РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Советский патент 1971 года по МПК H02M3/10 

Известные регуляторы напряже«ия переменного тока, .содержащие тpaнdфopмaтop, каждая фаза вторичной обмютки которого разделена на п секций и регулируемые при помощи контактных или бесконтактных переключателей во вторичной обмотке, в ряде случаев не удовлетворяют предъявляемым к НИ.М техническим требованИЯМ ввиду сложности конструкции и малого быстродействия (регуляторы с койта-ктным переключением ступеней) или ввиду уменьшения коэффициента мощности и сильного искажения п-ит ающей сети (регуляторы напряжения, управляемые сдвигом момента зажигания полупроводниковых вентилей).

Предложенный регулятор напряжения переменного тока устраняет указанные недостатки благодаря тому, что каждая секщия вторичной обмотки трансформатора включена в диагональ четырехплечевого моста, плечи, Которого образованы управляемыми вентильными ключами с двухсторонней проводимостью, а мостовые схемы каждой фазы соединены друг с другом последовательно и объединены общей системой управления, осуществляющей сложение, вычитание или исключение э. д. с. секций вторичной о бмотки из схемы с уммиров-ания напряжения на нагрузке, причем указанные секции каждой фазы вторич ной обмотки трансформатора выполнены таким образом, что их э.д. с. относятся между собой, как например числа З : 3i : За : : , мостовые схемы каждой фазы вторичной обмотки трансформатора подключены последовательно к нерегулируемому источнику э.д.с., например к несекционированной части вторичной обмоткй трансформатора.

На фиг. 1 представлена исходная схема, поясняющая принцип построения предлагаемого регулятора; на фиг. 2 - таблица, поясняющая принцип выбора величины э.д. с. секций регулятора; на фиг. 3 приведена схема силовых цепей предлагаемого регулятора; на фиг. 4 - модификация схемы предлагаемого регулятора с подключением мостовых схем секций каждой фазы вторичной обмотки последовательно с питающей сетью (автотрансформаторный вариант); на фиг. 5 - модификация схемы предлагаемого регулятора с подключением мостовых схем секций каждой фазы вторичной обмотки к несекционированной части вторичной обмотки трансформатора.

В основе принципа создания предлагаемого регулятора лежит возможность регулирования суммарной э.д. с. ряда источников путем их выборочного встречно-последовательного включения в одну общую сеть нагрузки

собой как 3°:3:32.. ., обладает тем свойств ом, что путем выбора чисел заданного ряда и суммирования их с разными знаками, можно составить другой ряд чисел с ко-личеством ступеней 3, величины которого изменяются от

ь, „„ , ,,

- К ДО + - к,

где К - общий множитель заданного ряда чисел.,

Так, например, имея числа, абсолютные значения которых равны 1, 3, 9 (п 3; ) можно получить из них ряд чисел от

431Q31

- т + - + 13. Число

ступеней ряда при этом равно Зз 27.

Полученный ряд чисел и. его составляющие приведены в таблице на фиг. 2. Имея же, например, числа, а|бсолютные значения которых равнь 1, 3, 9, 27, можем получить ряд чисел в 81 ступень от - 40 до -}- 40.

Приведенное выше свойство ряда чисел, абсолютные значения которых относятся между собой как 30 : 31 : 32. .. : , использовано для создания многоступенчатого бесконтактного регулятора нанряжения переменного тока.

На схеме (ом. фиг. 1), поясняющей при,нцип построения предлагаемого регулятора, приведен однофазный трансформатор /, вторичная обмотка которого разделена на три электрически не связанные друг с другом секции 2-4.

Абсолютные значения э. д. с. этих секций составляют ряд чисел 1К; ЗК; 9К, величины которых относятся между собой как 1:3: 9 3 : 31 : 32 (К - о.бщий множитель).

Секции 2-4 соответственно включены в диагонали четырехплечевых мостов 5-7, плечи которых образованы управляемыми полупроводниковыми вентильными ключами (вентилями) 8-19, обладающими двухсторонней проводимостью.

Все мосты соединены между собой последовательно и подключены к внешней нагрузке 20. Каждый из мостов в зависимости от комбипации включения вентилей может иметь три состояния по отношению к условно выбранному в данный момент положительному направлению, показанному стрелкой от точки 21 к точке 22. Например, для секции 2 открыты вентили 9 и 11, закрыты 8 и 10. Э.д. с. секциИ направлена согласно с выбранным положительным направлением. Назовем это состояние доложительным и обозначим знаком + Открыты вентили 8 н9, закрыты

10 и /;.

э. д. с. секции исключена из схемы суммирования, назовем это состояние нулевым и обозначим знаком 0. Открыты вентили 8 и 10, закрыты вентили 9 и 11. Э.д. с. секции направлена встречно с выбранным положительным направлением. Назовем это состояние отрицательным и обозначим знаком -.

Аналогичные состояния могут принимать также и мостовые схемы, содержащие секции и 4.

Таким образом, в зависимости от комбинации включения вентилей в плечах мостовых схем их э. д. с. по отношению к условно выбранному положительному направлению могут иметь следующие значения: для секции 2

(+1К; 0; - 1К); для секции 3 (-ЬЗК; 0;

-ЗК); для секции 4 (9К; 0; -9К); где К -

общий множитель.

Так как абсолютные значения э. д. с. секций составляют ряд чисел 1К, ЗК, 9К, величины которых относятся между собой, как 30 :31 :32, а включение этих секций в диагонали четырех плечевых мостов, плечи которых образованы симметричными управляемыми вентилями, позволяет менять знак этих э. д. с. или исключать их из схемы суммирования, то в такой системе можно получить

33 - 1..

ряд суммарныхзначении э. д. с. от-К

- 13К до + К - + 13К. Количество

ступеней суммарной э. д. с. при этом будет равно 33 27.

При выполнении трансформатора с четырьмя секциями вторичной обмотки, э. д. с. которых относяггся между собой как 1 : 3 : 9 : 27, можно получить значения суммарной э. д. с. вторичной обмотки от -40К до -f-40K. Количество ступеней напряжения при этом будет равно . Связав мостовые схемы секций общей системой управления, позволяющей изменять комбИНЯЦии, их состояний, получим бесконтактный многоступенчатый и быстродействующий регулятор напряжения переменного тока.

Принципиальная схема предлагаемого регулятора напряжения, приведена на фиг. 3. Описание регулятора дано для одной фазы и

аналогично для других фаз. Регулятор представляет собой трансформатор, первичная обмотка 23 которого включена в питающую сеть, а вторичная обмотка разделена на ряд секций 24-27, электрически не связанных

друг с другом, числа витков которых относятся между собой как 3 : 3i : За : Зз, т. е. 1 : 3:9: :27. Секции 24-27 вторичной обмотки включены соответственно в диагона«ти четырехплечевых мостов 28-31, плечи которых обра,зованы управляемыми полупроводниковыми вентильными- ключами 32-35, обладающими двусторонней проводимостью, например тиристорами, включенными встречно-параллельно, или симисторами. Все мосты одной

фазы регулятора соединены друг с другом последовательно, и объединены общей систеМОЙ 36 управления.

Система управления выполнена таким образом, что при помощи воздействия ее на секций по отношению друг к другу или исключать их из схемы суммирования. Например, для секции 24, включенной в диагональ моста 28 при закрытых вентильных ключах 33 к 34 н открытых ключа-х 32 и 35 э. д. с. секции в схеме суммиров ания имеет одно на1пра1вление. При эа-крытых ключах 32 и 35 и открытых ключах 33 и, 34 э. д. с. секции 24 в схеме суммирования меняет знак на противоположный, а при закрытых ключах 33 и 35 yi открытых 32 и 34 э.д. с. секции 24 исключеда из схемы суммирования. Такое же воздействие система упра вления может оказывать И на секции 25-27, включен«ые соответственно, в диагонали мостов 29-3J. Как было сказано выше, при выполнении трансформатора с четырьмя секциями вторичной о бмотки, э. д. с. которых относятся между собой как 1 : 3 : 9 : 27, получить значения суммарной э. д. с. вторичной обмотки от -40К до , г де К - общий множитель. Количество ступеней отрегулированного напряжения при этом будет равно 81. Если в данном случае принять К 10 в, т. е. действующие значения э. д. с. секций 24-27 соответственно будут равны 10 е, 30 в, 90 0 и 270 в, то на выходе регулятора можно получить 81 ступень значения отрегулированного напряжения от - 40 в до -j- 400 в с переходом через 0. Величина ступени при этом равна 10 в, что составляет 2,5о/о от мак|симального напряжения регулятора. При необходимости в более плавном регулироваяии напряжения возможно выполнение регулятора с большим числом секций втори;чной обмотки трансформатора. Например, при разделении вторичной обмотки на пять секций, и при отношении э.д. с. этих секций друг к другу, равном Ei : Ег : Ез : : Е4 : ЕЗ I : 3 : 9 : 27:81, получим 243 ступени отрегулированного напряжения. Величина ступени при этом составит 0,825«/о от максимального напряжения регулятора. Для получения различных номинальных значений напряжения регулятора мостовые схемы каждой фазы, могут быть включены между собой в звезду или треугольник. Кроме того, регулятор может быть выполнен по схеме автотрансформа|Тора (см. фиг. 4). Преимущество автотрансформаторной- схемы в том, что она позволяет на выходе регулятора суммировать напряжение вторичной обмотки трансформатора с напряжением сети и тем самым расширяет ди.апазон регулирования выходного напряжения. При этом, например, к сети 380 в при помощи предлагаемого регулятора могут быть подключены потребители с номинальным напряжением 500 в или 660 S, а к сети 6 /се - потребители 10 в. Следует также отметить, что при, создании регулятора по изложенному выше принципу стигнуто тем, что не вся вторичная обмотка фазы трансфор.матора, а только некоторая часть ее, делится на п электрически не связанных между собой секций с отношением э. д. с. этих секций Зо : 3 : За : . .. : 3°-i. Эти секции, также, как было рассмотрено выше, включаются в диагонали четырех плечевых мостов, плечи которых образованы управляемыми полупроводниковыми вентилями с двухсторонней проводимостью. Мосты в пределах каждой фазы последовательно соединяются между собой и с неделимой частью вторичной обмотки 37. При помощи системы управления э. д. с секпий, включенных в диагонали мостовых схем, включаются в пределах каждой фазы встречно или согласно к направлению э. д. с. неделимой части вторичной обмотки, чем достигается регулирование выходного напряжения. Регулятор, устроенный подобным образом, позволяет получить большее количество ступеней отрегулированного напряжения при том же числе секций вторичных обмоток, включенных в диагонали; четырехплечевых мостов, или уменьшить количество мостовых схем при заданном числе ступеней отрегулированного напряжения. Если, нанример, в данной схеме действующие значения э. д.с. секций 2-5 соответственно будут равны 15 в, 45 в, 135 в и 195 в, то на выходе регулятора получим 27 ступеней отрегулированного напряжения от нуля до 390 в. Величина ступеней при этом будет равна 15 в, что составляет 3,85% от максимального напряжения регулятора. Как отмечалось ранее, в предлагаемом регуляторе э. д. с. секций вторичной обмотки относятся между собой как числа 30:31:32: : 33... . Это позволяет при минимальном количестве секций получить максимальное количество ступеней отрегулированного напряжения. Однако имеется возможность создания регулятора, в котором при1менен трансформатор, имеющий несколько одинаковых секций вторичной обмотки. Отношения э. д. с. секций вторичной обмотки трансформатора могут быть выражены, например, отношением ряда чисел 1 :3 :9 :9 или I : 3:9:27 : 27 и т. д. Число ступеней отрегулированного напряж.ения в таком регуляторе будет уменьшено, однако некоторые элементы силовой части и их системы управления могут быть унифицированы при наличии нескольких одинаковых секций. Система управления, при помощи которой меняется состояние мостовых секций и регулируется вЫХодное напряжение регулятора, должна иметь дискретный характер и может быть, например, выполнена на унифицирован ных бесконтактных элементах системы «ЛоВ предлагаемом регуляторе переключение с одной ступени отрегулированного напряжеления в момент естественного прохождения переменного тока фазы через нуль. Поэтому силовая часть предлага1емого регулятора может не иметь мощных коммутирующих устройств, а регулирование выходного напряжения происходит без искажения синусоидальной формы кривой тока, т. е. с высоким коэффициентом мощности. Максимальное быстродействие собственно регулятора составляет около /2 периода питающего напряжения.

Предмет изобретения

1. Регулятор напряжения переменного тока, содержащий трансформ атор, каждая фаза вторичной обмотки которого разделена на п секций, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и уменьшения габаритов регулятора при сохранении формы кривой выходного напря,«ения, каждая секция вторичной обмотки трансформатора включена в диагональ четырех1плечевого моста, плечи которого образованы у пра вляемымИ| вентильными ключами с двухсторонней проводимостью, а мостовые схемы каждой фазы соединены друг с другом последовательно и

объединены общей системой управления, осуществляющей сложение, вычитание или исключение э. д. с. секций вторичной Обмотки из схемы суммирования напряжения на нагрузке, причем указанные секции каждой фазы вторичной обмотки трансформатора выполнены таким образом, что их э. д. с относятся между собой как например числа Зо : : 31 : 32 : . . . : . 2. Регулятор по п 1, отличающийся тем,

что, с целью расщирения диап азона регулирования выходного напряжения и уменьшения числа силовых полупроводниковых элементов, указанные мосто-вые схемы каждой фазы вторичной обмотки трансформатора

подключены последовательно к нерегулируемому источнику э. Д.С., например к несекциони1рованной части вторичной обмоткИ: трансформатора.

гг

Г7

1ЧП I I IVI I

2

22

-4--.

2J

J6

551

28 ч I

L:

Г

1 N

30 I

I

{/ var

Lj5

j

.it

l.

2JC I

J6

КJ5t

-.1LfTT ,T

Ь5-Г-- Л