Устройство для регулирования напряжения Советский патент 1982 года по МПК H02P13/18 

(54) УСТРОЙдТВО для РЕГУЛИГОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения потребителя, например электрической машины промыш ленного или тягового электропривода. Известно устройство для питания индуктивного потребителя, содержащее инвертор тока, к выводам которого подклю чен ограничитель коммутационных напряжений, а его вход соединен с входными выводами устройства через два тиристор но-импульсных регулятора постоянного тока, причем каждый входной вывод подключен через соответствующий обратный диод к силовому выводу соответствующе регулятора постоянного тока, не связанному с данным входным выводом. Указанное устройство позволяет осуществлять регулирование напряжения в широком диапазоне и бесконтактно переходить из режима потребленияэнергии в режим рекуперации 1 . Однако недостатком известного устройства является использование двух отч дельных регуляторов постоянно тока, что существенно увеличивает его массу и габариты и уменьшает общий КПД. Кроме того, в таких тиристорно-импульсных регуляторах постоянного тока обычно устанавливают контуры обратного колебательного перезаряда коммутирующего конденсатора, что дополнительно нагружает полупроводниковые элементы регуляторов током обратного перезаряда коммутирующего конденсатора, а коммутирующий конденсатор - непроизводительной реактивной моишостью. Большая амплитуда перезарядного тока вызывает значительные потери в полупроводниковых элементах и перезарядных контурах регуляторов и снижае.т общий КПД устройства, а использование в этих контурах коммутирующих реакторов ухудшает технологичность устройства и затрудняет его компоновку. Известно также другое устройство для управления пуском и торможением транспортного средства, -оборудованногс тяговым асинхронным двигателем, содержащее инвертор тока, один из входных выводов которого соединён с входным вьгоодом устройства через ТЕГристорноимпульсный регулятор постоюоюго тока, а другой - через механический коммутатор. Устройство снабжено также двумя обратными диодами, включенными описанными ранее способами С2 3 и ГЗ . В этом устройстве вместе с определенной простотой конструктивного исполнения и улучшения массо-габаритных по казателей, появляются недостатки, не присущие известному устройству, и прояв ляющиеся в ограничении диапазона регулцрования напряжения на входе инвертора в области малых значений, вследствие невозможности осуществления перезаряда коммутирующего конденсатора тиристорно импульсного регулятора постоянного тока минуя источник питания. Кроме того, использование механического коммутатора для перевода устройства из режима потребления энергии в режим рекуперации значительно ухудшает быстродействие и динамические показатели устройства. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для питания индуктивного потребителя, в частности электри ческой машины, содержащее инвертор тока, к вьшодам которого подключен ограничитель коммутационных напряжений, а его вход соединен с входными выводами через импульсный регулятор постоянного тока, выполненный в виде главных тиристоров, первой и второй коммутирующих ветвей, соединенных между собой коммутирующим конденсатором и соответствующими главными тиристорами, причем пер вая коммутирующая ветвь вьшолнена в виде однонаправленных тиристорных клю- |чей, а вторая - в виде диодов 4 . Устройство имеет массу и , соизмеримые с показателями известных устройств, и они оказываются улучщенными за счетустранения реакторов обратного колебательного перезаряда и одного коммутирующего конденсатора, кото рые обычно предусмотрены в таких тиристорно-импульсных регуляторах постояН ного тока. Кроме тогхэ, устраняются токи обратного колебательного перезарада ком мутирующего конденсатора, что позволяет рассчитывать полупроводниковые элементы регулятора постоянно1Х) тока лищь по загрузке вентилей током нагрузки. Недостатками известного устройства являются ограниченный диапазон регулирования напряжения на входе инвертора тока в области малых значений и невоз-; можность осуществления рекуперации энергии. Ограничение диапазона регулирования связано с тем, что в процессе коммутации перезаряд коммутирующего конденсатора происходит через последовательно включенные нагрузку и источник питания. При этом минимальная величина среднего значения напряжения на входе инвертора определяется вьфажением cl-nin Т-Э где. С - емкость коммутирующего конденсатора; - напряжение источника питания; Т - период работы импульсного регулятора;Л - входной ток инвертора. Невозможность осуществления рекуперации объясняется тем, что импульсный регулятор имеет одностороннюю связь с источником питания, исключающую возможность обратного протекания тока инвертора в источник питания. Цепь изобретения - упрощение и расщирение диапазона регулирования напряжения. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для регулирования напряжения, содержащем инвертор тока, к выходу которого подключен ограничитель коммутационных: напряжений, а его вход соединен со входными вьтодами устройства через импульсный регулятор постоянного тока, вьшолненньй в виде главных тиристоров, первой и второй коммутирующих цепей, соединенными между собой коммутирующим конденсатором и соответствующим главным тиристором, каждый входной вывод через соответствую-щий дополнительный введенный вентиль подключен к одноименному силовому выводу главного тиристора, не соединенным с данным входньшс вьгоодом, а вентили второй коммутирующей ветви вьшолнены в виде однонаправленных тиристорных ключей. Физическая сущность расщирения диапазона регулирования напряжения состоит в том, что за счет введения в импульсный регулятор обратных вентилей и замены неуправляемой коммутирующей ветви на управляемую обеспечивается возможность перезаряда коммутирующего конденсатора через нагрузку, минуя источник питания, что устраняет на интервалах коммутации связь источника питан с нагрузкой и снимает тем самым ограни чениё на минимальную величину среднего значения напряжения на входе инвертора. Кроме того, введенные схемные вааимосвязи позволяют изменять направление протекания тока на входе устройства и тем самым осуществлять плавный бесконтактный переход в режим рекуперации На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - 4 - временные диаграммы, поясняющие принцип его действия в различ ных режимах работы. Устройство для регулирования напряж ния потребителя, в частности трехфазной электрической машины 1, питаемого от источника 2 постоянного напряжения, содержит инвертор 3 тока, блок ограничения коммутационных напряжений, состо ящий из выпрямителя 4, накопительных конденсаторов 5 и 6 и цепей 7 и 8 воз врата энергии импульсный регулятор постоянного тока, состоящий из главных тиристоров 9 и 10, коммутирующих ти- ристоров первой и второй ветвей 11 14, соответственно коммутирующего кон денсатора 15, обратных диодов 16 и 17 и системы управления, состоящей из блока 18 управления, пороговых элементов 19 и 20 и логических элементов 21 и 22, входные выводы 23 и 24, реакторы 25 и 26. Потребитель 1 подключен к источнику 2постоянного напряжения через инвер- тор 3, вход которого соединен с входными выводами 23 и 24 устройства через главные тиристоры 9 и 10 импульсного .регулятора постоянного тока, предназначенные для регулирования среднего значения напряжения и тока на входе инвертора. К выходным выводам инвертора 3подключен вьшрямитель 4 ограничителя коммутационных напряжений. Каждьгй из выводов этого вьшрямителя по постоянному току соединен с одним из выводов накопительньк конденсаторов 5 и 6. Другие , выводь) указанных конденсаторов соединены с выводами источника 2 постоянного напряжения. К выводам конден саторов 5 и 6, связанным с вьтрями1 елем 4, подключены цепи 7 и 8, выполненные в виде тиристоров или резисторов и служащие для возврата энергии, накопленной в конденсаторах 5 и 6, в входную цепь инвертора 3. Вьшрямитель 4 совместно с конденсаторами 5 и 6 и цепями 7 и 8 ограничивает коммутационные напряжения на элементах инвертора 3 и Выводах потребителя 1. Для выключения главных тиристоров 9 и 10 между их разноименными электродами в импульсном регуля оре постоянного тока включены две ветви, состоящие из согласно последовательно включенных коммутирующих тиристоров 11 - 14. Тиристоры первой коммутирующей ветви 11 и 12, подключенной параллельно источнику постоянного 2 напряжения, направлены согласно с действием напряжения этчэго источника, а тиристоры 13 и 14 второй коммутирующей ветви - встречно с ним. Между общими точками коммутирующих тиристоров 11-14 включен коммутирующий конденсатор 15. Между одноименными сидовыми выводами главных тиристоров 9 и 1О и входными выводами 23 и 24 встречно действию источника 2 постоянного напряжения включены обратные диоды 16 и 17, служащие для образования контуров, обеспечивающих непрерывное протекание постоянного входного тока инвертора 3 на интервалах закрытого с6сто5шия главных тиристоров 9 и 10. Управляющие выводы всех тиристоров подключены к соответствующим выходным выводам системы управления, которая вырабатывает требуемую последовательность управляющих импульсов для включения соответствующих тиристоров. Предлагаемое устройство позволяет осуществить как- режим потребления тока от источника постоянного напряжения (двигательный режим), так и режим возврата тока от потребителя в источник посто5Шного напряжения (генераторный режим), а также плавный бесконтактный переход из одного режима в другой. Весь период работы устройства можно разделить на основные временные интервалы, представленные на фиг. 2-4, соответственно. В двигательном режиме (фиг. 2) существуют интервалы С и F одновременного открытого состояния главных тиристоров 9 и Ю, а обратные диоды 16 и 17 проводят ток поочередно. Среднее значение напряжения (J , приложенного к входу инвертора, в этом режиме положительно, т.е. направление действия этого напряжения совпадает с направлением протекания входного тока инвертора. Устройство работает следующим образом. Перед началом интервала А коммути-. рующий конденсатор 15 заряжен до напряжения источника 2 питания с поляр - ностью, указанной без скобок (фиг. 1), 79 главные тиристоры 9 и 1О открыты и к входу инвертора 3 приложено напсяжение источника 2 питания. Входной ток инверт ра протекает при этом по цепи - плюс источника 2 питания, тиристор 10, сглаживаюишй реактор 26, инве{)тор 3, сглаживающий реактор 25, тиристор 9, минус источника 2 питания, В начале интервала А включаются ком мутирующие тиристоры 11 и 13 и к глав ному тиристору 9 в первый момент прикладывается обратное напряжение конденсатора 15. Тиристор 9 закрьгоается, а входной ток инвертора начинает протекать через конденсатор 15, по цепи .- плюс источника 2 питания, тиристор 10, реакт 26, инвертор 3, реактор 25, тиристор 13, конденсатор 15, тиристор 11, минус источника 2 питания. Конденсатор 15 перезаряжается при этом на обратную полярность, указанную в скобках (фиг. 1 К входу инвертора на этом интервале приложено напряжение, равное алгебраической сумме напряжений источника 2 дитания и конденсатора 15. Интервал А заканчивается, как только напряжение на конденсаторе 15 с полярностью, указанной в скобках (фиг. 1) достигнет напряжения источника 2 питания. При этом открывается обратный диод 17, перезаряд конденсатора 15 прекращаете; и начинается интервал В. На интервале В входной ток инвертора замыкается через обратный диод 17 по цепи - инвертор 3, реактор 25, диод 17 тиристор 10, реактор 26, инвертор 3. Напряжение, приложенное к входу инвертора на этом интервале, равно нулю. Интервал В заканчивается при новом открывании тиристора 9. При этом диод 17 закрывается и начинается интервал С. На интервале С, как и в исходном состоянии, к входу инвертора прикладывается напряжение источника 2 питания, а входной ток инвертора протекает по цепи - плюс источника 2 питания, тиристор 10, реактор 26, инвертор 3, реак- тор 25, тиристор 9, минус источника 2 питания. Далее на интервалах D , Е: , F процессы, протекающие в устройстве, аналогичны процессам на интервалах А, В, С, с той лишь разницей, что в этих процессах вместо тиристоров 9, 11 и 13 участвуют соответственно тиристоры 1О, 12 и 14. В граничном режиме (фиг. 3), соот ветствующему холостому ходу потребителя 1, отсутствуют интервалы В и Е од28повременного открытого состояния как главньк тиристоров 9 и 1О,1так и обратных диодов 16 и 17. Среднее значение напряжения U, , приложенного) к входу инвертора в этом режиме, равно нулю. Устройство работает следующим образом. Перед началом интервала А коммутирующий конденсатор 15 заряжен до напряжения источника 2 питания с полярностью, указанной без скобок (фиг. 1), главный тиристор 9 открыт, а тиристор 10 закрыт и входной ток инвертора замыкается через обратный диод 16 по цепи: инвертор 3, реактор 25, тиристор 9,диод 16, реактор 26, инвертор 3. Напряжение, приложенное к входу инвертора, при этом равно нулю. В начале интервала А включаются коммутирующие тиристоры 11 и 13 и к главному тиристору 9 в первый момент прикладьтается обратное напряжение конденсатора 15. Тиристор 9 закрывается, а входной ток инвертора начинает протекать через когденсатор 15 по цепи - инвертор 3, реактор 25, тиристор 13, конденсатор 15, тиристор 11, диод 16, реактор 26, инвертор 3. Конденсатор 15 при этом перезаряжается на обратную полярность, указанную в скобках (фиг. 1). К входу инвертора на этом интервале приложено напряжение, равное напряжению перезаряжающегося конденсатора 15. Поскольку конденсатор 15 перезаряжается на обратную полярность, то среднее значение напряжения, приложенного к входу инвертора на этом интервале равно нулю. Интервал А заканчивается, как только напряжение на конденсаторе 15 с полярностью; указанной в скобках (фиг. 1), достигнет напряжения источника 2 питания. При этом открывается обратный диод 17 и в этот же момент открьпзается главный тиркстор 10,перезаряд конденсатора 15 прекращается и начинается интервал С. На интервале С, как и в исходном состоянии, входной ток инвертора замыкается через обратный диод 17 по цепи инвертор 3, реактор 25, диод 17, тиристор 10, реактор 26, инвертор 3, а напряжение, приложенное к входу инвертора, равно нулю. На интервалах D и F процессы, протекающие в устройстве, аналогичны процессам на интервалах А и С с той лишь разницей, что в этих процессах вместо

тиристоров 9, 11 и 13 участвуют соответственно тиристоры 10, 12 и 14.

В генерхаторном режиме существуют интервалы В и Е одновременного открытого состо$гаия обратных, диодов 16 и 17 (фиг. 4), а главные тиристоры 9 и

10открываются поочередно. Среднее значение напряжение U , приложенного

к входу инвертора, в этом режиме отрицательно, т.е. направление действия этого напряжения противоположно направлению протекания входного тока инвертора. Это режим отличается от граничного режима работы лишь тем, что за счет дальнейшего сдвига управляющих импульсов глав ных тиристоров 9 и 1О по отношению к импульсам коммутирующих тиристоров

11и 13, а также 12 и 14, дополнительно появляются интервалы В и Е, на которых оба главных тиристора 9 и 10 закрыты и входной ток инвертора протекает встречно действию напряжения источника питания через обратные диоды 16

и 17 по цепи - минус источник 2 питания, диод 16, реактор 26, инвертор 3, реактор 25, диод 17, плюс источника 2 питания. На этих интервалах напряжение, приложенное к входу инвертора, равно напряжению источника питания и направлено встречно протеканию входного тока инвертора, который работает вэтом случае как управляемый выпрямитель. Такой режим соответствует передаче энергии, вырабатываемой потребителем 1, в источник 2 питания.

В предлагаемом устройстве для осуществления регулируемого дозаряда коммутирующего конденсатора 15, с целью оптимизации параметров коммутирующего узла вместо обратных диодов 16 и 17 используют тиристоры. Задержка на их открывание по отношению к моментам естественного открывания диодов 16 и 17 вызьгоает дозаряд коммутирукнцего конденсатора 15.

Предлагаемое устройство в отличие от известного позволит осуществлять дополнительно рекуперацию энергии и плавный

бесконтактный переход от потребления энергии к ее рекуперации без применения сложного и громоздкого дополнительного оборудования. Кроме того, возможно получение режима холостого хода потребителя, когда источник питания компенсирует лишь потери в цепях устройства. Среднее значение напряжения на входе инвертора, питающего потребитель, при этом близко к нулю, а величина тока определяется лишь необходимостью перезаряда коммутирующего конденсатора.

Формула изобретения

Устройство для регулирования напряжения, содержащее инвертор тока, к выходу которого подключен ограничитель коммутационных напряжений, а его вход соединен с входными выводами через импульсный регулятор постоянного тока, выполненный в виде главных тиристоров, первой и второй коммутирующих цепей, соединенными между собой коммутирующим конденсатором и соответствукицим главным тиристором, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования и упрощения, каждьй входной вывод через соответст- вуктаий дополнительно введенный вентиль подключен к одноименному силовому вывду главного тиристора, несоединенным с данным входным выводом, а вентЕшн второй коммутирукяцей ветви выполнены в виде однонаправленных тиристорных ключей.

t

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

fPu. 2

С f F

Ь

1W

т

10

(iO.IVi

J

1

fff

ut5