Устройство для регулирования переменного напряжения Советский патент 1993 года по МПК G05F1/30 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано, например, в регуляторах переменного напряжения, исполнительный орган которых выполнен в виде вольтодобавочного трансформатора.

Цель изобретения состоит в повышении надежности устройства.

На фиг. 1 приведена схема для регулирования переменного напряжения; на фиг.2 изображены цепи управления тиристорны- ми ключами 5 и 7.

Стабилизатор переменного напряжения содержит вольтодобавочный трансформатор 1 с первичной 2, вторичной 3 и вспомогательной 4 обмотками, управляемыми с помощью первого, второго и вспомога- тельного тиристорных ключей 5-7 соответственно. К вспомогательному тири- сторному ключу 7 подключен третий синхронизирующий трансформатор 8, первичная обмотка 9 которого присоединена к выходам вспомогательной обмотки 4, а вторичные 10 и 11 - через управляемые тиристорные ключи 12, 13 соединены с управляющими электродами первого и второго вспомогательных тиристоров 14. 15. Управляющие электроды управляющих тиристорных ключей 12.13 соединены с третьим и четвертым выходами блока управления 16, к которым присоединен первый генератор импульсов 45; выполненный из блокинг- генератора и связанный с пороговым логическим элементом 41, выполненным на триггере, а также элементом сравнения 44 на базе время задающей RC-цепочки. Вход порогового логического элемента 41 соединен с вторым выходом блока управления 16. Вход элемента сравнения 44 связан с потен- циометрическим задающим элементом 43 и измерительным элементом 42, выполненным на базе потен циометрического моста. Вход измерительного элемента 43 связан с первым и вторым выходными выводами блока управления 16. Ктиристорам 17, 18 второго тиристорного ключа 6 присоединен второй синхронизирующий трансформатора 19, первичная обмотка 20 которого включена параллельно тиристорами 17, 18, а вторичные обмотки 21, 22 через коллектор- но-эмиттерные переходы транзисторных ключей 23,24 и защитные диоды 39,40 подключены к управляющим электродам тиристоров 17, 18. В базовые, цепи транзисторных ключей 23,24 включены вторичные обмотки 25,26 первого синхронизирующего трансформатора 27, причем, к базе транзисторного ключа 23 присоединен конец первой вторичной обмотки 25 первого

синхронизирующего трансформатора 27, а к базе транзисторного ключа 24 - начало второй вторичной обмотки 26 первого синхронизирующего трансформатора 27. Пер- вичная обмотка 28 первого синхронизирующего трансформатора 27 подключена к выходным зажимам 29,30 устройства. Управляющие электроды тиристоров 31, 32 первого тиристорного ключа 5

0

присоединены к первому и второму выхо

дам блока управления 16, к которым присоединен второй генератор импульсов 45. связанный с пороговым логическим элементом 41 и элементом сравнения 44. Опорные

5 диоды 33, 34 включены параллельно базо- эмиттерным переходам транзисторных ключей 23, 24. Токоограничивающие резисторы 35, 36 включены последовательно с вторичными обмотками 25, 26 первого синхрони0 зирующего трансформатора 27 в базо-эмиттерные цепи транзисторных ключей 23, 24. Защитный резистор 37 одним концом соединен с базой транзисторного ключа 23, а другим с анодом защитного ди5 ода 39 и концом первой вторичной обмотки 21 второго синхронизирующего трансформатора 19. Катод защитного диода 39 соединен с управляющим электродом первого тиристора 17 второго тиристорного ключа 6.

0 Защитный резистор 38 одним концом присоединен к базе транзисторного ключа 24, а другим - к аноду защитного диода 40 и началу второй вторичной обмотки 22 второго синхронизирующего трансформатора 19.

5 Катод защитного диода 40 присоединен к управляющему электроду второго тиристора 18 второго тиристора ключа 6.

Регулирование напряжения на нагрузке по данному способу осуществляется следу0 ющим образом.

В начале каждого полупериода питающего напряжения в момент, когда ЭДС Е2 первичной обмотки 2 трансформатора 1 больше напряжения сети Uc и имеет с ним

5 одинаковую полярность, т.е.

включается второй тиристорный ключ 6 вывода первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 1, являющегося ее

0 концом, обеспечивая подключение обмотки 2 трансформатора 1 к выходным выводам. При этом обеспечивается передача части энергии из нагрузочной .цепи в питающую сеть и уменьшение напряжения на выход-.

5 ных выводах 29, 30 на величину ЭДС Ез вторичной обмотки 3 вольтодобавочного трансформатора 1. Момент включения первого и вспомогательного тиристорных ключей 5 и 7, соединенных, соответственно, с выводом первичной обмотки 2 трансформатора 1, являющимся ее началом, и выводами вспомогательной обмотки А, устанавливается логическим элементов 41 в зависимости от величины напряжения сети Uc. При напряжении сети ис. большем его номинального значения UH, т.е.

,

логическим элементом 41 первый генератор импульсов 45 блока управления 16 подключается к управляющим электродам управляющих тиристорных ключей 12,13.

При напряжении сети Uc меньшем его номинального значения т.е. ; v . -. / : . ,. . логическим элементом 41 второй генератор импульсов 45 блока, управления 16 подключается к уп рйвля ющим электродам ти ристо- ров 31, 32 первого тиристорного ключа 5.

Угол- включения тиристоров первого 5 и вспомогательного Ттиристорных ключей зависит от соотношения выходного напряжения Увых и задающего , устанавливаемого е помощью задающего элемента 43. При этом сигнал рассогласования, вырабатываемый элементом сравнения 44, подаётся на входы первого и второго генераторов импульсов 45, которые изменяют угол отпирания тиристоров первого и вспомогательного тиристорных ключей 5 и 7 таким образом, чтобы сигнал рассогласования стал равным нулю.

При Uc Uw второй генератор импульсов 45 сигналом рассогласования с элементов сравнения 44 обрабатывает максимальный угол включения вспомогательного тиристорного ключа 7 равный 180 эл.град и ток протекает только через второй тиристорный ключ 6, обеспечивая снижение напряжения на выходных выводах 29, 30 и передачучасти энергии, пропорциональной величине ЭДС на выводах вторичной обмотки 3 Ез в питающую сеть. Кривая выходного напряжения на выводах 26, 30 имеет при этом,синусоидную форму.

При изменении напряжения сети-Uc от его максимального значения Ксмакс до верхнего предела номинального значения Уне, т.е. - - . . -. ...

UcMaKC Uc UHB

вспомогательный тиристорный ключ 7 включается с углом сдвига переднего фронта управляющих импульсов от 0 до 180 эл.град.. зависящим от величины рассогласования параметров 1)Вых и иэад.

В процессе открывания вспомогательного тиристорного ключа 7 ЭДС Е2 первичной обмотки 2 трансформатора 1 уменьшается практически до нуля. При

этом, в момент, когда ЭДС Б2 становится меньшей напряжения сети Uc. т.е.

ток в первичной обмотке 2 трансформатора 5 1 уменьшается до нуля.

Ток в дополнительной обмотке 4 увеличивается до величины, определяемой значением намагничивающей силы вторичной обмотки 3. Напряжение на выходных выво0 дах 29,30 при этом увеличивается до значения, равного напряжению на входных выходах. Кривая напряжения на выходных выводах 29, 30 имеет при этом ступенчато- синусоидальную форму, обеспечивающую

5 частичную передачу энергии в питающую сеть, когда в течение включенного состояния старого тиристорного ключа б энергия передается в питающую сеть, а в течение включенного состояния вспомогательного

0 ключа 7 перераспределения энергии не происходит. -При напряжении питающей сети U2, в диапазоне от верхнего предела номинального значения UHB до его нижнего предела

5 Пий т.е. при

UBH UC UHH

сигнал рассогласования с элементом сравнения равен нулю, угол включения вспомогательного тиристорного ключа 7 равен

0 нулю и на интервале всего полупериода ток протекает только по вспомогательной обмотке 4; При этом ЭДС на зажимах первичной и вторичной обмоток 2 и 3 трансформатора 1 равны нулю. т.е.

5 ,

Поэтому, Ег Uc и ток в первичной обмотке 2 трансформатора 1 равен кулю, а напряжение на выходных выводах 29, 30 равно напряжению сети Uc и изменяется вместе с

0 ним в пределах от UBH до UHH по величине, оставаясь синусоидальным по форме. Перераспределения энергии на интервале всего полупериода не происходит и вся энергия с входных выводов передается на выходные вывода 29, 30.

5 При уменьшении напряжения сети Uc до величины, когда

пороговый логический элемент 41 подключает второй генератор импульсов 45 к пер0 еому тиристорному ключу 5. Первый тиристорный ключ 5 включается с регулируемым углом сдвига управляющих импульсов от 0 до 180 эл.град зависящим от рассогласования параметров Ueux и изад. С включе5 нием первого тиристорного ключа 5 в трансформаторе 1 изменяется направление магнитного потока в стали и, соответственно, фазы ЭДС Ё2. Е4 нз зажимах первичной и дополнительной обмоток, чем создаются

условия для запирания второго и вспомогательного тиристорных ключей 6, 7 и протекания тока только через первый тиристорный ключ 5. Дополнительное количество энергии передается при этом же питающей сети в нагрузочную, увеличивая напряжение на выходных выводах 29,30 на величину ЭДС вторичной обмотки.

Напряжение на выходных выводах 29, 30 имеет при этом ступенчато-синусоидальную форму, обеспечивающую частичную передачу энергии из питающей сети в нагрузочную, когда в течении включенного состояния вспомогательного тиристорного ключа 7 обмена энергией не происходит, а в течении включенного состояния первого тиристорного ключа 5 дополнительная часть энергии передается из питающей сети в нагрузочную,

При минимальном значении напряжения сети, когда

Uc UCMMH

угол включения первого тиристорного ключа 5 равен нулю и напряжение на выходных выводах 29, 30 по величине равно сумме напряжения сети Uc и ЭДС трансформатора Ез, будучи синусоидальным по форме. Энергия в течение всего полупериода передается из питающей сети в нагрузочную.

Аналогично, при изменении напряжения сети Uc от его минимального значения UCMHH до нижнего предела номинального значения UHH, т.е.

UHH - Uc UCMHH

включается с углом включения а 0 эл.град вспомогательный тиристорный ключ 7 и с регулируемым от 0 до 180 эл.град, углом включения первый тиристорный ключ 5, обеспечивая ступенчато-синусоидальную форму на выходных выводах 29, 30. При этом в диапазоне углов 0-180 эл.град ток через второй тиристорный ключ б не протекает в связи с тем, что ЭДС Е2 вторичной обмотки 2 трансформатора 1 во всем диапазоне меньше напряжения сети Uc. На участке полупериода от 0 до а эл.град. ток протекает через вспомогательный тиристорный ключ 7, обеспечивая передачу всего количества энергии с входных выводов на выходные без ее дополнительного перераспределения, а также равенство напряжения на входных и выходных выводах. При этом величина ЭДС2 на выводах первичной обмотки 2 трансформатора 11 равна нулю. Поэтому, ток через второй тиристорный ключ 6 не протекает. На участке полупериода от а до 180 эл.град. ток протекает только через первый тиристорный ключ 5, обеспечивая передачу дополнительного количества энергии с входных выводов на выходные и увеличение напряжения на выходных выводах на величину ЭДС Ез вторичной обмотки 3 трансформатора 1. В связи с

изменением фазы ЭДС Е на выводах первичной обмотки 2 трансформатора 1 ток через второй и вспомогательный тиристорные ключи 6 и 7 в этом режиме не протекает. При изменении напряжения сети от

нижнего предела UHH до верхнего предела номинального значения UBH, т.е.

UBH Uc UHH

угол включения первого тиристорного ключа 5 равен 180 эл.град.. поэтому ток через

управляемую им часть первичной обмотки трансформатора 1 не протекает. При значении угла включения тиристорного ключа 7 эл.град. ток проходит через управляемую им вспомогательную обмотку, обеспечивая равенство нулю ЭДС на зажимах всех обмоток, а также равенство напряжения на входных и выходных выводах при синусоидальной его форме. Поскольку ЭДС Е2 на зажимах первичной обмотки 2 меньше напряжения сети Uc, ток через второй тиристорный ключ 6 не протекает. При этом на интервале всего полупериода вся энергия с входных выводов полностью передается на выходные выводы и дополнительного перераспределения энергии не происходит.

При изменении напряжения сети Uc в пределах от верхнего предела номинального значения до его максимального значения, т.е.

UCMSKC Uc UBH

угол включения вспомогательного тиристорного ключа 7 изменяется в пределах от О до 180 эл.град., обеспечивая ступенчато- синусоидальную форму кривой напряжения

на выходных выводах 29, 30; а также передачу части электрической энергии из нагрузочной сети в питающую с последующим уменьшением напряжения на выходных выводах 29, 30 на величину ЭДС вторичной

обмотки Ез. При этом, на участке полупериода от 0 до а эл.град. ток протекает через тиристорный ключ 6, обеспечивая передачу части энергии из нагрузочный части в питающую, и уменьшение напряжения на выходных выводах. На участке полупериода от с до 180 эл.град. работает вспомогательный тиристорный ключ 7, обеспечивая протекание тока в дополнительной обмотке. При этом обмен энергией не происходит, ЭДС

вторичной ббмотки Ез 0 и напряжение на выходных выводах равно напряжению на входных выводах. С включением вспомогательного тиристорного ключа 7 при значении ЭДС Ез Uc ток через второй

тиристорный ключ б уменьшается до нуля. Ток через первый тиристорный ключ 5 не протекает, так как его угол включения а 180 эл.град.

При напряжении сети Uc, равным его максимальному значению Усмакс. т.е.

Uc ш Ucnaicc

угол включения вспомогательного тири- сторного ключа 7 равен 180 эл.град. и ток через него не протекает. В начале каждого полупериода питающего напряжения в момент, когда Uc Ј2 включается второй тиристорный ключ 6. обеспечивая передачу части энергии из нагрузочной цепи в питающую и уменьшение напряжения на выходных выводах 29,30 на величину ЭДС Ез при синусоидальной его форме.

Таким образом, введение новых элементов и связей между элементами позволило осуществить процесс регулирования напряжения без применения дополнительных средств, путем соответствующей организации работы тиристорных ключей. При этом управление вспомогательным тири- сторным ключом 7 дополнительной обмотки осуществляется в функции ЭДС на зажимах вспомогательной обмотки 4, Е4, напряжения сети Uc и заданного и3ад. Управление тиристорами 17, 18 вывода первичной обмотки, являющегося ее концом, осуществляется в функции величины и фазы ЭДС Е2 на зажимах первичной обмотки. Управление тиристорами 31, 32 вывода первичной обмотки, являющегося ее началом, осуществляется в функции напряжения сети Uc и задающего изад. Это позволяет организовать работу ключей таким образом, что тиристорный ключ 6 вывода первичной обмотки, являющегося ее концом, включается всегда в начале каждого полупериода питающего напряжения. Вспомогательный тиристорный ключ 7 дополнительной обмотки 4 включается с регулируемым от 0 до 180 эл.град. углом при изменении напряжения сети от исмакс до UBH. При изменении напряжения сети от UBH до исмакс угол включения ключа вспомогательного 7 равен нулю. При изменении напряжения сети от UBH до исмакс угол включения изменяется от 0 до 180 эл.град.

Первый тиристорный ключ 5 вывода первичной обмотки 2, являющегося ее концом, включается с регулируемым углом от О до 180 эл.груд. при изменении напряжения сети Uc в пределах от инн до UCMHH.

Управление первым тиристорным ключом 5 вывода части первичной обмотки 2, являющейся ее концом, и вспомогательным тиристорным ключом 7 дополнительной обмотки 4 е функции напряжения осуществляется от блока управления 16, позволяющего выполнять плавно-ступенчатое регулирование напряжения в диапазоне от до

5 UMWC.

Управление вторым тиристорным ключом 6 вывода первичной обмотки 2, являющегося ее началом в функции величины ЭДС на зажимах обмотки позволяет исключить

10 применение дополнительного громоздкого импульсного трансформатора, что позволяет повысить надежность. Управление тиристорным ключом 7 вспомогательной обмотки, а также ключом 6 вывода первич5 ной обмотки, являющегося началом в функции фазы ЭДС позволяет организовать работу тиристорных ключей таким образом, что при плавном регулировании напряжения перераспределение нагрузки между ти0 ристорами происходит под воздействием изменяющейся величины и фазы ЭДС обмоток, чем исключается возможность отключения тиристоров. вызванного изменением полярности напряжения на тиристорах.

5 Формула изобретения

Устройство для регулирования переменного напряжения, содержащее вольто- добавочный трансформатор с первичной, вторичной и вспомогательной обмотками,

0 причем средняя точка первичной обмотки соединена с первым входным выводом, а конец первичной обмотки через первый тиристорный ключ - с вторым входным выводом, конец и начало вторичной обмотки

5 подключены соответственно к первому входному и первому выходному выводам, второй тиристорный ключ, первым выводом соединенный с вторым входным выводом, подключенным к второму выходному выво0 ду, вспомогательный тиристоркый ключ, первый вывод которого соединен с первым выводом вспомогательной обмотки вольто- добавочного трансформатора, блок управления с четырьмя выходами, первый вход

5 которого подключен к выходным выводам, а первый и второй выходы соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами первого тиристорного ключа, отличающееся тем, что, с целью

0 повышения надежности, в него введены два транзисторных ключа, два опорных диода, два токоограничивающих резистора, два защитных диода, два защитных резистора, три синхронизирующих трансформатора и два

5 управляющих тиристора, а блок управления снабжен вторым входом, соединенным с входными выводами, причем третий и четвертый выходы блока управления подключе- ны к управляющим электродам соответственного первого и второго управляющих тиристоров, второй вывод второго тиристорного ключа соединен с началом первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, а второй вывод вспомогательного тиристорного ключа подключен к второму выводу вспомогательной обмотки вольтодобавочного трансформатора, начало и конец первичной обмотки первого синхронизирующего трансформатора соединены соответственно с первым и вторым выходными выводами, базы первого и второго транзисторных ключей подключены соответственно к катоду первого опорного диода, к концу первой вторичной обмотки первого синхронизирующего трансформа- тора, к первому выводу первого защитного резистора и к катоду второго опорного диода, к началу второй вторичной обмотки первого синхронизирующего трансформатора к первому выводу второго защитного рези- стора, эмиттеры первого и второго транзисторных ключей соединены соответственно с анодом первого опорного диода, с первым выводом первого токоограничивающего резистора, с катодом первого тириетора, кото- рый использован в качестве первого вывода второго тиристорного ключа, и санодом второго опорного диода, с первым выводом второго токоограничивающего резистора, с катодом второго тиристора, который ис- пользован в качестве второго вывода второго тиристорного ключа, вторые выводы первого и второго защитных резисторов подключены соответственно к аноду первого защитного диода, к концу первой вторич- ной обмотки второго синхронизирующего трансформатора и к аноду второго защитного диода, к началу второй вторичной обмотки второго синхронизирующего трансформатора, катоды первого и второго

защитных диодов соединены с управляющими электродами соответственно первого и второго тиристоров второго тиристорного ключа, коллекторы первого и второго транзисторных ключей подключены соответственно к началу первой и к концу второй вторичных обмоток второго синхронизирующего трансформатора, первичная обмотка второго синхронизирующего трансформатора включена параллельно второму тири- сторному ключу. Причем ее начало соединено с началом первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, а вторые выводы первого и второго токоограни- чивающих резисторов подключены соответственно к началу первой и концу второй вторичных обмоток первого синхронй- зирующегр трансформатора, катоды первого и второго управляющих тиристоров соединены с управляющими электродами соответственно первого и второго вспомогательных тиристоров вспомогательноготи- ристорного ключа, а аноды первого и второго управляющих тиристоров подключены соответственно к концу первой и началу второй вторичных. обмоток третьего синхронизирующего трансформатора, начало первой и конец второй вторичных обмоток третьего синхронизирующего трансформатора соединены с катодами соответственно первого и второго вспомогательных тиристоров, использованными в качестве соответственно второго и первого выводов вспомогательного тиристорного ключа, параллельно которому включена первичная обмотка третьего синхронизирующего трансформатора, начало которой соединено с первым выводом вспомогательной обмотки вольтодобавочного трансформатора.

I

№

«

S

1:

к

м

«ч

&

. - J