Устройство для регулирования переменного тока Советский патент 1992 года по МПК H02M5/257 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в различных устройствах переменного тока для улучшения их энергетических или регулировочных характеристик.

Известны различные устройства для регулирования переменного тока, в том числе индуктивно-тиристорные регуляторы реактивного тока, содержащие встречно-параллельно соединенные тиристоры и входной дроссель. Меньший уровень гармонических составляющих тока обеспечивает включение в анодные цепи встречно-параллельно связанных тиристоров двух идентичных по параметрам дросселей, образующих совместно с блоком симметричного фазоимпульс- ного управления тиристорами регулятор индуктивного тока с разделенными реакторами.

Из известных устройств индуктивно-ти- ристорных регуляторов реактивного тока наиболее близким по предназначению и обеспечивающим практически синусоидальную форму тока является выбранное в качестве прототипа устройство регулятора индуктивного тока.

Устройство-прототип содержит входной дроссель, два идентичных по параметрам дополнительных дросселя и два встречно включенных тиристора с блоком симметричного импульсно-фазового управления, причем обмотка входного дросселя включена последовательно между первым выводом для подключения сети и общей точкой соединения разноименных силовых выводов тиристоров, каждый из первых выводов обмоток дополнительных дросселей связан с другими разноименными силовыми выводами тиристоров, а их вторые выводы подключены к второму выводу для подключения сети. При этом в статическом установившемся режиме работы и при относительно малых величинах углов отпирания

тиристоров () интервалы проводимости обоих тиристоров взаимно перекрываются благодаря эффекту затягивания спада тока включенными в анодные цепи тиристоров упомянутых обмоток дополнительных дросселей. Вследствие этого потребляемый устройством ток имеет непрерывный (безразрывный) характер и практически синусоидальную форму кривой благодаря подавлению высших гармонических его составляющих фильтрующими действием индуктивности обмотки входного дросселя.

Недостатками устройства-прототипа являются сложность конструкции и повышенные массогабзриты трех дросселей, которые, будучи связанными лишь электрически упомянутой схемой соединения их обмоток, имеют каждый свой автономный магнитопровод, имеющий при наиболее оптимальной стержневой конструкции исполнения по две катушки, расположенные на боковых спинках магнитопровода и образующие при их согласно параллельном или последовательном соединении соответствующую обмотку дросселя.

Цель изобретения - упрощение конструкции и улучшение массогабаритов дросселей устройства для регулирования переменного тока.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для регулирования переменного тока, содержащем входной дроссель, два идентичных по параметрам дополнительных дросселя и два встречно включенных

тиристора с блоком симметричного импульсно-фазового управления, обмотка входного дросселя включена последовательно между первым выводом для подключения сети и общей точкой соединения разноименных силовых выводов тиристоров, каж- дый из первых выводов обмоток дополнительных дросселей связан с другими разноименными силовыми выводами тиристоров, а их вторые выводы подключены

к второму выводу для подключения сети, при этом дроссели выполнены на общем симметричном Ш-образном трехстержне- вом магнитопроводе с замыкающим ярмом, на среднем стержне которого расположена

обмотка входного дросселя, а на боковых стержнях размещены обмотки дополнительных дросселей, обмотка входного дросселя включена согласно относительно обмоток дополнительных дросселей, включенных встречно между собой. Причем, в практически важном случае: при равенстве величин поперечных сечений ярма и стержней магнитопровода, его параметры и обмоточные данные дросселей связаны между

собой соотношением

Wi /.12 AI -Hi

W2 (3) fi2 Д (3) + l2 (3)

где Wi - число витков обмотки входного дросселя;

W2(3) число витков обмотки дополнительного дросселя;

2 относительная магнитная проница- емость материала магнитопровода;

AI и И - размер воздушного зазора и средняя длина участка магнитопровода потока обмотки входного дросселя;

Аг(з) и l2(3) размер воздушного зазора и средняя длина участка магнитопровода потока обмотки дополнительного дросселя.

На фиг 1 показана принципиальная электрическая схема устройства для регулирования переменного тока: на фиг.2 - временные графики изменения напряжения и тока на его элементах.

Устройство для регулирования переменного тока содержит входной дроссель 1. два идентичных по параметрам дополнительных дросселя 2, 3 и два встречно включенных тиристора 4 и 5 с блоком 6 их симметричного импульсно-фазового управления. Обмотка входного дросселя 1 включена последовательно между первым выводом (А) для подключения однофазной сети переменного тока и общей точкой соединения разноименных силовых выводов тиристоров 4 и 5. Каждый из первых выводов обмоток дополнительных дросселей 2 и 3 связан с другими разноименными силовыми выводами тиристоров 4 и 5, а их вторые выводы подключены к второму выводу (В) для подключения сети.

Дроссели 1, 2, 3 устройства конструктивно совмещены на общем симметричном Ш-образном трехстержневом магнитопро- воде 7 с замыкающим ярмом 8. на среднем стержне 9 которого расположена обмотка входного дросселя 1. а на боковых стержнях 10 и 11 размещены соответственно обмотки дополнительных дросселей 2 и 3. При этом, как показано на фиг.1, направление намотки обмоток дросселей обеспечивает согласное подключение обмотки входного дросселя 1 относительно обмоток дополнительных дросселей 2 и 3, включенных между собой встречно.

Блок 6 импульсно-фазового управления связан двумя выходными, гальванически развязанными цепями 12 и 13 с управляющими электродами тиристоров 4 и 5, обеспечивая их поочередное симметричное Отпирание подачей управляющих импульсов в каждом полупериоде напряжения питающей сети. Две входные цепи 14 и 15 блока 6 подключены соответственно к выходу устройства задания 16,например,потен- циометрического типа, и к выходу датчика 17 обратной связи по току, выполненному, например, в видетрансформатора переменного тока с выходным выпрямителем.

Для сохранения работоспособности устройства в широком диапазоне регулирования выходного тока его дроссели 1, 2, 3 имеют каждый на своем участке воздушный (немагнитный) зазор (18, 19. 20 на фиг.1), чем обеспечивается стабильность величин

индуктивностей и взаимных индукти но- стей обмоток дросселей, При этом, ввиду необходимости идентичности парг i irijr дополнительных дросселей 2 и 3, числа oinков их обмоток равны (W2 Л/з -- W2ij)). как и одинаковы размеры их воздушных зазоров 18 и 20 на боковых стержнях Ю и 11 магнитопровода 7. т.е. Д2 АЗ - АЗ (з). а также равны величины средней длины участка магнитопровода г з 12(3) потоков дросселей 2 и 3, проходящих соответственно по боковым стержням 10 или 11 и по части замыкающего ярма 8 до участка разветвления магнитопровода 7, выполняемого симметричным. Соответственно, общий входной дроссель 1 устройства, по обмотке которого протекают попеременно или одновременно токи обмоток дополнительных дросселей 2 и 3, имеет меньшее чиспо витков (Wi Л/2(з)) с большим сечением обмоточного провода и меньшую среднюю длину (И) участка своего магнитопровода с воздушным зазором 19 размером AI .определяемую протяженностью среднего стержня

g общего магнитопровода 7 устройства.

Попарное и согласное включение обмоток дополнительных дросселей 2 и 3 относи- тельно обмотки общего дросселя 1, характеризующееся одинаковыми величинами взаимных индуктивностей Mi-2 М t-з. приводит к полезному увеличению общей индуктивности устройства, позволяя уменьшить его массогабариты. Одновременно благодаря взаимно-встречному включению

обмоток дополнительных дросселей 2 и 3 между собой, характеризующемуся величиной взаимной индуктивности Ма-з, в устройстве реализуется условие относительной автономности работы дросселей 2 и 3. если

за счет рационального выбора параметров обеспечить равенство

(Мь2 Mi-з) М2-з,

(1),

при выполнении которого взаимно компенсируются упомянутые согласные и встречные электромагнитные связи между обмотками дросселей 1, 2, 3.

Это соответствуют сохранению качестВа работы устройства в форме обеспечения квазисинусоидальной формы кривой выходного тока устройства и, как показывает анализ работы устройства по известным правилам теории линейных магнитных цепей, сводится для практически важного случая использования типового трехфазного исполнения магнитопровода 7 с равными величинами поперечных сечений его ярма 8

и стержней 9-10-11 к выполнению конструктивного соотношения

Wi

ftr Ai +h

W2 (3) fir Дф) + 12(3)

(2)

где ,и - относительная магнитная проницаемость материала Ш-образного магнито- провода 7 и его замыкающего ярма 8.

Статический установившийся режим работы устройства, соответствующий непрерывному характеру его выходного тока с практически синусоидальной формой кривой, иллюстрируется временными графиками (фиг.), где последовательно показаны: а) изменение синусоидального напряжения питающей сети идв( импульсы отпирающего напряжения, подаваемые поочередно по выходным цепям 12 и 13 блока 6 импульсно-фазового управления на тиристоры 4-5; б) изменения напряжения U2(t) и тока i2(t) обмотки первого дополнительного дросселя 2, подключаемого тиристором 4: в) изменения напряжения 1)з(т.) и тока ia(t) обмотки второго дополнительного дросселя 3, подключаемого тиристором 5; г) изменение тока h(t) в обмотке общего входного дросселя 1 устройства: д) изменение напряжения Ui(t) на обмотке входного дросселя 1 устройства.

При этом на начальном интервале положительной по полярности полуволны напряжения UAB (w t) питающей сети в устройстве по последовательно соединенным обмоткам входного дросселя 1 и второго дополнительного дросселя 3 и через ранее открытый на предшествующем интервале тиристор 5 протекает ток и з условной отрицательной полярности, спадающий до нуля к моменту ол /3 , например, ft 120°, под влиянием положительной по полярности полуволны сетевого напряжения, стремящегося закрыть тиристор 5. Напряжение L)2(t) на обмотке первого дополнительного дросселя 2, отключенного закрытым тиристором 4, близко к нулю ввиду взаимной компенсации двух ЭДС взаимной индукции, наведенных на этой обмотке 2 соответственно от согласно связанной обмотки входного дросселя 1 и от встречно связанной обмотки второго дополнительного дросселя 3, обтекаемых их общим током И з.

Затем при подаче отпирающего импульса управления на тиристор 4 в момент at - а , например, при а 60°, обмотка первого дополнительного дросселя 2 подключается через тиристор 4 параллельно к обмотке второго дополнительного дросселя

3 с ее все еще открытым тиристором 5, что приводит к скачкообразному увеличению напряжения Ui(t) на обмотке общего входного дросселя 1 (фиг.2д) и увеличению скорости изменения токов h(t) и i3(t), вызванному возрастанием тока i(t) условной положительной полярности через цепь подключаемой обмотки первого дополнительного дросселя 2 (фиг.26). При этом на

интервале a. «tit (3 одновременной проводимости обоих тиристоров 4 и 5 входной ток h(t) устройства определяется в соответствии с первым законом Кирхгофа, алгебраической суммой токов обмоток до5 полнительных дросселей 2 и 3 и ввиду их различных полярностей переходит через нулевое значение, изменяя знак, в момент

90С

an

2

что соответствует известной специфике работы устройства, предназначенного для регулирования величины реактивного (индуктивного -по характеру используемых элементов) переменного тока ii(t), имеющего при этом

практически синусоидальную форму (фиг.2г).

Далее,наинтервале

/ ш t (ж + а), , когда тиристор 5 устройства закрыт, последовательно соединенными через тиристор 4 оказываются обмотки входного дросселя 1 и первого дополнительного дросселя 2, общий ток и (т.) ia(t) достигает максимальной амплитуды Ьт, положительной полярности при

ал л 180° , а затем начинает снижаться по примерно синусоидальному закону под влиянием отрицательной по полярности полуволны напряжения UAB(wt) питающей однофазной сети (фиг.2а,б). При этом величина напряжения Кз(т-) на обмотке второго дополнительного дросселя 3, отключенной закрытым тиристором 5, близка к нулю ввиду аналогичной взаимной компенсации двух ЭДС взаимной индукции, наводимых на

этой обмотке соответственно от согласно связанной обмотки входного дросселя 1 йот встречно связанной обмотки первого дополнительного дросселя 2, обтекаемых их общим током H(t) J2(t).

Наконец, с момента ои(я + а), равного, например, 240° (фиг.2а), когда с блока управления 6 по его выходной цепи 13 на управляющий электрод тиристора 5 симметрично поступает отпирающий импульс,

описанные на интервале 0 an (л + а) процессы изменения напряжений и токов зеркально повторяются на последующем интервале (тг + а) ап 2 п. т.е. до начала следующего полного периода напряжения питающей сети, но применительно к теперь проводящей цепи обмотки входного дросселя 1 и второго дополнительного дросселя 2, связанных открытым тиристором 5; причем тиристор 4 запирается, отключая цепь обмотки первого дополнительного дросселя 2, в момент перехода тока l2(t) этой обмотки через нуль, т.е. при w t (я +/J) .

Таким образом, устройство (фиг. 1) работает как индуктивно-тиристорный регулятор реактивного тока, причем при углах фазоим- пульсного управления 0 а 90° тиристорами обеспечивается режим непрерывного тока с практически синусоидальной его формой. При этом благодаря наличию в устройстве датчика тока 17, включенного в цепь обмотки общего входного дросселя 1 и подающего сигнал отрицательной обратной связи на второй вход 15 блока 6 импульсно- фазового управления тиристорами 4 и 5, реализуется режим стабилизации величины выходного тока устройства, устанавливаемого задатчиком 16; причем компенсируются, например, колебания величины напряжения питающей однофазной сети или отклонения его частоты от номинального уровня.

Положительный эффект, создаваемый при использовании устройства для регулирования переменного тока, например, в стабилизаторах коэффициента мощности различных преобразорательных установок, определяется упрощением конструкции и улучшением массогабаритных показателей дросселей устройства, конструктивно совмещенных на общем Ш-образном трех- стержневом магнитопроводе с полезным использованием эффекта взаимной индукции между электромагнитносвязанными обмотками дросселей устройства.

Формула изобретения

1. Устройство для регулирования переменного тока, содержащее входной дроссель, два идентичных по параметрам дополнительных дросселя и два встречно

включенных тиристора с блоком симметричного импульсно-фазового управления, обмотка входного дросселя включена последовательно между первым выводом

для подключения сети и общей точкой соединения разноименных силовых выводов тиристоров, каждый из первых выводов обмоток дополнительных дросселей связаны с другими разноименными силовыми выводами тиристоров, а их вторые выводы подключены к второму выводу для подключения сети, отличающееся тем, что. с целью упрощения конструкции и улучшения массо- габаритных свойств дросселей, дроссели

выполнены на общем симметричном Ш-образном трехстержневом магнитопроводе с замыкающим ярмом, на среднем стержне которого расположена обмотка введенного дросселя, а на боковых стержнях размещены обмотки дополнительных дросселей, при этом обмотка входного дросселя включена согласно относительно обмоток дополнительных дросселей, включенных встречно между собой.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что при равенстве величин поперечных сечений ярма и стержней магнитопро- вода его параметры и обмоточные данные дросселей связаны между собой соотношением

Wi fi2 Ai -H1 Л/2(з) цг А2 (з) + 12 (з)

где Wi - число витков обмотки входного дросселя;

W2(3) - число витков обмотки дополнительного дросселя;

J&i относительная магнитная проница- емость материала магнитопровода;

Дч и - размер воздушного зазора и средняя длина участка магнитопровода потока обмотки входного дросселя;

Аг (з) и 12(3) - размер воздушного зазора и средняя длина участка магнитопровода

потока обмотки дополнительного дросселя.

О

Фиг.г

0)t

Использование, изобретенье относится к электротехнике Сущность изобретения: устройство для регулиоования переменного тока содержит входной дроссель 1, два дополнительных, идентичных по параметрам дросселя 2, 3 и два встречно включенных тиристора 4,5с блоком 6 их симметричного импульсно-фазового управления, обмотка входного дросселя 1 включена последовательно между первой клеммой питающей однофазной сети переменного тока и общей точкой соединения разноименных силовых электродов тиристоров 4, 5 Первые выводы обмоток дополнительных дросселей 2, 3 связаны с другими разноименными силовыми электродами тиристоров 4, 5, а их вторые выводы подключены к второй клемме питающей сети. Новым в устройстве является то, что входной дроссель 1 имеет общий симметричный Ш-образный трехстержневой магнитолровод 7с замыкающим ярмом 8, на среднем стержне 9 которого расположена обмотка общего входного дросселя 1, а на боковых стержнях 9, 10 размещены обмотки дополнительных дросселей 2, 3. Обмотка входного дросселя 1 включена магнитно-согласно относительно обмоток дополнительных дросселей 2, 3, подключенных между собой магнитно-встречно. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. 08 хг At (Л 4 ел 00 00 о й/г/