Тиристорный регулятор напряжения

 

Сущность изобретения: регулятор содержит два силовых тиристора 1 и 2, коммутирующий конденсатор 6, два разрядных тиристора 7 и 8, два разрядных тиристора 9 и 10, блок управления, выполненный на трансформаторе 11, переменном резисторе 12, формирователях 13 и 14 управляющих импульсов, конденсаторе 15, дросселе 16, выпрямителях 17 и 18 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л Н 02 М 3 /125

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ! юй (21) 4821017/07 (22) 03.05,90 (46) 07.06.92. Бюл. N 21 (71) Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники (72) В.Ф.Стрелков (53) 621.316,727(088.8) (56) 1, Авторское свидетельство СССР

¹1171919,,кл. Н 01 М 1/08, 2. Авторсое свидетельство СССР

¹ 1201974, кл. Н 01 М 1/08;

3. Авторское свидетельство СССР

¹ 432474, кл. G 05 F 1/30.

„„5U ÄÄ 1 739450 À1 (54) ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ (57) Сущность изобретения: регулятор содержит два силовых тиристора 1 и 2, коммутирующий конденсатор 6,. два разрядных тиристора 7 и 8, два разрядных тиристора 9 и 10, блок управления, выполненный на трансформаторе 11, переменном резисторе

12, формирователях 13 и 14 управляющих импульсов, конденсаторе 15, дросселе 16, выпрямителях 17 и 18. 2 ил.

1739450 к диагоналям которого подключен формиро- 45 ватель управляющих импульсов, снабжен50

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к преобразовательной технике, и может быть использовано в системах импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорными регуляторами напряжения.

Известны устройства для управления полуп роводниковыми приборами статического преобразователя, состоящие из фазосдвигающего моста (ФСМ), в диагональ которого включены ключевые схемы. ФСМ представляет собой одну из разновидностей фазосдвигающих устройств, используемых в СИФУ, а ключевые схемы являются формирователями импульсов (ФИ), включающими тиристоры силовой цепи статического преобразователя (1) и (2).

Известно также устройство для регулирования переменного напряжения под нагрузкой, где тиристоры силовой цепи управляются от СИФУ, которая осуществляет как их включение, так и выключение (3).

Устройство для управления полупроводниковыми приборами статического преобразователя содержит ФСМ и две ключевые схемы, состоящие из транзистора и накопительного конденсатора каждая, включенные через разделительные диоды в диагональ

ФСМ, причем накопительные конденсаторы подключены между базой транзистора одной ключевой схемы и коллектором транзистора другой ключевой схемы, и два дополнительных диода, катод каждого из которых подключен к базе одного из транзисторов, и выходной элемент, выполненный в виде трехобмоточного импульсного трансформатора, первичная обмотка которого включена между анодами дополнительных диодов, которые, кроме того, подключены к эмиттерам транзисторов(1), Устройство для управления полупроводниковыми приборами статического преобразователя состоит из сетевого резонансного фильтра, содержащего дроссель и конденсатор, фазосдвигающего моста, образованного вторичной обмоткой входного трансформатора, емкостным и переменным активным сопротивлением плеч, ное двумя однофазными мостовыми схемами выпрямления и индуктивным сопротивлением, подключенным к одному выводу вторичной обмотки входного трансформатора, к которой подключено емкостное сопротивление, причем индуктивное и емкостное сопротивления через однофазные мостовые схемы выпрямления соответственно подключены к другому выводу вторичной обмотки входного трансформатора, а между положительными

40 выводами указанных схем выпрямления, соединенных между собой и их отрицательными выводами включено переменное активное сопротивление (2).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является устройство для регулирования переменного напряжения под нагрузкой, которое содержит регулирующий орган, состоящий из вольтодобавочного трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно с нагрузкой, и источник переменного напряжения, два управляемых тиристорных ключа, два диода, каждый из которых включен последовательно с одним из тиристоров ключей, и два коммутирующих конденсатора, каждый из которых включен параллельно двум тиристорам разных ключей, включенных встречно-последовательно, первичная обмотка вольтодобавочноготрансформатора подключена параллельно вторичной (3).

Недостатками известного регулятора напряжения являются сравнительно низкие

КПД и коэффициент мощности (cos p). Низкий КПД (0,9) устройства обусловлен нерациональным использованием энергии, запасаемой конденсаторами, .коммутирующими тиристоры его силовой цепи. Несмотря на однополярное включение конденсаторов при их разряде, осуществляющих коммутацию тиристоров силовой цепи, сразу после разряда до нулевого уровня происходит их заряд до соответствующей величины обратного напряжения. Только после смены полярности приложенного к коммутирующему конденсатору переменного напряжения сети происходит его перезаряд до напряжения, имеющего полярность и величину, необходимые для коммутации тиристоров силовой цепи. Таким образом, практически половина энергии коммутирующего конденсатора расходуется непроизводительно, что приводит к снижению КПД всего устройства на 3 — 5О .

Кроме того, в процессе регулирования выходного напряжения известного устройства при коммутации тиристоров в течение полупериода величина угла включения и выключения не является фиксированной, т.е. не выполняется условие, когда при угле выключения, равном а, угол повторного включения равен 180 - а . В этом случае сдвиг по фазе первой гармоники тока нагрузки относительно напряжения сети может быть как опережающим, так и отстающим, что обеспечивает как емкостный, так и индуктивный характер потребляемой регулято1739450

10

35

45

50 (55 ром мощности при чисто активной нагрузке.

Это обуславливает у устройства в процессе регулирования снижение cos p.

Целью изобретения является повышение КПД, В устройство, состоящее из блока управления, первые выходы которого подключены к управляющим электродам встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров, один вывод которых соеди-" нен с первой клеммой источника переменного напряжения, а другой вывод через резистор нагрузки — с второй клеммой, коммутирующего конденсатора, первого и второго разрядных тиристоров, управляющие электроды которых соединены с вторыми выводами блока управления, введены первый и второй зарядные тиристоры, при этом один вывод коммутирующего конденсатора присоединен к точке двух встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров и резистора нагрузки, а другой — к точке соединения двух встречно-параллельно соединенных разрядных тиристоров, другие выводы разрядных тиристоров соединены с первой клеммой источника переменного напряжения, а зарядных тиристоров — с его второй клеммой, при этом блок управления выполнен на входном трансформаторе, переменном резисторе, первом и втором формирователе управляющих импульсов, конденсаторе, дросселе и первом и втором выпрямителях, причем первичная обмотка входного трансформатора соединена с питающей сетью, а вторичная обмотка крайними выводами соответственно через конденсатор и дроссель подключена к выводам переменного тока первого и второго выпрямителей, выводы постоянного тока которых соответственно соединены и к ним подключен переменный резистор, первый формирователь управляющих импульсов первым входом соединен с средней точкой вторичной обмотки входного трансформатора, а вторым входом соединен с точкой соединения дросселя и второго выпрямителя, второй формирователь управляющих импульсов первым входом соединен со средней точкой вторичной обмотки входного трансформатора, а второй вход соединен с точкой соединения конденсатора и первого выпрямителя, при этом выходы первого формирователя являются первыми выходами блока управления, а второй формирователь управляющих импульсов первыми выходами подключен к управляющим электродам силовых тиристоров, а вторыми выходами — к зарядным тиристорам. первые выходы при этом являются вторыми выходами блока управления.

На фиг. 1 представлена схема тиристорного регулятора напряжения; на фиг. 2— кривые падения напряжений, поясняющие его работу (а — кривая напряжения на клеммах источника переменного напряжения; бг — кривые падений напряжений на элементах схемы).

Тиристорный регулятор напряжения (фиг. 1) состоит из блока уравления, первые выходы которого подключены к управляющим электродам встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров 1 и 2, один вывод которых соединен с первой клеммой

3 источника. переменного напряжения, а другой вывод через резистор 4 нагрузки — с второй клеммой 5 коммутирующего конденсатора 6, первого 7 и второго 8 разрядных тиристоров, управляющие электроды которых соединены с вторыми выходами блока управления, зарядных тиристоров 9 и 10, при этом один вывод коммутирующего конденсатора 6 присоединен к точке двух встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров 1 и 2 и резистора 4 нагрузки, а другой — к точке соединения двух встречнопараллельно соединенных зарядных тиристоров 9 и 10 и двух встречно-параллельно соединенных разрядных тиристоров 7 и 8, другие выводы разрядных тиристоров 7 и 8 соединены с первой клеммой 3 источника переменного напряжения, а зарядных тиристоров 9 и 10 — с его второй клеммой 5, при этом блок управления выполнен на входном трансформаторе 11, переменном резисторе 12, первом 13 и втором 14 формирователях уп равля ющих импульсов, конденсаторе 15, доосселе 16, первом 17 и втором 18 выпрямителях, причем первичная обмотка входного трансформатора 11 соединена с питающей сетью, а вторичная обмотка крайними выводами соответственно через конденсатор 15 и дроссель 16 подключена к выводам переменного тока первого

17 и второго 18 выпрямителей, выводы постоянного тока которых соответственно соединены и к ним подключен резистор 12, первый формирователь 13управляющих импульсов первым входом соединен со средней точкой вторичной обмотки входного трансформатора 11, а вторым входом — с точкой соединения дросселя 16 и второго выпрямителя 18, второй формирователь 14 управляющих импульсов первым входом соединен со средней точкой вторичной обмотки входного трансформатора 11, а второй вход соединен с точкой соединения конденсатора 15 и первого выпрямителя 17, при этом выходы первого формирователя 13 яв1739450 выходы при этом являются вторыми выхода55 ляются первыми выходами блока управления, а второй формирователь 14 управляющих импульсов первыми выходами подключен к управляющим электродам силовых тиристоров 1 и 2, а вторыми выходами — к зарядным тиристорам 9 и 10, первые ми блока управления.

Регулятор напряжения работает следующим образом, В полупериод, когда "+" напряжения приложен к клемме 3, а "-" — к клемме 5, с формирователя 14 импульсов на управляющие электроды тиристоров 1 и 9 подаются управляющие импульсы, обеспечивающие их включение. Импульсы подаются со сдвигом по фазе относительно напряжения на клеммах 3 и 5, определяемым углом управления а ((ффиигг, 2а, б).

Величина угла управления тиристорами

1, 2 и 7 — 10 задается величиной сопротивления резистора 12. Изменение величины сопротивления резистора 12 от нуля до максимального значения обеспечивает сдвиг по фазе напряжения на входе формирователя 14 импульсов от нуля до величины, практически равной 90, а на входе формирователя 13 импульсов — от 180 до величины также практически равной 90 .

Формирователи 13 и 14 импульсов преобразуют синусоидальное напряжение на их входе в короткие импульсы с крутым фронтом. Формирование импульсов происходит в момент времени, когда синусоидальное напряжение на входе меняет знак, т,е. переходит из положительного значения в отрицательное и из отрицательного значения в положительное. Следовательно, за период формируются два импульса, сдвинутые один относительно другого на

180О, Для получения одновременно двух импульсов устанавливаются две дополнительные вторичные обмотки выходного импульсного трансформатора.

Таким образом, если на выходе второго формирователя 14 импульсов управляющие импульсы имеют сдвиг по фазе, равный а, то на выходе первого формирователя 13 импульсов сдвиг по фазе управляющих импульсов равен 180 — а (фиг. 2а. б, в).

При включении тиристора 1 начинает протекать ток нагрузки по цепи; клемма 3, тиристор 1, резистор нагрузки 4, клемма 5 (фиг. 2д). При включении тиристора 9 протекает ток заряда коммутирующего конденсатора 6 по цепи: клемма 3, конденсатор 6, тиристор 9, клемма 5. Конденсатор 6 заряжается практически мгновенно (фиг, 2г), ток

50 тиристора 9 становится равным нулю и он выключается, B момент, соответствующий углу управления 180 — a, с формирователя 13 импульсов на управляющий электрод тиристора 7 подается импульс, обеспечивающий его включение (фиг. 2в). Начинается разряд коммутирующего конденсатора 6 по цепи; положительная обкладка конденсатора 6, встречно включенный тиристор 1, тиристор 7, отрицательная обкладка конденсатора 6, Ток в тиристоре 1 уменьшается до нуля и тиристор выключается. Ток через резистор 4 нагрузки и падение напряжения на нем становятся равными нулю (фиг. 2г, д). Таким образом, угол управления

180 — а, при котором включается тиристор

7, является углом, при котором выключается тиристор 1.

В полупериод, когда "+" напряжения приложен к клемме 5, а "-" — к клемме 3, с формирователя 14 импульсов на управляющие электроды тиристоров 2 и 10 подаются управляющие импульсы, обеспечивающие их включение, Импульсы имеют сдвиг по фазе относительно напряжения на клеммах

3 и 5, определяемый углом управления а (фиг. 2а, б).

При включении тиристора 2 начинает протекать ток нагрузки по цепи: клемма 5, резистор 4 нагрузки, тиристор 2, клемма 3 (фиг, 2д), При включении тиристора 10 протекает ток заряда коммутирующего конденсатора 6 по цепи: клемма 5, тиристор 10, конденсатор 6, тиристор 2, клемма 3, Конденсатор 6 заряжается практически мгновенно, ток тиристора 10 становится равным нулю и он выключается (фиг. 2г), В момент времени, соответствующий углу управления 180 — o,, с формирователя

13 импульсов на управляющий элемент тиристора 8 подается импульс, обеспечивающий его включение (фиг. 2в). Начинается разряд конденсатора 6 по цепи: положительная обкладка конденсатора 6, тиристор

8, встречно включенный тиристор 2, отрицательная обкладка конденсатора 6, Ток в тиристоре 2 при этом спадает до нуля и тиристор выключается. Ток через резистор

4 нагрузки и падение напряжения на нем становятся равными нулю(фиг. 2г, д). Таким образом, угол управления 180" — а, при котором включается тиристор 8, является углом, при котором выключается тиристор 2.

Далее процессы в схеме регулятора повторяются.

При изменении величины сопротивления переменного резистора 12 от нуля до максимального значения происходит изме1739450

40

50

55 нение угла включения силовых TvlpMGTopQB

1 и 2 от нуля до величины, практически равной 90О, а их угла выключения — от 180 до величины, также практически равной 90О, Вследствие этого величина действующего 5 (среднего) напряжения на резисторе 4 нагрузки изменяется от номинального значения до величины, практически равной нулю (фиг. 2а, б, в, д).

Таким образом, использование изобре- 10 тения позволяет вдвое сократить затраты энергии на искусственную коммутацию тиристоров и, следовательно, на 3 — 5 повысить КПД регулятора и cos pдо 1 в процессе регулирования величины выходного напря- 15 жения.

Формула изобретения

Тиристорный регулятор напряжения, состоящий из блока управления, первые выходы которого подключены к управляющим 20 электродам встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров, один вывод которых соединен с первой клеммой источника переменного напряжения, а другой вывод через резистор нагрузки — с второй 25 клеммой, коммутирующего конденсатора, первого и второго разрядных тиристоров, управляющие электроды которых соединены с вторыми выходами блока управления, о rn ич а ю шийся тем, что, с целью повышения 30

КПД, в него введены первый и второй зарядные тиристоры, при этом один вывод коммутирующего конденсатора подсоединен к точке соединения двух встречно-параллельно соединенных силовых тиристоров и рези- 35 стора нагрузки, а другой — к точке соединения двух встречно-параллельно соединенных зарядных тиристоров и двух встречно-параллельно соединенных разрядных тиристоров, другие выводы разрядных тиристоров соединены с первой клеммой источника переменного напряжения, а зарядных тиристоров — с его второй клеммой, при этом блок управления выполнен на входном трансформаторе, переменном резисторе, первом и втором формирователях управляющих импульсов, конденсаторе, дросселе, первом и втором выпрямителях, причем первичная обмотка входного трансформатора соединена с питающей сетью, а вторичная обмотка крайними выводами соответственно через конденсатор и дроссель подключена к выводам переменного тока первого и второго выпрямителей, выводы постоянного тока которых соответственно соединены и к ним подключен переменный резистор, первый формирователь управляющих импульсов первым входом соединен со средней точкой вторичной обмотки входного трансформатора, а вторым входом — с точкой соединения дросселя и второго выпрямителя, второй формирователь управляющих импульсов первым входом соединен со средней точкой вторичной обмотки входного трансформатора, а вторым входом — с точкой соединения конденсатора и первого выпрямителя, при этом выходы первого формирователя являются первыми выходами блока управления, а второй формирователь управляющих импульсов первыми выходами подключен к управляющим электродам силовых тиристоров, а вторыми выходами — к зарядным тиристорам, первые выходы при этом являются вторыми выходами блока управления.

1739450,// о о

45

Составитель В.Стрелков

Техред М,Моргентал

Редактор И.Шулла

Корректор Н,Ревская

Заказ 2007 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101!

Р†.« - — °

Ую.

1 !