Устройство для регулирования напряжения

 

© и И C А Н И Е <»970628

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскин

Соцналнстнческнн

Республик (6I ) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 29.12.80 (21) 3227743/24-07 (51)М. Кл.

Н 02 P 13/18 с присоединением заявки № тееударстеенный комитет (23) Приоритет но делан изобретений н открытий

Опубликовано 30.10.82. Бюллетень ¹ 40

Дата опубликования описания 30.10.82 (53) УДК621..3 16.722 (088.8) И. С. Ефремов, B. Г. Комаров, С. К. Корольков, В. A. Глушенков, Г. С. Самсонов, B. В. Киричек, и B. А. Чуканов

1„, (j

Московский ордена Ленина и ордена Октябрьск Революции энергетический институт .Ъ )

l (72) Авторы изобретения (7 I ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения потребителя, например электрической машины промышленного или тягового электропривода.

Известно устройство для питания ин5 дуктивного потребителя, содержащее инвертор тока, к выводам которого подключен ограничитель коммутационных напряжений, а его вход соединен с входными выводами устройства через два тиристорно-импульсных регулятора постоянного тока, причем каждый входной вывод подключен через соответствующий обратный диод к силовому выводу соответствуюшего1 регулятора постоянного тока, не связанному с данным входным выводом.

Указанное устройство позволяет осуществлять регулирование напряжения в широком диапазоне и бесконтактно пере- gp ходить из режима потребления энергии в режим рекуперации (1 ) .

Однако недостатком известного устройства является использование двух от.

2 дельных регуляторов постоянно о тока, что существенно увеличивает его массу и габариты и уменьшает общий КПД. Кроме того, в таких тиристорно-импульсных регуляторах постоянного тока обычно устанавливают контуры обратного колебательного перезаряда коммутирующего конденсатора, что дополнительно нагружает полупроводниковые элементы регуляторов током обратного перезаряда коммутирующего конденсатора, а коммутирующий конденсатор — непроизводительной реактивной мощностью. Большая амплитуда перезарядного тока вызывает значительные потери в полупроводниковых элементах и перезарядных контурах регуляторов и снижает общий КПД устройства, а использование в этих контурах коммутирующих реакторов ухудшает технологичность устройства и затрудняет его компоновку.

Известно также другое устройство для управления пуском и торможением транспортного средства, оборудованном

28 4 тока в области малых значений и невозможность осуществления рекуперации энергии, Ограничение диапазона регулирования связано с тем, что в процессе коммутации перезаряд коммутирующего конденсатора происходит через последовательно включенные нагрузку и источник питания.

При этом минимальная величина среднего значения напряжения на входе инвертора определяетая выражением

1С .О2

0 аЬ Т 3а 1 где. С, - емкость коммутирующего конденсатора; дц — напряжение источника питания;

Т вЂ” период работы импульсного регулятора;

3 — входной ток инвертора.

Невозможность осуществления рекуперации объясняется тем, что импульсный регулятор имеет одностороннюю связь с источником питания, исключающую воэможность обратного протекания тока инвертора в источник питания.

Бель изобретения » упрощение и расширение диапазона регулирования напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для регулирования напряжения, содержащем инвертор тока, к выходу которого подключен ограничитель коммутационных напряжений, а его вход соединен со входными выводами устройства через импульсный регулятор постоянного тока, выполненный в виде главных тиристоров, первой и второй коммутирующих цепей, соединенными между собой коммутирующим конденсатором и соответствующим главным тиристором, каждый входной вывод через соответствую-щий дополнительный введенный вентиль подключен к одноименному силовому выводу главного тиристора, не соединенным с данным входным выводом, а вентили второй коммутирующей ветви выполнены в виде однонаправленных тиристорных ключей.

Физическая сущность расширения диапазона регулирования напряжения состоит в том, что за счет введения в импульсный регулятор обратных вентилей и замены неуправляемой коммутирующей ветви на управляемую обеспечивается возможность переэаряда коммутирующего конденсатора через нагрузку, минуя источник питания, что устраняет на интер3 9706 тяговым асинхронным двигателем, содерФ жашее инвертор тока, один из входных выводов которого соединен с входным выводом устройства через тиристорно импульсный регулятор постоянного тока, а другой через механический коммутатор, Устройство снабжено также двумя обратными диодами, включенными описанными ранее способами (2 3 и (З ) .

В этом устройстве вместе с опреде- и ленной простотой конструктивного исполнения и улучшения массо-габаритных показателей, появляются недостатки, не присущие известному устройству, и прояв;ляющиеся в ограничении диапазона регулирования напряжения на входе инвертора в области малых значений, вследствие невозможности осуществления перезаряда, коммутирующего конденсатора тиристорноимпульсного регулятора постоянного тока, 29 минуя источник питания. Кроме того, использование механического коммутатора для перевода устройства иэ режима потребления энергии в режим рекуперации значительно ухудшает быстродействие и

23 динамические показатели устройства.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для питания индуктивного потребителя, в частности электрической машины, содержащее инвертор тока, к выводам которого подключе огразо ничитель коммутационных напряжений, а его вход соединен с входными выводами через импульсный регулятор постоянного тока, выполненный в виде главных тиристоров, первой и второй коммутирующих ветвей, соединенных между собой коммутирующим конденсатором и соответствующими главными тиристорами, причем первая коммутирующая ветвь выполнена в виде однонаправленных тиристорных ключей, а вторая — в виде диодов (4 ) .

Устройство имеет массу и габариты, соизмеримые с показателями известных устройств, и они оказываются улучшенными эа счет устранения реакторов обо ратного колебательного перезаряда и одного коммутирующего конденсатора, кото рые обычно предусмотрены в таких тиристорно-импульсных регуляторах постоянного тока. Кроме того, устраняются токи обратного колебательного переэаряда коммутирующего конденсатора, что позволяет рассчитывать полупроводниковые элементы регулятора постоянного тока лишь по загрузке вентилей током нагрузки.

Недостатками известного устройства являются ограниченнвш диапазон регулирования напряжения иа входе инвертора

5 9706 валах коммутации связь источника питания с нагрузкой и снимает тем самым ограничение на минимальную величину среднего значения напряжения на входе инвертора.

Кроме того, введенные схемные взаимо- з связи позволяют изменять направление протекания тока на входе устройства и тем самым осуществлять плавный бес-контактный переход в режим рекуперации.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — 4 — временные диаграммы, поясняющие принцип его действия в различных режимах работы.

Устройство для регулирования напряже-1% ния потребителя, в частности трехфазной электрической машины 1, питаемого от источника 2 постоянного напряжения, содержит инвертор 3 тока, блок ограничения коммутационных напряжений, состо- 20 яший иэ выпрямителя 4, накопительных конденсаторов 5 и 6 и цепей 7 и 8 возврата энергии импульсный регулятор постоянного тока, состоящий иэ главных тиристоров 9 и 10, коммутирующих тиристоров первой и второй ветвей 11—

14, соответственно коммутирующего конденсатора 15, обратных диодов 16 и

17 и системы управления, состоящей из блока 18 управления, пороговых элементов 19 и 20 и логических элементов

21 и 22, входные выводы 23 и 24, реакторы 25 и 26.

Потребитель 1 подключен к источнику

2 постоянного напряжения через инвертор 3, вход которого соединен с входными выводами 23 и 24 устройства через главные тиристоры 9 и 10 импульсного .регулятора постоянного тока, предназначенные для регулирования среднего значения напряжения и тока на входе инВертора. К выходным выводам инвертора

3 подключен выпрямитель 4 ограничителя коммутационных напряжений. Каждый

Иэ ВЫВОДОВ ЭТОГО Выпрямителя ПО ПОСТО 4 янному току соединен с одним из выводов накопительных конденсаторов 5 и 6.

Другие. выводы указанных конденсаторов соединены с выводами источника 2 по» стоянного напряжения. К выводам конденсаторов 5 и 6, связанным с выпрямителем 4, подключены цепи 7 и 8, выполненные в виде тиристоров или резисторов и служащие для возврата энерии, накопленной в конденсаторах 5 и 6, в входную цепь инвертора 3. Выпрямитель 4 совместно с конденсаторами 5 и 6 и цепями 7 и 8 ограничивает коммутационные напряжения на элементах инвертора 3 и

28 6 выводах потребителя 1. Для выключения

I главных тиристоров 9 и 10 между их разноименными электродами в импульс ном регуляторе постоянного тока включены две ветви, состоящие иэ согласно последовательно включенных коммутирующих тиристоров 11 - 14. Тиристоры первой коммутирующей ветви 11 и 12, подключенной параллельно источнику постоянного 2 напряжения, направлены согласно с действием напряжения этого источника, а тиристоры 13 и 14 второй коммутирующей ветви - встречно с ннм.

Между общими точками коммутирующих тиристоров 11 - 14 включен коммутирующий конденсатор 15. Между одноименными силовыми выводами главных тиристоров 9 и 10 и входными выводами 23 и 24 встречно действию источника 2 постоянного напряжения включены обратные диоды 16 и 17, служащие для образования контуров, обеспечивающих непрерывное протекание постоянного входного тока инвертора 3 на интервалах закрытого

1 состояния главных тиристоров 9 и 10.

УправляющиЕ выводы всех тирнсторов подключены к соответствующим выходным выводам системы управления, .которая вырабатывает требуемую последовательность управляющих импульсов для включения соответствующих тиристоров.

Предлагаемое устройство позволяет осуществить как режим потребления тока от источника постоянного напряжения (двигательный режим), так и режим возврата тока от потребителя в источник постоянного напряжения (генераторный режим), е также плавный бесконтактный переход из одного режима в другой. Весь период работы устройства можно разделить на основные временные интервалы, представленные на фиг. 2 — 4, соответственно.

В двигательном режиме (фиг. 2) существуют интервалы С и F одновременного открытого состояния главных тиристоров

9 и 10, а обратные диоды 16 и 17 проВодят ток поочередно. Среднее значение напряжения О, приложенного к входу инвертора, в этом режиме положительно, т.е. направление действия этого напряжения совпадает с направлением протекания входного тока инвертора.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом интервала А коммути-. рующий конденсатор 15 заряжен до напряжения источника 2 питания с полярностью, укаэанной беэ скобок (фиг. 1), 970628 главные тиристоры 9 и 10 открыты и к входу инвертора 3 приложено наппяжение источника 2 питания. Входной ток инвертора протекает при этом по цепи — плюс источника 2 питания, тиристор 10, сглаживающий реактор 26, инвертор 3, сглаживающий реактор 25, тиристор 9, минус источника 2 питания.

В начале интервала А включаются коммутирующие тиристоры 11 и 13 и к глав-1й ному тиристору 9 в первый момент прикладывается обратное напряжение конденсатора 15. Тиристор 9 закрывается, а входной ток инвертора начинает протекать через конденсатор 15, по цепи — плюс 35 источника 2 питания, тиристор 10, реактор

26, инвертор 3, реактор 25, тиристор

13, конденсатор 15, тиристор 11, минус источника 2 питания. Конденсатор 15 перезаряжается при этом на обратную 26 полярность, указанную в скобках (фиг. 1)..

К входу инвертора на этом интервале приложено напряжение, равное алгебраической сумме напряжений источника 2 ,питания и конденсатора 15. Интервал А 25 заканчивается, как только напряжение на конденсаторе 15 с полярностью, указанной в скобках (фиг. 1) достигнет на» пряжения источника 2 питания. При этом открывается обратный диод 17, переза- ЗЕ ряд конденсатора 15 прекращаетсу и начинается интервал В.

На интервале В входной ток инвертора замыкается через обратный диод 17 по цепи - инвертор 3, реактор 25, диод 17, тиристор 10, реактор 26, инвертор 3.

Напряжение, приложенное к входу инвертора на этом интервале, равно нулю. Интервал В заканчивается при новом открывании тиристора 9. При этом диод 17 закрывается и начинается интервал С.

На интервале С, как и в исходном состоянии, к входу инвертора прикладывается напряжение источника 2 питания, а входной ток инвертора протекает по

45 цепи — плюс источника 2 питания, тиристор 10, реактор 26, инвертор 3, реак-" тор 25, тиристор 9, минус источника 2 питания.

Далее на интервалах D, E, F npo36 цессы, протекающие в устройстве, аналогичны процессам на интервалах А, В, С, с той лишь разницей, что в этих процессах вместо тиристоров 9, 11 и 13 участвуют соответственно тиристоры 10„ 12 и 14.

И

В граничном режиме (фиг. 3), соответствующему холостому ходу потреГ>ителя 1, отсутствуют интервалы В и Е одновременного открытого сост яния как главных тиристоров 9 и 10, так и обратных диодов 16 и 17. Среднее значение напряжения 0 приложенного к входу инвертора в этом режиме, равно нулю.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом интервала А коммутирующий конденсатор 15 заряжен до напряжения источника 2 питания с полярностью, указанной без скобок (фиг. 1), главный тиристор 9 открыт, а тиристор

10 закрыт и входной ток инвертора замыкается через обратный диод 16 по цепи: инвертор 3, реактор 25, тиристор

9, диод 16, реактор 26, инвертор 3.

Напряжение, приложенное к входу инвертора, при этом равно нулю. В начале интервала А включаются коммутирующие тиристоры ll и 13 и к главному тиристору 9 в первый момент прикладывается обратное напряжение конденсатора 15.

Тиристор 9 закрывается, а входной ток инвертора начинает протекать через конденсатор 15 по цепи — инвертор 3, реактор 25, тиристор 13, конденсатор 15, тиристор 11, диод 16, реактор 26, инвертор 3. Конденсатор 15 при этом перезаряжается на обратную полярность, указанную в скобках (айаг. 1). К входу инвертора на этом интервале приложено напряжение, равное напряжению перезаряжающегося конденсатора 15. Поскольку конденсатор 15 переэаряжается на обратную полярность, то среднее значение напряжения, приложенного к входу инвертора на этом интервале равно нулю. Интервал

A заканчивается, как только напряжение на конденсаторе 15 с полярностью; указанной в скобках (фиг. 1), достигнет напряжения источника 2 питания. При этом открывается обратный диод 17 и в этот же момент открывается главный тиристор

10, переэаряд конденсатора 15 прекращается и начинается интервал С.

На интервале С, как и в исходном состоянии, входной ток инвертора замыкается через обратный диод 17 по цепиинвертор 3, реактор 25, диод 17, тиристор 10, реактор 26, инвертор 3, а напряжение, приложенное к входу инвертора, равно нулю.

На интервалах D и Fпроцессы,,протекающие в устройстве, аналогичны процессам на интервалах А и С с. той лишь разницей, что в этих процессах вместо

cq 970 тиристоров 9, 11 и 13 участвуют соот=. ветственно тиристоры 10, 12 и 14.

B генераторном режиме существуют интервалы B u E одновременного открытого состояния обратных, диодов 16 и

17 (фиг. 4), а главные тиристоры 9 и

10 открываются поочередно. Среднее значение напряжение U, приложенного к входу инвертора, в этом режиме отрицательно, т.е. направление действия этого 3О налряжения противоположно направлению протекания входного тока инвертора. Этот режим отличается от граничного режима работы лишь тем, что за счет дальнейшего сдвига управляющих импульсов глав-И ных тиристоров 9 и 10 по отношению к импульсам коммутирующих тиристоров

11 и 13, атакже 12 и 14,,дополнительно появляются интервалы В и Е, на которых оба главных тиристора 9 и 10 за- рй крыты и входной ток инвертора протекает встречно действию напряжения источника питания через обратные диоды 16 и 17 по цепи - минус источник 2 питания, диод 16, реактор 26, инвертор 3, 2у реактор 25, диод 17, плюс источника 2 питания. На этих интервалах напряжение, приложенное к входу инвертора, равно напряжению источника питания и направлено встречно протеканию входного тока Зй инвертора, который работает в этом слу чае как управляемый выпрямитель. Такой режим соответствует передаче энергии, вырабатываемой потребителем 1, в источник 2 питания.

И

В предлагаемом устройстве для осуществления регулируемого дозаряда коммутирующего конденсатора 15, с целью оптимизации параметров коммутирующего узла вместо обратных диодов 16 и 17 используют тиристоры. Задержка на их открывание по отношению к моментам естественного открывания диодов 16 и

17 вызывает доэаряд коммутирующего конденсатора 15.

43

Предлагаемое устройство в отличие от известного позволит осуществлять допол- нительно рекуперацию энергии и плавный

628 1О бесконтактный переход от потребления энергии к ее рекуперации беэ применения сложного и громоздкого дополнительного оборудования. Кроме того, возможно получение режима холостого хода потребителя, когда источник питания компенси« рует лишь потери в цепях устройства.

Среднее значение напряжения на входе инвертора, питающего потребитель, при этом близко к нулю, а величина тока определяется лишь необходимостью пере- заряда коммутирующего конденсатора.

Формула изобретения

Устройство для регулирования напряжения, содержащее инвертор тока, к выходу которого подключен ограничитель коммутационных напряжений, а его вход соединен с входными выводами через импульсный регулятор постоянного тока, выполненный в виде главных тиристоров, первой и второй коммутирующих цепей, соединенными между собой коммутирую-" щим конденсатором и соответствующим главным тиристором, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения диапазона регулирования и упрощения, каждый входной вывод через соответствующий дополнительно введенный вентиль подключен к одноименному силовому выводу главного тиристора, несоединенным с даннъпм входным Выводом > & вентили ВТо рой коммутирующей ветви выполнены в виде однонаправленных тиристорных ключей.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Швейцарии % 596704, кл. Н 02 Р 13/18, 1976 (fig.5a).

2. Патент Франции ¹ 2309366, кл. Н 02 P 13/14, 1976.

3. «Siemens- 2eitscbrift». 50, 1976, Не Н 7, 5 493-497.

4. Патент Швейцарии N 596704, кл. Н 02 P 13/18, 1976 (Р1с 4а).