РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК H02M5/12 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования переменного напряжения в регулируемое по значению переменное напряжение, например, при создании систем плавного пуска, в различных установках использующих электропривод переменного тока, а также как компенсатор реактивной мощности.

Известен регулятор переменного напряжения (описанный в учебнике Силовая электроника / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк // 2-е изд., стереотипное. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - 632 с, на с. 390 рис. 7.29 д), (представлен случай с двумя обмотками трансформатора) который, содержит две группы управляемых двунаправленных ключей, которые состоят из встречно-параллельно соединенных тиристоров или транзисторов, включенных во вторичную обмотку трансформатора в первичной обмотке, которого включена нагрузка, причем управляемые ключи первой группы соединяют одними выводами к отводам вторичной обмотки трансформатора, а вторыми выводами соединяют с одним выводом сети, управляемые ключи второй группы соединяют одними выводами к отводам вторичной обмотки трансформатора, а вторыми выводами соединяют с одним выводом нагрузки.

В указанном регуляторе переменного напряжения существенным недостатком является то, что использовано большое количество полупроводниковых приборов (тиристоров, транзисторов), которые снижают надежность работы регулятора и увеличивают его стоимость, использован трансформатор, ухудшающий массогабаритные показатели.

Кроме того, известен регулятор переменного напряжения (описанный в патенте RU 2368937 С1, регулятор переменного напряжения, автор: Зиновьев Геннадий Степанович. Опубликовано: 27.09.2009 Бюл. №27), являющийся прототипом предлагаемого изобретения (представлен случай с тремя вторичными обмотками трансформатора), который содержит группу из n управляемых двунаправленных ключей (тиристоров или транзисторов) и трансформатор, у которого разделяют на n секций вторичную обмотку, группу из n управляемых двунаправленных ключей подключают к вторичной обмотке трансформатора, и разделяют на две подгруппы однонаправленных ключей, также вводят дополнительно две группы диодов, причем одна подгруппа n управляемых однонаправленных ключей, соединяют последовательно, подключают катодом крайнего ключа к началу вторичной обмотки трансформатора, а анодом другого крайнего ключа подгруппы - к одному выводу нагрузки, вторую группу управляемых ключей включают последовательно, затем подключают анодом крайнего ключа к началу вторичной обмотки трансформатора, а катодом - к тому же выводу нагрузки, при этом между анодами последовательно включенных управляемых ключей первой подгруппы и отводами секций вторичной обмотки трансформатора включают диоды первой дополнительной группы, катодами к отводам, аналогично, между катодами последовательно включенных управляемых ключей второй подгруппы и отводами секций вторичной обмотки трансформатора также включают диоды второй дополнительной группы, анодами к отводам обмотки.

В указанном регуляторе переменного напряжения существенным недостатком является то, что использованы дополнительно пары диодов, которые снижают надежность работы регулятора и увеличивают его стоимость, а так же снижают его КПД за счет потерь в полупроводниковых приборах, вызванных схемотехникой регулятора - для падания полного напряжения требуется включение всех двунаправленных ключей, использован трансформатор, ухудшающий массогабаритные показатели.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание регулятора переменного напряжения, у которого снижено количество полупроводниковых приборов, а, следовательно, и стоимость регулятора переменного напряжения, а также увеличена надежность работы и повышен КПД, а также снижены массогабаритные показатели за счет устранения из структуры трансформатора.

Поставленная задача достигается тем, что регулятор переменного напряжения, содержит n конденсаторов, и группу из n управляемых двунаправленных ключей, которые подключены к данным конденсаторам, так, что n конденсаторов соединенных последовательно, группы управляемых двунаправленных ключей разделены на две подгруппы однонаправленных ключей, причем одна подгруппа n - 1 управляемых однонаправленных ключей соединена катодами между собой и подключена к одному выводу нагрузки, а анодами поочередно подключена к выводам конденсаторов, начиная с первого, оставшийся вывод конденсаторов подключен к другому выводу нагрузки, вторая подгруппа n - 1 управляемых однонаправленных ключей соединена анодами между собой и подключена к выводу нагрузки, к которому подключен узел соединения катодов первой группы, а катодами поочередно подключена к выводам конденсаторов, начиная с первого. Один двунаправленный ключ одним вывод подключен к нагрузке в узле соединения обоих подгрупп однонаправленных ключей, а вторым выводом к последнему конденсатору.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства для случая с тремя конденсаторами. На фиг. 2 приведена эпюра напряжения на нагрузке при включении одного конденсатора. На фиг. 3 приведена эпюра напряжения на нагрузке при включении двух конденсаторов. На фиг. 4 приведена эпюра напряжения на нагрузке при включении всех трех конденсаторов.

Устройство регулятор переменного напряжения (Фиг. 1) содержит n конденсаторов соединенных последовательно, на фиг. 1 представлен случай с тремя конденсаторами соединенными последовательно 1,2,3, которые крайними выводами конденсаторов 1 и 3, подключены к питающей сети 4. n - 1 двунаправленных ключей, в данном случае n = 2, разбивают на две подгруппы однонаправленных ключей. Первая подгруппа ключи 5, 7. Вторая подгруппа ключи 6, 8. И один двунаправленный ключ 9. Группу управляемых однонаправленных ключей 5 и 7, соединяют катодами (в случае тиристоров) или коллекторами (стоками) (в случае транзисторов) между собой и подключают к одному выводу нагрузки 10. Группу управляемых однонаправленных ключей 6 и 8, соединяют анодами (в случае тиристоров) или эмиттерами (истоками) (в случае транзисторов) между собой и подключают к тому же выводу нагрузки 10, к которому подключены катоды группы управляемых однонаправленных ключей 5 и 7. Анод однонаправленного ключа 5 и катод однонаправленного ключа 6 подключают к узлу соединения конденсаторов 1 и 2. Анод однонаправленного ключа 7 и катод однонаправленного ключа 8 подключают к узлу соединения конденсаторов 2 и 3. Один вывод двунаправленного ключа 9 соединен с оставшимся выводом конденсатора 3, которым он подсоединен к питающей сети 4, а второй вывод подсоединен к нагрузке 10 в точке подключения катодов ключей 5 и 7, а также анодов ключей 6 и 8. Оставшийся свободный вывод нагрузки 10 соединяют с выводом конденсатора 1 в точке подключения питающей сети 4.

Устройство регулятор переменного напряжения (Фиг. 1) работает следующим образом. Первоначально рассмотрим случай использования транзисторов в качестве управляемых однонаправленных ключей. В случае использования транзисторов и тиристоров конфигурация регулятора та же. При работе с одним конденсатором 1, включается транзисторы 5 и 6 и нагрузка 10, таким образом, подсоединяется к данной обмотке (Фиг. 2). При положительной полуволне питающего напряжения проводит транзистор 5, а при отрицательной 6. При работе с двумя конденсаторами 1 и 2, включается транзисторы 7 и 8, а транзисторы 5 и 6 выключаются, нагрузка 10, посредством данных ключей, подсоединяется к узлу соединения конденсаторов 2 и 3 (Фиг. 3). При положительной полуволне питающего напряжения проводит транзистор 7, а при отрицательной 8. При работе с тремя конденсаторами (напрямую с сетью) 1, 2 и 3, включается двунаправленный ключ 9, а транзисторы 7 и 8 выключаются, нагрузка 10, таким образом, подсоединяется к сети 4 (Фиг. 4). Обе полуволны питающего напряжения проводит ключ 9. Таким образом, можно заметить, что во время положительной полуволны, как и отрицательной, включен только один транзистор. Следовательно, учитываются потери только одного транзистора за период питающего напряжения. Это снижает потери, повышает КПД.

Рассмотрим случай использования тиристоров в качестве управляемых однонаправленных ключей. При работе с одним конденсатором 1, при переходе тока нагрузки через ноль, включается тиристоры 5 и 6, которые управляются с варьируемым углом α₁ > 0 а, следовательно, нагрузка 10, таким образом, подсоединяется к данному конденсатору (Фиг. 2). При положительной полуволне тока проводит тиристор 5, а при отрицательной 6. При работе с двумя конденсаторами 1 и 2, включается тиристоры 7 и 8 при переходе тока нагрузки через ноль, которые управляются с варьируемым углом α₂ > 0, а тиристоры 5 и 6 выключаются, нагрузка 10, таким образом, подсоединяется к данным конденсаторам 1 и 2 (Фиг. 3). При положительной полуволне тока проводит тиристор 7, а при отрицательной 8. При работе с тремя конденсаторами 1, 2 и 3 (с сетью 4), включается двунаправленный ключ (симистор) 9 при переходе тока нагрузки через ноль, управляются с варьируемым углом α₃ > 0, а тиристоры 7 и 8 выключаются, нагрузка 10, таким образом, подсоединяется к конденсаторами 1, 2 и 3 (Фиг. 3). Обе полуволны тока проводит ключ 9.

Техническим результатом является создание регулятора переменного напряжения, у которого снижено количество полупроводниковых приборов, а, следовательно, и стоимость регулятора переменного напряжения, а также увеличена надежность работы и повышен КПД. Надежность достигается снижением числа полупроводниковых приборов в регуляторе, а КПД увеличивается за счет снижения потерь в полупроводниковых приборах, так как на периоде питающего напряжения работает только одна пара двунаправленных ключей, а также снижены массогабаритные показатели за счет устранения из структуры трансформатора.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования переменного напряжения в регулируемое по значению переменное напряжение, например, при создании систем плавного пуска, в различных установках использующих электропривод переменного тока, а также как компенсатор реактивной мощности. Предлагаемый регулятор переменного напряжения имеет сниженное количество полупроводниковых приборов, а следовательно, и стоимость регулятора переменного напряжения, а также увеличена надежность работы и повышен КПД, а также снижены массогабаритные показатели за счет устранения из структуры трансформатора. Это достигается тем, что регулятор переменного напряжения содержит n конденсаторов, и группу из n управляемых двунаправленных ключей, которые подключены к данным конденсаторам, так что n конденсаторов, соединенных последовательно, группы управляемых двунаправленных ключей разделены на две подгруппы однонаправленных ключей, причем одна подгруппа n - 1 управляемых однонаправленных ключей соединена катодами между собой и подключена к одному выводу нагрузки, а анодами поочередно подключена к выводам конденсаторов, начиная с первого, оставшийся вывод конденсаторов подключен к другому выводу нагрузки, вторая подгруппа n - 1 управляемых однонаправленных ключей соединена анодами между собой и подключена к выводу нагрузки, к которому подключен узел соединения катодов первой группы, а катодами поочередно подключена к выводам конденсаторов, начиная с первого. Один двунаправленный ключ одним вывод подключен к нагрузке в узле соединения обоих подгрупп однонаправленных ключей, а вторым выводом к последнему конденсатору. 4 ил.

Регулятор переменного напряжения, содержащий группу из $$n$$управляемых двунаправленных ключей в виде тиристоров или транзисторов, отличающийся тем, что содержит $$n$$ конденсаторов, группу из $$n$$ управляемых двунаправленных ключей подключают к данным конденсаторам, так что $$n$$ конденсаторов соединены последовательно, группы управляемых двунаправленных ключей разделены на две подгруппы однонаправленных ключей, причем одна подгруппа $$n-1$$ управляемых однонаправленных ключей соединена катодами между собой и подключена к одному выводу нагрузки, а анодами поочередно подключена к выводам конденсаторов, начиная с первого, оставшийся вывод конденсаторов подключен к другому выводу нагрузки, вторая подгруппа $$n-1$$ управляемых однонаправленных ключей соединена анодами между собой и подключена к выводу нагрузки, к которому подключен узел соединения катодов первой группы, а катодами поочередно подключена к выводам конденсаторов, начиная с первого, один двунаправленный ключ одним вывод подключен к нагрузке в узле соединения обоих подгрупп однонаправленных ключей, а вторым выводом к последнему конденсатору.