Регулятор переменного напряжения и способ его управления Советский патент 1982 года по МПК H02M5/257 H02P13/30 

(54) РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО УПРАВЛЕНИЯ

1

Изобретение относится к электротехнике.

Известны регуляторы напряжения, работающие по вольтодобавочному принципу 2 .

Недостатком данных регуляторов являются ограниченные функциональные возможности.

Наиболее близким к предлагаемому является ре гулятор переменного напряжения, содержащий вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого включена между одним из входных и выходных выводов, а один из выводов пер- вичной обмотки соединен со входными вьшодами устройства через управляемые двухполупериодные ключи, состоящие из согласно-последовательно включенных тиристоров и отсекающих вентилей, между общими точками соединения которых включены кoм yтиpyющиe конденсаторы.

Известен также способ управления этими регуляторами путем комму,тации отсекающих вентилей и соотиетствующих

тиристоров управляемых двухпопуперио ных ключей, обеспечивающий различные режимы работы, первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора из короткозамкнутой на последовательную с питающей сетью ,цепь Гз .

Недостатками известного регулятора и способа управления им являются ограниченные функциональные возможности и низкая устойчивость работы регулятора при углах коммутации, меньших угла сдвига тока нагрузки.

Объясняется это тем, что известный регулятор при согласном включении обмоток вольтодобавочного трансформатора обеспечивает лишь режим вольтодобавка - сеть, а для осуществления режима вольтодобавка - сеть нуждается в пересоецинении одной из обмоток трансформатора. Это ограничивает его регу- лирующие свойства при использовании в качестве стабилизатора напряжения.

Кроме того, в известном регуляторе, управляемом известным способом, при

реактигляой нагрузке и углах коммутации меньших угла сдвига тока (в зоне отрицатепьных токов) диапазон угла коммутации (регулирования) ограничен критическим углом, равным углу сдвига тока нагрузки. Снижение угла коммутации меньше угла сдвига тока приводит к нарушению заданного закона симметричного формировац ия выходного напряжения с вольтодобавкой, либо с вольтоотбавкой и, в конечном итоге, к неустойчивой работе регулятора,

Следовательно, ограничение регулирующих свойств (диапазона угла коммутации и диапазона регулирования уровйй напряжения) при использовании регулятора в качестве исполнительных органов стабилизаторов переменного напрянсения ограничивает функциональные возможности И снижает устойчивость работы при углах коммутации меньших угла сдвига тока нагрузки,

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение устойчивости работы регулятора при1 углах коммутации меньших угла сдвига тока нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что в известном регуляторе перюменного напряжения, содержащем вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого включена между одним из входных и выходных выводова а один из выводов первичной обмотки соединен с входными выводами устройства через управляемые ключи, сост(игщие из согласнопоследовательно включенных тиристоров И отсекающих вентилей, между общими точками соедийения которых включены коммутирующие конденсаторы, параллельно каждому коммутирующему конденсатору подключена цепочка из встречно соединенных тиристоров, общие точки сое- . динения которых соединены с другим выводом первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора (ВДТ).

В предлагаемом регуляторе первичная обмотка включена в диагональ моста, образованного тиристорами управляемых ключей и введенньис цепочек. Это позволяет без вспомогательных пересоединений ее реверсировать, т.е. изменять уровень выхошого напряжения вверх или вниз от номинального сетевого, обеспечивая при этом вольтодобавку (суммирование напряжений первичной и вторичной обмоток ВДТ) или вопьтодобавку , (вычитание напряженки обмоток ВДТ). Вследствие этого в предлагаемом регупяторе диапазон изменения уровня выходного напряжения в два раза больше, чем в известном регуляторе, что позволяет использовать его в качестве исполнительного органа стабилизаторов напряжения с расширенными функциональными возмононостями.

Однако предлагаемый регулятор устойчиво работает при активно-индуктивной нагрузке только при углах коммутации равньк или больше угла .сдвига тока и становится неработоспособным при углах коммутации, меньших угла сдвига тока нагрузки.

В момент, соответствующий заданному .углу коммутации, отпирают отсекающий вентиль и согласно-Последовательно соединенный с ним тиристор соответствующей цепочки при вольтодобавке, а при вольтодобавке - управляемых ключей повышают устойчивость работы регулятора, В этом случае происходит свободный обмен энергией между потребителем и питающей сетью и обеспечиваются контуры перезаряда коммутирующих конденсаторов, с полярностью необходимой для очередной коммутации,при этом осуществляется надежная коммутация тиристоров при любых параметрах нагрузки, а к поопедней во всем диапазоне изменения углов коммутации прикладывается симметричное в оба полупериода напряжение.

На фиг, 1 приведена функциональная схема регулятора; на фиг, 2 и 3 - временные диаграммы работы.

Устройство содержит вольтодобавоч- ный трансформатор, вторичная обмотка 1 которого подключена последовательно с цепью 2 нагрузки, а первичная обмотка 3 одним .выводом соединена с общим зажимом двух управляемых ключей 4 и

5на встречно-параллельных тиристорах 6, 7 и 8, 9, подключенных к зажимам питающей чети через отсекающие вентили Ю, 11 и 12, 13 соответственно. Коммутирующие конденсаторы 14 и 15 подсоединены между общими точками соединения тиристоров 7 и 8 с отсекающими вентилями 10 и 12 и тиристоров

6и 9 с отсекающими вентилями 11 и 13

Параллельно коммутирующим конденсаторам 14 и 15 введены цепочки из встречно соединенньк тиристоров 16 19, общие точки соединения которых связаны с другим выводом первичной обмотеи 3 ВДТ.

Временные диаграммы и алгоритм работы отсекающих вентилей и тиристоров (заштрихованные плошадки соответствуют toe включенному состоянию), поясняющие принцип работы -регулятора и способа управления им гфи углах коммутации меныийзс угла сдвига тока нагрузки н активно-индуктивной нагрузке с вольтодобавкой и вольтоотбавкой приведены на фиг, 2 и 3 соответственно,

Кривые тока нагрузки 2О, кривые напряжения питающей сети 21, кривые напряжения нагрузки при вольтодобавке и вольтоотбавке соответственно 22 и 23 кривые напряжения на коммутирующих конденсаторах 15 и 14 при вольтодобавке и вольтоотбавке, 24, 25 и 26, -27 соответственно.

ripVi этом обозначение всех других позиций соответствует нумерации элементов на фиг. 1.

Предлагаемый регулятор работоспособен при активной и активно-индуктивной нагрузке. В первом случае в качестве отсекающих вентилей 1СХ.13 следует использовать неуправляемые вентили-диоды, а во втором - тиристоры.

Принцип работы регулятора (фиг. 1) сначала рассмотрим при угле сдвига тока 2О нагрузки, большем угла коммутации c(cL(; или однозначно связанного с ним при симметричных (относительно момента ct jr/2} способах регулирования угла соотношением P -J/-at| (фиг. 2 и 3),

При положительной полярности напряжения 21 сети в момент перехода тока 20 через нуль одновременно отпираются отсекающие вентили 10, 13 и тиристоры 7 и 19 управляемого ключа 4 и введенной цепочки. Через образовавшуюся последовательную цепь: сеть - 1О-7-3-1913 - сеть начинает протекать ток 20, .совпадающий по направлению в обмотках

I,3 с напряжением 21 сети, и на интервале Ч .oLjcK нагрузке 2 прикладываетс сумма напряжений сети и вторичной обмотки 1 ВДТ - напряжение 22 с вол1 тодобавкой..

При угле коммутации с(,(ц со схемы управления (на фиг. 1 не приведена) поступают отпирающие импульсы на вентиль 11 и тиристор 16. Последний отпирается и конденсатор 15, разряжаясь по цепи: 15-13-сеты-1О-7-3-16-15, запирает тиристор 19, соединенный встречно-последовательно с тиристором 16, и перезаряжается полярностью напряжения 24 (на фиг, 1 и 2 в скобках). После этого вентиль 13 гаснет, открывается вентиль

II,и образуется контур короткозамкнутой первичной обмотки 3 ВДТ: 3-16J11-Ю-7-3, по которому протекает ток.

2d в прежнем направлении. Изменение . индукции в сердечнике ВДТ задерживается и к нагрузке прикладывается напряжение 22, равное напряжению 21 сети. 5 После смены полярности напряжение 21 (на фиг. 1- в скобках) сети в момент oi-ji-i-Jf }.J-iin, соответствующий заданному углу коммутации, вновь поступают отпирающие импульсы на отсекающий вентиль

0 13 и последовательный с ним тиристор 19, соединенный с одним из выводов первичной обмотки 3 ВДТ и кокл утирующий конденсатором 15, второй вывод ко торого подключен к тиристору 16, вклю5 ченному встречно с упомянутым отпираемым тиристором 19, Вначале открывается тиристор 19 и конденсатор 15, перезаряжаясь по контуру: 15-11-10-7-319-15, запирает тиристор 16, подгото0 вившись .таким образом, к работе в следующем, периоде. По окончании перезаряда конденсатора 15 вентиль 11 запирается, а открывается вентиль 13,

Ток 20, протекающий в пре.жнем нап5 равлении за счет ЭДС самоиндукции по первичной:3-19-13-сеть-10 7-3 и вторичной 1 обмоткам ВДТ встречно с напряжением 21 сети, спадает до нуля при oL 4i-jr . Вентили Ю, 13 и тиристоры

0 7 и 9 запираются и одновременно открываются встречно-параллельные им вентили 11, 12 и тиристоры 6 и 18. Вновь образуется последовательная с сетью цепь первичной обмотки 3 ВДТ, Ток

, 20, меняя направление, протекает на интервале +1 d.ci j4epe3 вентиль 12, тиристор 18, обмотку 3, тиристор 6, вентиль 11, а также по вторичной обмот. ке 1 и к нагрузке прикладывается напряР жение 22 с вольтодобавкой.

При угле KONfMyTaHHH ( вентиль 10 и тиристор 17 поступают отпирающие импульсы и тиристор 17 отпирается. Конденсатор 14 обратным напряжением 25 запирает тиристор 18. и перезаряжается током 2О нагрузки по контуру: 14-17-3- 6-11 -се ть-12-14 полярностью, показанной на фиг. 1 в а обках, после чего открывается вентиль Ю и гаснет

Q вентиль 12. Первичная обмотка 3 ВДТ оказывается замкнутой накоропсо цепью: 3-6-11-10-17 3; вследствие чего на «нтервале к нагрузке 2 прикладывается напряжение 22, равное напряжению 21 сети.

В момент , соответствующий заданному углу коммутации, на вентиль 12 и последоватепы ый с яим тиристор , 18, соединенный с одним из выводов 7 rtefiBHiHoft обмотки 3 ВДТ (здесь как и в предыдущем полупериоде с выводом, имеющим общую точку с тиристорами 16 19 введенных цепочек) и коммутирующим конденсатором -14, второй вывод (обкладка) которого подключена к тиристору 17, включенному встречно с упом5гаутым отпираемым тиристором 18. Вначале о-рпирае1х;я тирис- ор 18, а после перезаряда конденсатора 14 TOKQM 2О по конауру: 14-18-3-6-11-10-14 полярностью, (обозначенной на фиг. 1, без скобок) открывается вентиль 12 и запирается вентиль 1О. Вновь первичная обмотка оказывается подключенн&й к питающей сети. Здесь ток 2О, протекающий встречно с напряжением 21 сети по цепи: 3-6-11-сеть-12-18-3, спадает до нуля в момент , тиристоры 6, 18 и вентили 11 и 12 соответственно запираются. В следующий период процессы повторяются. I Из приведенного видно, что при управ Лении по предлагаемому способу регулят обеспечивает контуры для свободной циркуляции электрической энергии между нагрузкой и сетью, вследствие чего к на рузке прикладывается симметричное в об полупериода напряжение, отличающееся о сетевого на величину напряжения, снима емого с вторичной обмотки ВДТ, форма кривой которого не зависит от параметров активно-индуктивной нагрузки {угла сдвига тока) и угла коммутации. Если для обеспечения контура рекуперации реактивной мощности при вольто добавке отпирают отсекающий вентиль и последовательный с ним таристор введена ных цепочек, образующих ссюместно с одним выводом первичной обмотки ВДТ вершину моста, при вопьтоотбавке для этой цели отпирают отсекающий вентиль и последовательный с ним тиристор управляемых ключей, образующих совместно с вторым вьшодом первичной обмотки ВДТ другую вершину моста. I.1 Прш1цип работы регулятора при вольтоотбавке отличается лишь тем, что токи в первичной и вторичной обмотках ВДТ протекают встречно. Это обеспечивается отпиранием соответствующих отсекающих вентилей и тиристоров, алгоритм работы которых приведен на фиг. 3 Здесь также при подаче управляющих сигналов на отсекающие вентили и тирис торы вначале отпираются тиристоры, про исходит перезаряд конденсаторов и только в момент, когда напряжение на обкла ках конденсаторов сравняется с напря9жением сети, открываются вентили, при i этом образуются либо короткозамкнутая, либо последовательная с сетью цепь первичной обмотки ВДТ. Взаимным изменением углов - М Пd и ct в течение каждого полупериода осуществляется автоматический переход схемы регулятора из режима вольтодобавки в режим вольтоотбавки и наоборот. Конденсаторы перезаряжаются током нагрузки ив любой момент времени имеют полярность, необходимую для надежной коммутации очередного тиристора. По регулировочным свойствам такой тиристорный регулятор приближается к устройствам на полностью управляемых ключах. Формула изобретения 1.Регулятор переменного напряжения, содержащий вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого включена между одним из входных и выходных выводов, а один из выводов первичной обмотки соединен с входными выводами устройства через управляемые ключи, состоящие из согласно-последовательно включенных тиристоров и отсекающих вентилей, между общими точками соединения которых включены коммутирующие конденсаторы, отличающийс я тем, что, с целью расщиренИя функциональных возможностей, параллельно каждому коммутирующему конденсатору подключена цепочка из встречно-(соединенных тиристоров, общие точки соединения которых соединены с другим выводом первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора. 2.Способ управления регулятором переменного напряжения по п. 1, о т личающийся тем, что, с целью повышения устойчивости работы регулятора при углах коммутации, меньших угла сдвига тока нагрузки, в момент, соответствующий заданному углу коммутации, отпирают отсекающий вентиль и согласно-последовательно соединенный с ним тиристор соответствующей цепочки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 432474, кл. q 05 Г 1/30, 1974. 2.Авторское свидетельство СССГ 517122, кл. Н О2 М 5/25, 1977. 3.Авторское свидетельство СССР 541157, кл. Q05P 1/2О, 1П77.

()0Ф|18.}