением 6 выходных ключей, представленные на фиг.2б, на этом подинтервале отсутствуют и выходные ключи заперты (разомкнуты). Под действием входных ЭДС, приложенных к входным зажимам А, В и С регулятора и изображенных на фиг.2в, в накопительных реакторах 8 нарастают токи, как это показано на фиг. 2д для тока накопительного реактора 8 фазы А. Идет процесс запасания энергии в накопительных реакторах. При этом из сравнения схемы прототипа и предлагаемой схемы (фиг.1) видно, что в прототипе ток источника имеет принципиально разрывный характер, тогда как в предлагаемой схеме ток источника непрерывен, что позволяет получить входной ток лучшей формы. Входной ток через источник ЭДС фазы А показан на фиг.2г. Нагрузка 2 каждой фазы при замкнутом входном ключе получает питание от накопительных конденсаторов 3 соответствующих фаз, таким образом обеспечивается качество выходного напряжения не хуже, чем в прототипе. Напряжение на конденсаторе фазы А показано на фиг. 2е. Напряжение на нагрузке одной фазы показано на фиг.2ж. Диаграммы получены математическим моделированием регулятора на ЭВМ.

На втором подинтервале Т₂ сигналы управления с входных ключей снимаются и они размыкаются, а управляющий сигнал подается на выходные ключи 6 (фиг. 2б) и они включаются. Теперь токи накопительных реакторов получают возможность протекать через накопительные конденсаторы 3, заряжая их. Нагрузка при этом питается напряжением накопительных конденсаторов 3 и запасенной электромагнитной энергией накопительных реакторов 8.

Поскольку процесс запасания и отдачи энергии накопительным реактором 8 не отличается от прототипа, то токовая загрузка ключей в новой схеме сохранилась на прежнем уровне.

Регулирование величины выходного напряжения многофазного регулятора напряжения обеспечивается за счет изменения соотношения длительностей подинтервалов T₁ и Т₂ в постоянном периоде коммутации Т=Т₁+Т₂ по аналогии с соответствующим инвертирующим повышающим преобразователем постоянного тока в постоянный [см. Энергетическая электроника. Справочное пособие. М.: Энергия. 1987, с. 158, рис. 3.66е, формула (3.121)].

В предлагаемом регуляторе коэффициент преобразования по напряжению определяется соотношением длительностей подинтервалов T₁ и Т₂. Поэтому при Ti >T2 выходное напряжение регулятора будет больше входного, то есть регулятор обеспечивает бестрансформаторное повышение на нагрузке переменного напряжения источника. При Т₁<Т₂ выходное напряжение меньше входного и при T₁=0 оно стремится к нулю.

Таким образом предлагаемый многофазный регулятор переменного напряжения по сравнению с прототипом позволяет обеспечить лучшее качество входного тока, поскольку обеспечивается режим непрерывных токов на входе, при этом сохранилась на прежнем уровне токовая загрузка ключей и качество выходного напряжения.

Предложен регулятор переменного напряжения для целей получения в источниках гарантированного питания стабилизированного номинального выходного напряжения при снижении входного напряжения ниже номинального, а также для целей электропривода путем регулирования выходного напряжения в сторону увеличения или уменьшения по сравнению с входным напряжением. Регулятор содержит в каждой фазе последовательно включенные накопительную ячейку [НЯ] и нагрузку, а также накопительный конденсатор, включенный параллельно накопительной ячейки НЯ, которая состоит из последовательно включенных входного ключа, образованного встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением (в данном случае транзистора) с обратным диодом выходного ключа, выполненного аналогично входному на вентиле с полным управлением с обратным диодом, и включенного в точке соединения входного и выходного ключей накопительного реактора, накопительные реакторы всех фаз могут быть соединены в многоугольник или звезду, нагрузка также может быть соединена в многоугольник или звезду. Регулятор обеспечивает лучшее качество входного тока, поскольку обеспечивается режим непрерывных токов на входе, при этом сохранилась на прежнем уровне токовая загрузка ключей и качество выходного напряжения, что является техническим результатом. 3 ил.

Многофазный регулятор переменного напряжения, содержащий в каждой фазе накопительную ячейку, включающую входной ключ в виде встречно-параллельного включения вентиля с полным управлением и обратного диода, выходной ключ, выполненный аналогичным образом и включенный последовательно с входным ключом, и накопительный реактор, подключенный к точке соединения входного и выходного ключей, а также содержащий нагрузку и накопительный конденсатор, при этом накопительные реакторы всех фаз соединены в многоугольник или звезду, отличающийся тем, что накопительный конденсатор в каждой фазе одним концом подключен к точке соединения выходного ключа накопительной ячейки и нагрузки, а другим концом подключен к точке соединения входного ключа накопительной ячейки с источником входного напряжения.