Устройство для регулирования трехфазного напряжения Советский патент 1984 года по МПК G05F1/20 

:л

SD

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано, например, в регулируемых источниках трехфазного напряжения с близкой к синусоидальной формой тока нагрузки.

Известны устройства для регулирования трехЛазного переменного напряжения и тока, содержащие междуфазный трансформатор с переключаeMfcjM коэффициентом трансформации, включенный последовательно с трехфазной нагрузкой и источником трехфазного напряжения.

В этих устройствах регулирование сглаженного переменного тока осуществляется изменением тока подмагничивания междуфазного трансформатора. При изменении тока подмагничивания изменяются интервалы насыщения отдельных сердечников или стержней междуфазного трансформатора. Междуфазный коэффициент трансформации определяется соотношением числа витков обмоток разных фаз ria ненасыщенных сердечниках и стержнях. Поэтому изменение тока подмагничивания позволяет регулировать сдвиги фаз моментов включения определенных коэффициентов междуфазной трансформации, а в результате этого регулировать также распределение напряжения питания между междуфазным управляемым трансформатором (трехфазным многосердечниковым или многостержневьм управляемым дросселем насыщения) и нагрузкой СПиС21.

Недостатками данных,устройств для регулирования трехфазного напряжения и тока с использованием подмагничиваемых междуфазных трансформаторов являются относительно большая масса междуфазного трансформатора, работающего в качестве трехфазного многосердечникового или многостержневого управляемо : дросселя, возможность регулировать только с отстающим а не с опережающим током, а также длительность переходного процесса до нескольких периодов питания при изменении напряжения управления.

Известно устройство для регулирования трехфазного напряжения, содержащее односердечниковый междуфазный автотрансформатор с коммутируемым коэффициентом трансформации, соединенный последовательно с трехфазной нагрузкой. В устройстве магнитный поток автотрансформатора изменяется с частотой питания, что обуславливает относительно большую массу автотрансформатора t33.

Недостатком, указанного устррйства вляется также относительно большое

количество ключей и ухудшение форNW выходного напряжения при регулировании в результате увеличения относительной величины высших гар МОНИК при уменьшении основной гармоники напряжения нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, в котором магнитный поток междуфазного автотрансформатора изменяется по меньшей мере с шестикратной частотой питания и для переключения числа витков, входящих в разные фазы, применяют однонаправленные ключи С43.

Недостатком прототипа является 5 увеличение относительной величины высших гармоник при уменьшении основной гармоники напряжения нагрузки в ходе регулирования. Этот недостаток вызван тем, что в ходе ре0 гулирования форма тока нагрузки изменяется, причем в широком диапазоне регулирования при уменьшении амплитуды основной гармоники амплитуды высших гармоник сохраняют свое 5 максимальное значение.

Цель изобретения - улучшение формы выходного напряжения при регулирювании.

Поставленная цель достигается Q тем, что устройство для регулирования трехфазного напряжения, содержащее автотрансформатор с отводами, расположенными симметрично относительно крайних выводов, и входные выводы для пофазного подключения нагрузки, каждый из которых подключен через однонаправленные управляемые ключи ко всем рьтодам автотрансформатора, причем все ключи, соединенные с одним выводом авто0 трансформатора, включены согласно, а ключи, подключенные к соседним выводам, включены по отношению к ним встречно, снабжено сглаживающим дросселем .с двумя одинаковыми об5 мотками, соединенными согласно в разрывы соединений от двух симметрично расположенных выводов автотрансформатора с соответствующими . управляемыми ключами нагрузки.

Это отличие обеспечивает то,

что в каждом межкоммутационном инг тервале одна из обмоток дросселя соединяется последовательно с нагрузкой одной фазы, что препятству5 ет изменению мгновенноио значения тока в этой фазе. В результате электромагнитной связи между секциями обмотки автотрансформатора мгновенные значения токов во всех фазах

0 жестко взаимосвязаны, что приводит к сглаживанию токов во всех фазах. При достаточно большой индуктивности дросселя форма тока нагрузки сохраняет одинаковую многосгу5 пенчатую форму, а следовательно, и

одинаковый коэффициент гармоник во всем диапазоне, регулирования.

На фиг,1 изображена принципиальная схема устройства для регулирования трехфазного напряжения; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений и число витков в фазе А схемы, а также таблица очередности замыкания ключей.

Устройство для регулирования трехфазного напряжения содержит трехфазную нагрузку 1, ключевой коммутатор 2 и односердечниковый автотрансформатор 3, соединенные последовательно, с трехфазным источником питания. Обмотки автотрансформатора с началом 4, концом 5 и средней точкой 6 состоят из двух равных полуобмоток с отводами 7-10 (в общем случае с m отводами) соответственно. Ключевой коммутатор 2 состоит из однонаправленных полностью управляемых ключей 11-28. В качестве таких ключей можно применять, например, транзисторы в ключевом режиме или же тиристоры с принудительной коммутацией. Через эти ключи начало 4, конец. 5 и все отводы 7-10 присоединены к кбнцам нагрузок 29-31, причем все ключи, соединенные с одним и тем же выводом обмотки автотрансформатора, имеют одинаковое направление проводимости, а ключи, соединенные с с,седними выводами обмотки автотрансi форматора, имеют противоположное направление проводимости. В разрывы соединений от двух симметрично расположенных выводов автотрансформатора соединены согласно одинаковые обмотки 32 и 33 сглаживающего дросселя 34, сердечник которого имеет немагнитный зазор. Например, одна обмотка 32 может быть со,единена в разрыв между отводом 9 и общей точкой катодов тиристоров 23, 25,27, а соответственно обмотка 33 в разрыв между отводом 8 и общей точкой анодов тиристоров 24, 26, 28 От конкретного места соединения обмоток 32 и 33 зависит относительные значения тока и напряжения -обмоток дросселя 34, причем типовая мощность дросселя не изменяется. .

Устройство для регулирования -трехфазного напряжения работает следующим образом.

В каждый момент времени во включенном состоянии находятся три ключа, один в каждой фазе. В результате этого в фазах А, В и С последовательно с нагрузкой соединены секции автотрансформатора с числом витков А , Wft и Vc. соответственно. Дополнительно всегда в одну из фаз последовательно с нагрузкой соединена одна из обмоток сглаживающего

дросселя 34,что препятствует измене йию мгновенного значения тока в этой фазе. Из-за электромагнитной связи между секциями обмотки автотрансформатора сглаживание тока в одной фазе обеспечивает сглаживание токов и в двух остальных фазах. В результате этого при достаточно большой индуктивности обмотки дросселя в течение данного интервала работы, соответствующего включенному состоянию трех заданных ключей, . мгновенные значения фазных токов изменяются мало. При этом конкретные соотношения токов в разных фазах определяются выбором междуфазных коэффициентов трансформации Wfe/V., и с/чУд. Изменяя в течение каждого периода питания коэффициенты трансформации ,, и Vc /V с

определенной последовательностью несколько раз, можно формировать во всех фазах во всем диапазоне регулирования многоступенчатые токи одинаковой формы, сдвинутые на 120 .

Плавное регулирование амплитуд токов и напряжений нагрузки осуществляется изменением фазы включения заданной комбинации ключей относительно фазы напряжения питания.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы напряжения питания фазы А UA., шесть потенциально возможных напряжений нагрузок l/t , соответствующих различным коэффициентам трансформации при закорочении сглаживающего дросселя, и пример напряжения нагрузки UCA при относительно большой индуктивности сглаживающего дросселя и при замыкании ключей 11-27 согласно таблице на Лиг.2.

Кривые напряжений нагрузки UR и

и«с аналогичны кривой U . Как вид- , но, ступенчатое напряжение нагрузки Uft , а соответственно и напряжения нагрузок и0.4, и URC формируются из сглаженных отрезков шести синусоид Uj - Uvi. На фиг. 2 показана также в|земенная диаграмма числа витков автотрансформатора в фазе А Vfc, причем положительные значения

VA соответствуют включению секций левой полуобмотки, отрицательные значения V, - включению секций правой полуобмотки автотрансформатора.

Временные диаграммы на фиг.2 соответствуют оптимальному соотношению числа витков секций полуобмоток автотрансформатора 3, когда при числе витков одной полуобмотки, равном V, число витков между выводами 6 и 8 (и также между выводами 6 и 9) равно Wfre 0,268V, а между выводами 6 и 7 (а также между выводами 6 и 10) - ,732W. Эти соотношения обеспечивают устранение из спектра напряжения нагрузки во

всем диапазоне регулирования всех высших гармоияк ниже 11-й. Увеличенем числа отводов автотрансформатора и соответственно ключей можно достигнуть устранение и более высоких гармоник.

Предлагаемое устройство для сглаженного регулирования трехфазного переменного напряжения характеризуется постоянством коэффициента гармоник выходного напряжения во всем диапазоне регулирования от нуля до максимума и в результате этого существенным улучшением форьы выходного напряжения при регулировании по сравнению с прототипом Так, например, при активной нагрузке в 12-пульсной схеме (фиг.1) коэффициент гармоник ,15 во всем диапазоне регулирования от максимума до нуля. В прототипе же коэффициент гармоник ,15 только при максимальном напряжении нагрузки, а с уменьшением относительного выходного напряжения К непрерывно увеличивается. Так при относительных значениях первой гармоники выходного напряжения 0,5 и 0,2 в прототипе коэффициент гармоник увеличивается до 0,30 и 0,79 соответственно.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет при регулировании напряжения в диапазонах 1г2 и 1:5 уменьшить коэффициент гармоник соответственно в 0,30/0,15 2 и 0,79/0,,2 раз. Так как сгла5kивaюlдий дроссель следует рассчитать на увеличенную частоту пульсаций- (в рассмотренном примере на 12кратную частоту питания) его вес и габариты относительно малы. Экспериментальная проверка схемы показала, что достаточно выбрать индуктивность L. одной обмотки сглаживающего дросселя из условия

m (ОЛ

-lo.

где Ч - пульсность схемы;

чИл - угловая частота питания; - активное сопротивление одной фазы нагрузки. Соответственно в 12-пульсной схеме

C4)«U 10R i 12 0,8R.

Необходимо подчеркнуть, что требования, предъявленные системе управления предлагаемого устройства и системе управления выпрямителей, совпадают. К этим требованиям относятся порядок следования управляющих импульсов, симметрия, их сихронизация с сетью, диапазон изменения угла управления, помехозащищенность и т.д. При этом в обоих случаях очередность работы ключей определяется структурой и фазностью (пульсностью) силовой части и включение очередных вентилей или ключей происходит через промежутки времени, равные л)Т/т, где toJ и Т угловая частота и период напряжени питающей сети, П - фазность схемы выпрямителя (преобразователя) по частоте пульсаций в выходном напряжении.

Приведенные требования в большой мере выполнены в одноканальных синхронных системах управления выпрямителей, обладакхцих более высокой симметрией управляющих импульсов: t О ,5 э л. град..

Уменьшение высших гармоник в нагрузке достигается без падения напряжения основной гармоники на сглаживающем дросселе как это происходило бы в случае сглаживания токов нагрузки дополнительными индуктивностями в каждой фазе нагрузки.

BC

о

ffliJe

D

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ. ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее автотрансформатор с отводами. расположенными симметрично относительно крайних выводов, и входные выводы для пофазного подключения нагрузки, каждый из которых подключен чере- однонаправленные управляемые ключи ко всем выводам автотрансформатора, причем все ключи, соединенные с одним выводом авто- трансформатора, включены согласно, а ключи, подключенные к соседним выводам, включены по отношению к ним встречно, Отличающее с, я тем, что, с целью улучшения формы выходного напряжения при регулировании, оно содержит сглаживающий дроссель с двумя одинаковыми обмотi ками, соединенными согласно в разрывы соединений от двух симметрично (Л расположенных выводов айтотрансформатора с управляемыми ключами нагрузки.

.

J4

tx

f 1

A

w

0,7391

0,21V 0

J8

11

12

n

14

zs

ZB

If

20

20

23

/

23

12

11

Zif

11

18

18

It/

25

го

2e

13

20

14

19

2S