Устройство для регулирования переменного напряжения

Союз Советских Социалистических Республик(23) Приоритет Государственный комитет СССР ио делам изобретений и открытий(53) УДК 621.316. .722(088.8) Опубликовано 300580,Бюллетень ИР 20 Дата опубликования опчсания 05, 06. 80(72) Автор изобретения А, Г. Савин Калининский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт(54) УСТРОИСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯе 2,1Изобретение относится к области электротехники, в частности преобра-, зовательной техники, и может быть использовано, например, для регули- рования или стабилизации напряжения электропотребителей.Известныустройства, содержащие включенный последовательно с нагрузкой вольтодобавочный трансформатор, Первичные обмотки которого соединены с сетью с помощью тиристорных ключей с Фазовым управлением. В этих устройствах уменьшается токовая нагрузка вентилей при соответствующем увеличении рабочего напряжения(11 и(2);т 5Недостатком указанных устройств является искажение формы выходного напряжения. Целью изобретения является улуч шение формы кривой выходного напряжения, что позволяет при заданной степени искажений расширить диапазон регулирования.указанная цель достигается тем, 25 что в устройстве для регулирования переменного напряжения, содержащем вольтодобавочный трансформатор, первичные обмотки которого включены между входными и выходными выводами ЗО устройства, а вторичные обмотки через вентильный блок на ключевых элементах связаны с входными выводами,вентильный блок выполней в виде двухпреобразователей переменного тока впостоянный, выходы которых соединенымеждУ собой непосредственно, причемвход первого преобразователя соединен с выводами вторичныхобмоток вольтодобавочного трансформатора, а втоРого преобразователя - с входными выводами устройства. В качестве ключевыхэлементов первого преобразователямогут быть использованы встречно-параллельно соединенные управляемыевентили, а второго преобразователяуправляемье вентили. С целью упсощения при регулировании выходного напряжения только в сторону понижения, в качестве ключевых элементов первого преобразователя использованы неуправляемые вентили, а второго преобразователя - управля" емые вентили, причем выход преобразователей включен встречно-параллельС целью упрощения при регулировании выходного напряжения только в сто рону повьтаения, в качестве ключевых.элЕментов первого преобразователя ис-пользованы встречно-параллельно сое-.диненные"управляемые и неуправляемыевентили, а второго преобразователя"-неуправляейые вентили, причем выпрямленное напряжение второго преобразователя является запирающим по отнощенйю к неуправляемым вентилям пер вого преобразователя.На Фиг, 1 дана блок"схема устройства на Фиг. 2 - принципиальная схематрехфазного варианта устройства с..мостовым преобразователем; на фиг. 3й 4- диаграммы" работы устройствапри регулировании напряжения в сторону понижения и повышения от уровнясети; на фйг, 5 и б - упрощенные варианты для регулирования тольков сторону повышения или понижений от уровня сети, соответственно; на Фиг, 7-9 -диаграммы напряжений на нагрузке длятрехфазных, однофазных и условно двенадцатифазных схем.устройство содержит вольтодобавочнцй трансформатор 1, первичные обмОтки которого включены последовательно.между входными н выходными выводами р 5устройства, а вторичные подключены к ппреобраэователю 2 переменного тока впостоянный. преобразователь 2 соединен выводами постоянного тока в точках а и б, со вторым преобразователем 3, связанным с входными выводами.В общем случае устройство можетиметь различное число Фаз, в нем могутиспользоваться различные схемы преобразования и различные типы ключевыхЭлементов. Поэтому принцип его действия рассмотрим применительно к трехФазному варианту, при выполнении преобразователя 2 по трехфазной мостовойсхеме и при использовании в качествеключевых элементов в нем встречнопараллельно соединенныхтиристоров. Преобразователь 3 может быть в этомслучае выполнен по любой полностью управляемой преобразовательной схеме,Работа устройства изменяется в за ;висимосйи от направления регулированияНапряжения. Рассмотрим случай регулирования в сторону понижения напряже.нйя от уровня сети. Будем счйтать,что по обмоткам трансформатора проте Окают синусоидальные токи, образующие трехфазную симметричную систему. Принятое за "положительное направлеййевторичнйх токов на Фиг, 2 обозначенострелками. -В рассматриваемом случае тиристоры 7 -Тб отпираются системой управления в такомпорядке, что в каждыймоментвремени открыты те вентилй, про;водящее направление которых совйадает с текущим направлением вторичных токов. поэтому тиристоры т -тб будут от.крываться в соответствии с диаграмм"мами на фиг. 3, б-г, Тиристоры Т -Тб в этом случае не работают. При пере-ключе 1 нии тирйсторов т-тб входные выводы А В С преобразователи 2 будутпопеременно подключаться к точкам аи 4 цепи постоянного тока. Преобразователь 3 в рассматриваемом случаеработает в инверторном режиме, поэтому потенциал точки 8 положителен, аточки а - отрицателен. При укаэаннойполярности обЕсйечивается естественная коммутация тиристоров. Благодаряналичию напряжения между точками а и4 на выводах А В С будут существовать линейные напряжения, Форма кото, рых показана на диаграмме (Фиг. 3, д),Поскольку эти напряжения одновременно приложейы к вывОдам вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, в них будут наводиться ЭДС, форма которых зависит отсхемы соедине-ния этих обмоток. При соединении треугольником ЭДС будут иметь форму пОказанную на фиг. 3, д при соединениизвездой - на Фиг. 3, е.Наводймые в первичных обмоткахвольтодобавочного трансформатора ЭДСнаходятся в противофазе с током нагрузки. Поэтому при активной нагрузке оннбудут вычитаться из входного напряжения. В результате выходное напряжениебудет иметь форму, показанную нафиг. 7, а, в, для соединения обмотоктреугольником и звездой, соответственно.Поскольку величина ЭДС в обмоткахтрансформатора определяется величиной напряжения 0 д в цепи постоянноготока, то регулирование выходного напряжения осуществляется изменениемугла управления вентилей преобразователя 3Так как преобразователь 3 должентолько управлять величиной Пд, то егосхема соединения вентилей и источникпитания переменным напряжением принципиального значения для работы устройства не.имеют.Рассмотрим процесс регулированиянапряжения в сторону увеличения отуровня сети. Для этого необходимо изменить направление ЭДС в обмоткахтрансформатора 1, что достигается изменением полярности напряжения в цепи постоянного тока (точка д - положительна, точка Ю - отрицатель на 1.Это осуществляется переводом преобразователя 3 иэ инверторного режима ввыйрямительный путем соответствующего изменения угла управления его вентилей,Работоспособностьпреобразователя2 в этом режйме обеспечивается применением двухстуйенчатой коммутациивентилей, для чего вентили Т -Т забыунтированы встречно-параллельно включенными вентилями Т -Тб/ /Рассмотрим порядок переключения,вентилей в фазе й (фиг. 2, 4) . Пустьдо момента С,. открыт тиристор Т 1 . Вмомент В "запирается тиристор Т,( вследствие прекращения тока и одновременно737928отпирается тиристор Т , поэтому при изменении направления ток будет. протекать через него. Под действием небольшого падения напряжения на Т, проис 1ходит восстановление вентильной пРочности тиристора Т . С эапаздываиием на интервал о относительноотпирается тиристор Т противоположного плеЯ чие интервала между периодами проводимости вентилей противоположных плечсоздает надежные условия для восстановления вентильной прочности и исключает возможность замыкания в этом режиме цепи постоянного тока.Двухступенчатая коммутация не изТак при регулировании выходного напряжения только в сторону увеличения пб сравнению с входным, в преобразователе 2 ключевые элементы выполняются в виде встречно-параллельного соединения управляемых и неуправляемых вентилей, а преобразователь 3 выполняется неуправляемьщ (Фиг. 5 а). При этом удешевляется 60 ния этих элементов, что определяет орму ЭДС вольтодобавочного транс" орматора и степень искажения выходного- напряжения. Для примера на Фиг. 8 65 и 9 показаны Формы ЭДС (а) и выходно" . ча, при отпирании которого тиристор Т закрывается, поскольку напряжение Щ является для него запирающим. В следующий полупериод аналогично происходит переключение тока с тиристо ра Т на тиристор Т . В других Фазах процессы повторяются с соответствующим сдвигом во времени.Таким образом, в рассматриваемом режиме также обеспечивается естественная коммутация вентилей, а налименяет формы ЭДС в обмотках вольтодобавочного трансформатора, появляется лишь сдвиг между этими ЭДС и токами на интервал о( . Поскольку при стандартной частоте Ф = 5 , можноосчитать, что ЭДС вольтодобавочного трансформатора и входное напряжение при активной нагрузке складываются арифметическиТогда выходное напряжение будет иметь форму, показанную на фиг. 7, б и в. Изменение выходного напряжения в этом режиме также осуществляется воздействием на угол управления преобразователя 3.При ограничении диапазона регулирования выхо(ного напряжения устройство может быть упрощено. силовая часть устройства и значительно упрощается система управления вентилями Принцип работы устройства в этомслучае может быть пояснен следующимобразом. При регулировании напряжения в сторону увеличения с помощью основного устройства применяется двухступенчатая коммутация,при которой между токами и ЭДС вольтодобавочноготрансформатора появляется сдвиг ийугол А . В основном устройстве он по" стоянен, Если его изменять путем регулирования момента отпирания. тиристоров Т -т. отйосительно моментов пеЬрехода токов через ноль, то при больших,а( входное напряжение О и ЭДС первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора Е . будут складывать. ся геометричеаки 4 иг, 5, б), что позволяет при неизменной величине Ет регулировать вЫходное напряже-ние 02. Постояство величины Еозначает постоянство напряженияв цепи постоянного тока. При регулировании напряжения в сторону увеличения преобразователь 3 работает ввыпрямительном режиме. Выйрямительный режим и постоянство величины Пдпозволяют выполнить Преобразователь 3 неуправляемым, Неизменное по знакуи запирающее по отношению к тиристорам Т -Т напряжение 0 д позволяет1ьзаменить их на .неуправляемые вентилиВ-В,.Из изложенного следует, что систе ма управления преобразователя 2 долж: на осуществлять изменение угла о 20 и поэтому она должна быть синхронизирована с токами в обмотках трансформатораОднако из векторной диаграммы,(фиг. 5, б) следует, что изменение уг"лаФ привбдит к йэмейению угла р 5 причем между этими"углами существуетоднозначное соответствие. Угол р определяет момент отпирания тиристоровТ -Т относительно входного напряже 6ния. Поэтому трехфазный мостовой вари"ант преобразователя 2 может быть реа-лизован на основе стандартного управляемого преобразователя со стандартнойсннхронизированнойотносительно напряжения системой управления, путем добавления к нему встречно-параллельновключенных неуправляемых вентилей,При регулирбвании напряжения в сторойу понижения отуровня входного впреобразователе 2 в качестве ключевых элементов используются"неуправля емые вентили, а преобразователь 3 выполняется управляемым и работает в инверторном режиме (Фиг. 6) . Возможнбстьтакого упрощения преобразователя 2 вы"текает из того Факта, что в рассматриваемом- режиме напряжение в цепи по-.стоянного тока является для вентилейзапирающим, и поэтому они будут открываться только в тот период, когданаправление переменных токов будет со- О ответствовать их проводящему направлению.:Описанный принцип работы мостового трехфазного преобразователя 2 может быть легко распространен и на дру.гие схемы преобразования: однофаэнуюмостовую, трехфазиые двухмостовыеусловно - двенадцатифазные, однофаз"ные и трехфазные нулевые двухполупериодные. Число Фаз и схема соединения ключевых элементов преобраэователя 2 обуславливают закон переключего напряженйя(б, в) для однофазных й условно-двенадцатифазных схем.Иэ сопоставления диаграмм на фиг. 7, 8, 9 следует, что увеличение числа Фаз выпрямления приводит к уменьшению степени искажения выход" ного напряжения и позволяет увеличить диапазон регулирования. Формула изобретения,1, Устройство для регулирования 1 О переменного напряжения, содержацее вольтодобавочный трансФорматор, первячнйе обмоткикотороговключены между входными и выходными выводами устройства, а вторичные обмотки через 15 вентильный блок на ключевых элементах связаны с входными выводами, о т - л и ч а ю ц е е с я тем, что, с целью .Улучшения Формы кривой выходного напряжения, вентильный блок выполнен в ви-Щ де двух преобразователей переменного тока в постоянный, выходы которых соединены между собой непосредственно, . причем вход первого преобразователя соединенс"вьйодами вторичных обмоток вольтодобавочного трансФорматора, а ,вход второго - с входными выводами устройства .2. Устройство по п. 1, о т л. ич а ю ц е е с я тем, что в качестве ;ключевых элементов первого преобразователя использованы встречно-параллельно соединенные управляемые вентили,а второго преобразователя - управляемые вентили.3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю ц е е с я тем, что, с цельюупроцения при регулировании выходногонапряжения только в сторону повыаения,в качестве ключевых элементов первогопреобразователя использованы встречнопараллельно соединенные управляемые инеуправляемые вентили, а второго преобразователя - неуправляемые вентили,причем выпрямленное напряжение второ-.го преобразователя является эапираюцим по отношению к неуправляемым вентилям первого преобразователя,4. Устройство по и 1,о т л ич а ю ц е е с я .тем, что, с целью .упроцения при регулировании выходногонапряжения только в сторону понижения,в качестве ключевых элементов первогопреобразователя использованы неуправляемые вентили, а второго преобразователя - управляемые вентили, причемвыход преобразователей включен встречно-параллельно.Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9 290380, кл. Н 02 М 5/00, 19712. Авторское свидетельство СССРР 471575, кл 0 05 Р 1/38, 1975.