РЕГУЛЯТОР ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H02M5/257 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано для регулирования или стабилизации напряжения переменного тока на активно-индуктивной нагрузке с детерминированным всплеском напряжения на нагрузке при ее скачкообразном сбросе.

Уровень техники

При использовании источников трехфазного напряжения зачастую сталкиваются с проблемой возникновения всплесков напряжения на активно-индуктивной нагрузке при резком уменьшении ее номинального значения. Схемные решения на базе полупроводниковой техники позволяют сглаживать эти нежелательные явления.

Известен транзисторный регулятор по патенту №2122274. Этот регулятор трехфазного напряжения предназначен для целей получения в источниках гарантированною питания стабилизированного номинального выходного напряжения при снижении входного напряжения ниже поминального, 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: входной LC-фильтр с дросселями и конденсаторами, входной ключ с вентилями с полным управлением и диодами, выходной фильтр в виде дросселей, а также нагрузки. Кроме того, содержит накопительные дроссели, накопительные конденсаторы, трехфазный мостовой выпрямитель на диодах и выходной ключ в виде вентиля с полным управлением. Регулятор позволяет получать напряжение на выходе больше входного.

Этот регулятор предназначен для стабилизации выходного напряжения при изменении входного и не рассчитан на работу с коммутируемой нагрузкой.

Наиболее близкое техническое решение, взятое автором за прототип, изложено в описании к патенту РФ №2220494 «Транзисторный регулятор переменного напряжения с демпфирующим конденсатором».

Этот регулятор содержит коммутируемую трехфазную активно-индуктивную нагрузку и параллельно подключенную к ней цепь ограничения коммутационных всплесков, в состав которой входят трехфазные диодные мосты, полярные конденсаторы и транзисторные ключи.

Этот трехфазный регулятор с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения выполнен следующим образом: с помощью транзисторного ключа на выходе первого диодного моста, подключенного к одноименным выводам вторичных обмоток согласующего трансформатора, подключен второй диодный мост, к другим одноименным выводам, причем параллельно выходным зажимам обоих мостов, подключены полярные конденсаторы. Техническое решение направлено на проведение плавной коммутации тока без появления значительных коммутационных перенапряжений, которое осуществляется с помощью демпфирующего полярного конденсатора достаточно большой емкости, подключенного к выходным зажимам первого моста. Для этого указанный конденсатор переводится в режим чередующегося на каждом интервале коммутации разряда-заряда с помощью двух дополнительных транзисторных ключей, один из которых соединяет общие катоды диодов второго моста с общими анодами диодов первого моста, а другой - положительную обкладку демпфирующего полярного конденсатора с общими анодами диодов второго моста.

Недостатком является то, что при сбросе нагрузки для уменьшения всплеска напряжения на ней демпфирующий полярный конденсатор должен быть достаточно большой емкости. А при частых коммутациях нагрузки (наброс-сброс) разрядный резистор должен быть достаточно малого сопротивления, чтобы конденсатор успел разрядиться до начального уровня, то есть должен успеть подготовиться к приему следующего всплеска напряжения при очередном сбросе нагрузки. И поскольку резистор все время включен на напряжение нагрузки, он должен иметь большую мощность (а значит, большие габариты). К тому же, известное техническое решение реализовано достаточно сложной электрической схемой с большим количеством радиоэлементов.

Целью настоящего изобретения является создание регулятора трехфазного напряжения с простой по техническому решению цепью ограничения коммутационных всплесков при сбросе активно-индуктивной нагрузки, с демпфирующим конденсатором небольшой емкости и разрядным резистором небольшой мощности, что позволит снизить габариты и вес, что принципиально и некоторых вариантах использования (авиакосмическая и военная техника).

Раскрытие изобретения

Регулятор трехфазного напряжения содержит последовательно соединенные трехфазный входной ключ в виде встречно-параллельного соединения двух полупроводниковых элементов в каждой фазе, трехфазный LC-фильтр и коммутируемую трехфазную активно-индуктивную нагрузку, а также содержит параллельно подключенную к нагрузке цепь ограничения коммутационных всплесков, в которую входит трехфазный диодный мост, полярный демпфирующий конденсатор и выходной ключ, включающий в себя силовой транзистор, базовый и коллекторный резисторы и пороговое устройство. Диодный мост по своим трем входам соединен с соответствующими входами нагрузки. Первый вывод диодного моста соединен с коллекторным резистором силового транзистора, положительной обкладкой демпфирующего конденсатора и одним из выводов порогового устройства, другой вывод которого связан с базой силового транзистора. Второй вывод диодного моста соединен с отрицательной обкладкой демпфирующего конденсатора, эмиттером силового транзистора и базовым резистором.

Сущность изобретения заключается в том, что включение в выходной ключ порогового устройства позволяет при небольшой емкости демпфирующего конденсатора ограничить всплески напряжения на нагрузке при ее сбросе, поскольку при достижении на демпфирующем конденсаторе (во время заряда током нагрузки) значения напряжения, равного напряжению срабатывания порогового устройства, открывается силовой транзистор выходного ключа. При этом параллельно накопительному конденсатору, а значит и нагрузке, подключается коллекторный резистор достаточно малого сопротивления, на котором рассеивается электромагнитная энергия, запасенная в индуктивностях дросселей LC-фильтра и индуктивностях нагрузки. А так как, при отсутствии коммутации нагрузки, силовой транзистор закрыт и коллекторный резистор не подключен на напряжение нагрузки, то можно использовать резистор с достаточно малой мощностью рассеяния.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет решить проблему всплесков напряжения на активно-индуктивной нагрузке при резком уменьшении ее номинального значения с помощью компактной и простой по схеме цепи ограничения коммутационных всплесков.

Краткое описание чертежа

На чертеже представлена электрическая схема трехфазного регулятора напряжения с цепью ограничения коммутационных всплесков при резком изменении активно-индуктивной нагрузки, состоящей из трехфазного диодного моста, демпфирующего конденсатора и выходного ключа с пороговым элементом.

Осуществление изобретения

Предлагаемый регулятор трехфазного напряжения (фазы U, V, W) содержит последовательно соединенные трехфазный входной ключ 1, трехфазный LC-фильтр 2, трехфазную активно-индуктивную нагрузку 3, параллельно которой присоединены трехфазный диодный мост 4, демпфирующий конденсатор 5 и выходной ключ 6.

Входной ключ 1 представляет собой три нары (по одной паре в каждой фазе) тиристоров, соединенных встречно-параллельно: по фазе U - тиристоры 7, 8; по фазе V - тиристоры 9, 10; по фазе W - тиристоры 11, 12.

Трехфазный LC-фильтр выполнен на базе индуктивностей 13, 14,15 и конденсаторов 16, 17, 18.

Трехфазная активно-индуктивная нагрузка 3 представляет собой по каждой фазе последовательно соединенные активную и индуктивную составляющие (условно изображенные на схеме в виде дросселей 20, 21, 22, 23, 24, 25 и резисторов 26, 27, 28, 29, 30, 31). Причем предусмотрена возможность подсоединения большой или малой нагрузок с помощью переключателя 19.

Трехфазный диодный мост 4 выполнен на диодах 33-37 и по своим входам подключен к выходам трехфазного LC-фильтра 2 и входам трехфазной нагрузки 3 через переключатель 19, а по своему выходу - к обкладкам демпфирующего конденсатора 5 и выводам выходного ключа 6. Причем с положительной обкладкой конденсатора 5 соединены катоды диодов 32, 34, 36, а с отрицательной обкладкой - аноды диодов 33, 35, 37.

Выходной ключ 6 выполнен виде порогового устройства, содержащего силовой транзистор 38, коллекторный резистор 39, базовый резистор 40 и пороговый элемент 41 (например, стабилитрон), расположенный между базой и коллекторным резистором 39.

Выводами выходного ключа 6 являются: точка соединения коллекторного резистора 39 и положительной обкладки демпфирующего конденсатора 5 и точка соединения базового резистора 40 и отрицательной обкладки демпфирующего конденсатора 5.

В качестве конкретных элементов трехфазного регулятора мощностью 8 кВт могут быть выбраны следующие:

Поз.5 электролитический конденсатор типа ECAP 6800/450V, 6800 МКФ, 450V;

Поз.7-12 - тиристорные модули типа М 2ТБИ-100-6, 3 штуки;

Поз.13, 14, 15 - дроссели переменного тока 400 Гц индуктивностью 1 мГн с сердечником ШЛ 20×25, воздушный зазор 1,25 мм;

Поз.16, 17, 18 конденсаторы типа К73-16-630 В-0,47 мкФ по 36 штук на фазу;

Поз.19 контактор типа АП 50-3МТ на ток 50А;

Поз.20, 22, 24 - дроссели переменного тока L=1,2 мГн на ток 25 А, частоту 400 Гц;

Поз.21, 23, 25 дроссели переменною тока L=12 мГн на ток 2,5А, частоту 400 Гц;

Поз.26, 28, 30 сопротивление 4,1 Ом на ток 25А;

Поз.27, 29, 31 - сопротивление 41 Ом на ток 2,5А;

Поз.32-37 - диоды КД 2971 Д1 на ток 50А;

Поз.38 - транзистор типа 2 Т 8174 А, 40А, 600 В;

Поз.39 - резистор С5-47-10 Вт, 4,3 Ом:

Поз.40 - резистор С 2-33H-0,5-100 Ом;

Поз.41 - полупроводниковый ограничитель напряжения типа 2С 603 Б с напряжением пробоя 200 В (2 последовательно),

Регулятор трехфазною напряжения работает следующим образом.

При работе регулятора без коммутации нагрузки по фазам протекает ток, величина которого определяется величиной нагрузки, например номинальный ток при номинальной нагрузке, демпфирующий конденсатор 5 заряжен до напряжения, соответствующего номинальному напряжению на нагрузке. Силовой транзистор 38 закрыт и по коллекторному резистору 39 ток не протекает.

При сбросе нагрузки, например, с номинальной - на значительно меньшую, сохраняющийся в первый момент номинальный ток в дросселях LC-фильтра 2 и индуктивностях нагрузки 3 создавал бы на значительно возросшем импедансе нагрузки большие всплески напряжения. Но благодаря наличию трехфазного диодного моста 4 и демпфирующего конденсатора 5 этот ток пойдет на заряд конденсатора, поскольку емкость представляет для тока очень малое сопротивление. При достижении на демпфирующем конденсаторе 5 значения напряжения, при котором срабатывает пороговый элемент 41 выходного ключа 6, силовой транзистор 38 открывается и подключает параллельно демпфирующему конденсатору 5 коллекторный резистор 39, величина которого выбирается исходя из напряжения срабатывания порогового элемента 41 и номинального тока нагрузки. Коллекторный резистор 39 исполняет роль нагрузки, на которой рассеивается электромагнитная энергия, запасенная в индуктивностях нагрузки 3 и дросселях LC-фильтра 2. Скорость спадания тока нагрузки автоматически поддерживается такой, что э.д.с. самоиндукции в индуктивностях нагрузки и дросселях LC-фильтра равна напряжению срабатывания порогового элемента 41.

Если скорость спадания тока нагрузки уменьшается, то э.д.с. самоиндукции становиться меньше напряжения срабатывания порогового элемента 41, силовой транзистор 38 запирается, ток нагрузки начинает заряжать демпфирующий конденсатор 5, и при достижении напряжения на нем, равного значению напряжения срабатывания порогового элемента, силовой транзистор 38 снова открывается, подключая параллельно демпфирующему конденсатору 5 коллекторный резистор 39 и т.д.

Процесс происходит лавинообразно до тех нор, пока напряжение на демпфирующем конденсаторе 5 не становится равным напряжению срабатывания порогового элемента 41.

Поскольку время заряда накопительного конденсатора до момента срабатывания порогового элемента может быть выбрано значительно меньше полного времени спадания тока нагрузки до нуля, то и величина емкости накопительного конденсатора в предложенном устройстве будет значительно меньше, чем в прототипе. Кроме того, поскольку коллекторный резистор работает только при сбросе нагрузки и не подключен на напряжение нагрузки в основное время работы регулятора напряжения, он выбирается значительно меньшей мощности рассеяния, чем в известном устройстве.

Таким образом, предложенный регулятор трехфазного напряжения имеет более простую электрическую схему и меньшие габариты по сравнению с прототипом и обеспечивает при этом возможность резкого сброса активно-индуктивной нагрузки при детерминированном всплеске напряжения на ней, ограниченным напряжением срабатывания порогового элемента.

Изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано для регулирования или стабилизации напряжения переменного тока на активно-индуктивной нагрузке с детерминированным всплеском напряжения на нагрузке при ее скачкообразном сбросе. Технический результат - снижение габаритов и массы. Регулятор трехфазного напряжения содержит последовательно соединенные трехфазный входной ключ в виде встречно-параллельного соединения двух полупроводниковых элементов в каждой фазе, трехфазный LC-фильтр и коммутируемую трехфазную активно-индуктивную нагрузку, а также содержит параллельно подключенную к нагрузке цепь ограничения коммутационных всплесков, в которую входит трехфазный диодный мост, полярный демпфирующий конденсатор и выходной ключ, выполненный в виде порогового устройства, включающего в себя силовой транзистор, базовый и коллекторный резисторы и пороговый элемент. Диодный мост по своим трем входам соединен с соответствующими входами нагрузки. Первый вывод диодного моста соединен с коллекторным резистором силового транзистора, положительной обкладкой демпфирующего конденсатора и одним из выводов порогового элемента, другой вывод которого связан с базой силового транзистора. Второй вывод диодного моста соединен с отрицательной обкладкой демпфирующего конденсатора, эмиттером силового транзистора и базовым резистором. 1 ил.

Регулятор трехфазного напряжения, содержащий коммутируемую трехфазную активно-индуктивную нагрузку и параллельно подключенную к ней цепь ограничения коммутационных всплесков, в состав которой входит трехфазный диодный мост, полярный демпфирующий конденсатор и выходной ключ, включающий в себя силовой транзистор и базовый резистор между базой и эмиттером, при этом диодный мост по своим трем входам соединен с соответствующими входами нагрузки, первый вывод диодного моста соединен с положительной обкладкой демпфирующего конденсатора, а его второй вывод - с отрицательной обкладкой демпфирующего конденсатора и эмиттером силового транзистора, отличающийся тем, что содержит трехфазный входной ключ в виде встречно-параллельного соединения двух полупроводниковых элементов в каждой фазе и последовательно с ним соединенный трехфазный LC-фильтр, а цепь ограничения коммутационных всплесков содержит пороговое устройство, расположенное между базой силового транзистора и положительной обкладкой демпфирующего конденсатора, при этом каждый из трех выходов упомянутого трехфазного LC-фильтра соединен с соответствующим входом трехфазной активно-индуктивной нагрузки, коллектор силового транзистора связан через коллекторный резистор с точкой соединения положительной обкладки демпфирующего конденсатора, первым выводом диодного моста и одним из выводов порогового устройства, другой вывод которого связан с базой силового транзистора.