Регулятор переменного напряжения Российский патент 2023 года по МПК H02M5/22 

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 патенте RU 2368937 C1, регулятор переменного напряжения, автор: Зиновьев Геннадий Степанович. Опубликовано: 27.09.2009 Бюл. № 27), 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 управляемых однонаправленных ключей, также вводят дополнительно две группы диодов, причем одна подгруппа $$n$$ управляемых однонаправленных ключей, соединяют последовательно, подключают катодом крайнего управляемого однонаправленного ключа к началу вторичной обмотки трансформатора, а анодом другого крайнего управляемого однонаправленного ключа подгруппы - к одному выводу нагрузки, вторую группу управляемых однонаправленных 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 однонаправленных ключей первой подгруппы и отводами секций вторичной обмотки трансформатора включают диоды первой дополнительной группы, катодами к отводам, аналогично, между катодами последовательно включенных управляемых однонаправленных 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 отсутствует возможность повышения напряжения в пределах зоны регулирования в случае просадки сети, что существенно снижает качество регулируемого напряжения.

Кроме того, известен регулятор переменного напряжения (описанный в патенте RU 2726946 C1, регулятор переменного напряжения, авторы: Гришанов Евгений Валерьевич, Удовиченко Алексей Вячеславович. Опубликовано: 17.07.2020 Бюл. № 20), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, который содержит группу из $$n$$управляемых двунаправленных ключей (тиристоров или транзисторов) $$n$$ 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 управляемых 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 управляемый однонаправленный ключ одним вывод подключен к нагрузке в узле соединения обоих подгрупп управляемых однонаправленных ключей, а вторым выводом к последнему конденсатору.

В указанном регуляторе переменного напряжения существенным недостатком является то, что отсутствует возможность повышения напряжения в пределах зоны регулирования в случае просадки сети, что существенно снижает показатели качества регулируемого напряжения.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение напряжения в пределах зоны регулирования в случае просадки сети на входе регулятора переменного напряжения, за счет введения дополнительных конденсаторов подключенных с помощью управляемых двунаправленных ключей параллельно, которые обеспечивают возможность повышение напряжения в пределах зоны регулирования.

Поставленная задача достигается тем, что регулятор переменного напряжения, содержит $$n$$ конденсаторов соединённых последовательно и $$k$$ конденсаторов соединенных с помощью управляемых двунаправленных ключей, группу управляемых двунаправленных ключей, которая состоит из $$n+1$$ управляемых двунаправленных ключей для зонного регулирования и $$2k$$управляемых двунаправленных ключей для уровневого регулирования. Группа $$n$$ управляемых двунаправленных ключей разделена на две подгруппы управляемых однонаправленных ключей. Два управляемых двунаправленных ключа из группы $$2k$$ соединены последовательно и установлены последовательно между двумя крайними конденсаторами из группы $$n$$, крайним выводом один ключ соединен с последним конденсатором, и крайним выводом второй ключ соединен с предыдущим конденсатором. К узлу соединения первых двух конденсаторов из группы $$n$$ между собой, а также к узлу соединения предпоследнего конденсатора из группы $$n$$и первого ключа из группы $$2k$$ соединенных последовательно одним выводом подключены управляемые однонаправленные ключи. К оставшимся выводам управляемых однонаправленных ключей подключен одним выводом управляемый двунаправленный ключ из группы $$n+1$$. Оставшимся выводом управляемый двунаправленный ключ подключен к крайнему конденсатору из группы $$n$$. Последний конденсатор из группы $$k$$ оставшимся выводом подключен к узлу соединения конденсатора предпоследнего конденсатора из группы $$n$$ и управляемого двунаправленного ключа из группы $$2k$$ соединенных последовательно. Управляемые двунаправленные ключи из группы из группы $$2k$$, также соединены последовательно. Управляемый двунаправленный ключ оставшимся выводом подключен к последнему конденсатору из группы $$2k$$, второй управляемый двунаправленный ключ из группы $$2k$$ подключен к узлу соединения крайнего конденсатора и управляемого двунаправленного ключа 11. К узлу соединения управляемых двунаправленных ключей из группы $$2k$$ подключен предпоследний конденсатор из группы $$k$$. Управляемый двунаправленный ключ из группы $$k$$ одним выводом подключен к узлу соединения управляемого двунаправленного ключа из группы $$k$$ и последнего конденсатора из группы $$k$$, а другим выводом к оставшемуся выводу предпоследнего конденсатора из группы $$k$$ и узлу соединения управляемых двунаправленных ключей установленных перед крайним конденсатором из группы $$n$$. Управляемый двунаправленный ключ из группы $$2k$$ одним выводом подключен к узлу соединения управляемых двунаправленных ключей соединенных последовательно из группы $$2k$$ и предпоследнего конденсатора из группы $$k$$, а другим выводом к оставшемуся выводу крайнего конденсатора из группы $$n$$ и узлу соединения этого конденсатора и управляемого двунаправленного ключа. Нагрузка одним выводом подключена к узлу соединения первого конденсатора из группы $$n$$ и к сети, а вторым выводом к узлу соединения управляемых однонаправленных ключей и управляемого двунаправленного ключа из группы $$n+1$$.

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, соединённых последовательно и $$k$$ конденсаторов соединенных с помощью управляемых двунаправленных ключей. На фиг. 1 представлен случай с двумя конденсаторами, соединенными последовательно 1, 2 и тремя конденсаторами 3, 4, 5 соединенных с помощью управляемых двунаправленных ключей и последовательно с конденсаторами 1 и 2. Крайними выводами конденсаторов 1 и 5 подключены к питающей сети 6. Также содержит группу$$n+1$$ управляемых двунаправленных ключей для зонного регулирования и $$2k$$управляемых двунаправленных ключей для уровневого регулирования, в данном случае $$n=2$$и $$k=3$$. Группа $$n$$ управляемых двунаправленных ключей разбита на две подгруппы управляемых однонаправленных ключей: 7, 8, 9, 10 и оставшийся один управляемый двунаправленный ключ 11. Два управляемых двунаправленных ключа 12 и 13 из группы $$2k$$ соединены последовательно и установлены последовательно между конденсаторами 2 и 3, крайним выводом ключ 13 соединен с конденсатором 3, а крайним выводом ключ 12 соединен с конденсатором 2. К узлу соединения конденсаторов 1 и 2 между собой и узлу соединения конденсатора 2 и ключа 12 одним выводом подключены управляемые однонаправленные ключи 7, 8, 9, 10. К оставшимся выводам управляемых однонаправленных ключей 7, 8, 9, 10 подключен одним управляемый двунаправленный ключ 11. Оставшимся выводом управляемый двунаправленный ключ 11 подключен к конденсатору 3. Конденсатор 5 оставшимся выводом подключен к узлу соединения конденсатора 2 и управляемого двунаправленного ключа 12. Управляемые двунаправленные ключи 14 и 15 соединены последовательно. Управляемый двунаправленный ключ 14 оставшимся выводом подключен к конденсатору 5, управляемый двунаправленный ключ 15 подключен к узлу соединения конденсатора 3 и управляемого двунаправленного ключа 11. К узлу соединения управляемых двунаправленных ключей 14 и 15 подключен конденсатор 4. Управляемый двунаправленный ключ 16 одним выводом подключен к узлу соединения управляемого двунаправленного ключа 14 и конденсатора 5, а другим выводом к оставшемуся выводу конденсатора 4 и узлу соединения управляемых двунаправленных ключей 12 и 13. Управляемый двунаправленный ключ 17 одним выводом подключен к узлу соединения управляемых двунаправленных ключей 14 и 15 и конденсатора 4, а другим выводом к оставшемуся выводу конденсатора 3 и узлу соединения конденсатора 3 и управляемого двунаправленного ключа 13. Нагрузка 18 одним выводом подключена к узлу соединения конденсатора 1 и сети 6, а вторым выводом к узлу соединения управляемых однонаправленных ключей 7,8,9,10 и управляемого двунаправленного ключа 11.

Устройство – регулятор переменного напряжения (Фиг. 1) работает следующим образом. Первоначально рассмотрим случай использования транзисторов в качестве управляемых двунаправленных ключей. В случае использования транзисторов и тиристоров или симисторов конфигурация регулятора та же. При работе с одним конденсатором 1, включается управляемые однонаправленные ключи 9 и 10 остальные выключаются, нагрузка 18, таким образом, подсоединяется к данному конденсатору (Фиг. 2). При работе с двумя конденсаторами 1 и 2, включается управляемые однонаправленные ключи 7 и 8 остальные выключаются, нагрузка 18, таким образом, подсоединяется к данному конденсатору (Фиг. 3). При работе с конденсаторами 1, 2, 3, 4 и 5, включается управляемые двунаправленные ключи 11, 12, 13, 14 и 15 остальные выключаются, нагрузка 18, таким образом, подсоединяется к данным конденсаторам (Фиг. 4). Для поднятия напряжения на максимальный уровень $$U/k$$ в данном случае на $$U/3$$, необходимо отключить управляемые двунаправленные ключи 13 и 15 и включить 17 (Фиг. 5). Для поднятия напряжения на максимальный уровень $$\frac{2U}{k}$$ в данном случае на $$2U/3$$, необходимо отключить управляемые двунаправленные ключи 12, 13, 14 и 15 и включить 16 и 17 (Фиг. 6). Таким образом, можно заметить, что во время включения зоны регулирования, возможно, осуществить переключение конденсаторов. Следовательно, возможно осуществить баланс напряжения. Это дает возможность резервирования используемых конденсаторов, что повышает надежность работы регулятора.

Рассмотрим случай использования тиристоров в качестве управляемых двунаправленных ключей. При работе с одним конденсатором 1, при положительной полуволне тока при переходе через ноль включается тиристор управляемого однонаправленного ключа 9, который управляются с варьируемым углом $${\alpha }_1>0$$ остальные выключаются, нагрузка 18, таким образом, подсоединяется к данному конденсатору (Фиг. 2). При отрицательной полуволне тока при переходе через ноль включается тиристор управляемого однонаправленного ключа 10, который управляются с варьируемым углом $${\alpha }_1>0$$ остальные выключаются, нагрузка 18, таким образом, подсоединяется к данному конденсатору (Фиг. 2). При работе с двумя конденсаторами 1 и 2, при положительной полуволне тока при переходе через ноль включается тиристор управляемого однонаправленного ключа 7, который управляются с варьируемым углом $${\alpha }_1>0$$ остальные выключаются, нагрузка 18, таким образом, подсоединяется к данному конденсатору (Фиг. 3). При отрицательной полуволне тока при переходе через ноль включается тиристор управляемого однонаправленного ключа 8, который управляются с варьируемым углом $${\alpha }_1>0$$ остальные выключаются, нагрузка 18, таким образом, подсоединяется к данному конденсатору (Фиг. 3).

При работе с конденсаторами 1, 2, 3, 4 и 5, включается управляемые двунаправленные ключи 11, 12, 13, 14 и 15 остальные выключаются, нагрузка 18, таким образом, подсоединяется к данным конденсаторам (Фиг. 4). Для поднятия напряжения на максимальный уровень $$U/k$$ в данном случае на $$U/3$$, необходимо отключить управляемые двунаправленные ключи 13 и 15 и включить 17 (Фиг. 5). Для поднятия напряжения на максимальный уровень $$\frac{2U}{k}$$ в данном случае на $$2U/3$$, необходимо отключить управляемые двунаправленные ключи 12, 13, 14 и 15 и включить 16 и 17 (Фиг. 6). Таким образом, можно заметить, что во время включения зоны регулирования, возможно, осуществить переключение конденсаторов. Следовательно, возможно осуществить баланс напряжения. Это дает возможность резервирования используемых конденсаторов, что повышает надежность работы регулятора.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение напряжения в пределах зоны регулирования в случае просадки сети на входе регулятора переменного напряжения, за счет введения дополнительных конденсаторов подключенных с помощью управляемых двунаправленных ключей параллельно, которые обеспечивают возможность повышение напряжения в пределах зоны регулирования.

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. Регулятор переменного напряжения имеет возможность повышения напряжения в пределах зоны регулирования в случае просадки сети на входе регулятора переменного напряжения за счет введения дополнительных конденсаторов, подключенных с помощью управляемых двунаправленных ключей параллельно, которые обеспечивают возможность повышения напряжения в пределах зоны регулирования. Регулятор переменного напряжения в качестве управляемых двунаправленных ключей использует или тиристоры, или транзисторы, или симисторы. 6 ил.

Регулятор переменного напряжения, содержащий группу из первого, второго и третьего конденсаторов, соединённых последовательно, группу из пяти управляемых двунаправленных ключей, при этом крайние выводы группы из соединенных последовательно конденсаторов соединены с первым и вторым выводами питающей сети, узлы соединения конденсаторов указанной группы соединены каждый через два управляемых двунаправленных ключа группы ключей с первым выводом нагрузки, к которому подключен вывод другого ключа группы ключей, отличающийся тем, что введены два дополнительных конденсатора и шесть дополнительных управляемых двунаправленных ключей, при этом первый вывод первого дополнительного конденсатора соединен со свободным выводом другого ключа группы ключей и через последовательно соединенные первый и второй дополнительные ключи с первым выводом питающей сети, второй вывод первого дополнительного конденсатора соединен через третий дополнительный управляемый двунаправленный ключ с узлом соединения первого и второго дополнительных управляемых двунаправленных ключей, а через последовательно соединенные четвертый и пятый управляемые ключи соединен с узлом соединения второго и третьего конденсаторов группы конденсаторов, первый вывод второго дополнительного конденсатора соединен через шестой дополнительный управляемый ключ с первым выводом питающей сети, соединенной со свободным выводом первого конденсатора группы конденсаторов, и непосредственно с узлом соединения четвертого и пятого дополнительных управляемых ключей.