СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H02M5/257 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регуляторах переменного напряжения, в том числе работающих на ламповую нагрузку.

Известно устройство регулирования и преобразования напряжения, содержащее трансформатор, в цепь одной из обмоток которого включен полупроводниковый регулирующий элемент, и систему управления этим элементом, причем регулирующий элемент выполнен в виде однофазного мостового выпрямителя, в диагональ постоянного тока которого включен тиристор, а к зажимам переменного тока - RC-цепочка (патент RU №2117376, Н02М 5/12, 31.07.1996).

Недостатком данного изобретения является то, что с помощью него нельзя регулировать напряжение на ламповой нагрузке, так как закон регулирования должен учитывать не только электрические, но и физиологические процессы.

Известен способ регулирования переменного напряжения, заключающийся в подключении и отключении нагрузки в течение целого числа периодов питающего напряжения, причем интервалы отключенного состояния нагрузки устанавливают неизменными и равными периоду питающего напряжения во всем диапазоне регулирования, а интервал подключенного состояния нагрузки составляет количество периодов питающего напряжения в каждом периоде импульсного регулирования во всем диапазоне регулирования, и количество периодов подключенного состояния нагрузки пропорционально уровню напряжения на нагрузке (авторское свидетельство SU №1001429, Н02Р 13/16, 15.06.1981).

Известен способ регулирования переменного напряжения широтно-импульсным регулятором, заключающийся в том, что нагрузку включают и выключают на целое число периодов напряжения сети и при регулировании от 0 до 50 % выходного максимального напряжения включают нагрузку на один период питающего напряжения, а интервалы выключенного состояния нагрузки изменяют так, чтобы они были равными по числу периодов питающего напряжения в каждом периоде импульсного регулирования, при регулировании от 50 до 100% выходного максимального напряжения выключают нагрузку на один период питающего напряжения, а интервалы включенного состояния нагрузки изменяют так, чтобы они были равными по числу периодов питающего напряжения в каждом периоде импульсного регулирования (авторское свидетельство SU №1167690, Н02М 3/00, 04.02.1983).

Недостатком двух последних аналогов является высокая дискретность регулировочной характеристики.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ регулирования переменного напряжения, заключающийся в том, что при работе на ламповую нагрузку изменяют как число периодов питающего напряжения, подключаемого к нагрузке, так и длительность периода регулирования в пределах от периода частоты питающего напряжения до периода критической частоты, что для работы на лампу накаливания составляет 50 Гц (авторское свидетельство SU №1809516, Н02М 5/257, 27.03.1989).

Недостатком прототипа является наличие выбросов токов намагничивания в выходном трансформаторе регулятора (если ламповая нагрузка подключена к сети переменного тока через трансформатор, а регулирующий элемент стоит на первичной стороне этого трансформатора) во время его включения при отсутствии нагрузки (либо на недогруженную цепь), которые в 50-100 раз могут превышать амплитуду установившегося тока холостого хода трансформатора и более чем в 2 раза превышать номинальный ток.

Задачей изобретения является улучшение качественных параметров цепи при включении выходного трансформатора регулятора на недогруженную цепь, что достигается путем уменьшения выбросов токов намагничивания.

Это задача решается способом регулирования переменного напряжения, заключающемся в том, что при работе на ламповую нагрузку изменяют как число периодов питающего напряжения, подключаемого к нагрузке, так и длительность периода регулирования в пределах от периода частоты питающего напряжения до периода критической частоты, что для работы на лампу накаливания составляет 50 Гц, в котором в отличие от прототипа дополнительно перед каждым включением трансформатора осуществляют анализ состояния нагрузки и в зависимости от результата в трансформаторе создают магнитный поток Ф_ост путем включения трансформатора на напряжение при помощи открытия полупроводникового ключа, находящегося на первичной стороне трансформатора, с углом открытия γ, зависящим от состояния нагрузки, за половину периода питающего напряжения сети до включения трансформатора, причем без нагрузки угол открытия полупроводникового ключа минимален γ=0°, а при номинальной нагрузке угол открытия максимален γ=180° и полупроводниковый ключ не открывают.

Для объяснения процесса возникновения токов намагничивания рассмотрим переходные процессы в реальном трансформаторе. Из схемы замещения:

В данном случае вместо переменной ii целесообразно ввести переменную Ф, тогда:

Интегрирование этого уравнения весьма затрудняется тем, что здесь L₁₁≠const и определяется сложной нелинейной связью i₁=f(Ф), выражаемой магнитной характеристикой трансформатора. Однако первый член правой части уравнения мал ввиду малости r₁ по сравнению со вторым членом этого уравнения, также как падение напряжения r₁i₁ мало по сравнению ЭДС - Поэтому при интегрировании можно приближенно принять L₁₁ постоянным.

При этих условиях решение уравнения можно представить в виде двух слагаемых:

Ф=Ф'+Ф''

Где Ф' - мгновенное значение потока для установившегося режима и Ф" мгновенное значение свободного потока.

Частное решение уравнения представляет собой поток

Где

Поток Ф” определяется решением уравнения

и равен

где С - постоянная интегрирования, определяемая начальными условиями. В момент включения сердечник может иметь некоторый поток ±Ф_ост остаточного намагничивания. Поэтому, принимая в дальнейшем φ=π/2, для момента t=0 получим

откуда

и, следовательно,

Таким образом,

Существо изобретения поясняется чертежами:

на фиг.1 изображен график зависимости Ф=f(ωt);

на фиг.2 изображен график зависимости напряжения на первичной стороне трансформатора от времени U₁=f(ωt) при угле открытия тиристора γ=30°. Наименее благоприятен случай, когда ψ=0 или 180° (напряжение в момент включения переходит через 0). Рассмотрим случай ψ=0. При этом

Если Ф_ост в момент t=0 направлен встречно потоку Ф', то

Вид кривой Ф=f(ωt) для данного случая показан на фиг.1.

Максимальное значение Ф достигается примерно через полпериода после включения, т.е. при ωt≈π. При этом

Так как обычно r₁<<ω>L₁₁. Поэтому

Ф_макс≈2Ф_m+Ф_ост

Таким образом, Ф_макс более чем в два раза превышает нормальную величину рабочего потока, и следовательно, сердечник сильно насыщен. Это в свою очередь приводит к возникновению весьма больших намагничивающих токов.

Если же создать поток Ф_ост, направленный встречно свободному потоку, то в результате при включении трансформатора в самом тяжелом режиме холостого хода имеем:

Ф_макс≈2Ф_m-Ф_ост

То есть максимальный ток будет превышать номинальный менее чем в 2 раза, что зависит от соотношения Ф_m и Ф_ост. А величина Ф_ост в свою очередь зависит от величины напряжения подмагничивания, на которое будет включаться трансформатор.

Таким образом, амплитуда токов намагничивания будет снижена, что тем самым приведет к улучшению процесса включения выходного трансформатора регулятора при неполной нагрузке.

Так как в регуляторе на первичной стороне трансформатора уже имеются полупроводниковые ключи (тиристоры), включение на напряжение подмагничивания можно осуществлять путем открытия одного из тиристоров, а угол открытия этого тиристора менять от 0 до 180° в зависимости от состояния нагрузки. Если нагрузки нет, то угол открытия тиристора минимален (γ=0°), если же нагрузка номинальная, то угол открытия максимален (γ=180°), то есть тиристор не открывается (фиг.2).

Итак, заявленное изобретение позволяет улучшить качественные параметры цепи при включении выходного трансформатора регулятора на недогруженную цепь путем уменьшения выбросов токов намагничивания.

Использование: изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регуляторах переменного напряжения, в том числе работающих на ламповую нагрузку. Технический результат: улучшение качественных параметров цепи при включении выходного трансформатора регулятора на недогруженную цепь. Сущность изобретения: в способе регулирования переменного напряжения, заключающемся в том, что при работе на ламповую нагрузку изменяют как число периодов питающего напряжения, подключаемого к нагрузке, так и длительность периода регулирования, дополнительно перед каждым включением трансформатора осуществляют анализ состояния нагрузки и в зависимости от результата в трансформаторе создают магнитный поток Ф_ост путем включения трансформатора на напряжение при помощи открытия полупроводникового ключа, находящегося на первичной стороне трансформатора, с углом открытия γ, зависящим от состояния нагрузки, за половину периода питающего напряжения сети до включения трансформатора, причем без нагрузки угол открытия полупроводникового ключа минимален γ=0°, а при номинальной нагрузке угол открытия максимален γ=180°, и полупроводниковый ключ не открывают. 2 ил.

Способ регулирования переменного напряжения, заключающийся в том, что при работе на ламповую нагрузку изменяют как число периодов питающего напряжения, подключаемого к нагрузке, так и длительность периода регулирования в пределах от периода частоты питающего напряжения до периода критической частоты, что для работы на лампу накаливания составляет 50 Гц, отличающийся тем, что перед каждым включением трансформатора осуществляют анализ состояния нагрузки, и, в зависимости от результата, в трансформаторе создают магнитный поток Ф_ост путем включения трансформатора на напряжение при помощи открытия полупроводникового ключа, находящегося на первичной стороне трансформатора, с углом открытия γ, зависящим от состояния нагрузки, за половину периода питающего напряжения сети до включения трансформатора, причем без нагрузки угол открытия полупроводникового ключа минимален γ=0°, а при номинальной нагрузке угол открытия максимален γ=180°, и полупроводниковый ключ не открывают.