Способ регулирования переменного напряжения

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для регулирования или стабилизации переменного напряжения в однофазных и трехфазных электросетях и электроустановках. Технический результат изобретения заключается в повышении энергетических показателей и упрощении преобразования напряжения. Технический результат достигается за счет того, что способ основан на высокочастотном чередовании режима шунтирования вольтодобавочного трансформатора с режимом вольтоприбавления или вольтовычитания и изменения скважности в процессе смешанной коммутации ключей. Дополнительные операции способа позволяют повысить частоту модуляции вольтодобавки без изменения частоты коммутации ключей и предотвратить через ключи кратковременные замыкания сети без развития дроссельного режима трансформатора. 2 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для регулирования или стабилизации переменного напряжения в однофазных и трехфазных электросетях и электроустановках.

Известны способы регулирования переменного напряжения без сдвига фазы первой гармоники выходного напряжения [1, 2]. Способы основаны на формировании двух последовательностей тактовых интервалов с частотой не ниже удвоенной частоты сети и создании в каждом тактовом интервале двух временных интервалов со взаимно изменяющимися длительностями, на которых при помощи полностью управляемых ключей моста с двухсторонней проводимостью шунтируют первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора и подключают к сети (или нагрузке), обеспечивая при этом согласное или встречное включение обмоток трансформатора.

К недостаткам способов следует отнести низкие энергетические показатели из-за высокой частоты переключения ключей с кратковременными замыканиями входных зажимов в моменты коммутации, а также сложность и большая стоимость силовой полупроводниковой части регулятора, выполненной на полностью управляемых ключах с большим запасом по мощности.

Наиболее близким является способ регулирования переменного напряжения, который позволяет в 2 раза снизить коммутационные потери за счет уменьшения частоты переключения ключей без изменения частоты модуляции [3].

Суть способа состоит в изменении относительно времени шунтирования и подключения к сети (или нагрузке) первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно на цепь между входными и выходными выводами, за счет изменения длительности включенного состояния соответствующих ключей моста, в диагональ которого включена первичная обмотка, для чего формируют две последовательности тактовых интервалов с одинаковой частотой, которая не меньше удвоенной частоты сети, располагают последовательности друг относительно друга со сдвигом на половину длительности тактовых интервалов и внутри каждого тактового интервала образуют два временных интервала со взаимно изменяющимися длительностями, которыми без учета инерционности ключей на включение и выключение задают длительность включенного состояния ключей моста и порядок их переключения, причем первым и вторым временными интервалами первой последовательности задают длительность включенного состояния двух ключей моста, которыми переключают начало первичной обмотки трансформатора с фазы сети (или нагрузки) на нулевой провод, а первым и вторым временными интервалами второй последовательности задают длительность включенного состояния двух других ключей моста, которыми переключают конец первичной обмотки трансформатора с фазы сети (или нагрузки) на нулевой провод, при этом временными интервалами одинаковой длительности первой и второй последовательностей задают длительность включенного состояния ключей противоположных плеч моста.

Однако и при этом способе регулирования переменного напряжения будут больше коммутационные потери из-за того, что в его операциях не учтена инерционность ключей при их включениях и выключениях, а также требуется большая установленная мощность коммутатора. К недостаткам следует также отнести необходимость выполнения коммутатора исключительно на полностью управляемых ключах, что усложняет преобразователь и увеличивает его стоимость.

Задача изобретения - повышение энергетических показателей и упрощение преобразования напряжения. Ее результат - снижение потерь и установленной мощности коммутатора, а также замена половины полностью управляемых ключей симисторами.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в начале первого и второго временных интервалов одной из последовательностей, которыми задают время включенного состояния полностью управляемых ключей моста, формируют первый и второй интервалы прерывания и вводят их в тактовые интервалы этой же последовательности, а в начале первого и второго временных интервалов другой последовательности, которыми задают время включения состояния ключей моста с естественной коммутацией, формируют третий и четвертый интервалы прерывания и вводят их в тактовые интервалы как одной, так и другой последовательностей, причем длительности первого и второго интервалов прерывания равны разности между временем выключения предыдущего полностью управляемого ключа и временем включения последующего полностью управляемого ключа, а длительности третьего и четвертого интервалов прерывания равны разности между суммарным временем выключения двух предыдущих ключей, один из которых с естественной коммутацией и временем включения последующего ключа с естественной коммутацией.

На фиг. 1 приведены временные диаграммы, поясняющие алгоритм управления ключами и принцип регулирования переменного напряжения, а на фиг. 2 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

На фиг. 1 введены следующие обозначения: U₁ и U₂ - напряжения сети и нагрузки; U₂⁽⁺⁾ = U₁(1+k_T) - напряжение нагрузки в режиме вольтодобавки; U₂^(-) = U₁(1-k_T) - напряжение нагрузки в режиме вольтовычета; k_T - коэффициент транформации; U_ОП1 и U_ОП2 - опорные напряжения; U_у - напряжение управления; T_k1 = T_k2 = T_k - тактовые интервалы первой и второй последовательностей, которые сдвинуты относительно друг друга на половину периода коммутации T_k; α₁ = α₂ = α - первые временные интервалы первой и второй последовательностей; β₁ = β₂ = β - вторые временные интервалы первой и второй последовательностей;
γ₁ и γ₂ - интервалы прерывания тактовых интервалов первой и второй последовательностей.

На фиг. 2 совмещены силовая часть и система управления одного из вариантов устройства, работающего по предложенному способу. Силовая часть содержит мост на ключах 1 - 4 с двухсторонней проводимостью, причем в одной ветви моста ключи 1 и 2 с естественной коммутацией, например симисторы, а в другой - полностью управляемые ключи 3 и 4, каждый из которых представляет собой, например, диодный выпрямитель, шунтированный транзистором или запираемым тиристором. К диагонали моста подключена первичная обмотка трансформатора 5, вторичная обмотка которого включена между входными и выходными зажимами, предназначенными для подключения соответственно к сети и нагрузке. Система управления 6 содержит следующие известные функциональные элементы. Задающий генератор 7, в качестве которого для построения синхронной системы управления используется генератор синхроимпульсов 8 с умножителем частоты 9 и генератором меандра 10, а для построения высокочастотной асинхронной системы управления используется симметричный мультивибратор. Кроме этого, система управления 6 (фиг. 2) содержит инвертор 11, два генератора треугольного напряжения 12, 13, два компаратора 14, 15, два повторителя 16, 17, два дополнительных инвертора 18, 19 четыре одновибратора 20 - 23, логический формирователь 24, два выходных каскада 29, 30 для отпирающих импульсов ключей 1 и 2 с естественной коммутацией, а также два выходных каскада 31, 32 для отпирающих импульсов и два выходных каскада 33, 34 для запирающих импульсов полностью управляемых ключей 3 и 4.

Способ осуществляется следующим образом.

При пересечении первого временного интервала одной из последовательностей со вторым временным интервалом другой последовательности в работе находятся ключи смежных плеч моста, при помощи которых закорачивается первичная обмотка трансформатора. Так, в пересечения α₁ и β₂ (фиг. 1) в работе находятся ключи 1 и 4, а в пересечении α₂ и β₁ - ключи 2 и 3.

При пересечении первых или вторых временных интервалов двух последовательностей в работу вступают ключи противоположных плеч моста, подключающие первичную обмотку трансформатора к сети (или нагрузке) с согласным или встречным включением ее со вторичной обмоткой. Так, в пересечении α₁ и α₂ ключами 1 и 3 обеспечивается режим вольтовычета, а в пересечении β₁ и β₂ ключами 2 и 4 - режим вольтодобавки.

При переключении полностью управляемых ключей, включенных в одну из ветвей моста, например во вторую с ключами 3 и 4 (фиг. 1), в начала как первого, так и второго временных интервалов α₂ и β₂, относящихся соответственно ко второй последовательности, вводятся интервалы прерывания γ₂ на время, необходимое для восстановления запирающих свойств этих полностью управляемых ключей с учетом их инерционности при включении. В тоже время, при переключении ключей с естественной коммутацией, включенных в другую ветвь моста, а именно ключей 1 и 2, в начале первого и второго временных интервалов соответственно α₁ и β₁ первой последовательности, а также в тактовые интервалы второй последовательности вводятся интервалы прерывания γ₁ на время восстановления запирающих свойств двух поочередно выключаемых ключей, один из которых полностью управляемый, начинающий процесс выключения, а другой с естественной коммутацией, завершающей этот процесс, с учетом инерционности включения последующего ключа с естественной коммутацией. Так, процесс переключения начала первичной обмотки с фазы сети (или нагрузки) на нулевой провод при помощи ключей 1 и 2 в режиме вольтодобавки (фиг. 1а) начинается с выключения полностью управляемого ключа 4 с последующим прерыванием тока в цепи с ключами 4 и 1 для выключения ключа 1 и завершается включением ключа 2. С учетом этого интервал прерывания γ₁, который вводится в интервалы β₁ и β₂, равен сумматору времени выключения ключей 4 и 1 за вычетом времени включения ключа 2. Аналогично производится управление процессом переключения ключей и в режиме вольтовычета (фиг. 1б).

Режим работы устройства (фиг. 2) задается величиной и знаком сигнала управления U_у. В случае U_у > 0 и соответственно α < β на фиг. 1а пересекается интервалы β₁ и β₂, обеспечивая замыкание ключей 2 и 4 для формирования вольтодобавки, а в случае U_у < 0 и соответственно α > β на фиг. 1б пересекаются интервалы α₁ и α₂, обеспечивая замыкание ключей 1 и 3 для формирования вольтовычета.

Переход от режима регулируемой вольтодобавки к режиму регулируемого вольтовычета происходит при когда U_у = 0.

В соответствии с уравнением

регулирование напряжения нагрузки производится в диапазоне от U₁(1+k_T) до U₁(1-k_T) при изменении α от 0 до T_k за счет изменения сигнала управления U_у от максимального положительного до максимального отрицательного значения треугольного напряжения.

Один из возможных вариантов устройства (фиг. 2) в соответствии с предложенным способом работает следующим образом.

При синхронном управлении в моменты перехода напряжения сети U₁ через ноль на выходе генератора синхроимпульсов 8 формируются короткие импульсы, увеличение частоты которых производится умножителем 9, а увеличение длительности - генератором меандра 10. При асинхронном высокочастотном управлении эту же функцию может выполнить симметричный мультивибратор, используемый в качестве задающего генератора 7. С выхода синхронного или асинхронного с сетью задающего генератора 7 импульсы поступают на вход первого генератора 12 треугольного напряжения, а их инверсия, образованная инвертором 11, - на вход второго генератора 13 треугольного напряжения. С выходов генераторов 12 и 13 снимаются опорные напряжения U_ОП1 и U_ОП2, которые на фиг. 1 изображены соответственно сплошными и пунктирными линиями. Эти опорные напряжения подаются на входы компараторов 14 и 15, где, сравниваясь с напряжением управления U_у, формируют двуполярные импульсы. Длительности положительных импульсов на выходе компараторов 14 и 15 соответственно равны α₁ и α₂, а отрицательных - β₁ и β₂ (фиг. 1), которые, являясь временными интервалами первой и второй последовательностей, задают алгоритм управления ключами 1 - 4 моста в соответствии с основными операциями способа. Дополнительные операции способа возлагаются на повторители 16, 17, инверторы 18, 19, одновибраторы 20 - 23 и логический формирователь 24 (фиг. 2)
Импульсы положительной полярности, снимаемые с выходов компараторов 14 и 15, проходя через повторители 16 и 17 соответственно, создают нормированные положительные импульсы с длительностями α₁ и α₂, а импульсы отрицательной полярности компараторов 14 и 15, проходя через инверторы 18 и 19 соответственно, создают также положительные нормированные импульсы с длительностями β₁ и β₂. Эти четыре положительных импульса поступают на инверсные входы четырех элементов 26 логики ЗАПРЕТ и одновременно на входы элементов задержки, например, одновибраторов 20 - 23. При этом импульсы с выходов повторителя 16 и инвертора 18 поступают на одновибраторы 20 и 22, которые формируют короткие импульсы с длительностью, равной интервалу прерывания γ₁ первой последовательности, а импульсы с выходов повторителя 17 и инвертора 19 соответственно поступают на одновибраторы 21 и 23, которые формируют короткие импульсы с длительностью, равной интервалу прерывания γ₂ второй последовательсти.

Выходы всех одновибраторов подключены к входам сумматора 25, в качестве которого может быть использована диодная сборка или логический элемент ИЛИ. Одновременно с этим, выходы одновибраторов 20 и 22 подключены к инверсным входам первых элементов ЗАПРЕТ, а выход сумматора 25 - к инверсным входам двух других элементов ЗАПРЕТ. В результате этого на выходах первых двух элементов ЗАПРЕТ формируются импульсы с длительностями α₁ и β₁, расположенные в полном соответствии с первым и вторым временными интервалами первой последовательности (фиг. 1), в начало которых введены интервалы прерывания γ₁, а на выходах двух других элементов ЗАПРЕТ формируются импульсы с длительностями α₂ и β₂, расположенные в соответствии с временными интервалами второй последовательности, в тактовые интервалы которой введены два интервала прерывания с длительностями γ₁ и два интервала прерывания с длительностями γ₂ (фиг. 1). Окончательно сформированные отпирающие импульсы подаются на ключи 1 - 4 после предварительного высокочастотного заполнения модулятором 28 и элементом 27 логики 4И усиления каскадами 29 - 32, в состав которых кроме усилителей входят также элементы гальванической развязки. Запирающие импульсы для полностью управляемых ключей 3 и 4 формируются в выходных каскадах 33 и 34, которые соответственно подключены к выходам одновибраторов 23 и 21. В состав выходных каскадов 33 и 34 запирающих импульсов входят элементы гальванической развязки и формирователи коротких мощных импульсов, если в качестве полностью управляемых ключей используются запираемые тиристоры или маломощные формирователи коротких импульсов, если применяются транзисторные ключи 3 и 4.

Следует отметить, что представленный вариант выполнения логического формирователя 24, как впрочем и всей системы управления, является не единственным, и возможны другие варианты реализации предложенного способа.

Источники информации
1. Жарский Б. К. , Голубев В.В. Импульсное регулирование переменного напряжения. ИЭД АН УССР, Препринт - 96, К., 1975.

2. Авторское свидетельство СССР N 589683, H 02 P 13/16, G 05 F 1/24.

3. Патент России N 2042176 от 20.08.95 г., G 05 F 1/24, H 02 P 13/16.

Формула изобретения

Способ регулирования переменного напряжения путем изменения относительного времени шунтирования и подключения к сети или нагрузке первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого включена последовательно в цепь между входными и выходными выводами, за счет изменения длительности включенного состояния соответствующих ключей моста, в диагональ которого включена первичная обмотка, для чего формируют две последовательности тактовых интервалов с одинаковой частотой, которая не меньше удвоенной частоты сети, располагают последовательности друг относительно друга со сдвигом на половину длительности тактовых интервалов и внутри каждого тактового интервала образуют два временных интервала со взаимно изменяющимися длительностями, которыми без учета инерционности ключей на включение и выключение задают длительность включенного состояния ключей моста и порядок их переключения, причем первым и вторым временными интервалами первой последовательности задают длительность включенного состояния двух ключей моста, которыми переключают начало первичной обмотки трансформатора соответственно с фазы сети или нагрузки на нулевой провод, а первым и вторым временными интервалами второй последовательности задают длительность включенного состояния двух других ключей моста, которыми переключают конец первичной обмотки трансформатора с фазы сети или нагрузки на нулевой провод, при этом временными интервалами одинаковой длительности первой и второй последовательностей задают длительность включенного состояния ключей противоположных плеч моста, отличающийся тем, что в начале первого и второго временных интервалов одной из последовательностей, которыми задают время включенного состояния полностью управляемых ключей моста, формируют первый и второй интервалы прерывания и вводят их в тактовые интервалы этой же последовательности, а в начале первого и второго временных интервалов другой последовательности, которыми задают время включенного состояния ключей моста с естественной коммутацией, формируют третий и четвертый интервалы прерывания и вводят их в тактовые интервалы как одной, так другой последовательностей, причем длительности первого и второго интервалов прерывания равны разности между временем выключения предыдущего полностью управляемого ключа и временем включения последующего полностью управляемого ключа, а длительности третьего и четвертого интервалов прерывания равны разности между суммарным временем выключения двух предыдущих ключей, один из которых с естественной коммутацией, и временем включения последующего ключа с естественной коммутацией.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2