Устройство для регулирования переменного напряжения

 

сОюз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 05 Е 1/30

ГОСУДАРСТВЕНЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ (21) 4873048/07 (22) 11.10.90 (46) 07.06.93. Бюл. N 21 (71) Харьковский институт инженеров коммунального строительства .(72) Ф.П.Говоров, М.А.Папка. A,Ï.Êîñòåíêî и В.H,Ãàðÿæà (73) Харьковский институт инженеров городского хозяйства (56) 1. Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 585487, кл. G 05 F 1/20, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

N. 652542, кл. G 05 F 1/22, 1976. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Использование: в регуляторах переменного напряжения, исполнительный орган которых выполнен в виде вольтодобавочноЫЛ,, 1820943 А3 го трансформатора. Сущность изобретения: устройство содержит вольтодобавочный трансформатор 1 с первичной 2, вторичной

3 и вспомогательной 4 обмотками, первый 5, второй 6 и вспомогательный 7 тиристорные ключи, три синхронизирующих трансформатора 8, 19 и 27, блок 16 управления, два транзисторных ключа 23 и 24, два опорных диода 33 и 34, два токоограничивающих резистора 35 и 36, два защитных резистора 37 и 38, два защитных диода 39 и 40, два управляющих тиристора 12 и 13. В устройстве управление тиристорными ключами,организовано таким образом, что при плавном регулировании выходного напряжения перераспределение нагрузки между тиристорными ключами происходит под воздействием изменяющейся величины и фазы

ЭДС обмоток трансформатора 1. 2 ил.

1820943

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано, например, в регуляторах переменного напряжения, исполнительный орган которых выполнен s виде вольтодобавочного трансформатора.

Цель изобретения состоит в повышении надежности устройства.

Ка фиг. 1 приведена схема для регулирования переменного напряжения; на фиг.2 изображены цепи управления тиристорными ключами 5 и 7.

Стабилизатор переменного напряжения содержит вольтодобавочный трансформатор 1 с первичной 2, вторичной 3 и вспомогательной 4 обмотками, управляемыми с помощью первого, второго и вспомогательного тиристорных ключей 5-7 соответственно. К вспомогательному тиристорному ключу 7 подключен третий синхронизирующий трансформатор 8, первичная обмотка 9 которого присоединена к выходам вспомогательной обмотки 4, а вторичные 10 и 11 — через управляемые тиристорные ключи 12, 13 соединены с управляющими электродами первого и второго вспомогательных тиристоров 14. 15.

Управляющие электроды управляющих тиристорных ключей 12, 13 соединены с третьим и четвертым выходами блока управления

16, к которым присоединен первый генератор импульсов 45; выполненный из блокинггенератора и связанный с пороговым логическим элементом 41, выполненным на триггере, а также элементом сравнения 44, на базе время задающей RC-цепочки. Вход порогового логического элемента 41 соединен с вторым выходом блока управления 16.

Вход элемента сравнения 44 связан с потенциометрическим задающим элементом 43 и измерительным элементом 42, выполненным на базе потенциометрического моста.

Вход измерительного элемента 43 связан с первым и вторым выходными выводами блока управления 16, К тиристорам 17, 18 второго тиристорного ключа 6 присоединен второй синхронизирующий трансформатора 19, первичная обмотка 20 которого включена параллельно тиристорами 17, 18, а йчоричные обмотки 21, 22 через коллекторно-эмиттерные переходы транзисторных ключей 23, 24 и защитные диоды 39, 40 подключены к управляющим электродам тиристоро в 17, 18. В базовые. цепи транзисторных ключей 23, 24 включены вторичные обмотки 25, 26 первого синхронизирующего трансформатора 27, причем, к базе транзисторного ключа 23 присоединен конец первой вторичной обмотки 25 первого

50 концом, обеспечивая подключение обмотки

2 трансформатора 1 к выходным выводам.

При этом обеспечивается передача части энергии из нагрузочной цепи в питающую сеть и уменьшение напряжения на выходных выводах 29, 30 на величину ЭДС Е3 вторичной обмотки 3 вольтодобавочного трансформатора 1. Момент включения первого и вспомогательного тиристорных ключей 5 и 7, соединенных, соответственно, с выводом первичной обмотки 2 трансформасинхрониэирующего трансформатора 27, а к базе транзисторного ключа 24 — начало второй вторичной обмотки 26 первого синхронизирующего трансформатора 27. Первичная обмотка 28 первого синхронизирующего трансформатора 27 подключена к выходным зажимам 29, 30 устройства. Управляющие электроды тиристоров 31, 32 первого тиристорного ключа 5

10 присоединены к первому и второму выходам блока управления 16, к которым присоединен второй генератор импульсов 45, связанный с пороговым логическим элементом 41 и элементом сравнения 44. Опорные

15 диоды 33, 34 включены параллельно базоэмиттерным переходам транзисторных ключей 23, 24. Токоограничивающие резисторы

35, 36 включены последовательно с вторичными обмотками 25, 26 первого синхрони-.

20 зирующего трансформатора 27 в база-эмиттерные цепи транзисторных ключей 23, 24. Защитный резистор 37 одним концом соединен с базой транзисторного ключа 23, а другим с анодом защитного ди25 ода 39 и концом первой вторичной обмотки

21 второго синхронизирующего трансформатора 19. Катод защитного диода 39 соединен с управляющим электродом первого тиристора 17 второго тиристорного ключа 6.

Защитный резистор 38 одним концом присоединен к базе транзисторного ключа 24, а другим — к аноду защитно о диода 40 и началу второй вторичной обмотки 22 второго синхронизирующего трансформатора 19.

Катод защитного диода 40 присоединен к управляющему электроду второго тиристора 18 второго тиристора ключа 6.

Регулирование напряжения на нагрузке по данному способу осуществляется следу40 ющим образом.

В начале каждого полупериода питающего напряжения в момент, когда ЭДС Eg первичной обмотки 2 трансформатора 1 больше напряжения сети Uc и имеет с ним

45 одинаковую полярность, т.е.

E2> Uc включается второй тиристорный ключ 6 вывода первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 1, являющегося ее

1820943 тора 1, являющимся ее началом, и выводами вспомогательной обмотки 4, устанавливается логическим элементов 41 в зависимости от величины напряжения сети Uc. При напряжении сети Uc, большем его номинального значения UH, т.е.

0в> 0н логическим элементом 41 первый генератор импульсов 45 блока управления 16 подключается к управляющим электродам управляющих тиристорных ключей 12; 13.

При найряжении сети Uc меньшем его номинального значения т.е.

Uc < 0н логическим. элементом 41 второй генератор импульсов: 45 блока. управления 16 подключается-к.управляющим электродам тиристоров 31, 32 первого тиристорного ключа 5.

Угол- включения тиристоров первого 5 и

: вспомогательного 7тиристорных ключей зависит. от соотношения выходного напряжения 0вых и задающего U q, устанавливаемого с помощью задающего элемента 43. При этом сигнал рассогласования, вырабатываемый элементом сравнения 44, подается на входы первого и второго генераторов импульсов 45, которйе изменяют угол отпирания тиристоров первого и всномогательного тиристорных ключей 5 и

7 таким образом, чтобы сигнал рассогласования.стал равным нулю.

При Uc»0н второй генератор импульсов 45 сигналом рассогласования.с элементов сравнения 44 обрабатывает максимальный угол включения вспомогательного тиристорного ключа 7 равный 180 эл.град и ток протекает только через второй тиристорный ключ 6; обеспечивая снижение напряжения на выходных выводах 29, 30 и передачу части энергии, пропорциональной величине ЭДС на выводах вторичной обмотки 3 Ев в питающую сеть. Кривая выходного напряженйя на выводах 26, 30 имеет при этом. синусоидную форму.

При изменении напряжения сети Uc от его максимального значения Оснвкс до верхнего предела номинального значения U . т.е.

0смакс > Uc > 0нв вспомогательный тиристорный ключ 7 включается с углом сдвига переднего фрон та управляющих импульсов от 0 до 180 эл.град., зависящим от величины рассогласования параметров 0»х и Оввд.

В процессе открывания вспомогательного тиристорного ключа 7 ЭДС Е2 первичной обмотки 2 трансформатора 1 уменьшается практически до нуля. При

55 сования параметров 0внх и 0ввд. С включением первого тиристорного ключа 5 в трансфбрматоре 1 изменяется направление магнитного потока в стали и. соответственно, фазы ЭДС Е, Е4 на зажимах первичной и дополнительной обмоток, чем создаются этом, в момент, KGI48 ЭДС Е2 становится меньшей напряжения сети.0с, т.е.

Ез< Uc ток в первичной обмотке 2 трансформатора

5 1 уменьшается до нуля.

Ток в дополнительной обмотке 4 увеличивается до величины. определяемой значением намагничивающей силы вторичной обмотки 3. Напряжение на выходных выво10 дах 29, 30 при этом увеличивается до значения, равного напряжению на входных выходах. Кривая напряжения на выходных . выводах 29, ЗО имеет при этом ступенчатосинусоидальную форму,. обеспечивающую

15 частичную передачу энергии в питающую сеть. когда в течейие включенного состояния старого тиристорного ключа 6 энергия передается в питающую сеть, а в течение включенного состояния вспомогательного

20 ключа 7 перераспределения энергии не происходит.

При напряжении пи гающей сети 0, в диапазоне 0Т верхнего предела номинальнаго значения 0нв до его нижнего предела

25 0н» т.е. при

Овн Uc = 0нн сильная рассогласования с элементом срав- - нения .И равен нулю,. угол включения вспо. могательного тиристорного ключа 7 равен

30 нулю и на интервале всего полупериода ток протекает только по вспомогательной обмотке 4. При аом ЭДС на зажимах первичной и вторичной обмоток 2 и 3 трансформатора 1 равны нулю, т.е.

35 Ег" 0 Ез 0

Поэтому, Е < Uc и ток в первичной обмотке

2 трансформатора 1 равен нулю. а напряжение на выходных выводах 29, 30 равно напряжению сети Uc и изменяется вместе с

40 ним в пределах от 0вн до 0нн по величине, оставаясь синусоидальным по форме. Перераспределения энергии на интервале всего полупериода не происходит и вся энергия с входных выводов передается на выходные вывода 29, 30.

45 При уменьшении напряжения сети Uc до величины, когда

Uc< 0нн пороговый логический элемент 41 подключает второй генератор импульсов 45 к пер50 вому тиристорному ключу 5. Первый тиристорный ключ 5 включается с регулируемым углом сдвига управляющих импульсов от 0 до 180 эл.град зависящим от рассогла1820943 условия для запирания второго и вспомогательного тиристорных ключей 6, 7 и протекания тока только через первый тиристорный ключ 5. Дополнительное количество энергии передается при этом же питающей сети в нагрузочную, увеличивая напряжение на выходных выводах 29, 30 нэ величину ЭДС вторичной обмотки.

Напряжение на выходных выводах 29, 30 имеет при этом ступенчато-синусоидальную форму, обеспечивающую частичную передачу энергии иэ питающей сети в нагрузочную, когда в течении включенного состояния вспомогательного тиристорного ключа 7 обмена энергией не происходит, а в течении включенного состояния первого тиристорного ключа 5 дополнительная часть энергии передается из питающей сети в нагрузочную, При минимальном значении напряжения сети, когда

Uc = Осмин угол включения первого тиристорного ключа 5 равен нулю и напряжение на выходных выводах 29, 30 по величине равно сумме напряжения сети Ос и ЭДС трансформатора

Ез, будучи синусоидальным по форме. Энергия в течение всего полупериода передается из питающей сети в нагрузочную.

Аналогично, при изменении напряжения сети Ос от его минимального значения

Осмин до нижнего предела номинального значения U H, т.е.

Онн > Uc > 0смин включается с углом включения a = 0 эл.град вспомогательный тиристорный ключ T и с регулируемым от 0 до 180 эл.град, углом включения первый тиристорный ключ 5, обеспечивая ступенчато-синусоидальную форму на выходных выводах 29, 30. При этом в диапазоне углов 0-180 эл.град ток через второй тиристорный ключ 6 не протекает в связи с тем, что- ЭДС Ez вторичной обмотки 2 трансформатора 1 во всем диапазоне меньше напряжения сети U . На участке полупериода от 0 до а эл.град. ток протекает через вспомогательный тири-. сторный ключ 7, обеспечивая передачу всего количества энергии с входных выводов на выходные без ее дополнительного перераспределения, а также равенство напряжения на входных и выходных выводах. При этом величина ЭДС2 на выводах первичной обмотки 2 трансформатора 11 равна нулю. Поэтому, ток через второй тиристорный ключ 6 не протекает. На участке полупериода от а до 180 эл.град, ток протекает только через первый тиристорный ключ 5, обеспечивая передачу дополнительного количест55 вторичной Обмотки Ез =- 0 и напряжение на . выходных выводах равно напряжению на входных выводах. C включением вспомогательного тиристорного ключа 7 при значении ЭДС Ез < О, ток через второй

50 ва энергии с входных выводов на выходные и увеличение напряжения на выходных выводах.на величину ЭДС Ез вторичной обмотки 3 трансформатора 1. В связи с изменением фазы ЭДС Ez на выводах первичной обмотки 2 трансформатора 1 ток через второй и вспомогательный тиристорные ключи 6 и 7 в этом режиме не протекает.

При изменении напряжения сети от нижнего предела Онн до верхнего предела номинального значения Овн, т,е, Овн Uc Онн угол включения первого тиристорного ключа 5 равен 180 эл.град., поэтому ток через управляемую им часть первичной обмотки трансформатора 1 не протекает. При значении угла включения тиристорного ключа

7 а = 0 эл.грэд. ток проходит через управляемую им вспомогательную обмотку, обеспечивая равенство нулю ЭДС на зажимах всех обмоток, а также равенство напряжения на входных и выходных выводах при синусоидальной его форме. Поскольку ЭДС Eg на зажимах первичной обмотки 2 меньше напряжения сети Ос, ток через второй тиристорный ключ 6 не протекает. При этом на интервале всего полупериода.вся энергия с входных выводов полностью передается на выходные выводы и дополнительного перераспределения энергии не происходит.

При изменении напряжения сети Ос в пределах от верхнего предела номинального значения до его максимального значения, т.е, Осмакс > Uc > Овн угол включения вспомогательного тиристорного ключа 7 изменяется в пределах от

0 до 180 эл.град., обеспечивая ступенчатосинусоидальную форму кривой напряжения на выходных выводах 29, 30; а также передачу части электрической энергии из нагрузочной сети в питающую с последующим уменьшением напряжения на выходных выводах 29, 30 на величину ЭДС вторичной обмотки Ез. При этом, на участке полупериода от 0 до а эл.град. ток протекает через тиристорный ключ 6, обеспечивая передачу части энергии из нагрузочный части в питающую, и уменьшение напряжения на выходных выводах. На участке полупериода от адо 180 эл.град. работает вспомогательный тиристорный ключ 7, обеспечивая протекание тока в дополнительной обмотке. При этом обмен энергией не происходит, ЭДС

1820943

10 тиристорный ключ 6 уменьшается до нуля.

Ток через первый тиристорный ключ 5 не протекает, так как его угол включения а - 180 эл.град.

При напряжении сети Uc, равным его максимальному значению Осмакс. т.е.

Uc 0смакс угол включения вспомогательного тиристорного ключа 7 равен 180 эл.град. и ток .через него не протекает. В начале каждого полупериода питающего напряжения в момент, когда Uc < E2 включается второй тири сторный ключ 6, обеспечивая передачу части энергии из нагрузочной цепи в питающую и уменьшение напряжения на выходных выводах 29, 30 на величину ЭДС Ез при синусоидальной его форме.

Таким образом, введение новых элементов и связей между элементами позво-, лило осуществить процесс регулирования напряжения без применения дополнительных средств, путем соответствующей органиэации работы тиристорных ключей. При этом управление вспомогательным тиристорным ключом 7дополнительной обмотки осуществляется в функции ЭДС на зажимах вспомогательной обмотки 4, Е4, напряжения сети Uc и заданного 0эад. Управление тиристорами 17, 18 вывода первичной обмотки, являющегося ее концом, осуществляется s функции величины и фазы ЗДС Ег на зажимах первичной обмотки. Управление тиристорами 31, 32 вывода первичной обмотки, являющегося ее началом, осуществляется в функции напряжения сети Uc u задающего Usa . Это позволяет организовать работу ключей таким образом, что тиристорный ключ 6 вывода первичной обмотки, являющегося ее концом, включается всегда в начале каждого полупериода питающего напряжения. Вспомогательный тиристорный ключ 7 дополнительной обмот-, ки 4 включается с регулируемым от 0 до

180 эл.град. углом при изменении напряжеНИЯ СОТИ ОТ UcMBKc ДО 0вн. ПРИ ИЭМЕНОНИИ напряжения сети от 0вн до 0смакс угол включения ключа вспомогательного 7 равен нулю. При изменении напряжения сети от 0ан до 0смакс угол включения изменяется от Одо

180 эл.град.

Первый тиристорный ключ 5 вывода первичной обмотки 2, являющегося ее концом, включается с регулируемым углом от О до 180 эл,груд. при изменении напряжения сети Uc в пределах от U до Осмин.

Управление первым тиристорным ключом 5 вывода части первичной обмотки 2, являющейся ее концом, и вспомогательным тиристорным ключом 7 дополнительной обмотки 4 в функции напряжения осуществляется от блока управления 16, позволяющего выполнять плавно-ступенчатое регулирование напряжения в диапазоне от 0мнн до

5 0макс.

Управление вторым тиристорным ключом 6 вывода первичной обмотки 2, являющегося ее началом в функции величины ЭДС на зажимах обмотки позволяет исключить

10 применение дополнительного громоздкого импульсного трансформатора, что позволяет повысить надежность. Управление тиристорным ключом 7 вспомогательной обмотки, а также ключом 6 вывода первич15 ной обмотки, являющегося началом в функции фазы ЗДС позволяет организовать работу тиристорных ключей таким образом, что при плавном регулировании напряжения перераспределение нагрузки между ти20 ристорами происходит под воздействием изменяющейся величины и фазы ЭДС обмоток. чем исключается возможность отключения тиристоров, вызванного изменением полярности напряжения на тиристорах.

25 Формула изобретения

Устройство для регулирования переменного напряжения, содержащее вольтодобавочный трансформатор с первичной, вторичной и вспомогательной обмотками, 30 причем средняя точка первичной обмотки соединена с первым входным выводом, а конец первичной обмотки через первый тиристорный ключ — с вторым входным выводом, конец и начало вторичной обмотки

35 подключены соответственно к первому входному и первому выходному выводам, второй тиристорный ключ, первым выводом соединенный с вторым входным выводом, подключенным к второму выходному выво40 ду, вспомогательный тиристорный ключ, первый вывод которого соединен с первым выводом вспомогательной обмотки вольтодобавочного трансформатора, блок управления с четырьмя выходами, первый вход

45 которого подключен к выходным выводам, а первый и второй выходы соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами первого тиристорного ключа, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью

50 повышения надежности, в него введены два транзисторных ключа, два опорных диода, два токоограничивающих резистора, два защитныхх диода, два защитных резистора, три синхронизирующих трансформатора и два

55 управляющих тиристора, а блок управления снабжен вторым входом, соединенным с входными выводами, причем третий и четвертый выходы блока управления подключены к управляющим электродам соответственного первого и второго управ1820943 ляющих тиристоров, второй вывод второго защитных диодов соединены с управляютиристорного ключа соединен с началом щими электродами соответственно первого первичной обмотки вольтодобавочного ивтороготиристороввтороготиристорного трансформатора, а второй вывод вспомога-. ключа, коллекторы первого и второго трантельного тиристорного ключа подключен к 5 эисторных ключей подключены. соответствторому выводу вспомогательной обмотки венно к началу первой и к концу второй вольтодобавочного трансформатора, неча- вторичных обмоток второго синхронизируло и конец первичной обмотки первого ющеготрансформатора,первичнаяобмотка . синхронизирующего трансформатора сое- второго синхронизирующего трансформадинены соответственно с первым и вторым 10 тора включена параллельно. второму тиривыходными выводами. базы nepaoro и вто- сторному ключу, причем ее начало роготранзисторныхключейподключенысо- соединено с началом первичной обмотки ответственно к катоду первого опорного вольтодобавочного трансформатора, а втодиода, к концу первой вторичной обмотки рые выводы первого и второго токоогранипервого синхронизирующего трансформа- 15 чивающих резисторов подключены тора, к первому выводу первого защитного" соответственно к началу первой и концувторезистора и к катоду второго опорного дио- рой вторичных обмоток. первого синхронида, к началу второй вторичной обмотки hep- зирующего трансформатора, катоды

soro синхронизирующего трансформатора, первого и второго управляющих тиристоров к первому выводу второго защитного рези- 20 соединены с управляющими электродами стора, эмиттеры первого и второго транзи- - .соответственно. первого и второго вспомосторных ключей соединены соответственно гательных тиристоров вспомогательного тис анодом первого опорного диода, с первым ристорнога ключа, а аноды первого и выводом первого токоограничивающего ре- второго управляющих тиристоров подклюзистора. с катодом первого тиристора, кото- 25 чены соответственно к концу первой и начарыйиспользованвкачествепервоговывода лу второй вторичных обмоток третьего второго тиристорного ключа, и с.анодом вто- синхронизирующего трансформатора, начарого опорного диода. с первым выводом ло первой и конец второй вторичных обмовторого токоограничивающего резистора, с ток третьего синхронизирующего катодом второго тиристора, который ис- 30 трансформатора соединены с катодами сопользован в качестве второго вывода второ- ответственно первого и второго вспомогаго тиристорного ключа, вторые выводы тельных.тиристоров, использованными в первого и второго защитных резисторов качестве соответственно второгои первого подключены. соответственно к аноду перво- выводов вспомогательного тиристорного го защитного диода, к концу первой вторич- 35 ключа, параллельно которому включена ной обмотки второго синхронизирующего первичная обмотка третьего синхронизирутрансформатора и к аноду второго защитно- ющего трансформатора, начало которой согодиода, к началу второй вторичной обмот- единено с первым выводом ки второго синхронизирующего. вспомогательной обмотки вольтодобавочтрансформатора, катоды первого и второго 40 ного трансформатора.

1820943

Редактор

Заказ 2042 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открмтиям ври ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-38, Рауаская наб., 4/8

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101 1 !

I

I !

1 !

t

I

1!

1. ! !

I

1 ! !

t

Составитель Ф.Говоров

Техред М.Моргентал Корректор М,Ткач