Устройство для регулирования переменного напряжения Советский патент 1980 года по МПК G05F1/22 H02M5/12 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано, например, для регулирования или стабилизации напряжения электропотребителей. Известныустройства, -содержащие, включенный последовательно с нагрузкой вольтодобавочный трансформатор, первичные обмотки которого соединены с сетью с помощью тиристррных ключей с фазовым управлением. В- эТих устройствах уменьшается нагрузка вентилей при соответствующем увеличений рабочего напряжения 1 и 2 Недостатком указанных устройств является искажение формы вькодного напряжения. Целью изобретения является улуч:шенйе формы кривой выходного напряжения, что позволяет при заданной степени искажений расширить диапазо регулирования.. Указанная цель достигается тем, что в устройстве для регулирования переменного напряжения, содержащем вольтодобазочный трансформатор, пер вичные обмотки которого вк 1ючены между входными и выходными выводами устройства, а вторичные обмотки через вентильный блок на ключевых элемёнтах свйэаныН входнезми- выводами, вентильный блок выполнен в виде двух преобразователей переменного тока в постоянный, выходы которых соединены между собой непосредственно, причем вход первого преобразователя соёди- : нён с выводами вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора, а второго преобразователя -с входными выводами устройства. В качестве ключевых элементов первогб преобразоваТёл я могут быть использованы встречно-параллельнр соединенные управляемые вентили, и второго преобразователя управляемью вентили. С целью, упрощения лри регулировании выходного напряжения только в сторону понижения, в качестве ключеввй: элементов первого преобразователя использованы неуправляемые вентили, а второго преобразователя - управляемьте вентили, причем выход преобразователей включен эстречно-параллельс целью упрощения при регулировании выходного напряжения в сторону повышения, в качестве ключевых

737928 ;элементов первого преобразователя использованы встречно-параллельно соединенные управляемые и неуправляемые вентили, а второго преобразоватёЖ неуправляейые вентили, причем выпрямленное напряжение второго преобра зователя является запираюйшм по отношению k неуправляемым вентилям первого преобразователя. На фиг. 1 дана блок-схема устрсйст Bai; на фиг. 2 - принципиальная схема трехфазного варианта устройства с. Ос товым преобразователем; на фиг. 3 и И : диагЕ аммы работы устройства при регулировании напрязкения в сторону понижения и повышения от уровня сети; на фиг. 5 и 6 - упрощенные варианты для регулирования только в сто рону повышения или понижения от уровня сети.соответственно; на фиг. 7-9 - дйаграммы напряжений на нагрузке для трехфазных, однофазных и условно двенадцаТифазных схем. Устройство содержит вольтодобавочный трансформатор 1, первичные обмотки которого включены последовательно йёяоду входными и выходными выводами устройства, а вторичные подключены к прёобразователю 2 переменного тока в постоянный. Преобразователь 2 соединен выводами постоянного тока в точШх а иб ; со вторым преобразовате- лем 3, связанным с входными выводами. В общем случав устройство может иметь различное число фаз, в нем могу использоваться различные схемы преобразования и различные типы ключевых Элементов. ПЬэто11 у принцип его деист ВИЯ рассмотрим применительно к трехфазному варианту, при вьгполнении преобразователя 2 по трехфазной мостовой схеме и при использовании в качестве клйчевЫх элементов встречнопараллельно соединенйых тиристоров. Преобразователь 3 может быть в этом случае выполнен по любой полностью управляемой преобразовательной схеме. Работа устройства изменяется в за|ВИсимос1:и от направления регулировани Напряжения. Рассмотрим случай регулирования в сторону понижения напряже нйя,от уровня сети. Будем считать. Что по обмоткам трансформатора протекайт синусоидальные токи, образуюище трехфазную симметричную систему. ПринйтЪё за положительное направление ёторйчйых TOKOS на фиг, 2 обозначено х:трелками. В рассматриваемом случае тиристоры отпираются системой управления в таком порядке, что в каждый о1ментвремени открыты те вентили, про- водящее направление которых совпадает с текущим направлением вторичных токов. Поэтому тиристоры , будут от крываться в соответствии с диаграммами на фиг. 3, б-г. Тиристоры т -Т, в этом случае не работают. При переключё йии тиристоров входные выводы преобразователи 2 будут попеременно подключаться к точкам d и j цепи постоянного тока. Преобразо-, вНтель 3 в рассматриваемом случае работает в инверторном режиме, поэтому потенциал точки положителен, а точки а - отрицателен. При указанной полярности обеспечивается естественная коммутЩйя тиристоров. Благодаря наличию напряжения между точками а и на выводах .j, будут существовать линейные напряжения, форма которых показана на диаграмме (фиг. 3, д). Поскольку эти напряжения одновременно приложены к выводам вторичной обМотки вбльтодобавочного трансформатора, в них будут наводиться ЭДС, форма которых зависит от схемы соединения этих обмоток. При соединении треугольником ЭДС будут иметь форму показанную на фиг. 3, д при соединении звездой - на фиг. 3, е. Наводимые в первичных обмотках вольтодобавочного трансформатора ЭДС находятся в прЬтивофазе с током нагрузки. Поэтому при активной нагрузке они будут вычитаться из входного напряжения. В результате выходное напряжение будет иметь форму, показанную на фиг. 7, а, в,для соединения обмоток треугольником и звездой, соответственно. . - - ., , . Поскольку величина ЭДС в обмотках трансформатора определяется величиной напряжения U в цепи постоянного тока, то регулирование выходного напряжения осущес,тв ляется изменением угла управления вентиЛей преобразователя 3 . -/;; ; ; ,-. .. / так как преобразователь 3 должен только управлять величиной , то его схема Соединения вентилей и источник питания переменным напряжением принципиального значения для работы устройства не .имеют. Рассмотрим процесс регулирования напряжения в сторону увеличения от уровня сети. Для этого необходимо изменить направление ЭДС в обмотках трансформатора I, что достигается изменением полярности напряжения в цепи постоянного тока (точка Я - положительна, точка :0- отрицательно Это осуществляется переводом преобразователя 3 из инверторного режима в выйрш ительйый путем сортветс- вующего изменения угла управления его вентилей. Работоспособность преобразователя 2 вэФом режиме обеспечивается применением двухступенчатой коммутации вентилей, для чего вентили Т -Т зашунтированы встречно-параллельно включенными вентилями . Рассмотрим порядок переключения вентилей в фазе А (фиг. 2, 4). Пусть до моменту Ь. открыт тиристор Т . В момент t запирается тиристор Т вследствие прекрагчения тока и одновременно отпирается тиристор Т , поэтому при изменении направления ток будет прот кать через него. Под действием небол шого падения напряжения на Т, происходит восстановление вентильной проч ности тиристора Т| . G запаздыванием на интервал л относительно tj отпира ется тиристор Tj противоположного пл ча, при отпирании которого тиристор Т закрывается, поскольку напряжение U(j является для него запирающим. В следующий полупериод аналогично происходит переключение тока с тиристора Т на тиристор Т . В других фазах, процессы повторяются с соответствующим сдвигом во времени. Таким образом, в рассматриваемом режиме также обеспечивается естественная коммутация вентилей, а наличие интервала между перио1цами провод мости вентилей противоположных плеч создает надежные условия для восстановления вентильной прочности и искл чает возможность замыкания в этом ре жиме цепи постоянного тока. Двухступенчатая коммутация не из меняет формы ЭДС в обмотках вольтодобавочного трансформатора, появляется лишь сдвиг между этими ЭДС и токами на интервал л . Поскольку при стандартной частоте /. - 5 , можно считать, что ЭДС вольтодобавочного трансформатора и входное напряжение при активной нагрузке складываются арифметически..Тогда выходное напряжение будет иметь форму, показанную . на фиг. 7, бив. Изменение выходного иапряжения в этом режиме также осуществляется воздействием на угол управления преобразователя 3. При ограничении диапазона регулирования выходного Напряжения устройство может быть упрощено. Так при регулировании выходно го напряжения только в сторону увеличения по сравнению с входным, в преобразователе 2 ключевые элементы выполняются в виде встречно-параллельного соединения управляемых и не управляемых вентилей, а преобразователь 3 выполняется неуправляемьэл (фиг. 5 а). При этом удетевляется силовая часть устройства и значитель но упрощается система управления вен тилями. Принцип работы устройства в этом случае может быть пояснен следующим образом. При регулировании напряжени в сторону увеличения с помощью основ ного устройства применяется двухступенчатая коммутация, при которой между токами и ЭДС вольтодобавочного трансформатора появляется сдвиг на угол А , в основном устройстве он по стоянен. Если его изменять путем регулирования момента отпирания, тиристоров Т, -Т. относительно моментов пё рехода токЬв через ноль, то при боль ших ( входное напряжение Ч и ЭДС первичной обмотки .вольтодобавочного трансформатора Ецл-,- будут складываться гёомё;трйчёС1сй ЧФиг. 5, б) , что позволяет при неизменней величине Еддт регулировать выходное напряжение Ug . Постоянство величины Е означает постоянство напряжения в цепи постоянного тока. При регулировании напряжения в сторону увеличения преобразсэватель 3 работает, в выпрямительном Г Выпрямительный режим и постоянство величины . позволяют выполнить йрербразователь 3 неуправляемым. Неизменное по знаку и запирающее по отношению к тиристорам IIj -TJ напряжение Ud позволяет заменить их на .неуправляемые вентили . ; - - . Из изложенного следует, что система управления преобразователя 2 должна осуществлять изменение угла о и поэтому она должна быть синхронизирована с тЬками в обмотках трансформатора. Однако из векторной диаграммы {фиг. 5, б) следует, что изменение угла сЯ приводит к изменению угла г причем мёжду Этими углами существует однозначное соответствие. Угол р, определяет момент отпирания тиристоров относительно входного напряжения. Поэтому трехфазный мостовой вариант преобразователя 2 может быть реализован на основе стандартного управляемого преобразователя со стандартной синхронизированной относительно напряжения системой управления, путем добавления к нему встречно-параллельно включенных неуправляемых вентилей, , При регули б18йНИИ напряжения В сторону понижения от уровня входного в Преобразователе 2 в качестве ключевьзх элементов йспЬльзутотся неупрайлйемые вентили, а преобразователь 3 выполняется управляемым и работает в инверторном режиме (фиг. 6). Возможность такого упрощения преобразователя 2 вытекает из того факта, что в рассматриваемом режиме йапря жёнйё в цепи пот стоянного тока является для вентилей запирающим, и поэтог они будут от- . крываться только;в тот период, тсогда Направление переменных токов будет соответствовать их проводящему направле нию.. -Описанный принцип работы мостового трехфазного преобразователя 2 может быть легко распространен и на другие схемы преобразования: однофазную мостовую, трехфазные двухмостовые условно - двенадцатифазные, однофазные и трехфазные нулевые двухполупериодные. Число фаз и схема соединения ключевых элементов преобразователя 2 обуславливают закон переключения этих элементов, что 6п1ределяет J)OEMy ЭДС вольтодобавочного транс| орматора и степень искажения выходноЪо напряжения. Для примера на фиг. 8 и 9 показаны формы ЭДС (а) и выходноpd напряжения (б, в) для однрфазньлс и условно-двенадцатифазных jcxeM, Из сопоставления диаграмм на фиг. 7, 8,, 9 следует, что увеличение числа фаз выпрямления приводит к уме1 ьшению степени искажения выходного напряжения и позволяет увеличить диапазон регулирования. Формула изобретения „J . 1,Устройство для регулирования переменного напряжения, содержащее йольтодобавочный трансформатор, первичные обмотки которого включены между входными и выходными ввшодйми yfeTробства, а вторичные обмотки.через ; ёнт1шьный е5лрк на ключевых элементах с входными выводами, от ли ч а ю вд е е с я тем, что, с Цель улучшения формы кривой выходного напр жения, вентильный блсУк выполнен в ви де двух преобразователей переменного тока в постоянный, выходы которых соединены между собой неггосредственно, причем iaxoA первого преобразователя CfOieHKHefil ci йьйедами вторичйшс обшэток врльтодобавочногр трансформатора, а .вход второго - с входными вьшодами 1гстройства. 2.Устройство по п. 1, от л и чаюадёеся тем, что в качестве .ключевых элементов первого преобразователя использованы встречно-параллельно соединенные управляемые вентили, а второго преобразователя - управляемые вентили, 3.Устройство по п. 1, отлйча ющ ее с я тем, что, с целью упрощения при регулировании выходного напряжения только в сторону повышения, в качестве кл1Ьчевых элементов первого преобразователя использованы встречнопараллельно соединенные управляемые и неуправляемые вентили, а второго преобразователя - не ynjpas ля емые вентили, причем выпрямленное напряжение второго преобразователя яв.ляется запирающим по Отношению к неуправляемы : вентилям первого преобразователя. 4.Устройствр по п. 1, О т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения при регулировании выходного напряжения только в сторрну понижения, В качестве кЛйуё1вьЕс элементов первого преобразрвателй использованы неуправляемые вентили, а второго преобразователя - управляемые вентили, причем выход прёрбразрвателей включен встречно-параллельно. Истрчнйкн информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР I 290380, кл.Н 02 М 5/00, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР №471575, кл. G 05 F 1/38, 1975.

CD

Г I

737928

737928

8з -Сз

ЛП

737928

ttt

c/e. 7