Регулятор однофазного напряжения Советский патент 1980 года по МПК H02M5/12 

Иэо етение относится к пре$бразовательной технике и касается элек тромагнитных устройств. Оно может быть использовано при построении регуляторов - стабилизаторов напряжения переменного тока. Известны однофазные и трехфазные регуляторы - стабилизаторы напряжения переменного тока, регулируюпщй орган которых выполнен: на дросселях насыщения (магнитных усилителях включенных последовательно или параллельно с трансформатором (автотрансформатором) , на трансформаторги (автотрансформаторах), регулируемых подмагничиванием шунта, на трансформаторах (автотрансформаторах), регулируемых перераспределением напряжения (ТРПН и АРПН соответственно) , на автотрансформаторах, регулируемых тиристорами, подключён ными к отпайкам обмотки (1), 2, 3 , 4 и 53 . Из перечисленных регуляторов наиболее совершенными являются построенные на базе АРПН (ТРПН). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является регулятор-стабилизатор, содержащий подмагничиваемые автотрансформаторы обмотки переменного тока которые имеют различные коэффициенты трансформации, цепи управления и источники подмагничивания {5J. Недостатка устройств регулирования и стабилизации «апряжения на базе АРПН (ТРПН) с раздельными обмотками переменного тока и обмотками управления являются: сравнительно большие габариты и масса, так как 25-40% полезной.площади окна магнитопровода АРПН (ТРПН) занимает обмотка управления, уст1ленная изоляция между обмотками переьйнного тока и обмоткой управления, относительно сложная технология намотки, катушек, так как необходимо выполнять обмотки на двух спаренных каркасах, плохой теплосъем с секцией обмоток, расположенных в охватывающей обмотке управления. Целью изобретения является уменьшение габаритов и массы и увеличение КПД регулятора. Это достигается тем, что в предложенном регуляторе однофазного напряжения обмотки, для первичной и вторичной цепей автотрансформаторов, на каждом из сердечников выполнены в виде двух равных по чисjiy витков секций, Которые включены в параллельные цепи из двух ветвей каждая с перекрестным последовательно-встречным соединением расположенных на разных сердечниках секций, об1цим точкам которых подключены ггаль ванически развязанные импульсные истрчники подмагничивания.

Регулятор напряжения может быть выполнен также и на базе ТРПН, для чего первичные обмотки трансформаторов на каждом из сердечников разбивают также на две секции и включают в упомянутые параллельные цепи.

Исключение из АРПН (ТРПН) специальных обмоток управления и соединения обмоток переменного тока по предлагаемой схеме позволяет уменьшить габариты и массу регуляторов увеличить КПД, повысить их надежность и технологию изготовления и наиболее эффективно использовать импульсный способ управления.

На фиг, 1 показана принципиальная схема регулятора однофазного напряжения; на фиг. 2 - схема одного понижающего автотрансформатора с источником подмагничивания и направления Магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими в секциях рабочих с|бмоток в оба полупериода питающего напряжения Ug, } на фиг. 3 - идеализ ированные диаграммы напряжений и в регуляторе, показанном на Йиг.1; на фиг. 4 - принципиальная dxeMa регулятора однофазного найряжения, выполненного на подмагничийаемых трансформаторах.

Регулятор напряжения {фиг.1) содержит понижающий автотрансформатор 1, повышающий автотрансформатор 2, импульсные источники подмагничивания 3 и 4, включающие в себя блокируюгдие вентили и ключевые элементы 5-8. Электродвижущие силы источников подмагничи-вания обозначены Е и Eg. Автотрансформатор 1 выполнен на сердечниках 9,10, на которых размещены понижающие обмотки 11, 12, соединенные между собой последователькр-встречно, и секции 13-16 обмоток, общий для первичной и вторичной цепей автотрансформатора. Секции 13-16 включены в параллельную цепь из двух ветвей с перекрестным последовательнвстречный соединением секций 13, 16 и 14, 15,, расположенных на разных сердечниках. Точки соединения секций обозначены позициями 17, 18, 19 и 20. К точкам 18 и 19 подключен импульсный источник подмагничивания 3.

Автотрансформатор 2 содержит сердечники 21, 22, Повышающие обмотки 23, 24, соединенные последовательновстречно между собой и с понижающими обмотками автотрансформатора 1, и секции 25-28 обмоток общих для первичной и вторичной цепей, включенные в параллельную цепь из двух ветвей

с перекрестным последовательно-встреным соединением секций 25, 28 и 26, 27. Точки соединения секций обозначены цифрами 29, 30, 31 и 32. К точкам 30, 31 перекрестного соединения секций подключен импульсный источник помагничивания 4. В разрыв между повышгиощими обмотками 23, 24 и секциями 25-28 автотрансформатора 2 включены секции обмоток 13-16 автотрансформатора 1.

Обозначения элементов фиг.2 аналогичны фиг.1, за исключением второго автотрансформатора и источника подмагничивания, которые изображены в виде одного элемента 2.

На фиг. 3 приняты следующие обозначения: а - входное напряжение б,в - напряжения Ц и U на автотрансформаторах 1,2 в точках 17,20 и 29,32; г,д,е - токи автотрансформатора 1; i - ток в секциях 13,15 обмотки сердечника 9; 1 - ток в секциях 14,16 обмотки сердечника 10 и i - суммарный ток этих обмоток; ж - ток управления 3 , импульсная составляющая которого 3 протекает через источник Е в течени времени, когда ключевой элемент 6 замкнут (заштрихованные участки), и ток Зр,, протекающий через блокирующий вентиль 5, когда ключевой элемент 6 разомкнут (незаштрихованные области)

На фиг. 4 обозначения элементов аналогичны фиг.1, параллельные цепи образованы из секций первичных обмоток трансформаторов 1,2.

Регулятор напряжения, выполненный по схеме на фиг.4, целесообразно применять в тех случаях, когда нeдoпi cтимa гальваническая связь нагрузки с первичным источником электроэнергии или коэффициенты трансформации значительно отличаются от единицы.

Поскольку автотрансформаторы 1,2 принципиально не имеют отличий, расскютрим процессы только в трансФорматоре 1.

При выключенном источнике подмагничивания 3 ток управления J равен нулю и сердечники 9, 10 автотрансформатора 1 размагничены. Автотрансформатор 1 при этом имеет максимальное индуктивное сопротивление и работает как обычный подмагничивае№лй автотрансформатор с параллельным соединением обмоток. При включении импульсного источника подмагничивания 3 через обмотки четырехполюсника течет суммарный ток управления 3, ,

Направление магнитного потока Ф, создаваемого током управления Эу, на фиг.2 показано сплошной стрелкой.

Допустим, что в какой-то момент времени к четырехполюснику приложено синусоидальное напряжение с полярностью плюс в точке 17 и - минус в точке 20 (фиг.2). Направление магнитных потоков Ф ФД,в сердечниках 9 и 10 для этого случая показаны на фиг.2 штриховой стрелкой, при этом Ф совпадает с потоком Фу, la направлен ему встречно. Сердечник 9, размагниченный в предшест вующий полупериод переменного напря жения, начинает перемагничиваться по цепи: секция 13 - ключевой элемент 5 - секция 15 и до тех пор, по суммарный магнитный поток не достиг нет величины потока насыщения (при V V. на фиг. За), автотрансформатор 1 имеет большое индуктивное сопротивление и трансформирует напр жение. В это же время ранее насыщен ный сердечник 10 размагничивается по цепям: секция 14 - секция 15 и секция 13 - секция 16. Через плеч четырехполюсника протекают равные токи возбуждения i; и 1)(в интервале 04V|4 V на фиг.2 г,д).Напряжение на четырехполюснике автотранс форматора 1 в интервале 0 - Ч ° казано на фиг. 36, а на автотрансформаторе 2 - на фиг. Зв. Суммарный ток i через секции об моток и ток управления Эу показан соответственно на фиг, Зе,ж. При V, V суммарный магнитный поток в сердечнике 9 достигает вели чины потока насыщения. Реактивное сопротивление секций 13, 15 резко уменьшается и они зашунтируют секции 14,16 по цепи: секция 13 - ключ вой элемент 5 - секция 15, Индуктив ность автотрансформатора 1 становит ся близкой к нулю. Изменение напряжений и и Ug на обмотках автотранс форматоров 1,2 и токов i, i, i , 3 показаны соответственно на фиг. 36, в,г,д,е,ж. Автотрансформатор 1 находится в насыщенном состоянии до тех пор,пок не изменится полярность напряжения на четырехполюснике (на фиг,2 показано в скобках), С момента V, 5Г (на фиг. За) магнитный поток Ф (штрих-пунктирная стрелка на фиг,2) направлен встречно потоку Фу, а Ф согласно, сердечник 9 размагничивается, а сердечник 10 - намагничивается, В течение времени происходит перемагничивание сердечников, и через секции 13, 15 и 14, 16 протекают равные токи i .ik/ (фиг. Зг,д) . При Vf V2 сердечник 10 насыщается и индуктивность секци 14,16 становится близкой к нулю. Плечо секций 13, 15 шунтируется цепью: секция 14 - ключевой элемент 5 - секция 16, индуктивность автотрансформатора 1 резко уменьшается. При этом напряжение Uy на его обмотках также уменьшается, а на авто трансформаторе 2 напряжение Ug увеличивается. Изменения токов 1. ответствующие этому моменту времени показаны на фиг, Зг,д,е,ж. Далее процессы в схеме повторяются с периодичностью входного напряжения и. Предложенный регулятор имеет увеличенный на 2-3% КПД, габариты и масса его уменьшены на 20-25%, увеличена эксплуатационная надежность, упрощена технология изготовления автотрансформаторов (трансформаторов) , уменьшен расход провода и изоляционных материалов и, следовательно, снижается его стоимость, удельные энергетические характеристики источников подмагничивания улучшаются в 2,5-3,5 раза. Формула изобретения Регулятор однофазного напряжения, содержащий понижающий и првышаиощий подмагничиваеМые автотрансформаторы на двух сердечниках каждый, на одной из пар сердечников размещены понижающие обмотки, соединенные встречно-последовательно с повышающими обмотками, расположенными на другой паре сердечников, а также обмотки, общие для первичной и вторичной цепей автотрансформаторов, размещенные на каждом сердечнике и включенные последовательно-встречно, и источники подмагничивания, причем в повышающем автотрансформаторе в разрыв между повышающими обмотками и обмотками, принадлежгидами первичной и вторичной цепям, включены общие для первичной и вторичной цепей обмотки понижающего автотрансформатора, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей и КПД, обмотки, общие для первичной и вторичной цепей автотрансформаторов, на каждом из сердечников выполнены в виде двух равных,по числу витков секций, которые включены в параллельные цепи из двух ветвей каждая с перекрестным последовательновстречным соединением расположенных на разных сердечниках секций, к общим точкам которых подключены гальванически развязанные источники подмагничивания. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Елисеев В.К. Трехфазные стабилизаторы напряжения переменного тока для питания электронных вычислительных машин. Вопросы радиоэлектроники. Серия VII. Вып,2, 1961, с. 107-119, 2.Попов С.Г. Стабилизатор переменного напряжения на магнитных усилиях с внутренней обратной связью. Вопросы радиоэлектроники. Серия XII. Вып. 3, 1960, с. 120-141, 3.Бамдас A.M.и Шапиро С.В,Стабилизаторы с помагничивае1уыми трансформаторами. Энергия, 1965, с 14-23/ 1-09-120.

4. Чижеяко И.М. и др. Основы преовраэовательной техники, М., Высшая школа, 1974, с. 377-378.

5. Окунь С.С. и др. Трансформато эные и трансформаторно-тиристорные регуляторы - стабилизаторы напряжения. Энергия 1969, с. 10-19, 61-65.

I I

М

. I

и

--;j

Uu

:ff

ГjI

Ш2:я