Тиристорный регулятор напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M3/125 

г

i 2

Сущность изобретения: регулятор содержит два силовых тиристора 1 и 2, коммутирующий конденсатор 6, два разрядных тиристора 7 и 8, два разрядных тиристора 9 и 10, блок управления, выполненный на трансформаторе 11, переменном резисторе 12, формирователях 13 и 14 управляющих импульсов, конденсаторе 15, дросселе 16, выпрямителях 17 и 18 2 ил.

о

J

S

7 г г ±:

± А /

9

(Л

С

vj

CJ

ю

4 |СЛ

ю

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к преобразовательной технике, и может быть использовано в системах импульсно-фазового управления (СИФУ)ти- ристорными регуляторами напряжения.

Известны устройства для управления полупроводниковыми приборами статического преобразователя, состоящие из фа- зосдвигающего моста (ФСМ), в диагональ которого включены ключевые схемы. ФСМ представляет собой одну из разновидностей фазосдвигающих устройств, используемых в СИФУ, а ключевые схемы являются формирователями импульсов (ФИ), включающими тиристоры силовой цепи статического преобразователя 1 и 2.

Известно также устройство для регулирования переменного напряжения под нагрузкой, где тиристоры силовой цепи управляются от СИФУ, которая осуществляет как их включение, так и выключение 3.

Устройство для управления полупроводниковыми приборами статического преобразователя содержит ФСМ и две ключевые схемы, состоящие из транзистора и накопительного конденсатора каждая, включенные через разделительные диоды в диагональ ФСМ, причем накопительные конденсаторы подключены между базой транзистора одной ключевой схемы и коллектором транзистора другой ключевой схемы, и два дополнительных диода, катод каждого из которых подключен к базе одного из транзисторов, и выходной элемент, выполненный в виде трехобмоточного импульсного трансформатора, первичная обмотка которого включена между анодами дополнительных диодов, которые, кроме того, подключены к эмиттерам транзисторов 1.

Устройство для управления полупроводниковыми приборами статического преобразователя состоит из сетевого резонансного фильтра, содержащего дроссель и конденсатор, фазосдвигающего моста, образованного вторичной обмоткой входного трансформатора, емкостным и переменным активным сопротивлением плеч, к диагоналям которого подключен формирователь управляющих импульсов, снабженное двумя однофазными мостовыми схемами выпрямления и индуктивным сопротивлением, подключенным к одному выводу вторичной обмотки входного трансформатора, к которой подключено емкостное сопротивление, причем индуктивное и емкостное сопротивления через однофазные мостовые схемы выпрямления соответственно подключены к другому выводу вторичной обмотки входного трансформатора, а между положительными

выводами указанных схем выпрямления, соединенных между собой и их отрицательными выводами включено переменное активное сопротивление 2.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является устройство для регулирования переменного напряжения под нагрузкой, которое содержит регулирующий орган, состоящий из во л ьто добавочного трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно с нагрузкой, и источник переменного напряжения, два управляемых тиристорных ключа, два диода, каждый из которых включен последовательно с одним из тиристоров ключей, и два коммутирующих

конденсатора, каждый из которых включен параллельно двум тиристорам разных ключей, включенных встречно-последовательно, первичная обмотка вольтодобавочноготрансформатора подключена параллельно вторичной 3.

Недостатками известного регулятора

напряжения являются сравнительно низкие КПД и коэффициент мощности (cos p). Низкий КПД (,9) устройства обусловлен нерациональным использованием энергии, запасаемой конденсаторами, -коммутирующими тиристоры его силовой цепи. Несмотря на однополярное включение конденсаторов при их разряде, осуществляющих коммутацию тиристоров силовой цепи, сразу после разряда до нулевого уровня

происходит их заряд до соответствующей величины обратного напряжения. Только после смены полярности приложенного к коммутирующему конденсатору переменного напряжения сети происходит его перезаряд до

напряжения, имеющего полярность и величину, необходимые для коммутации тиристоров силовой цепи. Таким образом, практически половина энергии коммутирующего конденсатора расходуется непроизводительно, что

приводит к снижению КПД всего устройства на 3-5%.

Кроме того, в процессе регулирования выходного напряжения известного устройства при коммутации тиристоров в течение полупериода величина угла включения и выключения не является фиксированной, т.е. не выполняется условие, когда при угле вы- ключения, равном а, угол повторного включения равен 180° - а . В этом случае сдвиг по фазе первой гармоники тока нагрузки относительно напряжения сети может быть как опережающим, так и отстающим, что обеспечивает как емкостный, так и индуктивный характер потребляемой регулятором мощности при чисто активной нагрузке. Это обуславливает у устройства в процессе регулирования снижение cos p .

Целью изобретения является повыше- ние КПД.

В устройство, состоящее из блока управления, первые выходы которого подключены к управляющим электродам встречно-параллельно соединенных сило- вых тиристоров, один вывод которых соеди- нен с первой клеммой источника переменного напряжения, а другой вывод через резистор нагрузки - с второй клеммой, коммутирующего конденсатора, пер- вого и второго разрядных тиристоров, управляющие электроды которых соединены с вторыми выводами блока управления, введены первый и второй зарядные тиристоры, при этом один вывод коммутирующе- го конденсатора присоединен к точке двух встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров и резистора нагрузки, а другой - к точке соединения двух встречно-параллельно соединенных раз- рядных тиристоров, другие выводы разрядных тиристоров соединены с первой клеммой источника переменного напряжения, а зарядных тиристоров - с его второй клеммой, при этом блок управления выпол- нен на входном трансформаторе, переменном резисторе, первом и втором формирователе управляющих импульсов, конденсаторе, дросселе и первом и втором выпрямителях, причем первичная обмотка входного трансформатора соединена с питающей сетью, а вторичная обмотка крайними выводами соответственно через конденсатор и дроссель подключена к выводам переменного тока первого и второго выпрямителей, выводы постоянного тока которых соответственно соединены и к ним подключен переменный резистор, первый формирователь управляющих импульсов первым входом соединен с средней точкой вторичной обмотки входного трансформатора, а вторым входом соединен с точкой соединения дросселя и второго выпрямителя, второй формирователь управляющих импульсов первым входом соединен со средней точкой вторичной обмотки входного трансформатора, а второй вход соединен с точкой соединения конденсатора и первого выпрямителя, при этом выходы первого формирователя являются первыми выходами блока управления, а второй формирователь управляющих импульсов первыми выходами подключен к управляющим элек- тродам силовых тиристоров, а вторыми выходами - к зарядным тиристорам первые

выходы при этом являются вторыми выходами блока управления.

На фиг. 1 представлена схема тиристор- ного регулятора напряжения; на фиг. 2 - кривые падения напряжений, поясняющие его работу (а - кривая напряжения на клеммах источника переменного напряжения; б- г - кривые падений напряжений на элементах схемы).

Тиристорный регулятор напряжения (фиг. 1) состоит из блока уравления, первые выходы которого подключены к управляющим электродам встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров 1 и 2, один вывод которых соединен с первой клеммой 3 источника переменного напряжения, а другой вывод через резистор 4 нагрузки - с второй клеммой 5 коммутирующего конденсатора 6, первого 7 и второго 8 разрядных тиристоров, управляющие электроды которых соединены с вторыми выходами блока управления, зарядных тиристоров 9 и 10, при этом один вывод коммутирующего конденсатора 6 присоединен к точке двух встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров 1 и 2 и резистора 4 нагрузки, а другой - к точке соединения двух встречно- параллельно соединенных зарядных тиристоров 9 и 10 и двух встречно-параллельно соединенных разрядных тиристоров 7 и 8, другие выводы разрядных тиристоров 7 и 8 соединены с первой клеммой 3 источника переменного напряжения, а зарядных тиристоров 9 и 10 - с его второй клеммой 5, при этом блок управления выполнен на входном трансформаторе 11, переменном резисторе 12, первом 13 и втором 14 формирователях управляющих импульсов, конденсаторе 15, доосселе 16, первом 17 и втором 18 выпрямителях, причем первичная обмотка входного трансформатора 11 соединена с питающей сетью, а вторичная обмотка крайними выводами соответственно через конденсатор 15 и дроссель 16 подключена к выводам переменного тока первого 17 и второго 18 выпрямителей, выводы постоянного тока которых соответственно соединены и к ним подключен резистор 12, первый формирователь 13управляющих импульсов первым входом соединен со средней точкой вторичной обмотки входного трансформатора 11, а вторым входом - с точкой соединения дросселя 16 и второго выпрямителя 18, второй формирователь 14 управляющих импульсов первым входом соединен со средней точкой вторичной обмотки входного трансформатора 11, а второй вход соединен с точкой соединения конденсатора 15 и первого выпрямителя 17, при этом выходы первого формирователя 13 являются первыми выходами блока управления, а второй формирователь 14 управляющих импульсов первыми выходами подключен к управляющим электродам силовых тиристоров 1 и 2, а вторыми выходами - к зарядным тиристорам 9 и 10, первые выходы при этом являются вторыми выходми блока управления.

Регулятор напряжения работает следующим образом.

В полупериод, когда + напряжения приложен к клемме 3, а - - к клемме 5, с формирователя 14 импульсов на управляющие электроды тиристоров 1 и 9 подаются управляющие импульсы, обеспечивающие их включение. Импульсы подаются со сдвигом по фазе относительно напряжения на клеммах 3 и 5, определяемым углом управления а (фиг. 2а, б).

Величина угла управления тиристорами 1, 2 и 7-10 задается величиной сопротивления резистора 12. Изменение величины сопротивления резистора 12 от нуля до максимального значения обеспечивает сдвиг по фазе напряжения на входе форми- рователя 14 импульсов от нуля до величины, практически равной 90°, а на входе формирователя 13 импульсов - от 180° до величины также практически равной 90°.

Формирователи 13 и 14 импульсов пре- образуют синусоидальное напряжение на их входе в короткие импульсы с крутым фронтом. Формирование импульсов происходит в момент времени, когда синусоидальное напряжение на входе меняет знак, т.е. переходит из положительного значения в отрицательное и из отрицательного значения в положительное. Следовательно, за период формируются два импульса, сдвинутые один относительно другого на 180°. Для получения одновременно двух импульсов устанавливаются две дополнительные вторичные обмотки выходного импульсного трансформатора.

Таким образом, если на выходе второго формирователя 14 импульсов управляющие импульсы имеют сдвиг по фазе, равный а, то на выходе первого формирователя 13 импульсов сдвиг по фазе управляющих импульсов равен 180° -а (фиг. 2а б, в).

При включении тиристора 1 начинает протекать ток нагрузки по цепи: клемма 3, тиристор 1, резистор нагрузки 4, клемма 5 (фиг. 2д). При включении тиристора 9 проте- каетток заряда коммутирующего конденсатора 6 по цепи: клемма 3, конденсатор 6, тиристор 9, клемма 5. Конденсатор 6 заряжается практически мгновенно (фиг. 2г), ток

тиристора 9 становится равным нулю и он выключается.

В момент, соответствующий углу управления 180° - а , с формирователя 13 импульсов на управляющий электрод тиристора 7 подается импульс, обеспечивающий, его включение (фиг. 2в). Начинается разряд коммутирующего конденсатора б по цепи: положительная обкладка конденсатора 6, встречно включенный тиристор 1, тиристор 7, отрицательная обкладка конденсатора 6. Ток в тиристоре 1 уменьшается до нуля и тиристор выключается. Ток через резистор 4 нагрузки и падение напряжения на нем становятся равными нулю (фиг. 2г, д). Таким образом, угол управления 180°- а , при котором включается тиристор

7,является углом, при котором выключается тиристор 1.

В полупериод, когда + напряжения приложен к клемме 5, а - - к клемме 3, с формирователя 14 импульсов на управляющие электроды тиристоров 2 и 10 подаются управляющие импульсы, обеспечивающие их включение. Импульсы имеют сдвиг по фазе относительно напряжения на клеммах

3и 5, определяемый углом управления а (фиг. 2а, б).

При включении тиристора 2 начинает протекать ток нагрузки по цепи: клемма 5, резистор 4 нагрузки, тиристор 2, клемма 3 (фиг. 2д). При включении тиристора 10 протекает ток заряда коммутирующего конденсатора 6 по цепи: клемма 5, тиристор 10, конденсатор 6, тиристор 2, клемма 3. Конденсатор 6 заряжается практически мгновенно, ток тиристора 10 становится равным нулю и он выключается (фиг. 2г).

В момент времени, соответствующий углу управления 180°- а , с формирователя 13 импульсов на управляющий элемент тиристора 8 подается импульс, обеспечивающий его включение (фиг. 2в). Начинается разряд конденсатора 6 по цепи: положительная обкладка конденсатора 6, тиристор

8,встречно включенный тиристор 2, отрицательная обкладка конденсатора 6. Ток в тиристоре 2 при этом спадает до нуля и тиристор выключается. Ток через резистор

4нагрузки и падение напряжения на нем становятся равными нулю (фиг. 2г, д). Таким образом, угол управления 180° - а , при котором включается тиристор 8, является углом, при котором выключается тиристор 2. Далее процессы в схеме регулятора повторяются.

При изменении величины сопротивления переменного резистора 12 от нуля до максимального значения происходит изменение угла включения силовых тиристоров 1 и 2 от нуля до величины, практически равной 90°, а их угла выключения - от 180° до величины, также практически равной 90°. Вследствие этого величина действующего (среднего) напряжения на резисторе 4 нагрузки изменяется от номинального значения до величины, практически равной нулю (фиг. 2а, б, в, д).

Таким образом, использование изобретения позволяет вдвое сократить затраты энергии на искусственную коммутацию тиристоров и, следовательно, на 3-5% повысить КПД регулятора и cos рдо 1 в процессе регулирования величины выходного напряжения.

Формула изобретения Тиристорный регулятор напряжения, состоящий из блока управления, первые выходы которого подключены к управляющим электродам встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров, один вывод которых соединен с первой клеммой источника переменного напряжения, а другой вывод через резистор нагрузки - с второй клеммой, коммутирующего конденсатора, первого и второго разрядных тиристоров, управляющие электроды которых соединены с вторыми выходами блока управления, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, в него введены первый и второй зарядные тиристоры, при этом один вывод коммутирующего конденсатора подсоединен к точке соединения двух встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров и резистора нагрузки, а другой - к точке соединения двух встречно-параллельно соединенных зарядных тиристоров и двух

встречно-параллельно соединенных разрядных тиристоров, другие выводы разрядных тиристоров соединены с первой клеммой источника переменного напряжения, а зарядных тиристоров - с его второй клеммой, при этом блок управления выполнен на входном трансформаторе, переменном резисторе, первом и втором формирователях управляющих импульсов,

конденсаторе, дросселе, первом и втором выпрямителях, причем первичная обмотка входного трансформатора соединена с питающей сетью, а вторичная обмотка крайними выводами соответственно через

конденсатор и дроссель подключена к выводам переменного тока первого и второго выпрямителей, выводы постоянного тока которых соответственно соединены и к ним подключен переменный резистор, первый

формирователь управляющих импульсов первым входом соединен со средней точкой вторичной обмотки входного трансформатора, а вторым входом - с точкой соединения дросселя и второго выпрямителя, второй

формирователь управляющих импульсов первым входом соединен со средней точкой вторичной обмотки входного трансформатора, а вторым входом - с точкой соединения конденсатора и первого выпрямителя, при

этом выходы первого формирователя являются первыми выходами блока управления, а второй формирователь управляющих импульсов первыми выходами подключен к управляющим электродам силовых

тиристоров, а вторыми выходами - к зарядным тиристорам, первые выходы при этом являются вторыми выходами блока управления.

ff S-W. (

Ј tzzdL

U

па

Ut

r

j

1I

ujt

wt

wt

UJI

&vt Z