Устройство для регулирования переменного напряжения Советский патент 1990 года по МПК G05F1/30 H02M5/257 

3

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения в элекрических распределительных сетях 0,4-10 кВ.

Целью изобретения является улучшение формы выходного напряжения и повышение быстродействия.

На фиг.1 представлена схема устройства для регулирования переменного напряжения; на фиг.2 - регулировоная характеристика устройства; на фиг.З - временные диаграммы токов и напряжений на элементах схемы.

Устройство (фиг.1) содержит первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 триггеры, первый 5 и второй 6 диоды, первый 7 и второй 8 конденса

ры, вольтодобавочный трансформатор с первичной 9 и вторичной 10 обмотками, первый дроссель 11, второй дроссель 12 с полуобмотками 13 и 14 и блок 15 управления.

Аноды тиристоров 1 и 2 объединены и через первый дроссель 11 соединены с первым входным выводом. Первая обкладка первого конденсатора 7 соединена с катодом первого тиристора 1, анодом третьего тиристора 3 и като- дом первого диода 5. Первая обкладка второго конденсатора 8 соединена с катодом второго тиристора 2, анодом четвертого тиристора 4 и катодом второго диода 6. Вторые обкладки конденсаторов 7 и 8 объединены и подключены к второму входному выводу. Вторичная обмотка 10 вольтодоба- вочного трансформатора включена между первыми входным и выходным выводами, первичная обмотка первым выводом подключена к второму выходному выводу, соединенному с вторым входным выводом, а вторым вьюодом подключены к среднему выводу второго дросселя 12. Крайние выводы дросселя 12 подключены соответственно к попарно объединенным катоду третьего тиристора 3, аноду первого диода 5 и катоду четвертого тиристора 4, аноду второго диода 6. Тиристоры 1 и 2 служат для заряда конденсаторов 7 и 8 от входного напряжения в положительные полупериоды через дроссель 11, при этом первый тиристор 1 открывается в первый положительный полупериод, а второй 2 - во второй положительный полупериод и т.д.

Угол управления каждого из этих тиристоров может меняться автоматически, в соответствии с регулировочной характеристикой, представленной на фиг.2, от 0 до 180° относительно начала положительных полупериодов входного напряжения с помощью блока 15 управления в зависимости от уровня выходного напряжения.

Дроссель 11 и конденсаторы 7 и 8 образуют два колебательных контура. Для того, чтобы заряд проходил по колебательному закону, индуктивность L, дросселя 11 и емкость С конденсатора 7(8) связаны между собой соотношением

1

i6i 2fcVcq

(О

Данное соотношение получено с использованием выражений для частоты СОК и добротности Q, колебательного контура:

R

- - -.- - -.. М т г AT -Z

L,C

4Lf

(2)

где

UKцС - R угловая частота собственных колебаний зарядного контура; индуктивность зарядного контура;

емкость зарядного контура; активное сопротивление зарядного контура.

V

IL/C

R

Выражая из (3) (2), получаем

(3)

R и подставляя его

(4)

Из

45

(5)

Принимая во внимание, что частота свободных колебаний зарядного контура больше частоты входного напряжения (сети) fс в п раз (СОК ), окончательно зависимость индуктивности L4 зарядного контура от величины емкости с конденсатора при заданной добротности Q. зарядного контура имеет вид

L , Т Гг сТГ77; ; ° 1 )

I

T6tTf|n cQl

Через встречно-параллельно включенные тиристоры 3 и 4 и диоды 5 и 6

и 8 соотношением

-$9ii-i-

tfTaf CQ|

С

(6)

где С

Q2

f« L л -

5

происходят поочередные разряды кондесаторов 7 и 8 на первичную обмотку 9 вольтодобавочного трансформатора по колебательному закону. Встречно-паралельное включение тиристоров 3 и 4 и диодов 5 и 6 позволяет осуществить разряд каждого конденсатора 7 и 8 в течение одного периода.

Индуктивности полуобмоток 13 и 14 дросселя 12 с учетом индуктивности первичной цепи трансформатора и емкоти конденсаторов 7 и 8 выбраны так, что частота тока колебательного разряда равна частоте входного напряжения (сети). Для выполнения этого условия необходимо, чтобы индуктивност каждой полуобмотки дросселя 12 была связана с емкостью С каждого кснден- сатора 7

L

Z tl it

С

емкость конденсатора 7 (8);

добротность разрядного контура;

частота входного напряжения

(сети);

индуктивность полуобмотки

второго дросселя 12. Данное выражение получено аналогично выражению (1).

Начальная фаза колебательного разряда конденсаторов 7 и 8 определяется углами управления тиристоров 3 и 4. Углы управления выбираются в зависимости от уровня выходного напряжения, согласованы с углами управления тиристоров 1 и 2 и в дальнейшем остаются постоянными. Кроме этого, дроссель 12 с полуобмотками 13 и 14 служит для коммутации тиристо- ра 3(4) и диода 6(5).

На фиг.2 представлена зависимость

U ст f(o6) - напряжение на конденсаторе 7(8) от функции угла управления тиристора 1(2), выраженная в относительных единицах.

U

ст

ст

и.

и - HfiOQ)

UCO тт

и

«

де U

U

cm

m

ис(0) наибольшее напряжение на конденсаторе 7(8) в момент первого перехода зарядного тока через нуль; амплитуда входного напряжения;

начальное напряжение на конденсаторе 7(8) в нулевой момент времени.

0

885

В качестве примера на фиг.2 представлены зависимости (. 400 Гц,, Qf 2 и начальном напряжении U(0) на конденсаторе 7(8) больше и меньше нуля. При других добротностях контура Q,, и начальных напряжений Uc(0) на конденсаторе характер зависимости сохраняется, изменяется только уровень.

Из

характеристик о

видно, что при

90 Ј& 180° напряжение на конденсаторе 7(8) изменяется от максимального

15

20

.

25

30

35

40

45

50

55

значения U

MOIVC

до нуля. Таким образом, изменяя jt в диапазоне 90-180 , молимо регулировать уровень напряжения на конденсаторе 7(8) и тем самым осуществлять регулирование величины вольтодобавочной ЭДС, формируемой на обмотках вольтодобавочного трансформатора.

Блок 15 управления (фиг.1) содержит узел 16 согласования, генератор 17 пилообразного напряжения (ГПН), два узла 18 и 19 сравнения, два распределителя 20 и 21 импульсов, фазо- сдвигающ ий узел 22, формирователь 23 импульсов, коммутатор 24, датчик 25 напряжения, источник 26 опорного напряжения и четыре усилительно-развязывающих узла 27-30.

К первому входу блока 15 управления, соединенному с входными выводами, подключен вход узла 16 согласования, выход которого соединен с входами ГПН 17 и фазосдвигающего узла 22. К выходу ГПН I7 подключен первый вход первого узла 18 сравнения, второй вход которого соединен с первым входом второго узла 19 сравнения и с выходом датчика 25 напряжения. Вход последнего подключен к второму входу блока 15 управления, соединенному с выходными выводами. Второй вход второго узла 9 сравнения соединен с выходом источника 26 опорного напряжения. Выход первого узла 18 сравнения соединен с входом первого распределителя 20 импульсов, первый и второй выходы которого соединены с входами соответственно первого 27 и второго 28 усилительно-развязывающих узлов. Выход фазосдвигающего узла 22 соединен с входом формирователя 23 импульсов, к выходу которого подключен вход коммутатора 24, управляющий вход которого соединен с выходом второго узла 19 сравнения. К выходу коммутатора 24 подключен вход второго

11

распределителя 21 импульсов, первый и второй выходы которого соединены с входами соответственно третьего 29 и четвертого 30 усилительно-развязывющих узлов. Выходы усилительно-раз- вязывающих узлов 27-30 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам блока управления, соединены с управляющими входами соответственно первого 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 тиристоров.

Узел 16 согласования, который может быть выполнен на трансформаторе служит для согласования уровней напряжений между первичной сетью и входом ГПН 17 и входом фазосдвигающего узла 22. ГПН 17 преобразует синусоидальный сигнал в пилообразный длительностью, равной полупериоду входного напряжения. Фазосдвигающий узел 22 служит для создания необходимого фазового сдвига по отношению к входному напряжению. С выхода фазо- сдвигающего узла 22 сдвинутое по фаз напряжение поступает на формирователь 23 импульсов, где в момент перехода синусоиды через нуль формируется управляющий импульс.

С выхода ГПН 17 напряжение пилообразной формы поступает на узел 18 сравнения, где око сравнивается с измеренным выходным напряжением. В момент равенства пилообразного и измренного напряжений узел 18 сравнения вырабатывает импульс. Узел 19 сравнения сравнивает измеренное напряжение с напряжением источника 26 опорного напряжения. В момент равенства напряжений вырабатывается импульс, ко- торый выключает коммутатор 24, Послений служит для отключения канала управления тиристорами 3 и 4. Датчик 25 напряжения преобразует выходное переменное напряжение в постоянное,

Для распределения импульсов между усилительно-развязывающими узлами 27-30 применяются два распределителя 20 и 21 импульсов. Усилительно- развязывающие узлы 27-30 формируют управляющие импульсы достаточной мощности.

Устройство работает следующим образом.

Пусть угол управления тиристо- ром 1 (2) равен 90° относительно начала первого (второго)положительнс

8

го полупериода входного напряжения, а угол управления тиристором 3(4) равен 270° относительно начала первого (второго) положительного полупериода входного напряжения. На фиг.3 углу 90°

управления

соответствует момент

0

5

0

5

5

3530

45

50

55

времени t0(t)9 а углу управления 270° - te(t5). Параметры R8 L и С выбраны так, что частота зарядного контура равна 400 Гц.

В момент времени t (фиг,3,а) открывается тиристор 1 и конденсатор 7 через дроссель 11 начинает заряжаться дЪ значения напряжения, соответствующего данному углу управления по регулировочной характеристике (фиг.З). В момент времени ц (фиг.З,а) ток заряда конденсатора 7 спадает до нуля и тиристор 1 закрывается. В момент времени t (фиг.2,а) открывается тиристор 2 и конденсатор 8 через дроссель 11 заряжается до значения напряжения, соответствующего данному углу управления по регулировочной характеристике (фиг.2). В момент времени t (фиг.З,а) ток заряда конденсатора 8 спздает до нуля и тиристор 2 закрывается. Такая последовательность заряда сохраняется и в дальнейшем.

После заряда конденсаторы поочередно и в той же последовательности разряжаются на первичную обмотку 9 вольтодобавочного трансформатора, причем разряд каждого конденсатора длится в течение одного периода. Для этого первоначально в момент времени t открывается тиристор 3 и до момента времени t (фиг.З,в) через

первичную обмотку трансформатора 9 протекает положительная полуволна тока от колебательного разряда конденсатора 7. К диоду 5 в это время приложено обратное напряжение и он находится в непроводящем состоянии. Одновременно с открыванием тиристора 3, появлением тока через коммутирующий дроссель 12 в полуобмотке 14 со стороны полуобмотки 13 индуктируется напряжение, запирающее диод 6 и поддерживающее на его аноде отрицательный потенциал по отношению к катоду. Этим обеспечивается коммутация тиристора 3 и диода 6, что исключает броски уравнительного тока через них. В момент времени t3 ток через тиристор 3 спадает до нуля и он закрывается. К этому же моменту времени поляр iO

70

25

ность напряжения на конденсаторе 7 противоположна первоначальной, при этом диод Ь смещается в прямом направлении, и с момента t., до момента времени t} (фиг.3,в) через первич-5 ную обмотку 9 вольтодобавочного трансформатора протекает отрицательная полуволна тока от колебательного разряда конденсатора 7. В момент времени tg ток через диод 5 спадает до нуля, и на этом колебательный разряд конденсатора 7 в течение одного перчо- да заканчивается.

В этот же момент времени открывается тиристор 4 и с момента t до момента времени tg (фиг.З.д) формируется положительная полуволна тока через первичную обмотку 9 вольтодобавочного трансформатора от колебательного разряда конденсатора 8. К диоду 6 в это время приложено обратное напряжение и он находится в непроводящем состоянии. Одновременно с открыванием тиристора 4 к появлением тока через коммутирующий дроссель 12 в полуобмотке 3 со стороны полуобмотки 1ч индуктируется напряжение, запирающее диод 5 и поддерживающее на его . аноде отрицательный потенциал по отношению к катоду, Этим обеспечивается коммутация тиристора 4 и диода 5, что исключает броски уравнительного тока через них,

В момент времени tf ток через тиристор 4 спадает до нуля и он закрывается. С момента времени tg о момента времени to (фиг.38д) диод 6 смещается в прямом направлении и формируется отрицательная полуволна тока через первичную обмотку 9 еольтодобавочного трансформатора от разряда конденсатора 8, На этом цикл разряда двух конденсаторов заканчивается, и в дальнейшем процесс повторяется. В результате в первичной бмотке вольтодобавочного трансформаора протекает непрерывный переменный ток (фиг.3,е).

Изменяя угол управления тиристораи 1 и 2 в соответствии с регулироочной характеристикой фиг.2, можно енять уровень напряжения на конденаторе 7(8), что в конечном итоге риводит к регулированию выходного апряжения. Регулирование напряже- . ия на конденсаторе 7(8) при заряде фиксированным углом разряда позвояет исключить бестоковые паузы в

30

40

50

55

iO

0

5

5

-

0

0

0

5

первичной обмотке 9 вольтодобавочного трансформатора. Форма выходного напряжения близка к синусоидальной во всем диапазоне регулирования.

Отсутствие бестоковых пауз в пер- вичноЈ обмотке 9 вольтодобавочного трансформатора приводит к тому, что при изменениях углов управления тиристорами 1 и 2 соответствующие измерения фазо тока в первичной обмот- че 9 вольтодобавочного трансформатора происходят без запаздывания по времени, что и обеспечивает повышение быстродействия устройства.

В трехфазном исполнении с регулированием по каждой фазе предлагаемое устройство можно использовать как симметрирующее, что существенно рас- ииряет его функциональные возможности,

Формула изобретения

Устройство для регулирования переменного напряжения, содержащее воль- тодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого включена между первыми входным и выходным выводами, а первичная обмотка первым выводом соединена с вторым выходным выводом, первый и второй тиристоры, аноды которых объединены, первый конденсатор, ерзая обкладка которого соединена с катодом первого тиристора, анидом третьего тиристора и катодом первого диода, второй конденсатор, первая обкладка которого соединена с катодом второго тиристора, анодом четвертого тиристора и катодом второго диода, вторые обкладки конденсаторов объединены и подключены к второму входному выводу, соединенному с вторым выходным выводом, катоды третьего и четвертого тиристоров соединены с анодами соответственно первого и второго диодов, блок управления, первый вход которого подключен к входным выводам, второй вход - к выходным выводам, а первый- четвертый выходы - к управляющим входам соответственно первсго-четвертого тиристоров, отличающееся тем, что, с целью улучшения формы выходного напряжения и повышения быстродействия, и него введены два дросселя, второй из которых выполнен со средним выводом, блок управления включает в себ узел согласования, генератор пилооб-

разного напряжения, два узла сравнения, два распределителя импульсов, фазосдвигающий узел, формирователь импульсов, коммутатор, датчик напряжения, источник опорного напряжения и четыре усилительно-развязывающих узла, причем к первому входу блока управления подключен вход узла согласования, выход которого соединен с входами генератора пилообразного напряжения и фазосдвигающего узла, к выходу генератора пилообразного напряжения подключен первый вход первого узла сравнения, второй вход которого соединен с первым входом второго узла сравнения и с выходом датчика напряжения, который входом подключен к второму входу блока управления, второй вход второго узла сравнения-соединен с выходом источника опорного напряжения, выход первого узла сравнения соединен с входом первого распределителя импульсов, первый и второй выходы которого соединены с входа ми соответственно первого и второго усилительно-развязывающих узлов, выход фа осдвигающего узла соединен с входом формирователя импульсов,

К ВЫХОДУ КОТОрОГО ПОДКЛЮЧеН ВХОД КОМ-

мутатора, управляющий вход которого соединен с выходом второго узла сравнения, a tf выходу коммутатора подключен вход второго распределителя импульсов, первый и второй выходы которого соединены с уходами соответственно третьего и четвертого усилительно

J

10

15

25

JQ

20

35

развязывающих узлов, выходы первого- четвертого усилительно-развязывающих узлов подключены соответственно к пер- вому-четвертому выходам блока управления, при этом первый дроссель включен между первым входным выводом и объединенными анодами первого и в то- рого тиристоров, второй дроссель крайними выводами подключен соответственно к попарно объединенным катоду третьего тиристора, аноду первого- диода и катоду четвертого тиристора, аноду второго диода, а средним выводом - к второму выводу первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, причем индуктивности L, и Ъ„ соответственно первого дросселя и каждой полуобмотки второго дросселя связаны с емкостью С каждого конденсатора соотношениями

1 L 4-n fIn2cfQf ;

4о : i

Lt ffcfpf

где Q и Q - добротности зарядного

и разрядного контуров; f - частота входного наС

пряжения;

п - число, показывающее во сколько раз частота зарядного контура больше частоты входного на- пряжения.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования в электрических распределительных сетях 0,4-10 кВ. Целью изобретения является улучшение формы выходного напряжения и повышение быстродействия. Выходное напряжение регулируют с помощью добавочной ЭДС. ВЕЛИЧИНА ЭДС регулируется путем изменения величины напряжения на конденсаторах 7 и 8. Заряд конденсаторов 7 и 8 от входного напряжения происходит через тиристоры 1 и 2, угол управления которых меняется автоматически с помощью блока 15 управления в зависимости от уровня выходного напряжения. Заряд конденсатора 7 и 8 осуществляется по колебательному закону с частотой собственных колебаний, большей частоты входного напряжения. Угол заряда конденсаторов 7 и 8 на первичную обмотку 9 вольтодобавочного трансформатора (ВДТ) фиксирован. Частота тока колебательного разряда конденсаторов 7 и 8 равна частоте входного напряжения. Такой принцип регулирования позволяет исключить бестоковые паузы в первичной обмотке 9 ВДТ, что и обеспечивает улучшение формы выходного напряжения и повышение быстродействия устройства. 3 ил.

Уог

W

га

V

V 1,1

1,0

о,в

0,6

W о,г

20 W 60 80 100 КО М 160 180 ос

О

У У V/ V/

%e.J