Способ и устройство фазового регулирования переменного напряжения

Изобретение относится к области электротехники, в частности к регулированию переменного напряжения и тока. Технический результат заключается в расширении диапазона регулирования напряжения при индуктивной нагрузке независимо от ее параметров и создании надежного регулятора переменного напряжения, позволяющего реализовать этот способ, обеспечивая высокие энергетические показатели. Технический результат достигается тем, что в способе фазового регулирования переменного напряжения путем поочередного подключения реактивной нагрузки к питающей сети с помощью однополупериодных регулирующих ключей последовательной цепи и последующего замыкания ее накоротко однополупериодными нулевыми ключами параллельной цепи в начале наступившего полупериода напряжения нулевым ключом предыдущего полупериода нагрузку замыкают накоротко, затем при заданном угле регулирования включают регулирующий ключ предыдущего полупериода, обеспечивая контур рекуперации электромагнитной энергии в сеть, при этом в устройстве фазового регулирования переменного напряжения регулирующий и нулевой ключи попарно соединены по схеме моста, одна диагональ которого связана с питающей сетью, а другая - с нагрузкой через датчик тока, причем в противоположных плечах регулирующие ключи зашунтированы обратными диодами. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к регулированию переменного напряжения и тока, и может быть использовано при глубоком регулировании напряжения во многих областях промышленности, в том числе в сварочных установках и выпрямителях.

Известен способ фазового регулирования напряжения на нагрузке с помощью биполярного ключа («Устройства автоматики на тиристорах» / В.А. Скаржепа, В.В. Морозов. - Киев: Техника, 1974, рис.60 и 62, с.97 и 100), при котором в течение каждого полупериода напряжения сети в заданный момент подключают нагрузку путем замыкания ключа, который размыкается при нулевом значении тока.

Недостатками указанного фазового способа регулирования напряжения является ограниченный диапазон регулирования, большой уровень высших гармоник (мощности искажения), дополнительное потребление реактивной мощности. Рабочий диапазон изменения угла включения α k min = ϕ н = a r c t g ω L H R H ограничивается критическим углом. Этот диапазон уменьшается с ростом индуктивной составляющей нагрузки.

Прерывистый ток активно-индуктивной нагрузки рассчитывается по уравнению:

iн=(Um/ZH)·{sin(α-αк)-sin(αKн)·exp[-(α-αк)/tgφн]},

где α=ω·t, αk - угол регулирования; Z н = R н 2 + ( ω L н ) 2 ω.

В частности, при активной нагрузке и угле включения αK=90° мощности достигают следующих значений: активная P(1)=50%, реактивная Q(1)=32%, а мощность искажений (высших гармоник) N=39%.

Известен способ регулирования напряжения на нагрузке, выбранный в качестве прототипа, путем поочередного подключения реактивной нагрузки к питающей сети с помощью встречно-параллельных ключей последовательной цепи, последующего замыкания ее накоротко встречно-параллельными ключами параллельной цепи и повторного включения одного из ключей последовательной цепи (а.с. №541157 и а.с. №1686417).

Известен регулятор переменного напряжения с регулирующим и нулевым полностью управляемыми ключами, например, на биполярных тиристорах с отсекающими диодами и коммутирующими конденсаторами, установленными между одноименными электродами тиристоров, выбранный в качестве прототипа (см. а.с. №517122, или а.с. №1686417).

Недостатком способа-прототипа является то, что при фазовом регулировании напряжения по углу включения двухключевой регулятор на встречно-параллельных тиристорных ключах с емкостной коммутацией не работоспособен. Невозможно запереть регулирующий ключ после смены полярности напряжения сети, поскольку образуется короткозамкнутый контур сети через регулирующий тиристорный ключ наступившего полупериода и тиристорный нулевой ключ предыдущего полупериода, особенно в динамических режимах.

Основной задачей при фазовом управлении является расширение диапазона регулирования напряжения при индуктивной нагрузке независимо от ее параметров и создание надежного регулятора переменного напряжения, позволяющего реализовать этот способ.

Поставленная цель достигается тем, что в способе фазового регулирования переменного напряжения путем поочередного подключения реактивной нагрузки к питающей сети с помощью однополупериодных регулирующих ключей последовательной цепи и последующего замыкания ее накоротко однополупериодными нулевыми ключами параллельной цепи в начале каждого наступившего полупериода напряжения нулевым ключом предыдущего полупериода нагрузку замыкают накоротко, затем при заданном угле коммутации включают регулирующий ключ предыдущего полупериода, обеспечивая контур рекуперации избыточной электромагнитной энергии в сеть, а в момент перехода тока нагрузки через нуль замыкают регулирующий ключ наступившего полупериода, создавая контур потребления энергии из сети.

Устройство фазового регулирования переменного напряжения, содержащее блок управления, связанный с датчиком тока, и спаренные регулирующие и нулевые однополупериодные полностью управляемые ключи, решает поставленную задачу тем, что регулирующие и нулевые ключи попарно соединены по схеме моста, одна диагональ которого связана с питающей сетью, а другая - с нагрузкой через датчик тока, причем в противоположных плечах регулирующие ключи зашунтированы обратными диодами.

В качестве полностью управляемых ключей могут применяться биполярные и полевые транзисторы типа MOSFET, IGBT, запираемые тиристоры типов GTO, GCT, IGCT или обычные тиристоры с отсекающими диодами и конденсаторами, установленными между общими точками соединения тиристоров с диодами.

Сущность изобретения поясняется структурной схемой устройства регулирования напряжения на Фиг.1 и временными диаграммами с алгоритмом работы управляемых ключей, приведенными на фиг.2.

Устройство (фиг.1) выполнено на однополупериодных управляемых ключах: двух регулирующих ключах 1, 2 и двух встречно-соединенных с ними нулевых ключах 3, 4, которые работают в противофазе с ключами 1, 2, при этом регулирующие ключи 1, 2 зашунтированы обратными диодами 5 и 6, а все ключи соединены по мостовой схеме.

Ключи 1-4 подсоединены одной диагональю моста к питающей сети 7. Другая диагональ, образованная одноименными электродами ключей, нагружена на активно-индуктивную нагрузку 10 и датчик тока 8, связанный с блоком управления 9.

На фиг.2а обозначено: косой штриховой линией - напряжение нагрузки в режиме потребления энергии, а вертикальной штриховой линией - режим рекуперации энергии в питающую сеть.

На фиг.2д-ж представлены зоны замкнутого состояния ключей, поясняющие способ регулирования напряжения по моменту начала подключения нагрузки к питающей сети.

Наступивший полупериод соответствует положительной полуволне синусоидального напряжения сети UC (на фиг.2, б, в, г - горизонтальная штриховка), а предыдущий (второй) полупериод - отрицательной полуволне (фиг.2, д, е, ж - косая штриховка).

Сущность фазового способа регулирования выходного напряжения 11 (фиг.2) состоит в следующем.

В начале наступившего полупериода напряжения сети 7 с момента α=0 сигналом с блока управления 9 замыкается нулевой ключ 4 предыдущего (второго) полупериода и через диод 6 (фиг.2, е) образуется короткозамкнутый контур нагрузки 10. По контуру продолжает протекать ток 12 нагрузки, состоящий из тока 13, потребляемого из сети, и экспоненциального тока 14, протекающего в короткозамкнутом контуре нагрузки (фиг.2, а). Уравнения для мгновенных значений токов, полученные методом припасовывания, следующие:

ток нагрузки iн(α)=iс(α)+iз(α),

ток сети i с ( α ) = k 2 k 1 2 + 1 ( k 1 sin α cos α + δ e k 1 α ) ,

ток закоротки i з ( α ) = k 2 λ k 1 2 + 1 e k 1 α .

где к1=Rн/Lн; k2=Um/ω·Lн; δ - коэффициент, учитывающий параметры

схемы и начальные условия припасовывания; α=ω·t.

При заданном угле коммутации α=αK сигналами с блока управления 9 одновременно размыкается нулевой ключ 4, а замыкается регулирующий ключ 2 отрицательного полупериода напряжения (связь регулирующих и нулевых ключей отмечена пунктиром).

На интервале αK≤α≤φ ток 13 (12) нагрузки 10 протекает встречно с напряжением сети 7 и спадает до нуля при α=φ со скоростью, зависящей от постоянной времени нагрузки. Избыточная электромагнитная энергия рекуперируется в сеть, при этом регулирующий ключ 2 размыкается и запирается диод 6, открытый в течение полупериода тока φ≤α≤π+φ.

В момент α=φ перехода тока 12 через нуль сигналом с блока управления 9 замыкается регулирующий ключ 1 и через него и диод 5 начинает протекать ток 13, потребляемый из сети.

На интервале αK≤α≤π из питающей сети потребляется энергия, а кривая выходного напряжения 11 формируется в диапазоне зон рекуперации и потребления энергии. После изменения полярности напряжения сети 7 в момент α=π одновременно размыкается регулирующий ключ 1 и замыкается нулевой ключ 3.

Поскольку напряжение на нагрузке в каждый полупериод складывается из двух зон: зоны рекуперации и зоны потребления энергии из сети, то изменение реактивной составляющей нагрузки вызовет лишь изменение этих зон. В диапазоне этих зон нагрузка постоянно подключена к сети, поэтому их относительная продолжительность не влияет на форму выходного напряжения.

Среднее и действующее значения напряжения 11 на нагрузке определяются из уравнений: U н с р = U m π ( 1 + cos α k ) ,

U н = U m 2 π π α k + 0 , 5 sin α k .

Ток 14, вызванный ЭДС самоиндукции, спадает по экспоненте в контуре: 10-8-5-3-10, рассеиваясь на активных сопротивлениях контура.

При угле α=π+αK начинает формироваться отрицательная полуволна выходного напряжения 11, при этом снова замыкается регулирующий ключ 1, образуя контур рекуперации энергии: 1-10-8-5-(+)/(-) сети 7 (фиг.2а, д-ж).

С момента α=π+φ в работу вступает регулирующий ключ 2 и диод 6, по которым в диапазоне π+φ≤α≤2π протекает ток 12 нагрузки 10.

В зависимости от схемы и типа применяемых ключей вместо диодов 5 и 6 можно использовать управляемые диоды - тиристоры, отпираемые сигналами с датчика 8 тока, как показано пунктиром на фиг.1.

Из приведенного следует, что в отличие от прототипа при фазовом регулировании напряжения по моменту замыкания регулирующего ключа в предлагаемом способе диапазон регулирования не зависит от характера нагрузки. При этом способе постоянно имеется контур протекания тока нагрузки, вследствие чего между сетью и нагрузкой происходит свободный обмен энергией.

Сигнал напряжения с датчика тока 8 сравнивается с опорным напряжением UОП, и разностный сигнал с блока управления 9 воздействует на длительность импульсов управления ключами 1-4, а также действует на систему защиты.

Устройство при такой схеме соединений и связей становится надежным в работе, поскольку отсутствует возможность появления сквозных контуров короткого замыкания сети в статических и динамических режимах через регулирующий ключ наступившего полупериода и нулевой ключ предыдущего полупериода напряжения сети. Энергетические показатели устройства здесь выше, поскольку на интервалах короткозамкнутой нагрузки ток по ней протекает, а из сети не потребляется.

1. Способ фазового регулирования переменного напряжения путем поочередного подключения реактивной нагрузки к питающей сети с помощью однополупериодных регулирующих ключей последовательной цепи и последующего замыкания ее накоротко однополупериодными нулевыми ключами параллельной цепи, отличающийся тем, что в начале наступившего полупериода напряжения нулевым ключом предыдущего полупериода нагрузку замыкают накоротко, затем при заданном угле коммутации включают регулирующий ключ предыдущего полупериода, обеспечивая контур рекуперации электромагнитной энергии в сеть, а в момент перехода тока нагрузки через нуль замыкают регулирующий ключ наступившего полупериода, создавая контур потребления энергии из сети.

2. Устройство фазового регулирования переменного напряжения, содержащее блок управления, который связан с датчиком тока, и спаренные регулирующие и нулевые однополупериодные полностью управляемые ключи, отличающееся тем, что регулирующий и нулевой ключи попарно соединены по схеме моста, одна диагональ которого связана с питающей сетью, а другая - с нагрузкой через датчик тока, причем в противоположных плечах регулирующие ключи зашунтированы обратными диодами.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и системе для синхронной синусоидальной регулировки яркости светильников. Техническим результатом является обеспечение сохранения формы сигнала подаваемого напряжения и коэффициента мощности осветительного устройства.

Устройство относится к области электротехники и может использоваться при проектировании стабилизаторов напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других устройств автоматики.

Изобретение может быть использовано в стабилизаторах переменного напряжения. Технический результат заключается в повышении к.п.д.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии переменного тока или систем гарантированного электропитания переменного тока, в которых применяется инвертор напряжения.

Изобретение относится к устройству для возбуждения светодиода, к прибору, содержащему устройство, и к способу для возбуждения светодиода. Технический результат заключается в осуществлении устройства для возбуждения светодиода с повышенной эффективностью.

Изобретение относится к технике антенн СВЧ и может быть использовано в передающем канале двухканального приемопередающего СВЧ модуля (ППМ). Техническим результатом является снижение потерь выходной мощности ППМ и увеличение развязки между выходными канала в режиме передачи.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электропитания электротехнической аппаратуры, приводов, двигателей, осветительных сетей, блоков питания систем связи, автоматики и телемеханики с целью оптимизации работы электрооборудования и энергосбережения.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - надежное поддержание напряжения системы в допустимом диапазоне.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетическим системам. Технический результат заключается в устранении дополнительных пусковых токов и влияния включения трехфазных нагрузок на соседних потребителей в результате провалов напряжения.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока или систем гарантированного электропитания переменного тока.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат: получение сигнала синусоидальной формы, близкой к идеальной синусоиде, обеспечение возможности регулирования частоты выходного напряжения и повышение коэффициента полезного действия. Для этого предложен регенератор, который содержит трансформатор 1 с вторичной обмоткой 2, к которой подключен двухполярный выпрямитель 3, соединенной с зажимами 4 сетевого напряжения. Трансформатор содержит вторичные обмотки 5, каждая из которых подключена к соответствующему выпрямителю 6. К выпрямителям 6 подсоединены ключевые каскады 7, каждый из которых состоит из двух ключей 8 и 9 и схемы 10 управления ключами. Входы схем 10 управления ключами каждого ключевого каскада 7 соединены с соответствующими выходами реверсивного счетчика 11. Первый ключевой каскад 7 соединен с ключевыми элементами 12 и 13, которые вместе с ключевыми элементами 14 и 15 образуют мостовую схему. Точка соединения ключевых элементов 14 и 15 соединена со средней точкой двухполярного выпрямителя 3. Точки соединения ключевых элементов 12-14 и 13-15 являются выходом регенератора, к которому через блок 16 защиты подключается нагрузка 17. Регенератор содержит также усилитель 18 мощности, компаратор 19, компаратор 20, резистивный делитель 21, формирователь 22 эталонного сигнала, состоящего из генератора 23 синусоидального сигнала, компаратора 24, управляемого повторителя 25 и ключа 26, схемы 27 и 28 управления ключевыми элементами 13 и 14, инвертор 29, схемы 30 и 31 управления ключевыми элементами 12 и 15. 1 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может использоваться при разработке источников питания различной аппаратуры. Технический результат заключается в защите от выхода из строя силовых ключей при повышении на них напряжения и повышении тока через них, что выполняется с помощью определенной последовательности переключений силовых ключей и контактора от устройства управления. Он достигается тем, что предложен преобразователь напряжения, который работает от источника постоянного напряжения и содержит датчики тока и напряжения, контактор, силовой транзистор, включенный последовательно с контактом контактора и шунтированный резистором, повышающий регулятор на основе двух силовых ключей и двух диодов, DC/DC преобразователь на основе полумоста и двух последовательно включенных конденсаторов, силового трансформатора, выходного выпрямителя, нагруженного на емкость и нагрузку, а также устройство управления. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке высокочастотных источников питания с гальванической развязкой выходного напряжения для транспортных средств с комбинированными энергоустановками. Технический результат заключается в повышении энергетических показателей и расширении функциональных свойств устройства. Для этого заявленное устройство содержит источник питания собственных нужд, подключенный к бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батарее, полумостовой транзисторный преобразователь, токоограничивающий резистор, датчик тока, трансформаторно-выпрямительный каскад, входной фильтр, выходной фильтр, первый и второй усилители мощности для управления транзисторами полумостового транзисторного преобразователя, регулятор напряжения, компаратор, RS-триггер и триггер со счетным входом, первое и второе реле, датчик наличия напряжения на положительной входной клемме полумостового транзисторного преобразователя, первый и второй логические элементы 4ИЛИ-НЕ, в устройство также введены генератор прямоугольных импульсов, а источник питания содержит понижающий ШИМ-регулятор, образованный последовательно соединенными дросселем и полевым транзистором, и третий усилитель мощности, подключенный к затвору полевого транзистора, при этом второй выход регулятора напряжения через индикатор подключен к плюсовой клемме бортовой двенадцативольтовой аккумуляторной батареи. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, обеспечивающим требуемое качество электрической энергии для потребителей. Технический результат заключается в обеспечении плавного и бесступенчатого регулирования и стабилизации выходного напряжения и устранении коммутационных перенапряжений и перерывов в электропитании, исключении коммутационных бросков тока. Для этого предложен стабилизатор-регулятор напряжения переменного тока, содержащий автотрансформатор, блок управления с обратной связью по выходному напряжению, при этом он содержит автотрансформатор, выполненный на двух сердечниках, на каждом сердечнике расположены одна первичная и одна управляющая обмотки, вторичная обмотка охватывает оба сердечника, цепь последовательно и встречно соединенных первичных обмоток присоединена одним концом к сети, а вторым к общей точке соединения вторичной обмотки и нагрузки, образуя последовательное соединение первичных и вторичной обмотки, второй конец вторичной обмотки подключен к общей точке соединения нагрузки и сети питания, к каждой управляющей обмотке присоединены блоки электронных регуляторов, регулируемых блоком управления, снабженным обратной связью по выходному напряжению через потенциометр, параллельно подключенный к выходной обмотке стабилизатора-регулятора напряжения переменного тока. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах электропитания, в частности в стабилизаторах переменного напряжения. Техническим результатом является снижение динамических потерь электроэнергии. Стабилизатор переменного напряжения содержит коммутирующий блок с коммутирующими реле, токоограничительный резистор, первый вывод которого подключен к нейтральному проводу электросети, и трансформатор, первый вывод вторичной обмотки которого подключен к фазному проводу электросети, а второй вывод подключен к нагрузке, при этом коммутирующий блок содержит полупроводниковый ключ между вторым выводом первичной обмотки трансформатора и нейтральным проводом электросети и два коммутирующих реле, первое коммутирующее реле имеет нормально замкнутые контакты, второе коммутирующее реле имеет нормально разомкнутые контакты. 1 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике. Технический результат заключается в повышении эффективности работы системы автоматического ограничения снижения напряжения (АОСН). Для этого предложена система АОСН, содержащая устройство(а) АОСН, включающее блок сравнения с напряжением отключения, блок выдержки времени на отключение, блок последовательного отключения групп присоединений, блок сравнения с напряжением включения присоединений, блок выдержки времени на включение, блок последовательного включения отдельных присоединений, при этом на вход системы введены последовательно соединенные блок определения режимов электрической сети, блок анализа, блок определения присоединений, подключаемых под действие АОСН, блок задания уставок устройств АОСН, причем блок определения режимов определяет напряжения на шинах подстанций; блок анализа определяет подстанции, на которых необходимо установить устройства АОСН; блок определения присоединений устанавливает приоритетность присоединений, блок задания уставок обеспечивает задание уставок по напряжению и времени отключения. 2 ил., 3 табл.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве температурно-стабильного источника опорного напряжения (ИОН). Технический результат заключается в обеспечении минимального температурного коэффициента выходного напряжения ИОН при пониженной разности напряжений вход-выход. Для этого предложен источник опорного напряжения, который содержит шесть транзисторов и три резистора, при этом первый и второй резисторы подключены первыми выводами к эмиттеру первого транзистора, второй вывод первого резистора подключен к эмиттеру второго транзистора, базы с первого по четвертый транзисторов объединяются с коллекторами первого и третьего транзисторов, коллекторы второго и четвертого транзисторов подключены к базе пятого транзистора, первый вывод третьего резистора и база шестого транзистора подключены к коллектору пятого транзистора, второй вывод третьего резистора и эмиттер шестого транзистора подключены к шине питания, второй вывод второго резистора и коллектор шестого транзистора подключены к выходной клемме. 3 ил.
Наверх