Устройство для регулирования напряжения

Союз СоветскихСоцналнстнческнхРеспублик ОП ИКАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(2 З) Приоритет но делан изобретений н открытийОпубликовано 30.10.82. Бюллетень40 Дата опубликования описания 30,10.82И. С. Ефремов, В, Г. Комаров, С. К. Корольков,В. А. Глушенков, Г. С. Самсонов, В, В. Киричек,и В. А, ЧукановМосковский ордена Ленина и ордена Октябрьск фРеволюцииэнергетический институт(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ1Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения потребителя, например электрической машины промышленного или тягового электропривода.Известно устройство для питания ин 5 дуктивного потребителя, содержащее инвертор тока, к выводам которого подключен ограничитель коммутационных напряжений, а его вход соединен с входными выводами устройства через два тиристорно-импульсных регулятора постоянного тока, причем каждый входной вывод подключен через соответствующий обратный диод к силовому выводу соответствующего 15 регулятора постоянного тока, не связанному с данным входным выводом.Указанное устройство позволяет осуществлять регулирование напряжения в широком диапазоне и бесконтактно пере- зв ходить из режима потребленияэнергии в режим рекуперации 1.Однако недостатком известного устройства является использование двух от 2дельных регуляторов постоянно о 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 мощностью. Большая амплитуда перезарядного тока вызывает значительные потери в полупроводниковых элементах и перезарядных контурах регуляторов и снижает общий КПД устройстм, а использование в этих контурах коммутирующих реакторов ухудшает технологичность устройства и затрудняет его компоновку.Известно также другое устройство для управления пуском и торможением транспортного средстм, оборудованном28 фтока в области малых значений и невозможность осуществления рекуперацииэнергии,Ограничение диапазона регулированиясвязано с тем, что в процессе коммутации перезаряд коммутирующего конденсатора происходит через последовательновключенные нагрузку и источник питания.При этом минимальная величина среднегозначения напряжения на входе инвертораопределяетая выражением1 С 2Оа ь тгде. С, - емкость коммутирующего конденсатора;пцт - напряжение источника питания;Т - период работы импульсного регулятора;Э, - входной ток инвертора.Невозможность осуществления рекуперации объясняется тем, что импульсныйрегулятор имеет одностороннюю связь систочником питания, исключающую воэможность обратного протекания тока инвертора в источник питания.Цель изобретенияупрощение и расширение диапазона регулирования напряжения.Поставленная цель достигается тем,что в устройстве для регулирования напряжения, содержащем инвертор тока, квыходу которого подключен ограничителькоммутационных напряжений, а его входсоединен со входными выводами устройства через импульсный регулятор постоянного тока, выполненный в виде главныхтиристоров, первой и второй коммутирующих цепей, соединенными между собойкоммутирующим конденсатором и соответствующим главным тиристором, каждый входной вывод через соответствую-щий дополнительный введенный вентильподключен к одноименному силовому выводу главного тиристора, не соединеннымс данным входным выводом, а вентиливторой коммутирующей ветви выполненыв виде однонаправленных тиристорныхключей.физическая сущность расширения диапазона регулирования напряжения состоит в том, что засчет введения в импульсный регулятор обратных вентилей изамены неуправляемой коммутирующейветви на управляемую обеспечиваетсявозможность переэаряда коммутирующегоконденсатора через нагрузку, минуя источник питания, что устраняет на интер 3 9706 тяговым асинхронным двигателем, содержащее инвертор тока, один из входных выводов которого соединен с входным выводом устройства через тиристорно импульсный регулятор постоянного тока, З а другой через механический коммутатор, Устройство снабжено также двумя обратными диодами, включенными описанными ранее способами 2 3 и 3 3 .В этом устройстве вместе с опреде- щ ленной простотой конструктивного исполнения и улучшения массо-габаритных показателей, появляются недостатки, не присущие известному устройству, и прояв;- ляющиеся в ограничении диапазона регулирования напряжения на входе инвертора в области малых значений, вследствие невозможности осуществления перезаряда , коммутирующего конденсатора тиристорно- импульсного регулятора постоянного тока,29 минуя источник питания. Кроме того, использование механического коммутатора для перевода устройства иэ режима потребления энергии в режим рекуперации значительно ухудшает быстродействие и25 динамические показатели устройства.Наиболее близким к предлагаемому является устройство для питания индуктивного потребителя, в частности электрической машины, содержащее инвертор тока, к выводам которого подключе огразо ничитель коммутационных напряжений, а его вход соединен с входными выводами через импульсный регулятор постоянного тока, выполненный в виде главных тиристоров, первой и второй коммутирующих ЗЗ ветвей, соединенных между собой коммутирующим конденсатором и соответствующими главными тиристорами, причем первая коммутирующая ветвь выполнена в виде однонаправленных тиристорных клю О чей, а вторая - в виде диодов 4 ,Устройство имеет массу и габариты, соизмеримые с показателями известных устройств, и они оказываются улучшенными эа счетустранения реакторов об- фО ратного колебательного перезаряда и одного коммутирующего конденсатора, кото рые обычно предусмотрены в таких тиристорно-импульсных регуляторах постоянного тока. Кроме того, устраняются токи фф обратного колебательного переэаряда коммутирующего конденсатора, что позволяет рассчитывать полупроводниковые элементы регулятора постоянного тока лишь по загрузке вентилей током нагрузки. 5 ЮНедостатками известного устройства являются ограниченнвш диапазон регулирования напряжения иа входе инвертора5 9706 валах коммутации связь источника питания с нагрузкой и снимает тем самым ограничение на минимальную величину среднего значения напряжения на входе инвертора. Кроме того, введенные схемные взаимо связи 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 различных режимах работы.Устройство для регулирования напряже% ния потребителя, в частности трехфазной электрической машины 1, питаемого от источника 2 постоянного напряжения, содержит инвертор 3 тока, блок ограничения коммутационных напряжений, состо яший из выпрямителя 4, накопительных конденсаторов 5 и 6 и цепей 7 и 8 возврата энергии импульсный регулятор постоянного тока, состоящий иэ главных тиристоров 9 и 10, коммутирующих ти у ристоров первой и второй ветвей 11- 14, соответственно коммутирующего конденсатора 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 2 постоянного напряжения через инвертор 3, вход которого соединен с входны- ми 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 3 подключен выпрямитель 4 ограничителя коммутационных напряжений. Каждый из выводов этого выпрямителя по постоянному току соединен с одним из вьгводов накопительных конденсаторов 5 и 6. Другие. выводы указанных конденсаторов соединены с выводами источника 2 по стоянного напряжения. К выводам конденсаторов 5 и 6, связанным с выпрямителем 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, Выпрямитель 4 совместно с конденсаторами 5 и 6 и цепями 7 и 8 ограничивает коммутационные напряжения на элементах инвертора 3 и 28 ф ввыводах потребителя 1. Для выключения главных тиристоров 9 и 10 между их разноименными электродами в импульс ном регуляторе постоянного тока включены две ветви, состоящие иэ 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 этого источника, а тиристоры 13 и 14 второй коммутирующей ветви - встречно с ннм. Между общими точками коммутирующих тиристоров 11 - 14 включен коммутирующий конденсатор 15. Между одноименными силовыми выводами главных тиристоров 9 и 10 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 1состояния 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 постоянного напряжения (генераторный режим), е 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 Е одновременного открытого состояния главных тиристоров 9 и 10, а обратные диоды 16 и 17 проводят ток поочередно. Среднее значение напряжения О , 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 полярностью, укаэанной беэ скобок (фиг. 1), 970628главные тиристоры 9 и 10 открыты и квходу инвертора 3 приложено наппяжениеисточника 2 питания. Входной ток инвертора протекает при этом по цепи - плюсисточника 2 питания, тиристор 10, сгла-живающий реактор 26, инвертор 3, сглаживающий реактор 25, тиристор 9, минусисточника 2 питания,В начале интервала А включаются коммутирующие тиристоры 11 и 13 и к глав ному тиристору 9 в первый момент прикладывается обратное напряжение конденсатора 15. Тиристор 9 закрывается, авходной ток инвертора начинает протекатьчерез конденсатор 15, по цепи - ццос 35источника 2 питания, тиристор 10, реактор26, инвертор 3, реактор 25, тиристор13, конденсатор 15, тиристор 11, минусисточника 2 питания, Конденсатор 15перезаряжается при этом на обратную 26полярность, указанную в скобках (фиг. 1)К входу инвертора на этом интервалеприложено напряжение, равное алгебраической сумме напряжений источника 2,питания и конденсатора 15. Интервал А 25заканчивается, как только напряжениена конденсаторе 15 с полярностью, указанной в скобках (фиг. 1) достигнет напряжения источника 2 питания. При этомоткрывается обратный диод 17, переза- ЗЕряд конденсатора 15 прекращаетсу и начинается интервал В,На интервале В входной ток инверторазамыкается через обратный диод 17 поцепи - 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 17закрывается и начинается интервал С.На интервале С, как и в исходномсостоянии к входу инвертора прикладывается напряжение источника 2 питания,а входной ток инвертора протекает по43цепи - плюс источника 2 питания, тиристор 10 реактор 26, инвертор 3, реак-"тор 25, тиристор 9, минус источника 2питания.Далее на интервалах Э, Б , про 36цессы, протекающие в устройстве, аналогичны процессам на интервалах А, В, С,с той лишь разницей, что в этих процессах вместо тиристоров 9, 11 и 13участвуют соответственно тиристоры 10,12 и 14,ИВ граничном режиме (фиг. 3), соответствующему холостому ходу потреГителя 1, отсутствуют интервалы В и Е одновременного открытого состояния как главных тиристоров 9 и 10, так и обратных диодов 16 и 17, Среднее значение напряжения 0 , приложенного к входу инвертора в этом режиме, равно нулю.Устройство работает следующим образом.Перед началом интервала А коммутирующий конденсатор 15 заряжен до напряжения цсточника 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 прикладывается обратное напряжение конденсатора 15.Тиристор 9 закрывается, а входной ток инвертора начинает протекать через конденсатор 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 (айаг. 1). К входу инвертора на этом интервале приложено напряжение, равное напряжению перезаряжающегося конденсатора 15. Поскольку конденсатор 15 переэаряжается 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 открывается главный тиристор 10, переэаряд конденсатора 15 прекращается и начинается интервал С.На интервале С, как и в исходном состоянии, входной ток инвертора замыкается через обратный диод 17 по цепиинвертор 3, реактор 25, диод 17, тиристор 10, реактор 26, инвертор 3, а напряжение, приложенное к входу инвертора, равно нулю. На интервалах О и Г процессы, протекающие в устройстве, аналогичны процессам на интервалах А и С с. той лишь разницей, что в этих процессах вместос 970 тиристоров 9, 11 и 13 участвуют соот= ветственно тиристоры 10, 12 и 14.В генераторном режиме существуют интервалы В и Е одновременного открытого состояния обратных, диодов 16 и 17 (фиг. 4), а главные тиристоры 9 и 10 открываются поочередно. Среднее значение напряжение 0 приложенного к входу инвертора, в этом режиме отрицательно, т.е. направление действия этого 39 налряжения противоположно направлению протекания входного тока инвертора. Этот режим отличается от граничного режима работы лишь тем, что за счет дальнейшего сдвига управляющих импульсов глав-И ных тиристоров 9 и 10 по отношению к импульсам коммутирующих тиристоров 11 и 13, а также 12 и 14, дополнительно появляются интервалы В и Е, на которых оба главных тиристора 9 и 10 за крыты 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, 2 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 Зй инвертора, который работает вэтом случае как управляемый выпрямитель. Такой режим соответствует передаче энергии, вырабатываемой потребителем 1, в источник 2 питания.ИВ 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 вызывает доэаряд коммутирующего конденсатора 15.43Предлагаемое устройство в отличие от известного позволит осуществлять допол- нительно рекуперацию энергии и плавный 628 1 Обесконтактный переход от потребления энергии к ее рекуперации беэ применения сложного и громоздкого дополнительного оборудования. Кроме того, возможно получение режима холостого хода потребителя, когда источник питания компенси рует лишь потери в цепях устройства. Среднее значение напряжения на входе инвертора, питающего потребитель, при этом близко к нулю, а величина тока определяется лишь необходимостью пере-заряда коммутирующего конденсатора. Формула изобретения Устройство для регулирования напряжения, содержащее инвертор тока, к выходу которого подключен ограничителькоммутационных напряжений, а его входсоединен с входными выводами через импульсный регулятор постоянного тока,выполненный в виде главных тиристоров,первой и второй коммутирующих цепей,соединенными между собой коммутирую-"щим конденсатором и соответствующимглавным тиристором, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширениядиапазона регулирования и упрощения,каждый входной вывод через соответствующий дополнительно введенный вентильподключен к одноименному силовому выводу главного тиристора, несоединенным сданным входным выводом, а вентили второй коммутирующей ветви выполнены ввиде однонаправленных тиристорных ключей,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент Швейцарии % 596704,кл. Н 02 Р 13/18, 1976 (Р 1 с.5 а),2, Патент Франции % 2309366,кл. Н 02 Р 13/14, 1976.3, фЯетеоз-УейясЭ 1 Иф. 50, 1976,Не Н 7, 493-497.4, Патент Швейцарии Ио 596704,кл. Н 02 Р 13/18, 1976 (1 с 4 а).