Способ импульсного регулирования переменного напряжения

 

Использование: изобретение относится к преобразовательной технике. Сущность изобретения: предложен способ импульсного регулирования переменного напряжения с улучшенными энергетическими показателями и упрощенной системой управления мостовым коммутатором вольтодобавочного трансформатора. Способ заключается в формировании двух последовательностей тактовых интервалов с частотой, равной частоте сети и сдвинутых друг относительно друга на 180 град, внутри каждого тактового интервала формируют по два взаимно изменяющихся временных интервала таким образом, что каждый из них расположен симметрично относительно середины соответствующей полуволны сетевого напряжения. 2 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для регулирования или стабилизации переменного напряжения.

Известны способы импульсного регулирования переменного напряжения с опережающим или отстающим сдвигом первой гармоники выходного напряжения относительно напряжения сети [1] Способы основаны на формировании в каждый полупериод сетевого напряжения двух временных интервалов со взаимно изменяющимися длительностями, на одном из которых при помощи ключей закорачивают первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора, а на другом подключают ее к сети, обеспечивая при этом согласное или встречное включение обмоток трансформатора.

К недостаткам способов следует отнести низкие энергетические показатели из-за высокой частоты переключения ключей и регулирование с искажением фазы первой гармоники выходного напряжения, а также относительную сложность системы управления из-за необходимости перераспределения управляющих импульсов с одних ключей на другие с удвоенной частотой сетевого напряжения.

Наиболее близким является способ импульсного регулирования переменного напряжения без сдвига первой гармоники [2] Суть способа состоит в изменении относительного времени шунтирования и подключения к сети 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 длительностью, равной полупериоду напряжения сети, и внутри каждого тактового интервала образуют два временных интервала со взаимно изменяющимися длительностями, которыми задают длительность замкнутого состояния ключей моста и порядок их переключения, причем первым и вторым временными интервалами первой последовательности задают длительность замкнутого состояния ключей моста, которыми переключают начало первичной обмотки трансформатора с фазы сети на нулевой провод, а первым и вторым временными интервалами второй последовательности задают последовательность замкнутого состояния двух других ключей моста, которыми переключают конец первичной обмотки трансформатора с фазы сети на нулевой провод при этом временными интервалами одинаковой длительности первой и второй последовательностей задают длительность замкнутого состояния ключей противоположных плеч моста.

Недостатком способа является высокая частота переключения ключей, вследствие равенства длительностей первого и второго тактовых интервалов полупериоду напряжения сети, что увеличивает коммутационные потери и усложняет систему управления.

Цель изобретения повышение энергетических показателей и упрощение устройства за счет снижения частоты переключения ключей при сохранении формы выходного напряжения и диапазона регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что задают длительности тактовых интервалов двух последовательностей равными периоду напряжения сети, располагают последовательности друг относительно друга со сдвигом в 180 град. а относительно напряжения сети таким образом, что каждый временной интервал каждой последовательности расположен симметрично относительно середины соответствующей полуволны сетевого напряжения.

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

На фиг. 1 введены следующие обозначения: U₁ и U₂ напряжения сети и нагрузки; U₂⁽⁺⁾ U₁(1+К_т) напряжения нагрузки при работе способа в режиме U₂^(-) U₁(1-К_т) вольтдобавки и вольтовычета соответственно; К_т коэффициент трансформации; Т₁ 2 π период напряжения сети; Т_к1 и Т_к2 тактовые интервалы первой и второй последовательностей, которые сдвинуты друг относительно друга на 180 град. и по длительности равны периоду напряжения сети Т₁; α первый временной интервал тактового интервала Т_к1 первой последовательности и он же второй временной интервал тактового интервала Т_к2 второй последовательности; β=2π-α второй временной интервал тактового интервала Т_к1 первой последовательности и он же первый временной интервал тактового интервала Т_к2 второй последовательности; t₁, t₂, t₃, t₄, t₅ интервалы замкнутого состояния ключей 1 и 4, 2 и 4, 1 и 4, 1 и 3, 1 и 4 соответственно за один период;
U_оп1 и U_оп2 опорные напряжения системы управления для формирования α и β;
U_у напряжение управления.

На фиг. 2 совмещены силовая часть и система управления устройства. Силовая часть содержит полностью управляемые ключи 1-4 с двухсторонней проводимостью, трансформатор 5, а также входные и выходные зажимы 6 и 7, предназначенные для подключения к cети и нагрузке cоответcтвенно. Сиcтема управления включает в себя синхронизирующий трансформатор 8, вторичная обмотка которого выполнена со средней точкой, компараторы 9 и 10, выходные каскады 11-14 с усилителями и элементами гальванической развязки. При применении устройства в качестве стабилизатора оно также содержит датчик выходного напряжения 15 и элемент сравнения 16.

Рассмотрим принцип действия способа в течение одного периода напряжения сети (фиг. 1). Для этого разобьем период Т₁ на пять временных интервалов t₁-t₅. На интервалах t₁, t₃ и t₅ (фиг. 1) ключи 1 и 4 (см. фиг. 2) подключают первичную обмотку трансформатора 5 к сети, формируя на его вторичной обмотке противофазную с сетью вольтодобавку "-"К_тU₁. Трансформатор 5, суммируя эту вольтодобавку с напряжением сети, обуславливает на нагрузке напряжение U₂^(-) (1-К_т) ˙ U₁. На интервале t₂ (фиг. 1) ключами 2 и 4 и на интервале t₄ ключами 1 и 3 (фиг. 2) закорачивает первичную обмотку трансформатора 5, формируя на нагрузке напряжение равное напряжению сети U₂ U₁. В последующие периоды напряжения сети интервалы замкнутого состояния ключей повторяются.

Изменением длительности временных интервалов α и β=2π-α внутри тактовых интервалов Т_к1 и Т_к2, смещенных друг относительно друга на 180 град. осуществляется плавное регулирование напряжения нагрузки U₂ вниз (фиг. 1, а) и вверх (фиг. 1, б) относительно напряжения сети U₁.

В процессе плавного изменения α от 0 до 2 π рад и соответствующего изменения β от 2 π до 0 рад внутри каждого тактового интервала Т_к1 и Т_к2(Т_к1 Т_к2 Т₁ α+β) напряжение нагрузки U₂ плавно регулируется в диапазоне от U₁(1-К_т) до U₁(1+К_т). В частности, при α=β=π рад напряжение на нагрузке равно напряжению сети U₂ U₁. При α 0, π и 2 π рад напряжение нагрузки имеет синусоидальную форму.

Алгоритмы переключения ключей 1 и 2 и длительности их замкнутого состояния β и α задают в результате сравнения синфазного с сетью и, например, синусоидального опорного напряжения U_оп1 с сигналом управления U_у (фиг. 1). Аналогично замкнутое состояние ключей 3 и 4 с интервалами α и β задается сравнением противофазного с сетью и также, например, синусоидального опорного напряжения U_оп2 с напряжением управления U_у.

На фиг. 2 синфазность и противофазность с сетью опорных напряжений U_оп1 и U_оп2 обеспечивается синхронизирующим трансформатором 8, а взаимосвязь интервалов α и β и их регулирование компараторами 9 и 10.

Такой принцип реализации способа позволяет при изменении U_у производить взаимное и встречное изменение длитель- ностей временных интервалов α и β а также сдвигать тактовые интервалы Т_к1 и Т_к2 первой и второй последовательностей на 180 град. В результате этого при U_у < 0 (фиг. 1, а) напряжение U₂ регулируется от U₁(1-К_т) до U₁, а при U_у < 0 (фиг. 1, б) от U₁ до U₁(1+К_т).

Осуществление предлагаемого способа может быть выполнено на серийных элементах, что указывает на готовность электрической промышленности к производству энергоэффективного средства повышения качества электроэнергии.

Формула изобретения

СПОСОБ ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ путем изменения относительного времени шунтирования и подключения к сети 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 длительностью и внутри каждого тактового интервала образуют два временных интервала со взаимно изменяющимися длительностями, которыми задают длительность замкнутого состояния ключей моста и порядок их подключения, причем первым и вторым временными интервалами первой последовательности задают длительность замкнутого состояния двух ключей моста, которыми переключают начало первичной обмотки трансформатора соответственно с фазы сети на нулевой провод, а первым и вторым временными интервалами второй последовательности задают длительность замкнутого состояния двух других ключей моста, которыми переключают конец первичной обмотки трансформатора с фазы сети на нулевой провод, при этом временными интервалами одинаковой длительности первой и второй последовательностей задают длительность замкнутого состояния ключей противоположных плеч моста, отличающийся тем, что задают длительности тактовых интервалов двух последовательностей равными периоду напряжения сети, располагают последовательности одну относительно другой со сдвигом в 180^o, а относительно напряжения сети таким образом, что каждый временной интервал каждой последовательности расположен симметрично относительно середины соответствующей полуволны сетевого напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2