Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное

(19) 5 Н 02 М 5/257 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР МИТЕТОТКРЫТИЯМ ЕТЕ ИЗ С)ПИ А 257,(57) И к обл льзование: изо и электротехни КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Нижегородский политехнический институт(56) Авторское свидетельство СССР ЛЬ 428366, кл, С 05 Р 1/14, 1974 - аналог.Патент США М 4220911, кл, МКИ С 05 Р 5/00, Н КИ, 323/43,5, 1980 - аналог.Авторское свидетельство СССР М. 1350651, кл. С 05 Р 1/20, Н 02 М 5/ 1987 - аналог.Липковский К.А. Трансформаторноключевые исполнительные структуры преобразователей переменного напряжения - Киев: Наукова думка, 1983 - с, 188 - 196 - прототип.(54) РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕбретения: регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное состоит из трансформатора с регулировочными отводами 3, 4, ключей 1, 2, формирователей управляющих импульсов 6 - 9, высокочастотных генераторов 12, 13, Если функционирование высокочастотного генератора 12 и формирователя управляющих импульсов 6 тиристорного ключа 1 нарушено, на выходе индикатора 10 состояния цепей управления ключей будет сигнал логического нуля. При этом основной высокочастотный генератор 12 запирается, а резервный высокочастотный генератор 13 запускается, Одновременно основной формирователь 6 управляющих импульсов запирается и сигналы управления на тиристорный ключ 1 подаются от резервного высокочастотного генератора 13 через резервный формирователь управляющих импульсов 8, 1 з.п, ф-лы, 3 ил.Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования под нагрузкой силовых и преобразовательных трансформаторов,Известны регулируемые преобразова тели переменного напряжения в переменное, в которых для обеспечения большого диапазона и повышенной точности регулирования используют большое количество тиристорных ключей в отводах регулировоч ных обмоток трансформатора. Данные устройства требуют использования системы управления с повышенной надежностью, т,к, при неправильных включениях тиристорных ключей могут возникать замыкания 15 регулируемых ступеней обмотки, которые характеризуются большими значениями токов, опасных для ключей и обмоток трансформатора.Наиболее близким к предлагаемому яв ляется регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное, содержащий трансформатор с регулировочными отводами, связанными с ключами в виде встречно-параллельно соединенных 25 тиристоров, формирователи управляющих импульсоВ для каждого ключа, связанные выходами с соответствующими ключами, высокочастотный генератор, связанный выходом со входами питания формирователей 30 управляющих импульсов, формирователь алгоритма переключения ключей, входы которого соединены с управляющими цепями "выше", "ниже", а количество выходов соответствует количеству ключей. Гакое 35 выполнение системы управления преобразователя не обеспечиваег надежного переключения ключами регулировочных отводов при нарушении функционирования одного или нескольких формирователей управляю щих импульсов или высокочастотного генератора.Целью изобретения является повыше ние надежности регулируемого преобразователя, Это достигается тем, что в 45 регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное, содержащий трансформатор с регулировочными отводами, связанными с ключами в виДе встречно-параллельно соединенных 50 тиристоров, формирователи управляющих импульсов для каждого ключа, связанные выходами с соответствующими ключами, высокочастотный генератор, связанный выходом с входами питания формирователей 55 управляющих импульсов, формирователь алгоритма переключения ключей, входы которого соединены с управляющими цепями "Выше", "Ниже", а количество выходов соответствует количеству ключей, дополнительно введены индикаторы состояния цепей управления ключа по числу ключей, резервные формирователи управляющих импульсов по числу ключей, резервные формирователи управляющих импульсов по числу ключей, резервный высокочастотный генератор, связанный выходом со входами питания резервных формирователей управляющих импульсов, и блок включения резерва, при этом блок включения резерва выполнен в виде двухвходовых логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ по числу ключей, входы которых формируют входы блока включения резерва, а выходы соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с 5-входом КЯ-триггера, В-вход которого через ключ соединен с нулевым выводом и через резистор с плюсовой шиной питания, инверсный выход КЯ-триггера соединен с первыми входами элементов И первой группы, число которых равно числу ключей, и формирует первый выходной вывод блока включения резерва; прямой выход ВЯ-триггера соединен с первыми входами элементов И второй группы, число которых равно числу ключей, и формирует второй выход блока включения резерва, выходы всех элементов И образуют соответствующие выходы блока включения резерва, кроме того, выходы формирователя алгоритма перекл ючения ключей соединены с первыми входами соответствующих элементов "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", вторые входы которых соединены с выходами соответствующих индикаторов состояния цепей управления и со вторыми входами соответствующих элементов И первой и второй групп, первый выход блока включения резерва соединен со входом управления высокочастотного генератора, второй выход блока включения резерва соединен со входом управления резервного высокочастотного генератора, выходы элементов И первой группы соединены со входами управления соответствующих формирователей управляющих импульсов, выходы элементов И второй группы соединены со входами управления соответствующих резервных формирователей управляющих импульсов. формирователь управляющих импульсов выполнен в виде импульсного трансформатора, первичная обмотка которого через ключ подключена к выходу высокочастотного генератора, а,вторичные обмотки связаны с управляющими входами тиристоров ключа. Индикатор состояния цепей управления содержит две оптотранзисторные пары, светодиоды которых включены встречно-параллельно и подключены параллельно одной из обмоток импульсного трансформатора, логический элемент И - НЕ, входы которого соединены с общими точками соединенных последовательно и подключенных к источнику посто янного напряжения резистора и соответствующего оптотранзистора, при этом выход элемента И - НЕ формирует выход индикатора состояния цепей управления, .10На фиг.1 показана функциональная схема регулируемого преобразователя; на фиг,2 - схема формирователя управляющих импульсов и индикатора состояния цепей управления ключа управляющих импульсов; 15 на фиг,3 - схема высокочастотного генератора. Регулируемый преобразователь (см.фиг.1) содержит и двунаправленных тиристорных ключей, первый из них обозначен ключом 1, последний и-ый ключ - ключом 2, 20 которые соединены с соответствующими первым и и-ым регулировочными отводами 3 и 4 обмотки 5 силового или преобразовательного трансформатора, соответственно количеству тиристорных ключей и основных 25 б и 7 и и резервных 8 и 9 формирователей управляющих импульсов, и индикаторов 10 и 11 состояния цепей управления ключей 1. и 2, основной и резервный высокочастотные генераторы 12 и 13, блок 14 включение ре зерва, формирователь алгоритма переключения ключей 15. Выход основного высокочастотного генератора 12 соединен с силовыми цепями всех и основных формирователей б и 8 управляющих импульсов, а 35 выход резервного высокочастотного генератора 13 - с силовыми цепями всех и резервных формирователей 7 и 9 управляющих импульсов, Входы формирователя алгоритма переключения ключей 15 40 соединены с взаимоинверсными управляющими цепями "Выше", "Ниже" 16 и 17, а количество его выходов соответствует количеству ключей и, первый из которых обозначен выходом 18, а и-ый выходом 19, Выходы 45 18, 19 формирователя 15 алгоритма пере-, ключения ключей совместно с выходами 20, 21 индикаторов состояния цепей управления 10 и 11 соединены попарно с соответствующими входами блока 14 включения 50 резерва, выходы 22, 23 которого соединены с управляющими цепями основного и резервного высокочастотных генераторов 12 и 13, а выходы 24, 25 и 26, 27 - с управляющими цепями основных 6 и 7, и резервных 8, 9 55 формирователей управляющих импульсов, Блок 14 включения резерва содержит соответственно числу ключей и логических двухвходовых элементов "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", первый из них обозначен элементом 28, и-ый элементом 29, две группы двухвхо- довых логических элементов И, каждая из которых состоит из числа элементов равных числу ключей и, причем, первые элементы первой и второй групп обозначены соответственно элементами 30, 31, а и-ые - элементами 32, 33; логический элемент ИЛИ 34; ВЯ-триггер 35.При этом входы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 28, 29 образуют входы блока 14 включения резерва, а выходы 22 и 23 ВЯ- триггера 35 и выходы 24 - 27 элементов И 30 - 33 - выходы блока 14 включения резерва. Первые входы элементов 28, 29 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены с выходами 20, 21 индикаторов 10, 11 состояния цепей управления, вторые входы - с выходами 18, 19 формирователя 15 алгоритма переключения ключей, а их выходы - со входами элемента ИЛИ 34. Установочный вход логической единицы Я-триггера 35 соединен с выходом элемента ИЛИ 34, а установочный вход логического нуля В соединен через резистор ,36 с плюсовой шиной питания и в исходном состоянии соединен с нулевым выводом через нормально закрытый ключ 37. Первые входы элементов И 30, 32 первой группы соединены с инверсным выходом ВЯ-триггера 35, первые входы элементов И 31, 33 второй группы соединены с прямым выходом ВЯ-триггера 35. Вторые входы элементов И 30, 31 и элементов 32, 33 соединены со вторыми входами элементов ИСКЛЮЧАЮ ЩЕ Е ИЛ И 28, 29.Формирователь и индикатор состояния цепей управления для каждого тиристорного ключа, выполненного в виде встречно-параллельно соединенных тиристоров 38, 39 (фиг.2) содержит импульсный высокочастотный трансформатор 40 с обмотками 41 - 45, причем обмотки 41, 42 являются питающими и соединены с силовыми цепями формирователей управляющих импульсов, обмотки 43, 44 - выходные и соединены с управляющими цепями тиристоров 38, 39, а обмотка 45 - входная обмотка индикатора состояния цепей управления, Основной и резервный формирователи управляющих импульсов имеют одинаковую схему, которая содержит выпрямительный мост из диодов 46 - 49 (54 - .57), транзистор 50 (58) в диагонали моста, Один вход выпрямитель- ного моста, образованный диодами 47, 49 (55, 57), соединен с началом обмотки 41 (42), а другой вход, образованный диодами 46, 48 (54, 56) совместно с концом обмотки 41 (42) образует силовую цепь 51, 52 (59, 60) формирователя, Базовая цепь транзистора 50 (58) образует управляющий вход 53 (61) формирователя. Управляющие цепи тиристоров38, 39 содержат выпрямительные мосты 62, кратковременным размыканием нормально 63, входы которых соединены с обмотками замкнутого контакта 37 и подачи через ре,44 трансформатора 40, конденсаторы 64, зистор 36 напряжения логической единицы 65, которые включены параллельно выхо- на установочный вход й-триггера 35, При дам выпрямительных мтельных мостов 62 63. 5 этом на его прямом выходе 22 устанавливаИндикатор состояния цепей управле- ется напряжение логического нуля, а на инния содержит две оптотранзисторные пары версном 23 - логической единицы, которые 66; 67, состоящие из светодиодов 68, 69, не меняются при замыкании контакта 37. фототранзисторов 70, 71, резисторы 72-77, Сигнал выхода 22 ВЯ-триггера 35 запускает логический элементлемент И - НЕ 78. Светодиоды 10 основной генератор 12, а инверсный сигнал 68, 69 коограничивающими резистора- выхода 23 - запирает резервный генераторс токоог91 ми 72, 73 включены встречно-параллельно к 13, т.к, его управляющие транзисторы 90, 9 зажимам обмотки 45 трансформатора 40, (фиг.З) отперты и шунтируют цепи база - фототранзисторы 70, 71 через коллектор- эмиттер силовых транзисторов 87, 89. На ные резисторы 73, 75 подключены к источ выходы первого логического элемента И 30 нику питания Ек, коллекторные выходы первой группы (фиг,1) поступают сигналы фототранзисторов 70, 71 соединены со вхо- логических единиц с инверсного выхода 23 дами элементаи элемента И-НЕ 78, а базовые входы ВЗ-триггера 35 и с первого выхода 1 форс оры 76 77 соединены с эмит- мирователя алгоритма переключения клю 24 терными цепями и заземлены, Выход эле чей 15, вследствие чего на его выходе мента И - НЕ 78 образует выход 79 формируется сигнал логической единицы, индикатора состояния цепей управления Остальные(п)логические элементы И 31 -ЗЗ имеют на выходе сигналы логического ключа.Основной и резервный высокочастот-нуля. Выходной сигнал 24 логического эленый генераторы (фиг.З) представляют из се мента И 30 поступает на управляющий вход бя транзисторный генератор с 53 транзистора 50 (фиг.2) и отпирает его, трансформаторной обратной связью по из- Обмотка 41 трансформатора 40 подключаетвестной схеме Ройера, Он содержит высоко- ся через выпрямительный мост 46 - 49 и прочастотный трансформатор 80 с рабочей водящий транзистор 50 ксиловым цепям 51, обмоткой 81, обмотками 82 - 85 обратной 30 52, накоторые"поступает высокочастотное связи, силовые транзисторы 86 - 89, управ- напряжение от основного генератора, В выляющие транзисторы 88, 89, которые шунти- ходных обмотках 43, 44 индуцированное наруют переходереход база-эмиттер силовых пряжение выпрямляется мостами 62, 63, транзисторов 90, 91, резисторы 92, 93, кото- фильтруется конденсаторами 64, 65 и постурые соединены с управляющим входом 94 35 пает на управляющие цепи тиристоров генератора, На выходных зажимах 95, 96 39, переводя их в проводящее состояние, фо мир ются знакопеременные высокоча- Одновременноиндуцируетсявысокочастотстотные импульсы напряжения прямоуголь- ное напряжение в обмотке 45 трансфор ной формы. тора 40, вследствие чего в положительныеРассмотрим работу преобразователя 40 полупериоды ток протекает через светоди(фиг.1), Сигналы управления, поступающие од 68 и резистор 72, а в отрицательные - по цепям "Выше", "Ниже" 16, 17 являются. через светодиод 69 и резистор 74, Соотвзаимоинверсными иформируются измери- ветственно отпираются фототранзистотельным органом в режиме автоматическо- ры 70 и 71 и на входы логического го регулирования напряжения или с 45 элемента И - НЕ 78 поступают по полупепомбщью контактных элеМентов в режимериодам сигналы логического нуля, а начного управления, Формирователь алго- его выходе 79 формируется непрерывный ручного уитма переключения ключей 15- представ- сигнал логической единицы. Сигнал о ляет из себя программируемый таймер, ческой единицы индикатора 10 состоя- формирующий алгоритм переключения ти ния цепей управления тиристорного ристорныхключейвдесятичномкодепосиг- ключа 1 (фиг,1) поступает совместно с налам управляющих цепей "Выше", "Ниже" сигналом логической единицы первоговыхода 18 формирователя алгоритма пеПредположим, что под действием уп- реключения ключей 15 на входы элеменравляющих цепей "Выше", "Ниже" 16, 17 на 55 та ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 28, формируя выходе 18 формирователя алгоритма пере- на его выходе сигнал логического нуля, ключения ключей 15 имеетместосигналло- выходы других (и) логических элеменгической единицы, а на остальных его тов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29 также раввыходах-сигналылогическогонуля.Исход- ны нулю, вследствие чего на выходе ное состояние триггера 35 устанавливается логического элемента ИЛИ 34 сигнал равен логическому нулю и состояние ВЯ-триггера 35 не изменяется.Если функционирование основного высокочастотного генератора 12 или основного формирователя 6 управляющих импульсов первого тиристорного ключа 1 нарушено, на выходе 20 индикатора 10 состояния цепей управления будет сигнал логического нуля, Это объясняется тем, что либо на силовые входы 51, 52 (фиг.2) не 10 поступает высокочастотное напряжение, либо на управляющий вход 53 транзистора 50 поступает сигнал логического нуля и выпрямительный мост 46 - 49 разомкнут, На 15 и ряжение в обмотках 41-45 трансформатора 40 отсутствует, фототранзисторы 70, 71 оптотранзисторных пар 66, 67 заперты, на входы логического элемента И - НЕ 78 поступают сигналы логических единиц с коллекторных цепей фототранзисторов 71, 72, формируя на его выходе 79сигнал логического нуля, Этот сигнал, поступая на первый вход логического элемента 28 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, формирует на его выходе сигнал логической единицы, вследствие чего на выходе логического элемента ИЛ И 34 и на установочном входе логической 25 ется сигнал логической единицы, а на инверсном 23 выходе - сигнал логического нуля. Одновременно сигнал на выходе 24 логического элемента 30 И будет равен логическому нулю, а на выходе 26 элемента 31 И - логической единице. Переключение ВЯ- триггера 35 вызывает переключение высокочастотных генераторов, Основной высокочастотный генератор 12 запирается,35 40 т.к, поступающий на его управляющий вход 94 (фиг,3) сигнал логической единицы отпирает транзисторы 90, 91, которые шунтируют переходы база-эмиттер силовых транзисторов 87, 89. Резервный высокочастотный генератор 13 (фиг,1) запускается сигналом логического нуля с инверсного выхода 23 ВЯ-триггера 35, Переключение сигналов логических элементов 30, 31 И вызывает переключение формирователей 6, 7 управляющих импульсов, Основной формирователь 6 управляющих импульсов за 50 пирается, т.к, на его управляющий вход 53 (фиг,2) поступает сигнал логического нуля, вследствие чего транзистор 50 запирается и диагональ выпрямительного моста 46 - 49 размыкается. На управляющий вход 61 резервного формирователя поступает сигнал логической единицы, транзистор 58 отпира 55 ется, замыкая диагональ выпрямительного моста 54 - 57. Обмотка 42 трансформатора единицы Я триггера 35 формируется сигналлогической единицы, Триггер 35 переключится и на его прямом выходе 22 сформиру 40 подключается через выпрямительный мост 54 - 57 и йроводящий транзистор 58 к силовым цепям 59, 60, на которые подается высокочастотное напряжение от резервного генератора 13. Выходные обмотки 43, 44 трансформатора совместно с выпрямитель- ными мостами 43, 44 и фильтрующими конденсаторами 64, 65 обеспечивают подачу управляющих"импульсов йа тиристоры 38, 39. Одновременно индуцируется высокочастотное напряжение в обмотке 45 и на выходе элемента И - НЕ 78 индикатора состояния цепей управления формируется. сигнал логической единицы. Этот сигнал переключает (фиг.1) выходы логических элементов 28 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и 34 ИЛИ в исходное состояние, а состояние ВЯ-триггера 35 не меняется. Так как частота формирования управляющих -импульсов значительно выше частоты тока, протекающего через тиристорный ключ 1, переключение на резервные генераторы 13 и формирователь 8 управляющих импульсов выполняется без нарушения работы ключа 1, а следовательно, и всего преобразователя,Аналогично выполняется контроль функционйроыания и переключениянарезервные высокочастотный генератор и формирователи управляющих импульсов при проводящем состоянии всех остальных (и) тиристорных ключей преобразователя.Таким образом, использование предлагаемого регулируемого преобразователя переменного напряжения в переменное,содержащего дополнительно для каждого тиристорного ключа индикатор состОяния цепей управления и резервный формирователь управляющих импульсов, резервный высокочастотный генератор, блок включения резерва позволяет обеспечить непрерывную работу тиристорных ключей при нарушении работоспособности системы формирования управляющих импульсов, т,е. повысить надежность преобразователей,Данное устройство целесообразно применять в регулируемых преобразователях средней и большой мощности, в частности для электролиза цветных металлов и химических элементов, к которым предъявляются требования повышенной надежности,Формула изобретения 1, Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное, содержащий трансформатор с регулировочными отводами, связанными с ключами в виде встречно-параллельно соединенных тиристоров, формирователи управляющих импульсов для каждого ключа, связанные выходами с соответствующими ключами, высокочастотный генератор, связанный выходом с входами питания формирователей управляющих импульсов, формирова тель алгоритма переключения ключей, входы которого соединены с управляющими цепями "Выше", "Ниже", а количество выходов соответствует количеству ключей, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью 10 повышения надежности, введены индикаторы состояния цепей управления ключа по числу ключей, резервные формирователи управляющих импульсов по числу ключей, резервный высокочастотный генератор, 15 связаннь;й выходом с входами питания резервных фор лирователей управляющих импульсов, и блок включения резерва, при этом блок включения резерва выполнен в виде двухвходоеых логических элементов 20 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ по числу ключей, входы которых формируют входы блока включения резерва, а выходы соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с Я-входом ЯЯ триггера, Й-вход которого через ключ соединен с нулевым выводом и через резистор - с плюсовой шиной питания, инверсный выход ЯЯ-триггера соединен с первыми входами элементов И первой группы, число ЗО которых равно числу ключей, и формирует первый выходной вывод блока включения резерва, прямой выход ВЯ-триггера соединен с первыми входами элементов И второй группы, число которых равно числу ключей, 35 и формирует второй выход блока включения резерва, выходы всех элементов И образуют соответствующие выходы блока включения резерва, кроме того, выходы формирователя алгоритма переключения ключей соединены с первыми входами соответствующих элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, вторые входы которых соединены с выходами соответствующих индикаторов состояния цепей управления и с вторыми входами соответствующих элементов И первой и второй групп, первый выход блока включения резерва соединен с входом управления высокочастотного генератора, второй выход - с входом управления резервного высокочастотного генератора, выходы элементов И первой группы соединены с входами управления соответствующих формирователей управляющих импульсов, выходы элементов И второй группы - соединен с входами управления резервных соответствующих формирователей управляющих импульсов,2, Преобразователь по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что формирователь импульсов выполнен в виде импульсного трансформатора, первичная обмотка которого через ключ подключена к выходу высокочастотного генератора, а вторичные обмотки связаны с управляющими входами тиристоров ключа, индикатор состояния цепей управления содержит две оптотранзисторные пары, светодиоды которых включены встречно-параллельно и подключены параллельно одной из обмоток импульсного трансформатора, логический элемент И-НЕ, входы которого соединены с общими точками соединенных последовательно и подключенных к источнику постоянного напряжения резистора и соответствующего оптотранзистора, при этом выход элемента И - НЕ формирует выход индикатора состояния цепей управления,176765373иг. 5Составитель Б,Алтунинктор А.Купрякова Техред М.Моргентал Корректор Н.Кеше Заказ 3556 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101