Регулятор -фазного напряжения Советский патент 1980 года по МПК H02P13/14 

1

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к технике регулирования и стабилизации переменных напряжений, колеблющихся вверх и вниз от своего номинального 5 значения и может найти применение в качестве мощньлх регулируемых (стабилизированных) источников электропитания для электротехнических установок в тех случаях, где требуется высокое О качество электроэнергии и минимальные массо-габаритные характеристики.

Известен трехфазный регулятор переменного напряжения, содержащий трехфазный трансформатор с вентильными tS мостами на вторичной стороне силового трансформатора и полностью управляемыми ключс1ми на выходах указанных мостов. Масса и габариты такого регулятора определяются в основном сило- 20 вым трансформатором, который работает на частоте сети. Удельно-массовый показатель таких регуляторов лежит в пределах 12-20 кг/кВа l .

Известен также трехфазный регуля- 25 тор переменного напряжения с промежуточным звеном повышенной частоты, трансформатор которого работает на повышениой частоте. Такое построение регулятора позволяГёт уменьшить массу 30

и габариты последнего и получить удельно-массовый показатель б8 кг/кВа 2.

Однако такой регулятор имеет неоправданно заниженные энергетические показатели за счет того, что осуществляет двухполярную модуляцию. Кроме того, он имеет повышенную сложность как по построению, так и по управлению.

Наиболее близок к предлагаемому трехфазный регулятор переменного напряжения, содержащий трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого выполнена со средними точками, образующими входные выводы регулятора, а другие концы первичной обмотки подключены к вентильным мостам, на выходе которых включены полностные управляемые ключи (например, тиристоры с искусственной коммутацией), а вторич-. ная обмотка подключена к нагрузке 3j.

Однако силовой трансформатор такого регулятора работает в крайних режимах на частоте сети, что определяет высокие массу и габариты.

Цель изобретения - улучшение массо-габаритных показателей за счет уменьшения массы трансформатора.

Поставленная цель достигается тем, что известный регулятор, содержащий т-фазный трансформатор с парой т-фаэных первичных обмоток, которые одними разноименными концами подключены ко входам основных т-фазных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах, а другими разноименными концами соединены между собой и этими точками соединения образуют входные выводы регулятора, также т-фа ную вторичную обмотку и блок управления, выполненный в виде последовательно связанных между собой задатчика частоты импульсов, управляемого фазосдвигающего узла с синхронизирующими и управляющим входами, логического узла и узла развязки и усиления, снабжен второй т-фазной вторичной обмоткой, которая образует вместе с первой пару вторичных обмоток. Эти обмотки соединены между собой аналогично соединению первичной пары т-фазных обмоток и разноименными концами под-. ключены ко входам дополнительно введенных т-гфазных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах.

С целью улучшения входного коэффициента- мощности фазосдвигающий узел блока управления выполнен в виде двух генераторов пилообразного напряжения .с противоположным наклоном пилы относительно друг друга и двух компараторов. Один вход каждого из компараторов подключен к выходу одного из генераторов пилообразного напряжения, а управляющий вход фазосдвигающего узла образован точкой объединения двух других входов компараторов. Синхронизирующий вход этого узла образован точкой объединения входов генераторов пилообразного напряжения и подключен к выходу умножителя частоты импульсов Логический узел выполнен в виде двух триггеров, вход каждого из которых подключен к выходу соответствующего компаратора. Прямой и инверсный выходы одного из них через узел развязки и усиления соединены с управляющими входами ключей основных т-фазных вентильных мостов, а прямой и инверсный выходы другого аналогичным образом связаны с управляющими входами ключей дополнительных т-фазных вентильных

MOCSTOB.

Для уменьшения искажений выходного на|1ряжения и улучшения энергетический показателей регулятор снабжен дополнительным короткозамыкающим диодным мостом с полностью управляемым ключом на его выходе. Вход этого моста подключен к выходным выводс1М регулятора.

Логический узел содержит триггер, два двухвходовьк логических элемента И и двухвходовый логический элемент ИЛИ с прямым и инверсным выходами. Вход триггера подключен к выходу эадатчика частоты импульсов, его прямой и инверсный выходы подключены к одному из входов соответствующего логического элемента И, а также связаны с управляющими входами ключей основных т-фазных вентильных мостов. Выходы управляемого фазосдвигающего узла подключены к двухвходовому логическому элементу ИЛРГ, прямой выход которого связан с управлаяющим входом ключа короткрзамыкающего диодного моста, а инверсный выход подключен ко вторым входам логических элементов И. Выходы этих логических элементов связаны с управляющими входами ключей дополнительных т-фазных- вентильных мостов.

На фиг. 1 представлены принципиальная схема силовой части регулятора и блок-схема системы управления ключами на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие работу регулятора (при угле регулирования равном нулю); на фиг. 3 - блоксхема системы управления регулят.ора при двухполярном широтно-импульсном регулировании (ДШИР), т.е. при отсутствии короткозамыкающего диодного моста; на фиг. 4 - диагрги мы, поясняющие работу регулятора с системой управления по фиг. з; на фиг. 5 - блоксхема системы управления регулятором при однополяриом широтно-импульсном регулировании (ОШИР), т.е. с короткозамыкающим диодным МОСТОМ} на фиг.6 - диаграммы, поясняющие работу регулятора с системой управления по фиг. 5, на фиг. 7 - варианты использования регулятора по схеме вольтдобавки.

Регулятор т-фаэного напряжения по фиг. 1 а содержит трехфазный трансФорматор 1 со стержнями 2-4, имеюций пару первичных трехфазных обмоток 5 и б и пару вторичных трехфазных обмоток 7 и 8, вентильные мосты 9-12 и короткозамыкакиций мост 13. Все мосты нагружены на соответствукнцие управляемые ключи 14-18 (на схеме представлен один из вариантов выполнения таких ключей на базе тиристоров с устройствами принудительной коммутации). Управление ключами ос ществляется с помощью блока 19 управления. Он содержит узел 20 задания частоты, фазосдвигающий узел 21, логический узел 22 и блок 23 развязки и усиления.

Диаграммы сигналов, поступающих на управляющие входы ключевых элементов, представлены на фиг. 2. Сигналы, обозначенные без скобок соответствующими индексами, являются выходным и сигналами соответствующих узлов блока 19 управления, а сигналы в скобках - это сигналы, используемые для управления ключами. При этом цифровые обозначения (индексы) сигналов соответствуют номерам ключей.

Пояснение работы регулятора на фиг. 1. Для простоты изложения пояснение ведется для одной фазы А. Пусть во время tg-t-t (фиг, 2) ключи 14 и 16 замкнуты. Тогда сетевое напряжение фазы А приложено к первичной обмотке 5, расположенной на стерж не 2. Это напряжение трансформируется во вторичную обмотку 7, также расположенную на стержне 2. В момент времени ключи 14 и 16 разомкнуты а ключи 15 и 17 - замкнуты. При этом сетевое напряжение фазы А приложено к первичной обмотке 6, расположенной на стержне 2, но подключенной к тому же входному выводу регулятора другим концом по отношению к обмотке 5 на стержне 2. Это напряжение трансформируется во вторичную обмотку 8, также расположенную на стержне 2 и аналогичным образом соединенную с обмоткой 7 стержня 2. Таким образом, ключами 14 и 15 модулируют входное напряжение повышенно й частотой, а с помощью ключей 16 и 1,8 демодулируют трансформированное высокочастотное напряжение и получают напряжение U сетевой частоты требуемого уровня. Пояснение работы схемы полностью управляемых ключей 14-18, представлен но на фиг. 1. Пояснения ведется толь ко для ключей 14 и 15, так как осталь ные ключи 16-18 работают аналогично. Ключи 14 и 15 содержат тиристоры 24 и 25, дроссель 26 с обмотками 27 и 28 и конденсаторы 29 и 30. Ключи 14-18 работают следующим образом. Пусть тиристор 24 открыт, а тиристор 25 закрыт. Конденсатор 30 заряжен с полярностью, указанной на схеме. Подачей отпирающего импульса на управ ляющий электрод отпирают тиристор 25. Конденсатор 30 при этом разряжается по цепочке 30.-25-28-30. Под действием тока разряда на обмотках 28 и 27 дрос селя 26 наводится напряжение соответствующей полярности. Наведенное в обмотке 27 напряжение подкладывается че рез практически разряженный конденсатор 29 в обратном направлении к запираемому тиристору 24. Протекающий через него прямой ток вытесняется, и ти ристор запирается. Таким же образом в соответствующий момент времени благодаря отпиранию тиристора 24 запирается тиристор 25. нерегулируемом по напряжению вариан те короткозамыкающий мост 13 не нужен При необходимости регулирования (или стабилизации) выходного напряжения может быть использован блок управления, представленный на фиг.З. Он содержит задатчик 20 частоты, фазо сдвигающий узел 21, включающий в себя два генератора пилоообразного напряженин(ГПН) 31 и 32 с противоположным по отношению друг к другу наклоном пи лы и два компаратора 33 и 34, логический узел 22, выполненный в виде двух триггеров 35 и 36 со счетным BXO дом, а также блок 23 развязки и усиления, имеющий четыре узла развязки и усилеЕИШ (УРУ) 37-40. Блок 19 управления работает следующим образом. Сигнал с задатчика 20 частоты поступает на входы ГПН 31 и 32, с выходов которых сигналы поступают на входы компараторов. 33 и 34 соответственно. Управляющи.е входы компараторов 33 и 34 объединены. Счетный вход триггеров 35 соединен с выходом компаратора 33. Прямой выход триггера 35 через УРУ 37 подключен к управляющему электроду ключа 14, а инверсный выход счетного триггера 35 через УРУ 38 подключен к управляющему электроду ключа 15. Выход компаратора 34 соединен со . входом триггера 36, прямой и инверсный выходы которого через УРУ 39 и 40 подсоединены к управляющим электродам ключей 16 и 18 соответственно. Изменением уровня управляющего сигнала U у компараторов 33 и 34 меняют угол ре-, гулированияс1ч . Система управления обеспечивает симметричную двухполярную широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения регулятора без изменения его фазы. На фиг. 4 представлены диаграммы напряжений на выходах элементов блока управ/1ения и на обмотках регулятора., напряжение на вторичной 7а обмотке 7 фазы а; 20 напряжение на выходе-задатчика 20 частоты; напряжения на выходах генераторов пилообразного напряжения 31 и 32; U;yU34 напряжения на выходах компараторов 33 и 34; Ujj.Ujg - напряжения на выходах триггеров 35 и 36; выходное напряжение регулятора при включении его по схеме вольтдобавки (см. фиг. 7). Для уменьшения искажения выходного напряжения регулятора можно использовать короткозамыкающий диодный мост 13, подключенный к выходным выводам регулятора и нагруженный на полностью управляемый ключ 17. Блок управления в этом случае может быть выполнен - по схеме, представленной на фиг. 5. Он содержит помимо задатчика 20 частоты и фазосдвигающего узла 21 логический узел 22, выполненный в виде одного, двухвходового логического элемента ИЛИ 42 с прямым инверсным выходом, одного счетного триггера 43, входом подключенного к выходу задатчика 20 частоты и двух двухвходовых логических элементов И 44-45, а также узел 23 развязки н усиления, содержащий пять УРУ 37-41. Блок управления по фиг. 5 работает следующим образом. Сигнал с задатчика 20 частоты поступает на вход фазосдвигающего узла 21. ГЙН 31 и 32, имеющие встречный наклон пилы, выходами подсоединены к компараторам 33 и 34 соответственно, а их входы образованы общей точкой входа фазосдвигающего узла 21. Управляющие входы компараторов 33 и 34 объед7- иены.Кроме трго,выход задатчика 20 частоты связан со счетным входом триггера 43, прямой и инверсный выходы которого подсоединены к из входов двухвходовых логических элементов И 44 и 45, а также через УРУ 37 и 38 к управляющим входам ключей 14 и 15.Два выхода фазосдвигающего уз ла 21 образуют входы двухвходового логического элемента ИЛИ 42, прямой выход которого через УРУ 41 соединен с управляющим входом ключа дополнительного диодного моста 17, а инверсный выход - со вторыми входами двухвходовых логических элементов И 44 и 45, выходы которых через УРУ 39 и 40 соединены с ключами 16 и 18 соответственно. На фиг. 6 показаны диаграммы напряжений на выходах элементов блока 19 управления по фиг. 5 где Ug - напряжение на выходе фа зы а регулятора; - напряжение на выходе за датчика 20 частоты; и,,, и 59 напряжения на выходе ГПН 31 и 32; и„, Uj4 - напрям.ения на выходе ко параторов 33 и 34; ид2 - прямой и инверсный выхо ды элемента ИЛИ 42; - выходы .триггера 43; .U - выходы логических элеме тов И 44 и 45; ис, выходное напряжение при использовании регулятор для стабилизации по схе вольтдобавки. На фиг. 7 показана схема соединения предлагаемого регулятора с силовым трансформатором, работающим на частоте сети. На фиг. 7а схема собрана из транс форматора 46 с первичной 47 и вторич ной 48 трехфазными обмотками и регулятора 49. Возможна также модификаци ре улятора, показанная на фиг.. 76. Су.ть ее в том, что при необходимости тр нсформатор 46 может быть снабжен дополнительной трехфазной обмоткой 5 обеспечивающей наиболее рациональную величину напряжения, подаваемую на регулятор. Такая модификация позволя ет в ряде случаев избежать, например последовательного или параллельного соединения полупроводниковых элементов в регуляторе. Следует отметить, что при необходимости придать регулятору по фиг. 1 свойство защиты от внутренних и внешних коротких замыканий вентильные мосты 14, 15, 16 и 18 могут быть выполнены управляемыми. В этом случае необходимо соответствующим образом изменить блок коммутации. Предлагаемая схема силовой части регулятора и его блок управления позволяют значительно уменьшить массогабаритные показатели подобных регуляторов и расширить область применения.. Формула изобретения 1.Регулятор т-фазного напряжения, содержащий т-фазный трансформатор, средние точки первичных обмоток которого подключены ко ВХОДНЕЛМ выводам, а их концы соединены со входами основных ffl-фазных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах, а также т-фазную вторичную обмотку и блок управления, выполненный в виде последовательно соединенных между собой задатчика частоты импульсов, управляемого фазосдвигающего узла с синхронизирующим и управлякяцим входами, логического узла и узла развязки и усиления, отличающийс я тем, что с целью улучшения массогабаритных показателей, он снабжен дополнительными т-фазными вентильными мостами с полностью управляемыми ключами на их выходах, подключенными к концам т-фазной вторичной обмотки трансформатора, выполненной со средними точками, каждая из которых соединена с соответствующим выходным выводом . 2.Регулятор по п. 1, отлич а.ю щ и и с я тем, что, с целью улучшения входного коэффициента мощности, фазосдвйгающий узел выполнен в виде двух генераторов пилообразного напряжения с.противоположным по отношению друг к другу наклоном пилы, входы которых объединены и образуют . синхронизирующий вход узла, соединенного с задатчиком частоты, а каждый выход соединен с одним из входов двух компараторов, два других входа которых объединены и образуют управляющий вход этого узла, этом логический узел выполнен в виде двух триггеров, тактовые входы которых подключены к соответствующим выходам компараторов, выходы одного из них связаны с управляющими входёши ключей основных ffl-фазных вентильных мостов, а. другогос управляющими входами ключей дополнительных т-фазных мостой. 3.Регулятор по п. 1,о т л и чающийся .тем, что, с целью уменьшения искажений выходного напряжения И улучшения энергетических показателей, он снабжен дополнительным короткозамыкающим мостом с полностью

управляе1Йым ключом на его выходе, причем вход этого моста подключен к выходным выводам регулятора.

4. Регулятор по пп. 1 и 3, о т личающийся тем, что логический узел выполнен в виде триггера, двух двухвходовых логических элементов И и двухвходового логического элемента ИЛИ с прямым и инверсным выходами, причем вход триггера подключен к выходу задатчика частоты импульсов, :его прямой и инверсный выходы подключены к одному из входов соответствующего логического элемента и, а также связа.ны с управляющими входами ключей основных т-фазных вентильных мостов, выходы управляемого фазосдвигающего узла подключены ко входам логического элемента ИЛИ, прямой выход которого связан с управляющим входом

ключа короткозамыкающего моста, а инверсный выход - со вторыми входами логических элементов И, выходы которых связаны с управляющими входами ключей дополнительных т-фазных мостов,

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Бейдер Г.Ф., Мыцык Г.С. Построение трехфазных тиристорно-трансформаторкых регуляторов (стабилизаторов)

0 и анализ их вых1адного напряжения. В сб. Современные задачи преобразовательной техники. Киев, ИЭД АН УССР, 1975, вып. 3, с. 346-354.

2.Авторское свидетельство СССР

5 №504287,кл. Н 02 Р 13/14;G 05 Р 1/22.

3.Авторское свидетельство СССР № 318137, кл. Н 02 Р 13/14/G 05 F 1/22, 15.06.70.

А 8 С /V 29 /5 50

и в Uc

.

N

at

cut

-ЖoJ-t

21

нП

H15

ФиеЪ

U/t

-ciii

ш-t

wt

wt

V

fj

Kt7

Ч/5

fn

fte I a .-«i..S rvx|HS