ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G05F5/02 

Изобретение относится к области тиристорных регуляторов напряжения постоянного и переменного тока и может использоваться для регулирования мощности нагревателей, скорости вращения двигателей, величины выходного напряжения выпрямителей для питания электрохимических установок и других потребителей. Наиболее перспективно использование предлагаемого технического решения в автоматических регуляторах указанных параметров потребителей.

Известны тиристорные регуляторы напряжения, содержащие генератор пилообразного напряжения, подключенный к одному из входов компаратора, на другой вход которого подается напряжение управления, а выход соединен с формирователем импульсов тока управляющего электрода тиристора. Например, в регуляторе [1] из сетевого напряжения формируется пилообразное напряжение, которое поступает на компаратор, выполненный на транзисторном блокинг-генераторе, а с выхода блокинг-генератора импульсы управления поступают на управляющий электрод тиристора через промежуточный преобразователь импульсов.

В рассмотренном регуляторе не может быть обеспечена высокая точность регулирования, т.к. переход база-эмиттер транзистора открывается при разных приложенных напряжениях в зависимости от температуры и напряжения питания. Кроме того, использование в цепи формирования импульсов управления двух трансформаторов усложняет и удорожает регулятор.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является преобразователь напряжения тиристорный типа ПН-ТТ [2], серийно выпускаемый одним из предприятий СНГ.

В указанном регуляторе синусоидальное напряжение сначала преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов, из которых далее формируется пилообразное напряжение, которое сравнивается с напряжением управления с помощью компаратора, формирующего импульсы управления силовым тиристором.

Недостатком рассмотренного регулятора является непостоянство коэффициента преобразования управляющего напряжения в выходное напряжение регулятора, подаваемое в нагрузку. В системах автоматического регулирования, например, температуры нагревателей или скорости вращения двигателей такое непостоянство может привести к нарушению устойчивости системы, "раскачке" регулируемого параметра.

Это свойство известного регулятора иллюстрируется диаграммой, приведенной на фигуре 3. Когда управляющее напряжение равно U_упр1, то пилообразное напряжение U_пил сравнивается с ним в момент τ₁, в это время тиристор открывается и остается открытым до конца полупериода напряжения сети. Если управляющее напряжение изменилось на величину ΔU_упр, то момент отпирания тиристора сдвинется на Δτ₁, а изменение среднего выходного напряжения регулятора будет соответствовать площади заштрихованной фигуры, ограниченной сверху участком синусоиды. Для управляющего напряжения U_упр1 участок синусоиды близок к ее амплитудному значению. Для другого управляющего напряжения U_упр2 момент открытия тиристора τ₂ приходится на время спада синусоиды, и при изменении управляющего напряжения на величину ΔU_упр среднее выходное напряжение регулятора изменится на величину ΔU_вых2. Очевидно, что изменение выходного напряжения будет меньше, чем в первом случае - площадь второй заштрихованной фигуры меньше, чем первой. Таким образом, регулирующее воздействие будет максимальным, когда напряжение управления соответствует углам открытия тиристора, близким к 90°, для значений напряжения управления, соответствующих углам открытия больше или меньше 90°, регулирующее воздействие будет уменьшаться и достигнет минимальной величины при углах открытия тиристора, близких к 0° и 180° - площади соответствующих фигур в начале и конце синусоиды будут минимальны.

Как было отмечено ранее, такое непостоянство "веса" напряжения управления неудобно при ручном управлении и особенно вредно при автоматическом регулировании - непостоянство коэффициента управления одного из звеньев системы автоматического регулирования ведет к ее неустойчивости или к ухудшению качества переходных процессов.

Целью предлагаемого изобретения является достижение постоянства коэффициента преобразования тиристорного регулятора во всем диапазоне изменений управляющего напряжения,

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена функциональная схема предложенного устройства, на фиг.2 представлены диаграммы напряжений отдельных элементов функциональной схемы, на фиг.3 приведена диаграмма работы известного тиристорного регулятора, а на фиг.4 приведена диаграмма работы предложенного тиристорного преобразователя напряжения.

Функциональная схема предложенного устройства на фиг.1 содержит трансформатор 1, выпрямитель 2, ключ 3, интегратор выпрямленного напряжения 4, компаратор 5, формирователь импульсов тока управления тиристором 6, тиристор 7, нагрузку 8 и источник управляющего напряжения 9.

Работа схемы происходит следующим образом. Напряжение сети через трансформатор 1 поступает на выпрямитель 2 и далее на ключ 3, интегратор выпрямленного напряжения 4, формирователь тока управления тиристором 6 и последовательно соединенные тиристор 7 и нагрузку 8. Управление формирователем тока управления тиристором 6 производится компаратором 5, который сравнивает напряжение управления U_упр, поступающее от источника управляющего напряжения 9, с выходным напряжением интегратора выпрямленного напряжения 4. В момент, когда напряжение с выхода интегратора выпрямленного напряжения 4, подключенного к одному из входов компаратора 5, превысит напряжение от источника управляющего напряжения 9, подключенного к другому входу компаратора 5, на выходе компаратора 5 появляется скачок напряжения, из которого формирователь тока управления тиристором 6 формирует короткий импульс, отпирающий тиристор 7, через который поступает напряжение в нагрузку 8.

Диаграмма работы отдельных элементов функциональной схемы приведена на фиг.2.

Выпрямленное напряжение U_вып интегрирующей цепочкой 4 преобразуется в косинусоидальное напряжение U_cos на конденсаторе С, который зашунтирован ключом 3, также управляемым выпрямленным напряжением U_вып. В момент уменьшения U_вып до минимальных значений ключ 3 открывается, разряжая конденсатор С. Когда U_вып отлично от нуля, ключ 3 закрывается, конденсатор С через сопротивление R заряжается, при этом напряжение на нем U_cos изменяется по косинусоидальному закону (точнее по закону минус косинус плюс константа), повторяясь каждую половину периода сети. Выход интегратора 4 подключен к одному из входов компаратора 5, к другому входу подведено управляющее напряжение U_упр. В момент, когда напряжения U_упр и U_cos сравниваются, на выходе компаратора 5 формируется импульс U_комп, который продолжается до окончания полупериода напряжения сети. Чтобы не перегружать управляющий электрод тиристора 7 длинными импульсами U_комп, формирователь 6 имеет на входе дифференцирующую цепочку, которая обеспечивает на выходе формирователя 6 короткие импульсы U_фи, поступающие на управляющий электрод тиристора 7, при этом тиристор открывается, оставаясь открытым до конца полупериода, а среднее напряжение U_вых на нагрузке 8 линейно изменяется от величины управляющего напряжения U_упр. Таким образом, "вес" управляющего напряжения U_упр остается постоянным во всем диапазоне его изменения.

Приведенная на фиг.1 функциональная схема регулятора может быть реальной принципиальной схемой для объектов регулирования с не очень широким диапазоном изменения регулирующих напряжений. Если диапазон регулирования должен обеспечивать изменение напряжения в широких пределах, к ключу 3 и интегратору 4 предъявляются повышенные требования по точности. В этом случае ключ 3 может быть выполнен в виде микроэлектронного реле, управляемого операционным усилителем, а интегратор 4 также должен быть выполнен на основе высококачественного операционного усилителя с конденсатором в цепи обратной связи.

Схема регулятора, приведенная на фиг.1, может быть использована для регулирования не только выпрямленного, но и переменного напряжения. В этом случае тиристор 7 должен быть заменен на оптосимистор, который последовательно с нагрузкой подключается к сети до или после трансформатора 1.

Работа схемы формирования импульсов управления тиристором в предложенном устройстве иллюстрируется фигурой 4. Здесь напряжение управления сравнивается с напряжением U_cos. Уровни напряжений U_упр1 и U_упр2 и их изменения ΔU_упр такие же, как и на фиг.3. В связи с тем, что наклон косинусоиды непостоянен, изменения моментов отпирания тиристоров при одинаковых изменениях напряжения управления будут также непостоянными - максимальные изменения будут соответствовать начальному и конечному участку синусоиды сетевого напряжения, т.е. одинаковым ΔU_упр будут соответствовать разные Δτ. На участках подъема и спада синусоиды меньшим значениям напряжения будет соответствовать большее Δτ, т.е. большее изменение угла отпирания тиристора. При этом площади заштрихованных фигур, соответствующие изменениям выходных напряжений регулятора ΔU_вых1 и ΔU_вых2, будут оставаться одинаковыми, а значит, коэффициент преобразования управляющего напряжения в выходное напряжение регулятора будет постоянным во всем диапазоне напряжений управления.

На фиг.4 указанное утверждение иллюстрируется графически, но может быть строго доказано математически, однако это потребует громоздких математических выкладок и по этой причине в тексте заявки не приводится.

Использование предлагаемого изобретения позволяет создавать тиристорные регуляторы постоянного и переменного напряжения, которые при достаточно простой схеме управления позволяют обеспечить высокое качество регулирования, особенно при использовании в автоматических регуляторах.

Предложенное устройство использовалось в опытных образцах автоматических регуляторов скорости вращения двигателей, регуляторах мощности парогенераторов, регуляторах температуры рабочих камер датчиков газоанализаторов. Испытания полностью подтвердили работоспособность устройства и высокую точность стабилизации заданных параметров.

Литература

1. Тиристоры в электроустановках. В.И.Стульников и др. "Техника", Киев, 1967, стр.69.

2. Преобразователи напряжения трехфазные тиристорные ПН-ТТ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИЦЖД.435 321.018 ТО, стр.10.

В тиристорный регулятор постоянного и переменного напряжения, состоящий из выпрямителя переменного напряжения, тиристора, формирователя импульсов тока управления тиристором и источника управляющего напряжения, для обеспечения линейной зависимости выходного напряжения от управляющего напряжения введены интегратор выпрямленного напряжения, ключ, шунтирующий конденсатор интегратора и управляемый выпрямленным напряжением, и компаратор, ко входам которого подключены выход интегратора и источник управляющего напряжения, а выход соединен с формирователем импульсов тока управления тиристором. Технический результат - достижение линейной зависимости между управляющим и выходным напряжением в предлагаемом техническом решении достигается за счет сравнения управляющего напряжения с напряжением косинусоидальной формы, формируемым интегратором из выпрямленного напряжения. 4 ил.

Тиристорный преобразователь переменного напряжения в регулируемое постоянное или переменное, содержащий выпрямитель, тиристор, формирователь импульсов тока управления тиристором и источник управляющего напряжения, отличающийся тем, что напряжение сети через трансформатор поступает на выпрямитель и далее на нагрузку через тиристор, кроме того, в тиристорный преобразователь введены интегратор выпрямленного напряжения с конденсатором в качестве накопительного элемента, подключенный к выходу выпрямителя, ключ, управляемый напряжением с выхода выпрямителя, подключенный параллельно конденсатору интегратора, и компаратор, один вход которого подключен к выходу интегратора выпрямленного напряжения, другой вход компаратора подключен к источнику управляющего напряжения, а выход компаратора через дифференцирующую RC-цепочку соединен со входом формирователя импульсов тока управления тиристором.