Регулятор -фазного напряжения

Союз Советским Социалистических республик(51) М. Кл. Н 02 Р 13/14 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Научно-исследовательский институт автоматикии электромеханики при Томском институте автоматизированныхсистем управления и радиоэлектроники и Московскийордена Ленина энергетический институт(54) РЕГУЛЯТОР ш-ййЗНОГО ЧйПРЯЖЕНИЯ 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 мощных регулируемых (стабилизированных) источников электропитания для электротехнических установок в тех случаях, где требуется высокое 1 О качество электроэнергии и минимальные массо-габаритные характеристики.Известен трехфазный регулятор переменного напряжения, содержащий трехфазный трансформатор с вентильными 15 мостами на вторичной стороне силового трансформатора и полностью управляемыми ключами на выходах указанных мостов. Масса и габариты такого регулятора определяются в основном сило вым трансформатором, который работает на частоте сети. Удельно-массовый показатель таких регуляторов лежит в пределах 12-20 кг/кВа 1 .Известен также трехфазный регуля-. 25 тор переменного напряжения с промежуточным звеном повышенной частоты, трансФорматор которого работает на повышенной частоте. Такое построение регулятора позволяет уменьшить массу 30 и габариты пОследнего и получитьудельно-массовый показатель 68 кг/кВа 12. 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 3.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 в-фазный трансформатор с парой щ-фазных первичных обмоток, которые одними разноименными концами подключены ко входам основных в-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 в-фазную вторичную обмотку и блок управления, выполненный в виде последовательно связанных между собой задатчика частоты импульсов, управляемого фазасдвигающего узла с синхронизирующими и управляющим входами, логического 15 узла и узла развязки и усиления, снабжен второй в-фазной вторичной обмоткой, которая образует вместе с первой пару вторичных обмоток. Эти обмотки соединены между собой аналогично 20 соединению первичной пары в-фазных обмоток и разноименными концами под-. ключены ка входам дополнительно введенных щ-фазных 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 уз- З 5 ла образован точкой объединения двух других входов компараторов. Синхронизирующий вход этого узла образован .точкой объединения входов генераторов пилообразного напряжения и подключен 40 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 иэ них через узел развязки и усиления соединены с управляющими входами ключейосновных а-фазных вентилвных мостов, а прямой и инверсный выходы другого аналогичным образом связаны с управляющими входами ключей дополнительных в-фазных вентильныхмостовДля уменьшения искажений выходного напряжения и улучшения энергетических показателей регулятор снабжен дополнительным короткозамыкающим диодным мостом с полностью управляемым ключом на его выходе. Вход этого моста подключен к выходным выводам регулятора. 60Логический узел содержит триггер, два двухвходовых логических элемента И и двухвходовый логический элемент ИЛИ с прямым и инверсным выходами. Вход триггера подключен к выхо- у ду эадатчика частоты импульсов, егопрямой и инверсный выходы подключенык одному из входов соответствующегологического элемента И, а также связаны с управляющими входами ключейосновных в-фазных вентильных мостов.Выходы управляемого фазосдвигающегаузла подключены к двухвходоваму логическому элементу ИЛК, прямой выходкоторого связан с управлаяющим входомключа короткозамыкающего диоднаго моста, а инверсный выход подключен ковторым входам логических элементов И.Выходы этих логических элементов связаны с управляющими входами ключейдополнительных щ-фазных вентильныхмостов.На фиг, 1 представлены принципиальная схема силовой части регулятораи блок-схема системы управления ключами, на фиг. 2 - диаграммы, поясняющиеработу регулятора (при угле регулирования равном нулю); на фиг. 3 - блоксхема системы управления регуляторапри двухполярном широтно-импульсномрегулировании (ДШИР), т.епри отсутствии короткозамыкающего диодногомоста; на фиг. 4 - диаграммы, поясняющие работу регулятора с системой управления по фиг. 3; на фиг. 5 - блоксхема системы управления регуляторомпри однополярном широтно-импульсномрегулировании (ОШИР), т.е. с короткозамыкающим диодным мостом; на фиг. 6 -диаграммы, поясняющие работу регулятора с системой управления по фиг. 5;на фиг. 7 - варианты использованиярегулятора по схеме вольтдобавки.Регулятор а-фаэного напряжения пофиг. 1 а содержит трехфазный трансформатор 1 со стержнями 2-4, имеющийпару первичных трехфаэных обмоток 5и 6 и пару вторичных трехфазных обмоток 7 и 8, вентильные мосты 9-12 икороткозамыкающий мост 13. Все мосты .нагружены на соответствующие управляемые ключи 14-18 (на схеме представлен один из вариантов выполнения таких ключей на базе тиристоров с устройствами принудительной коммутации).управление ключами осуществляется спомощью блока 19 управления. Он содержит узел 20 задания частоты, фазосдвигающий узел 21, логический узел22 и блок 23 развязки и усиления.Диаграммы сигналов, поступающихна управляющие входы ключевых элементов, представлены на фиг. 2. Сигналы,обозначенные без скобок соответствующими индексами, являются выходнымисигналами соответствующих узлов блока 19 управления, а сигналы в скобках - это сигналы, используемые дляуправления ключами. При этом цифровыеобозначения (индексы) сигналов соответствуют номерам ключей,Пояснение работы регулятора нафиг. 1. Для простоты изложения пояснение ведется для одной фазы ь.Пусть во время с 0- (фиг. 2) ключи 14 и 16 замкнуты. Тогда сетевое напряжение фазы А приложенок первичной обмотке 5, расположеннои на стержне 2. Это напряжение трансформируется во вторичную обмотку 7, также расположенную на стержне 2, В момент времени с-с 2 ключи 14 и 16 разомкнуты а ключй 15 и 17 - замкнуты. При этом сетевое напряжение фазы А приложено к первичной обмотке б, 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 повышенной частотой, а с помощью ключей 16 и 18 демодулируют трансформи рованное высокочастотное напряжение и получают напряжение О сетевой частоты требуемого уровня.Пояснение работы схемы полностью управляемых ключей 14-18, представленно на фиг, 1. Пояснения ведется только для ключей 14 и 15, так как остальные 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 управляющий электрод отпирают тиристор 25. Конденсатор 30 при этом разряжается по цепочке 30;25-28-30. Под действием тока разряда на обмотках 28 и 27 дросО селя 26 наводится напряжение соответствующей полярности. Наведенное в обмотке 27 напряжение подкладывается через практически разряженный конденсатор 29 в обратном направлении к запи раемому тиристору 24. Протекающий через него прямой ток вытесняется, и тиристор запирается.Таким же образом в соответствующий момент времени благодаря отпиранию тиристора 24 запирается тиристор 25.нерегулируемом по напряжению варианте короткозамыкающий мост 13 не нужен. При необходимости регулирования (или стабилизации) выходного напряжения может быть использован блок управления, представленный на фиг.З. Он содержит эадатчик 20 частоты, фазосдвигающий узел 21, включающий в себя два генератора пилоообразного напря- що жения(ГПН) 31 и 32 с противоположным по отношению друг к другу наклоном пилы и два компаратора 33 и 34, логический узел 22, выполненный в виде двух триггеров 35 и 36 со счетным вхонапряжение на вторичнойобмотке 7 фазы а;напряжение на выходе эадатчика 20 частоты;напряжения на выходахгенераторов пилообразного напряжения 31 и 32;напряжения на выходахкомпараторов 33 и 34;напряжения на выходахтриггеров 35 и 36;выходное напряжение регулятора при включении егопо схеме вольтдобавкиДля 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 фаэосдвигающего 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 и усиления, содержащий ,пять УРУ 37-41. дом, а также б. в .ок -3 р,звязкп н усиления, имеющии четыре узла развязки и усиления (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. Управляющие входы компараторов 33 и 34 объединены. Счетный вход триггеров 35 соединен с выходом компаратора 33, Прямои 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 Окомпараторов 33 и 34 меняют угол регулированияй . Система управления обеспечивает симметричную двухполярную широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения регулятора беэ изменения его фазы.На фиг. 4 представлены диаграммы напряжений на выходах элементов блока управления и на обмотках регуляторагде О 7 ц -Блок управления по фиг. 5 работаетследующим образом,Сигнал с задатчика 20 частоты поступает на вход фазосдвигающего узла 21. ГПН 31 и 32, имеющие встречныйнаклон пилы, выходами подсоединены кфкомпараторам 33 и 34 соответственно,а их входы образованы общей точкойвхода фаэосдвигающего узла 21. Управляющие входы компараторов 33 и 34объеГ нены.Кроме того,выход задатчика 120 частоты связан со счетным входомтриггера 43, прямой и инверсный выходы которого подсоединены к одному извходов двухвходовых логических элементов И 44 и 45, а также через УРУ37 и 38 к управляющим входам ключей 1514 и 15,Два выхода фазосдвигающего узла 21 образуют входы двухвходовогологического элемента ИЛИ 42, прямойвыход которого через УРУ 41 соединенс управляющим входом ключа дополни- Щтельного диодного моста 17, а инверсный выход - со вторыми входами двухвходовых логических элементов И 44и 45, выходы которых через УРУ 39и 40 соединены с ключами 16 и 18 соответственно.На фиг. 6 показаны диаграммы напряжений на выходах элементов блока19 управления по фиг. 5где ОС - напряжение на выходе фазы а регулятора;О - напряжение на выходе эа 20датчика 20 частоты;ОО 2 напряжения на выходе511 32ГПН 31 и 32;О О - напр.;ения на выходе ком 34параторов 33 и 34;О 4 - прямой и инверсный выхо 42ды элемента ИЛИ 42;О 43 - выходы триггера 43;О 4 О - выХоды логических элеменОтов И 44 и 45;4 Ф 46О - выходное напряжение приаиспользовании регуляторадля стабилизации по схемевольтдобавки.45На фиг7 показана схема соединения предлагаемого регулятора с силовым трансформатором, работающим начастоте сети.На фиг. 7 а схема собрана из трансформатора 46 с первичной 47 и вторичной 48 трехфазными обмотками и регулятора 49. Возможна также модификациярегулятора, показанная на фиг 7 б.Суть ее в том, что при необходимоститрансформатор 46 может быть снабжен 55дополнительной трехфазной обмоткой 50,обеспечивающей наиболее рациональнуювеличину напряжения, подаваемую нарегулятор. Такая модификация позволяет в ряде случаев избежать, например, опоследовательного или параллельногосоединения полупроводниковых элементов в регуляторе.Следует отметить, что при необхо-димости придать регулятору по фиг. 2 у свойство защиты от внутренних и внеш- ниХ 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 массо- габаритные показатели подобных регуляторов и расширить область применения.формула изобретения1. Регулятор щ-Фазного напряжения, содержащий щ-фаэный трансформатор, средние точки первичных обмоток которого подключены ко входным выводам, а их концы соединены со входами основных щ-фазных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах, а также щ-фазную вторичную обмотку и блок управления, выполненный в виде последовательно соединенных между собой задатчика частоты импульсов, управляемого фазосдвигающего узла с синхронизирующим и управляющим входами, логического узла и узла развязки и усиления, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что с целью улучшения массо- габаритных показателей, он снабжен дополнительными щ-фаэными вентильными мостами с полностью управляемыми ключами на их выходах, подключенными к концам щ-фазной вторичной обмотки трансформатора, выполненной со средними точками, каждая из которых соединена с соответствующим выходным выводом.2. Регулятор по и. 1, о т л и ч а.ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения входного коэффициента мощности, фазосдвигающий 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 иэ входов двух компараторов, два других входа которых объединены и образуют управляющий вход этого узла, при этом логический узел выполнен в виде двух триггеров, тактовые входы которых подключены к соответствующим выходам компараторов, выходы одного иэ них связаны с управляющими входами ключей основных щ-фазных вентильных мостов, а. другого с управляющими входами ключей дополнительных щ-фазных мостов.3, Регулятор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я .тем, что, с целью уменьшения искажений выходного напряжения и улучшения энергетических показателей, он снабжен дополнительным короткоэамыкающим мостом с полностью,.г управляемым ключом на его выходе, причем вход этого моста подключен к выходным выводам регулятора.4. Регулятор по пп, 1 и 3, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что логический узел выполнен в виде триггера, двух двухвходовых логических элементов И и двухвходового логического эле. мента ИЛИ с прямым и инверсным выходами, причем вход триггера подключен к выходу задатчика частоты импульсов, его прямой и инверсный выходы подклю О чены к одному из входов соответствующего логического элемента И, а также связаны с управляющими входами ключей основных а-фазных вентильных мос.тов, выходы управляемого фазосдвигаю щего узла подключены ко входам логического элемента ИЛИ, прямой выход которого связан с управляющим входом ключа короткозамыкающего моста, а инверсный выход - со вторыми входамилогических элементов И, выходы которых связаны с управляющимй входамиключей дополнительных щ-фазных мостов Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Бейдер Г,ф., Мыцык Г.С. Построение трехфазных тиристорно-трансформаторных регуляторов (стабилизаторов)и анализ их выходного напряжения. Всб. "Современные задачи преобразовательной техники", Киев, ИЗД АН УССР,1975, вып. 3, с. 34 б.2, Авторское свидетельство СССРУ 504287,кл. Н 02 Р 13/14, С 05 Р 1/22.3. Авторское свидетельство СССРР 318137, кл. Н 02 Р 13/14( С 05 Р1/22, 15.06.70.788331 й,фи Составитель И.Техред ж. Костел икитин вич Корректор Л. Ива Редакт к 8373 ное ССР П "Патент", г. Ужгород, ул. Проек 4 и Тираж 783 Подпис ВНИИПИ Государственного комитета Спо делам изобретений и открытий 13035, Москва, Ж, Раушская наб.,