Регулятор -фазного напряжения
Союз Советскии
Социалистических республик
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 210773 (21) 2648718/24-07 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет Опубликовано 151280. Бюллетень ¹ 46 Дата опубликования описания 1812.80 (51) М. Кл. HP 1З/14 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий (S3) УДК621.316. .722(088.3) Г.С. Мыцык, Н.З. Мастяев, В.В. Дудин, А.В. Кобзев, Г.Я. Иихальченко и В.Д. Семенов (72) Авторы изобретения Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники и Московский ордена Ленина энергетический институт (71) Заявители (54) РЕГУЛЯТОР m-с йЗНОГО ЧйПРЯЖЕНИЯ Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к технике регулирования и стабилизации переменных напряжений, колеблющихся вверх и вниз от своего номинального 5 значения и может найти применение в качестве мощных регулируемых (стабилизированных) источников электропитания для электротехнических установок в тех случаях, где требуется высокое качество электроэнергии и минимальные массо-габаритные характеристики. Известен трехфазный регулятор переменного напряжения, содержащий трехфазный трансформатор с вентильными 15 мостами на вторичной стороне силового трансформатора и полностью управляемыми ключами на выходах указанных мостов. Масса и габариты такого регулятора определяются в основном сило- 29 вым трансформатором, который работает на частоте сети. Удельно-массовый показатель таких регуляторов лежит в пределах 12-20 кг/кВа (1) . Известен также трехфазный регуля-. 25 тор переменного напряжения с промежуточным звеном повышенной частоты, трансформатор которого работает на повышенной частоте. Такое построение регулятора позволяет уменьшить массу 39 и габариты прследнего и получить удельно-массовый показатель 68 кг/кВа 12 . Однако такой регулятор имеет неоправданно заниженные энергетические показатели за счет того, что осуществляет двухполярную модуляцию. Кроме того, он имеет повышенную сложность как по построению, так и по управлению. Наиболее близок к предлагаемому трехфазный регулятор переменного напряжения, содержащий трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого выполнена со средними точками, образующими входные выводы регулятора, а другие концы первичной обмотки подключены к вентильным мостам, на выходе которых включены полностные управляемые ключи (например, тиристоры с искусственной коммутацией), а вторич-. ная обмотка подключена к нагрузке (3 . Однако силовой трансформатор такого регулятора работает в крайних режимах на частоте сети, что определяет высокие массу и габариты. Цель изобретения — улучшение массо-габаритных показателей за счет уменьшения массы трансформатора. 788331 Поставленная цель достигается тем, что известный регулятор, содержащий m-фазный трансформатор с парой m-фазных первичных обмоток, которые одними разноименными концами подключены ко входам основных m-фазных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах, а другими разноименными концами соединены между собой и этими точками соединения образуют входные выводы регулятора, также m-фазную вторичную обмотку и блок управления, выполненный в виде последовательно связанных между собой задатчика частоты импульсов, управляемого фазасдвигающего узла с синхронизирующими и управляющим входами, логического 5 узла и узла развязки и усиления, снабжен второй m-фазной вторичной обмоткой, которая образует вместе с первой пару вторичных обмоток. Эти обмотки соединены между собой аналогично Щ соединению первичной пары m-фазных обмоток и разноименными концами подключены ка входам дополнительно введенных m-фазных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на нх выходах. С целью улучшения входного коэффициента-мощности фазосдвигающий узел блока управления выполнен в виде двух генераторов пилообразного напряжения .с противоположным наклоном пилы относительно друг друга и двух компараторов. Один вход каждого из компараторов подключен к выходу одного из генераторов пилообразного напряжения, а управляющий вход фазосдвигающего уз-З5 ла образован точкой объединения двух других входов компараторов. Синхронизирующий вход этого узла образован .точкой объединения входов генераторов пилообразного напряжения и подключен 40 к выходу умножителя частоты импульсов. Логический узел выполнен в виде двух триггеров, вход каждого из которых подключен к выходу соответствующего компаратора. Прямой и инверсный выходы одного иэ них через узел развязки и усиления соединены с управляющими входами ключей основных а-фазных вентилвных мостов, а прямой и инверсный выходы другого аналогичным образом связаны с управляющими входами ключей дополнительных m-фазных вентильных мостов Для уменьшения искажений выходного напряжения и улучшения энергетических показателей регулятор снабжен дополнительным короткозамыкающим диодным мостом с полностью управляемым ключом на его выходе. Вход этого моста подключен к выходным выводам регулятора. 60 Логический узел содержит триггер, два двухвходовых логических элемента И и двухвходовый логический элемент ИЛИ с прямым и инверсным выходами. Вход триггера подключен к выхо- gg ду эадатчика частоты импульсов, его прямой и инверсный выходы подключены к одному из входов соответствующего логического элемента И, а также связаны с управляющими входами ключей основных m-фазных вентильных мостов. Выходы управляемого фазосдвигающега узла подключены к двухвходоваму логическому элементу HJIH, прямой выход которого связан с управлаяющим входом ключа короткозамыкающего диоднаго моста, а инверсный выход подключен ко вторым входам логических элементов И. Выходы этих логических элементов связаны с управляющими входами ключей дополнительных m-фазных вентильных мостов На фиг. 1 представлены принципиальная схема силовой части регулятора и блок-схема системы управления ключами) на фиг. 2 — диаграммы, поясняющие работу регулятора (при угле регулирования равном нулю); на фиг. 3 — блоксхема системы управления регулятора при двухполярном широтно-импульсном регулировании (ДШИР), т.е. при отсутствии короткозамыкающего диодного моста, на фиг. 4 — диаграммы, поясняющие работу регулятора с системой управления по фиг. 3; на фиг. 5 — блоксхема системы управления регулятором при однополярном широтно-импульсном регулировании (ОШИР), т.е. с короткозамыкающим диодным мостом; на фиг.б— диаграммы, поясняющие работу регулятора с системой управления по фиг. 5; на фиг. 7 — варианты использования регулятора по схеме вольтдобавки. Регулятор m-фаэного напряжения по фиг. 1 а содержит трехфазный трансформатор 1 со стержнями 2-4, имеющий пару первичных трехфаэных обмоток 5 и 6 и пару вторичных трехфазных обмоток 7 и 8, вентильные мосты 9-12 и короткозамыкающий мост 13. Все мосты нагружены на соответствующие управляемые ключи 14-18 (на схеме представлен один из вариантов выполнения таких ключей иа базе тиристоров с устройствами принудительной коммутации). управление ключами осуществляется с помощью блока 19 управления. Он содержит узел 20 задания частоты, фазосдвигающий узел 21, логический узел 22 н блок 23 развязки и усиления. Диаграммы сигналов, поступающих на управляющие входы ключевых элементов, представлены на фиг. 2. Сигналы, обозначенные без скобок соответствующими индексами, являются выходными сигналами соответствующих узлов блока 19 управления, а сигналы в скобках — это сигналы, используемые для управления ключами. При этом цифровые обозначения (индексы) сигналов соответствуют номерам ключей. Пояснение работы регулятора на фиг. 1. Для простоты изложения пояснение ведется для одной фазы А, 788331 Пусть во время O t< (фиг. 2) ключи 14 и 16 замкнуты. Тогда сетевое напряжение фазы А приложено к первичной обмотке 5, расположеннои на стержне 2. Это напряжение трансформируется во вторичную обмотку 7, также расположенную на стержне 2. B момент времени с,(-t2 ключи 14 и 16 разомкнуты а ключй 15 и 17 — замкнуты. При этом сетевое напряжение фазы A приложено к первичной обмотке б, расположенной на стержне 2, но подключенной к тому же входному выводу регулятора другим концом по отношению к обмотке 5 на стержне 2. Это напряжение трансформируется во вторичную обмотку 8, также расположенную на стержне 2 и аналогичным образом соединенную с обмоткой 7 стержня 2. Таким образом, ключами 14 и 15 модулируют входное напряжение повышенной частотой, а с помощью ключей 16 и 18 демодулируют трансформи- 20 рованное высокочастотное напряжение и получают напряжение 0 сетевой частоты требуемого уровня. Пояснение работы схемы полностью управляемых ключей 14-18, представлен-25 но на фиг. 1. Пояснения ведется только для ключей 14 и 15, так как остальные ключи 16-18 работают аналогично. Ключи 14 и 15 содержат тиристоры 24 и 25, дроссель 26 с обмотками 27 и 28 и конденсаторы 29 и 30. Ключи 14-18 работают следующим образом. Пусть тиристор 24 открыт, а тиристор 25 закрыт. Конденсатор 30 заряжен с полярностью, указанной на схеме. Подачей отпирающего импульса на управляющий электрод отпирают тиристор 25. Конденсатор 30 при этом разряжается по цепочке 30;25-28-30. Под действием тока разряда на обмотках 28 и 27 дрос-4Q селя 26 наводится напряжение соответствующей полярности. Наведенное в обмотке 27 напряжение подкладывается через практически разряженный конденсатор 29 в обратном направлении к запи- 4 раемому тиристору 24. Протекающий через него прямой ток вытесняется, и тиристор запирается. Таким же образом в соответствующий момент времени благодаря отпиранию тиристора 24 запирается тиристор 25. нерегулируемом по напряжению варианте короткозамыкающий мост 13 не нужен. При необходимости регулирования (или стабилизации) выходного напряжения может быть использован блок управления, представленный на фиг.3. Он содержит эадатчик 20 частоты, фазосдвигающий узел 21, включающий в себя два генератора пилоообразного напря- gQ жения(ГПН) 31 и 32 с противоположным по отношению друг к другу наклоном пилы и два компаратора 33 и 34, логический узел 22, выполненный в виде двух триггеров 35 и 36 со счетным вхо-6 напряжение на вторичной обмотке 7 фазы а; напряжение на выходе .эадатчика 20 частоты; напряжения на выходах генераторов пилообразного напряжения 31 и 32; напряжения на выходах компараторов 33 и 34; напряжения на выходах триггеров 35 и 36; выходное напряжение регулятора при включении его по схеме вольтдобавки (см. фиг. 7). 020 "3(032 О,,у 0З4 035, 036! Для уменьшения искажения выходного напряжения регулятора можно использовать короткозамыкающий диодный мост 13, подключенный к выходным выводам регулятора и нагруженный на полностью управляемый ключ 17. Блок управления в этом случае может быть выполнен по схеме, представленной на фиг. 5. Он содержит помимо задатчика 20 частоты и фаэосдвигающего узла 21 логический узел 22, выполненный в виде одного . двухвходового логического элемента ИЛИ 42 с прямым инверсным выходом, одного счетного триггера 43, входом подключенного к выходу задатчика 20 частоты и двух двухвходовых логических sJTBMBHToB H 44-45, а также узел 23 развязки и усиления, содержащий ,пять УРУ 37-41. дом, а также с .- K 3 j3 .çâëçê0 н усиления, имеющий четыре узла развязки и усиления (УРУ; 37, -— 40. Блок 19 управления раббтает следующим образом. Сигнал с задатчика 20 частоты поступает на входы ГПН 31 и 32, с выходов которых сигналы поступают на входы компараторов 33 и 34 соответственно. Управляющие входы компараторов 33 и 34 объединены. Счетный вход триггеров 35 соединен с выходом компаратора 33. Прямои выход триггера 35 через УРУ 37 подключен к управляющему электроду ключа 14, а инверсный выход счетного триггера 35 через УРУ 38 подключен к управляющему электроду ключа 15. Выход компаратора 34 соединен со входом триггера 36, прямой и инверсный выходы которого через УРУ 39 и 40 подсоединены к управляющим электродам ключей 16 и 18 соответственно. Изменением уровня управляющего сигнала 0 компараторов 33 и 34 меняют угол регулированиядм. Система управления обеспечивает симметричную двухполярную широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения регулятора беэ изменения его фазы. На фиг. 4 представлены диаграммы напряжений на выходах элементов блока управления и на обмотках регулятора где 07ц— 788331 Блок управления по фиг. 5 работает следующим образом. Сигнал с задатчика 20 частоты поступает на вход фазосдвигающего узла 21. ГПН 31 и 32, имеющие встречный наклон пилы, выходами подсоединены к r компараторам 33 и 34 соответственно, а их входы образованы общей точкой входа фаэосдвигающего узла 21. Управляющие входы компараторов 33 и 34 объеГ.нены.Кроме тсго,выход задатчика 1 20 частоты связан со счетным входом триггера 43, прямой и инверсный выходы которого подсоединены к одному из входов двухвходовых логических элементов И 44 и 45, а также через УРУ 37 и 38 к управляющим входам ключей l5 14 и 15.Два выхода фазосдвигающего узла 21 образуют входы двухвходового логического элемента ИЛИ 42, прямой выход которого через УРУ 41 соединен с управляющим входом ключа дополни- Щ тельного диодного моста 17, а инверсный выход — co вторыми входами двухвходовых логических элементов И 44 и 45, выходы которых через УРУ 39 и 40 соединены с ключами 16 и 18 соответственно. На фиг. 6 показаны диаграммы напряжений на выходах элементов блока 19 управления по фиг. 5 где U — напряжение на выходе фазы а регулятора; U — напряжение на выходе эа20 датчика 20 частоты; U ) U р — напряжения Hcl выходе у 32 ГПН 31 и 32; 0 U — напр ...ения на выходе ком 35 1 34 параторов 33 и 34; 04 — прямой и инверсный выхо42 ды элемента ИЛИ 42; 043 — выходы .триггера 43; U4 U — выХоды логических элемен 4g тов И 44 и 45; 4Ф 46 U — выходное напряжение при а использовании регулятора для стабилизации по схеме вольтдобавки. На фиг. 7 показана схема соединения предлагаемого регулятора с силовым трансформатором, работающим на частоте сети. На фиг. 7а схема собрана из трансформатора 46 с первичной 47 и вторичной 48 трехфазными обмотками и регулятора. 49. Возможна также модификация регулятора, показанная на фиг.. 7б. Суть ее в том, что при необходимости трансформатор 46 может быть снабжен 55 дополнительной трехфазной обмоткой 50, обеспечивающей наиболее рациональную величину напряжения, подаваемую на регулятор. Такая модификация позволяет в ряде случаев избежать, например, @ последовательного или параллельного соединения полупроводниковых элементов в регуляторе. Следует отметить, что при необхо- димости придать регулятору по фиг. 1 65 свойство защиты от внутренних и внешниХ коротких замыканий вентильные мосты 14, 15, 16 и 18 могут быть выполнены управляемыми. В этом случае необходимо соответствующим образом изменить блок коммутации. Предлагаемая схема силовой части регулятора и его блок управления позволяют значительно уменьшить массогабаритные показатели подобных регуляторов и расширить область применения. Формула изобретения 1. Регулятор m-фазного напряжения, содержащий m-фаэный трансформатор, средние точки первичных обмоток которого подключены ко входным выводам, а их концы соединены со входами основных m-фазных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах, а также и>-фазную вторичную обмотку и блок управления, выполненный в виде последовательно соединенных между собой задатчика частоты импульсов, управляемого фазосдвигающего узла с синхронизирующим и управляющим входами, логического узла и узла развязки и усиления, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что с целью улучшения массогабаритных показателей, он снабжен дополнительными m-фаэными вентильными мостами с полностью управляемыми ключами на их выходах, подключенными к концам m-фазной вторичной обмотки трансформатора, выполненной со средними точками, каждая из которых соединена с соответствующим выходным выводом. 2. Регулятор по и. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения входного коэффициента мощности, фазосдвигающий узел выполнен в виде двух генераторов пилообразного напряжения с.противоположным по отношению друг к другу наклоном пилы, входы которых объединены и образуют синхронизирующий вход узла, соединенного с задатчиком частоты, а каждый выход соединен с одним иэ входов двух компараторов, два других входа которых объединены и образуют управляющий вход этого узла, при этом логический узел выполнен в виде двух триггеров, тактовые входы которых подключены к соответствующим выходам компараторов, выходы одного иэ них связаны с управляющими входами ключей основных m-фазных вентильных мостов, а, другого с управляющими входами ключей дополнительных m-фазных мостов. 3. Регулятор по п. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения искажений выходного напряжения и улучшения энергетических показателей, он снабжен дополнительным короткоэамыкающим мостом с полностью 788331 А С „с управляемым ключом на его выходе, причем вход этого моста подключен к выходным выводам регулятора. 4. Регулятор по пп. 1 и 3, о т л и ч а ю шийся тем, что логический узел выполнен в виде триггера, двух двухвходовых логических элементов И и двухвходового логического элемента ИЛИ с прямым и инверсным выходами, причем вход триггера подключен к выходу задатчика частоты импульсов, его прямой и инверсный выходы подключены к одному из входов соответствующего логического элемента И, а также связаны с управляющими входами ключей основных m-gaza вентильных мос. тов, выходы управляемого фазосдвигаю- 15 щего узла подключены ко входам логического элемента ИЛИ, прямой выход которого связан " "управляющим входом ключа короткозамыкающего моста, а инверсный выход — со вторыми входами логических элементов И, выходы которых связаны с управляющимй входами ключей дополнительных m-фазных мостов Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Бейдер Г.ф., Мыцык Г.С. Построение трехфазных тиристорно-трансформаторных регуляторов (стабилизаторов) и анализ их выходного напряжения. В сб. "Современные задачи преобразовательной техники". Киев, ИЗД AH УССР, 1975, вып. 3, с. 34б-354. 2. Авторское свидетельство СССР л-504287,кл. H 02 Р 13/14, G 05 P 1/22. 3. Авторское свидетельство СССР Р 318137, кл. Н 02 P 13/14 / С 05 F 1/22, 15. 06 . 70. 788331 Ью /3 V и,„ Ugp 4г Vy д» 4 Va фиг. 7 Составитель И. Никитин Редактор В. Романенко ТехредЖ. Костелевич Корректор Л. Иван Тираж 783 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Заказ 8373/67 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
