Способ квазичастотного регулирования напряжения переменного тока Советский патент 1984 года по МПК H02P13/16 

Изобретение относится к электротехнике и, в частности, может использоваться в системах регулируемого асинхронного электропривода. Известны способы квазичастотного регулирования напряжения переменного тока, основанные на однополупериодмом формировании вых-одного напряжения с помощью пары встречно-параллельно соединенных регулирующих тиристоров, включенных последовательно с нагрузкой. Регулирование действующего значения напряжения и тока нагрузки осуществляется путем изменения углов включения тиристоров, причем эти углы в пределах полупериода модулирующего напряжения могут быть одинаковыми (прямоугольная модуляция) или изменяться по определенному закону (треугольная, трапецеидальная или синусоидальная модуляция) fll и ИНедостатком известных способов регулирования является прерывистый характер тока нагрузки, снижающий КПД процесса преобразования энергии.Особенно отчетливо это проявляется в системах регулируемого электропривода, в которых прерывистые.фазные токи приводят к появлению энергетически неэффективных режимов одно- и/или двухфазного включения обмоток статора двигателя, а также к появлению (Интервалов времени, в течение, которые статор отключен от источника питания Наиболее близким- к изобретению является способ квазичастотного регу лирования напряжения переменного тока с помощью преобразователя, содержащего два регулирующих тиристора, соединенных встречно-параллельно меж ду собой и последовательно с цепью н грузки, и два шунтирующих цепь нагрузки тиристора,, соединенных встреч но-параллельно между собой. Напряжение цепи нагрузки формируют путем включения регулирукядих тиристоров в соответствии с модулирукхдим и сетевы напряжениями, а в моменты перехода напряжения сети через нуль включают соответствующие шунтирующие тиристор по которым замыкается цепь тока нагрузки. В результате такого способа управ ления бестоковая пауза возникает при изменении полярности напряжения нагрузки в том случае, если изменение полярностинапряжения модуляции происходит после спадания тока нагрузки до нуля, а также в случае, если изме нение полярности напряжения модуляци происходит до момента спадания тока нагрузки до нуля, но угол включения регулирующего тиристора, формирую- , щего новую полуволну напряжения нагр зки, больше угла выключения регулиру .ющего,тиристора, включенного в преды дущий полупериод напряжения модуляции. Такая ситуация неизбежно возникает, например, в системах регулируемого электропривода при оптимальном управлении по закону U 7Г const . Цель изобретения - повышение КПД квазичастотного способа регулирования за счет исключения бестоковых пауз, возникающих при изменении полярности н напряжения нагрузк. Подставленная цель достигается тем, что согласно способу квазичастотного регулирования напряжения переменного тока с помощью преобразователя, содержащего два регулирующих тиристора,, соединенных встречно-параллель.но между собой и последовательно с цепью нагрузки, и два шунтирующих цепь нагрузки тиристора, соединенных встречно-параллельно между собой, при -котором напряжение цепи нагрузки -формируют путем включения регулирующих тиристоров в соответствии с модулирующим и сетевым напряженидми, а в моменты перехода напряжения сети через нуль включают соответствукяцие шунтирующие тиристоры, по которым замыкается цепь тока нагрузKij, после изменения полярности модулирующего напряжения продолжают формировать напряжение цепи нагрузки в соответствии с полярностью предыдущей полуволны модулирующего напряжения до момента изменения полярности напряжения сети в том же направлении, в каком произошло изменение полярности модулирукнцего напряжения, а затем в момент уменьшения тока цепи нагрузки до нуля включают регулирующий тиристор в соответствии с полярностью новой полуволны модулирующего напряжения. Таким образом, согласно предлагаемому способу квазичастотного регулирования изменение полярности напряжения модуляции всегда происходит до момента спадания тока нагрузки до нуля, а первое включение регулирую- , щего тиристора в каждой новой полуволне напряжения нагрузки происходит непосредственно в момент спадания тока до нуля независимо от заданного напряжения модуляции угла включения. Тем самым исключаются условия возникновениябестоковой паузы. На фиг.1 изображена схема установки; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений и токов/ на фиг.З - схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.4 - временные диаграммы напряжений и токов. УстанГовка с квазичастотным регулированием напряжения переменного тока (фиг.1) состоит из преобразователя, содержащего два регулирующих тиристора 1 и 2, соединенных встречно-параллельно между собой и последовательно с нагрузкой 3, и два шунтиру ющих нагрузку тиристора 4 и 5, такж соединенных встречно-параллельно между собой. Кроме того, в установк входит устройство 6 управления тири торами . Способ квазичастотного регулирования напряжения переменного тока осуществляется следующим образом. При совпадении полярностей напря жения сети Uc и модулирующего напря жения и производится включение регулирующих тиристоров, причем угол включения модулируется в соответствии с текущим значением Ufn .Так, на пример, при положительной полярности напряжения сети и модулирующего напряжения (фиг.2) угол включения ct регулирую1цегтэ тиристора 1 неизменны и определяется амплитудой U . В мо мент перехода напряжения сети и через нуль СОpt i производится включение шунтируюгпего тиристора 4. При этом под действием отрицательно . полуволны и запирается ре.гулирующи тиристор 1. Напряжение нагрузки и становится равным нулю, ток 1ц плав но уменьшается до момента времени C0j,t soi, когда ВНОВЬ включается тиристор 1. При изменении полярности модулирующего напряжения, которое происходит при ь) t фиг.2, продолжают формировать напряжение нагрузки в соответствии с полярностью предыдущей полуволны модулирующего напряжения J , т.е. сохраняют проводящее состояние включенного ранее шунтиру1ощего тиристора 4, а в момент времени Uc определяемый значе$ ием Uflu в предыдущей полуволне напряжения нагрузки, опять производят включение регулирующего тиристора 1 в результате чего запирается шунтирующий тиристор 4. Формирование положительной полуволны выходного напряжения продолжаю до момента изменения полярности напряжения сети в том же направлении, в каком произошло изменение полярнос ти модулирующего напряжения. Согласно фиг.2 этот момент времени наступает npHCJet 466- Далее в мокюнт времени oJct -Vl г когда ток нагрузки спа дает до нуля, производят включение регулирующего тиристора 2. Таким образом, угол включения тиристора 2 определяется при первом включении в пределах новой полуволны не амплиту- дои модулирующего напряжения, а углом выключения тиристора 1, формировавшего напряжения нагрузки в предыдущей волуволне. Это обеспечивает плавное изменение полярности тока на грузки под действием напряжения сети Изменение полярности напряжения и тока нагрузки всегда происходит после изменения полярности напряжения модуляции, что устраняет ограничения на выбор угла включения тиристора, формирующего новую полуволну. Дальнейшее формирование отрицательной полуволны напряжения нагрузки происходит за счет работы тиристоров 2 и 5 аналогично тому, как это было рассмотрено для тиристоров 1 и 4. Так как угол фазового сдвига модулирукяцего напряжения Uд и напряжения сети U(. может изменяться в про-Цессе регулирования, то изменение полярности Jfn может происходить и при включенном состоянии регулирующего тиристора. В этом случае регулирующий тиристор продолжает проводить ток, а в момент его уменьшения до нуля производится включение другого, регулирующего тиристора. Таким образом, предлагаемый способ управления позволяет осуществить изменение направления тока в нагрузке без появления бестоковых пауз независимо от того, в какой момент относительно напряжения сети произошло изменение полярности напряжения модуляции ЦуЦ . Предлагаелвлй способ квазичастот,ного регулирования напряжения переменного тока технически реализуется с помощью серийных полупроводниковых элементов и микросхем. Устройстро, с помощью которого осуществляется предлагаемый способ (фит.З содержит источник 7 сетевого напряжё-: ния переменного тока,выход которого подключен к входу формирователя 8 сигнала полярности сетевого напряжения, а также к аноду одного тиристора и катоду другого тиристора силового блока 9. Прямой выход формирователя 8 подключен к одному из входов элемента 10 И непосредственно, а к другому его входу через инвертирующий сигнал линию 11 задержки. Инверсный выход формирователя 8 подключен к одному из входов элемента 12 И непосредственно, а к другому его входу через инвертирукяцую линию 13 задержки. Прямой выход генератора 14 сигнала модуляции соединен с одним из входов элементов 15 и 16 И. Другой вход элемента 15 И соединен с одним из входов элементов 17 и 18 И и выходом элемента 10 И. Выход элемента 15 И И подключен к входу S RS-триггера 19, прямой выход которого соединен с другим входом элемента 17 И. Инверсный выход генератора 14 сигнала модуляции связан с Одним из входов элемента 20 И и другим входом элемента 18 И. Другой вход элемента 20 И соединен с другим входом элемента 16 И, одним из входов элемента 21 И с выходом элемента 12 И. Выход элемента 20 И подключен к входу R RS-триггера 19, инверсный выход которого соединен с другим входом элемента 21 И. Выходы элементов 17,21,18 и 16 И через усилители 22-25 мощнс5сти соеди нены с управляющими электродами соотБетственно тиристоров 26-29 блока 9 силового. Катоды тиристоров 26 и 29 и аноды тиристоров 27 и 28 блока 9 силового соединены между собой и с одним из полюсов нагрузки Z, другой полюс которой, а также катод 28 и анод 29 соединены с корпусом устройства. Устройство работает следующим образом. Напряжение питания сети (диаграмма на фиг.4) с помощью формировате ля 8 преобразуется в логический сигнал Ъ , для которого справедливо l при Uf О 0 при Инвертирующая линия 11 задержки, вносящая запаздыванием фронтов сигнала на время ii,, , и элемент 10 И форми руют импульсы длительностью , при изменении полярности сетевого напряжения от отрицательной к положительной полуволне (диаграмма с, фиг.4). Анатюгично инвертгпующая линия 13 задержки и элемент 12 И формир.уют им пульсы такой же длительности при изменении полярности сетевого напряжения от положительной к отрицательной полуволне (диаграмма CJ , фиг.4). Гене ратор 1.4 сигнала модуляции Формирует напряжение модуляции и ,(диаграмма т, фиг.4) с заданной частотой и преобразует его в логический сигнал (диаграмма е, фиг.4), для которого справедливо 1 при и О о при Управление регулирующими 26 и 27 и шунтирующими 28 и 29 тиристорами блока 9 силового осуществляется в соответствии с полярностью сигнала модуляции. Управление щунтирующими тиристорами производится с помощью сигнала 1 таким образом, что в течение положительной полуволны модулиру ющего напряжения включается шунтирующий тиристор 29 в тот момент, когда полярность сетевого напряжения изменяется от положительной к отрицательной полуволне (диаграмма 1,Кфиг.4) а в течение отрицательной полуволны модулирующего напряжения включается тиристор 28 в тот момент времени, когда полярность сетевого напряжения изменяется от отрицательной к положительной полуволне (диаграмма k, фиг.4). Для исключения режима прерывистого тока в нагрузке управление регулирующими тиристорами производится с помощью сигнала f , формируемого RS-триггером 19 и элементами 15 и 20 И. Изменение сигнала на выходе триггера 19 (диаграмма , фиг.4) происходит в моменты изменения полярности сетевого напряжения таким образом, что сигнал 1 устанавливается после изменения полярности модулирующего напряжения первым импульсом с, соответствующим моменту изменения полярности сетевого напряжения в порядке от отрицательной к положительной полуволне, а сигнал О устанавливается после изменения полярности модулирующего напряжения первым импульсом d , соответствующим моменту изменения полярности сетевого, напряжения от положительной к отрицательной полуволне. Сигнал f отличается от сигнала е тем, что его фронты смещены в сторону запаздывания на время, соответствующее интервалу между моментом изменения полярности модулирующего напряжения .и первым следующим после него моментом изме нения полярности сетевого напряжения в том же порядке, в котором произои.ло изменение полярности модулирующего- напряжения (t2-t и фиг.4). Очевидно, что это смещение всегда MeHbUje периода сетевого напряжения и в пределах этого интервала может быть произведено не более одного включения регулирующего тиристора. Таким образом, после каждого изменения полярности модулирующего напряжения продолжается включение регулирующих тиристоров в соответствии с полярностью предыдущей полуволны модулирующего напряжения до момента первого изменения полярности сетевого напряжения в том же порядке , в котором произошло изменение полярности модулирующего напряжения, а затем производится вклю :ieниe регулирующего тиристора в соответствии с полярностью новой полуволны модулирующего напряжения. Включение тиристоров производится импульсами длительностью 7 , формируемыми усилителями 22-25 мощности, причем ве- личина J.j выбирается большей CJ(. ()С-1У) где у - угол выключения регулирующего тиристора. Это обеспечивает первое включение регулирующего тиристора, формирующего новую полуволну напряжения нагрузки, непосредственно в момент снижения тока нагрузки до нуля. На Фиг.4 приведены диаграммы тока i и напряжения Uy нагрузки. Предлагаемый способ квазичастотного регулирования реализуется не только в однофазных цепях переменного тока, но и в трехфазных цепях как с нулевым, так и без нулевого провода. Применение способа в трехфазном тиристорном асинхронном электроприводе позволяет получить непрерывный

ток статора асинхронного двигателя (АД), что в значительной степени улучшает его энергетические и регулировочные характеристики и снижает

пульсации электромагнитного момента, а также технико-экономические показатели маловентильных систем по сравнению с прототипом.

а

I I

s

I

-t

-t i i -t

rn -t -t -t -t

т