Регулятор переменного напряжения
Владельцы патента RU 2566668:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано для получения регулируемого и стабилизированного трехфазного переменного напряжения, причем качество входного и выходного токов остается высоким, а входной ток имеет к тому же опережающий характер по отношению к входному напряжению. Технический результат заключается в создании регулятора переменного напряжения с широким диапазоном регулирования. Для этого предлагаемый регулятор переменного напряжения содержит в каждой фазе реакторы, включенные последовательно с источником питания и нагрузкой, два трехфазных диодных выпрямительных моста, две группы накопительных конденсаторов, включенные последовательно соответственно первой и второй группой между точками соединения реакторов с выводами нагрузки и выводами переменного тока обоих трехфазных диодных выпрямительных мостов, а к выводам постоянного тока каждого диодного выпрямительного моста подключены в проводящем направлении транзисторы. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано для получения регулируемого и стабилизированного трехфазного переменного напряжения, причем качество входного и выходного токов остается высоким. Такой регулятор может быть использован как стабилизатор трехфазного переменного напряжения, безтрансформаторное устройство повышения переменного напряжения, регулируемый источник стабильного переменного напряжения и как устройство плавного пуска асинхронных двигателей.
Известен регулятор переменного напряжения, содержащий в каждой фазе последовательно включенные входной LC-фильтр, входной ключ, выполненный в виде встречно-параллельного соединения вентиля с полным управлением и диода, реактор выходного фильтра, а также выходной ключ, подсоединенный к точке соединения входного ключа и реактора выходного фильтра (пат. 2122274 C1 RU, МПК H02M 5/22. Регулятор трехфазного напряжения).
Однако указанный регулятор имеет большое количество реактивных элементов и ключей.
Кроме того, известен регулятор переменного напряжения (Z. Peng, L. Chen, F. Zhang. Simple Topologies of PWM AC-AC Converters, 1540-7985/03$ 17.00 ©2003 IEEE, P. 10-13), взятый за прототип, содержащий в каждой фазе реакторы, включенные последовательно с источником питания, фильтровые конденсаторы, включенные параллельно нагрузке, два трехфазных диодных выпрямительных моста, первый из которых выводами переменного тока подключен ко вторым выводам нагрузки, а второй - к точкам соединения реакторов с первыми выводами нагрузки, а также два транзистора, которые по одному подсоединены в проводящем направлении к выводам постоянного тока диодных выпрямительных мостов.
Однако этот регулятор способен только повышать напряжение, то есть имеет ограниченный диапазон регулирования напряжения. Кроме того, данный регулятор требует наличия 6 выводов трехфазной нагрузки, что усложняет ее конструкцию и возможно в ограниченных случаях.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание регулятора переменного напряжения с широким диапазоном регулирования и ориентированного на более простое конструктивное исполнение нагрузки с тремя выводами, не требующего наличия шести выводов у трехфазной нагрузки.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом регуляторе переменного напряжения введены две группы накопительных конденсаторов, различающиеся по величине, включенные последовательно соответственно первой и второй группой между точками соединения реакторов с первыми выводами нагрузки и выводами переменного тока обоих трехфазных диодных выпрямительных мостов, а вторые выводы трехфазной нагрузки соединены вместе.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого регулятора переменного напряжения. На фиг. 2 приведены временные диаграммы токов и напряжений при уменьшенной частоте коммутации.
Предлагаемый регулятор переменного напряжения содержит в каждой фазе реакторы 1, включенные последовательно с фазами А, В, С источника питания и с фазами а, b с нагрузки 2, две группы накопительных конденсаторов 3 и 4, включенные одними своими выводами между точками соединения реакторов с выводами нагрузки, а вторыми выводами подключенные ко входам двух трехфазных диодных выпрямительных мостов 5 и 6, к выводам постоянного тока каждого диодного выпрямительного моста подключены в проводящем направлении соответственно транзисторы 7 и 8.
На временных диаграммах токов и напряжений (фиг. 2) показаны: а) входной ток iA и напряжение uA фазы А, б) импульсы, подаваемые на транзистор 8, в) выходной ток ia и напряжение ua нагрузки.
Регулятор (фиг. 1) работает следующим образом. Высокочастотные импульсы (фиг. 2б), подаваемые на транзисторы 7 и 8, поочередно включают их, тем самым подключая и отключая то одну, то другую группу накопительных конденсаторов 3 и 4, соединяющиеся в звезду через соответствующий диодный выпрямительный мост 5 или 6 и проводящий транзистор 7 или 8. Примечательно, что величины емкостей накопительных конденсаторов первой и второй групп должны быть различными.
В первом состоянии, при замыкании транзистора 7 к источнику питания подключается дополнительная нагрузка из звезды конденсаторов первой группы 3 и в реакторах 1 запасается дополнительный ток и значит дополнительная энергия по сравнению с той, которую требует нагрузка. Во втором состоянии, при замыкании транзистора 8 к источнику питания подключается новая дополнительная нагрузка из звезды конденсаторов второй группы 4, а конденсаторы первой группы отключаются от нагрузки при выключении транзистора 7. Из-за различия в величинах емкостей накопительных конденсаторов первой и второй группы возникает дисбаланс энергий конденсаторов, нагрузки и источника и в зависимости от знака дисбаланса энергии напряжение на накопительных конденсаторах второй группы увеличивается или уменьшается. Управляя относительной длительностью пребывания схемы в первом и втором состоянии, можно регулировать величину напряжения на нагрузке. Степень доступного повышения напряжения на нагрузке по отношению к напряжению источника питания зависит от соотношения величин емкостей накопительных конденсаторов, которые не могут быть одинаковыми, и достигает 30-50%, обычно требуемых для большинства соответствующих применений.
Таким образом, предлагаемый регулятор, в котором возможно повышение и понижение напряжения, позволяет регулировать напряжение нагрузки в широком диапазоне. При этом обеспечивается более простое конструктивное исполнение нагрузки уже только с тремя выводами, а не шестью, что соответствует абсолютному большинству случаев соединения фаз нагрузки в звезду или треугольник.
Кроме того, входной ток регулятора опережает напряжение источника питания, т.е. предлагаемый регулятор является источником реактивной (емкостной) мощности, в то время как классические транзисторные регуляторы переменного напряжения являются потребителями реактивной мощности. Значит, предлагаемый регулятор будет улучшать результирующий коэффициент мощности суммарной нагрузки источника питания.
Регулятор переменного напряжения, содержащий в каждой фазе реакторы, включенные последовательно с источником питания и нагрузкой, два трехфазных диодных выпрямительных моста, два транзистора, которые по одному подсоединены в проводящем направлении к выводам постоянного тока диодных выпрямительных мостов, отличающийся тем, что введены две группы накопительных конденсаторов, различающиеся по величине, включенные последовательно соответственно первой и второй группой между точками соединения реакторов с первыми выводами нагрузки и выводами переменного тока обоих трехфазных диодных выпрямительных мостов, а вторые выводы трехфазной нагрузки соединены вместе.
