Стабилизатор симметричного трехфазного напряжения

Использование: в преобразовательной технике. Технический результат: уменьшение количества транзисторных ключей, предназначенных для периодического подключения первичных обмоток к сетевому источнику. Используется существующая в симметричных режимах работы возможность одновременного и одинакового регулирования напряжения во всех трех фазах с помощью одного - в схемах с однополярной вольтодобавкой или двух - в схемах с двухполярной вольтодобавкой коммутирующего элемента в виде транзисторного ключа на выходе трехфазного диодного моста, зажимами переменного тока, соединенного со свободными выводами первичных обмоток. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для упрощения силовых цепей многофазных стабилизаторов ключевого действия за счет минимизации количества полупроводниковых элементов.

В настоящее время широкое применение получают стабилизаторы на транзисторных ключах, работающие по принципу высокочастотной автоматически регулируемой широтно-импульсным способом по отклонению вольтодобавки (см., например, B.C.Руденко и др. Преобразовательная техника. Киев: Вища школа. 1978, с.160). Достоинством данных стабилизаторов являются сравнительно малые искажения напряжения и тока нагрузки, обусловленные величиной вольтодобавки, которая выбирается минимально возможной для компенсации реально существующих отклонений сетевого питающего напряжения и тока нагрузки. Причем, если эти отклонения, в силу той или иной специфики технологического процесса, происходят в одну сторону, вольтодобавка может быть однополярной, чаще всего вольтоповышающей. В иных случаях требуется двухполярная, то есть вольтоповышающая и вольтопонижающая добавка напряжения на выходе стабилизатора. Недостатком указанных стабилизаторов в трехфазном исполнении является неоправданно большое количество полупроводниковых элементов, в связи с тем, что подобное устройство, как правило, получают простым объединением однофазных схем. При отыскании возможностей упрощения трехфазных схем следует различать несимметричные режимы работы стабилизаторов, требующие раздельного регулирования и стабилизации напряжения в каждой фазе нагрузки и симметричные режимы, допускающие общую стабилизацию путем одновременного и одинакового изменения напряжения во всех трех фазах. Очевидно, в случаях, допускающих применение общего для всех фаз знакопостоянного регулирования, как раз и существуют предпосылки заметного упрощения рассматриваемых устройств, которые до сих пор, по сведениям литературных источников, не были использованы. Наиболее близкое техническое решение содержится в книге А.В.Кобзева и др. "Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием". М.: Энергоатомиздат. 1986, с.9, рис. 1.46. Представленная в данном первоисточнике схема однофазного стабилизатора рассматривается в качестве базового структурного элемента, на основе которого осуществляется в настоящее время построение трехфазных стабилизаторов.

Подобные схемы объединяет наличие трехфазного вольтодобавочного трансформатора, содержащего на каждом стержне магнитопровода вольтоповышающую первичную, а также вторичную обмотку, соединенную одним выводом с одной из фаз сетевого источника питания, а другим выводом - с одним из выводов трехфазной нагрузки. Указанная первичная обмотка одним из своих выводов соединена с той же фазой питающей сети, к которой подключается и вторичная обмотка данного стержня. В составе подобных схем имеются также полупроводниковый коммутирующий элемент, снабженный цепью защиты от коммутационных перенапряжений и цепи управления этим элементом.

Как отмечалось, в случаях, допускающих общее регулирование и стабилизацию напряжения во всех трех фазах нагрузки, количество коммутирующих элементов и соответственно число каналов управления может быть сведено к минимуму, то есть к одному - в схемах с однополярной вольтодобавкой и к двум - в схемах со знакопеременной вольтодобавкой. Для этого предлагается в схемах с однополярной вольтодобавкой для подключения первичных обмоток всех трех фаз использовать один коммутирующий элемент в виде трехфазного диодного моста, зажимами переменного тока соединенного с указанными свободными выводами вольтоповышающих первичных обмоток всех фаз, а зажимами постоянного тока подключенного в проводящем направлении к силовым выводам транзисторного ключа, служащего для объединения указанных выводов первичных обмоток в нулевую точку, для подключения которой к нулевому выводу сетевого источника служит средний вывод двух последовательно соединенных обратных диодов, подключенных встречно-параллельно указанному транзисторному ключу, а цепи управления выполнить в виде одноканальной системы автоматического управления, содержащей задатчик эталонного напряжения, датчик обратной связи, регулятор тока и устройство широтно-импульсного управления транзисторным ключом.

В схемах с двухполярной вольтодобавкой предлагается на каждом стержне трансформатора расположить вольтопонижающую первичную обмотку, включенную последовательно - согласно с указанной выше вольтоповышающей первичной обмоткой так, чтобы они своим средним выводом были соединены с той же фазой питающей сети, к которой подключена вторичная обмотка данного стержня. Дополнительно вводится аналогично выполненный второй коммутирующий элемент, в составе которого диодный мост зажимами переменного тока соединен со свободными выводами вольтопонижающих первичных обмоток всех фаз, а средний вывод двух последовательно соединенных диодов, шунтирующих транзисторный ключ в обратном направлении, также подключен к нулевому выводу сетевого источника.

В схемах с двухполярной вольтодобавкой, кроме указанного, предлагается использовать второй аналогично выполненный коммутирующий элемент, в составе которого диодный мост зажимами пременного тока соединен со свободными выводами вольтопонижающих первичных обмоток всех фаз, а средний вывод двух последовательно соединенных диодов, шунтирующих транзисторный ключ в обратном направлении, подключить аналогичным образом к нулевому выводу сетевого источника. Соответственным образом, уменьшение количества коммутирующих элементов в силовой схеме стабилизатора позволяет применить уже не трех, а одноканальную систему автоматического регулирования.

На фиг.1 изображена известная схема трехфазного стабилизатора, позволяющая работать в режимах с однополярной и двухполярной вольтодобавкой, а также упрощенная блок-схема цепей управления данным устройством; на фиг.2 - предлагаемая схема для работы в симметричном режиме с однополярной вольтодобавкой, а на фиг.3а, б - временные диаграммы напряжений нагрузки и напряжений вольтодобавки, иллюстрирующие работу данного устройства; на фиг.4 - предлагаемая схема для работы в симметричном режиме с двухполярной вольтодобавкой, а на фиг.5а, б, - аналогичные диаграммы, иллюстрирующие ее работу.

Как видно из фиг.1, построение силовой схемы стабилизатора предполагает последовательное соединение в каждой фазе источника сетевой фазной ЭДС Еа (Ев, Ес) с одной из вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора W₂ и цепью нагрузки Za (Zв, Zc). Подключение первичных вольтоповышающей W₁₁ и вольтопонижающей W₁₂ обмоток в параллель к сетевому источнику каждой фазы осуществляется с помощью одного из коммутирующих элементов 1-6. Принимая во внимание направление подключения обмоток, можно видеть, что замыкание ключа в цепи вольтоповышающей обмотки W₁₁ приведет к суммированию сетевой ЭДС Еа с напряжением вторичной обмотки ΔU, то есть к увеличению результирующего напряжения в цепи нагрузки Za, a замыкание ключа в цепи вольтопонижающей обмотки W₁₂ - к вычитанию указанных напряжений и соответственно к уменьшению результирующего напряжения в нагрузке Za. Регулированием длительности подключения указанных первичных обмоток в течение каждого периода тактовой частоты можно обеспечить стабилизацию выходного напряжения, а значит и постоянство тока в каждой фазе нагрузки. Такое регулирование может осуществляться автоматически по известному принципу отклонения с помощью трехканальной системы управления на фиг.2. Каждый канал этой системы содержит эталонный источник величины и формы фазного тока 7, датчик обратной связи 8 (9, 10), регулятор тока 11 и устройство широтно-импульсного управления 12 ключами 1 и 2.

Таким образом видно, что для своей реализации известный вариант построения стабилизатора требует применения нескольких коммутирующих элементов. В случаях, допускающих общее регулирование во всех фазах с однополярной вольтодобавкой, это число снижается с 6-ти до 1-го. Представленная на фиг.2 схема трехфазного стабилизатора содержит общий для всех трех первичных вольтоповышающих обмоток коммутирующий элемент с транзисторным ключом 13. Данный ключ служит для соединения указанных обмоток трансформатора по схеме звезды, для чего он присоединен в проводящем направлении к зажимам постоянного тока трехфазного диодного моста, который, в свою очередь, зажимами переменного тока подключен к свободным выводам указанных первичных обмоток вольтоповышающего трансформатора. Для соединения нулевой точки звезды с нулевым выводом сетевого источника служит средний вывод двух последовательно соединенных диодов, шунтирующих транзистор в обратном направлении. Такое присоединение обеспечивает одновременное включение и выключение всех трех первичных обмоток с возможностью протекания переменного тока по цепи с транзистором. Известно, что выключение транзистора в цепи с индуктивными элементами сопровождается появлением значительных перенапряжений. Для ограничения этих перенапряжений используют полярные (например, электролитические) конденсаторы фильтра низких частот, которые с целью устранения накапливания заряда шунтируются разрядным резистором. В данном случае подобный элемент защиты целесообразно подключить параллельно транзистору посредством разделительного диода, проводящего ток в направлении заряда конденсатора, но предотвращающего саморазряд конденсатора на интервалах включенного состояния транзистора. Данный конденсатор вступает в работу лишь на интервалах коммутации. Зарядившись при первоначальной подаче напряжения, этот защитный элемент, благодаря разделительному диоду, отключится и не будет оказывать никакого влияния на межкоммутационные процессы в схеме стабилизатора.

Принцип действия предлагаемого на схеме фиг.2 устройства прост. Он состоит в периодическом переключении транзистора 13 с достаточно высокой тактовой частотой и регулировании длительности включенного состояния на каждом такте в функции сигнала ошибки регулирования на входе регулятора 11 (фиг.1). В связи с одновременным одинаковым изменением напряжения во всех трех фазах нагрузки, такое регулирование требует применения лишь одного датчика обратной связи в одной из фаз на выходе стабилизатора. Для иллюстрации работы данного устройства на фиг.3а приведены диаграммы результирущего трехфазного напряжения нагрузки Ua, Uв, Uc, полученного сложением сетевой ЭДС Еа, Ев, Ес с напряжением регулируемой широтно-импульсным способом вольтодобавки ΔU. Для примера амплитуда однополярной вольтодобавки на данных диаграммах принята равной ΔU=12% по отношению к амплитуде сетевой ЭДС (см. фиг.36) при тактовой частоте переключений транзистора 1 кГц. Увеличение тактовой частоты позволяет уменьшить расход меди и стали при изготовлении вольтодобавочного трансформатора, требуя его изготовления на специальном ферромагнитном или ферритовом сердечнике с высокой частотой перемагничивания.

Другой вариант стабилизатора на фиг.4 предназначен для работы в режиме со знакопеременной вольтодобавкой. Такой режим необходим в условиях возможных колебаний напряжения нагрузки в обе стороны от номинального значения. В отличие от рассмотренной, данная схема содержит на каждом стержне кроме вольтоповышающей W₁₁ также и вольтопонижаюшую W₁₂ обмотки. Для подключения последних служит аналогично выполненный коммутирующий элемент на транзисторном ключе 14. Способ присоединения этих обмоток позволяет видеть, что поочередное в противофазе переключение транзисторов 13 и 14 будет сопровождаться изменением полярности индуцированного во вторичных обмотках напряжения вольтодобавки ±ΔUa, ±ΔUв, ±ΔUc и соответственно одновременным изменением напряжения во всех фазах нагрузки Ua, Uв, Uc (см. диаграммы на фиг.5а, б). Регулированием длительности включенного состояния указанных транзисторов удается увеличивать и уменьшать результирующее напряжение нагрузки по сравнению с номиналом. Это регулирование возможно в пределах вольтодобавки, величина которой определяется количеством витков вторичной обмотки, то есть коэффициентом трансформации. При работе транзисторов в противофазе прерывание намагничивающего тока в обмотках трансформатора устраняется. Эта особенность двухтактных схем уменьшает величину возможных коммутационных перенапряжений, в связи с чем необходимость в защитных устройствах на основе полярных конденсаторов фильтра в ряде случаев отпадает.

1. Стабилизатор симметричного трехфазного напряжения, содержащий трехфазный вольтодобавочный трансформатор с расположенными на каждом стержне магнитопровода вольтоповышающей первичной обмоткой и вторичной обмоткой, соединенной одним выводом с одной из фаз сетевого источника питания, а другим выводом - с одним из выводов трехфазной нагрузки, причем указанная первичная обмотка одним из своих выводов соединена с той же фазой питающей сети, к которой подключена и вторичная обмотка данного стержня, а также коммутирующий элемент, снабженный цепью защиты от коммутационных перенапряжений и цепями управления, отличающийся тем, что, используемый для соединения свободных выводов указанных первичных обмоток, первый коммутирующий элемент выполнен в виде трехфазного диодного моста, зажимами переменного тока соединенного со свободными выводами вольтоповышающих первичных обмоток всех фаз, а зажимами постоянного тока подключенного в проводящем направлении к силовым выводам транзисторного ключа, служащего для объединения указанных выводов первичных обмоток в нулевую точку звезды, для подключения которой к нулевому выводу сетевого источника служит средний вывод двух последовательно соединенных обратных диодов, подключенных встречно-параллельно указанному транзисторному ключу, при этом цепи управления выполнены в виде одноканальной системы автоматического управления, содержащей задатчик эталонного напряжения, датчик обратной связи, регулятор тока и устройство широтно-импульсного управления транзисторным ключом.

2. Стабилизатор симметричного трехфазного напряжения по п.1, отличающийся тем, что, при работе с двухполярной вольтодобавкой, на каждом стержне трансформатора размещается вольтопонижающая первичная обмотка, соединенная последовательно-согласно с указанной вольтоповышающей обмоткой, при этом данные обмотки своим средним выводом подключены к той же фазе питающей сети, к которой присоединена вторичная обмотка данного стержня, а дополнительно введенный для соединения свободных выводов вольтопонижающих обмоток второй аналогично выполненный коммутирующий элемент зажимами переменного тока диодного моста соединен со свободными выводами указанных вольтопонижающих первичных обмоток, а средним выводом двух последовательно соединенных диодов, шунтирующих транзисторный ключ в обратном направлении, также, как и первый коммутирующий элемент, подключен к нулевому выводу сетевого источника.