устройство для регулирования напряжения на двухсекционной нагрузке

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ДВУХСЕКЦИОННОЙ НАГРУЗКЕ, содержащее две пары тиристорных ключей, два формирователя управляющих импульсов, каждый из которых выходами связан с входами управления тиристорных ключей соответствующих пар, при этом тиристорные ключи первой пары включены между выводами для подключения секций нагрузки, первый и второй тиристорные ключи второй пары подключены катодами к соответствующим выводам для подключения сети, а анодами к первым выводам для подключения второй и первой секций нагрузки соответственно, отличающееся тем, что в него введена третья пара тиристорных ключей, две пары разрядных диодов, общий формирователь сигнала управления и источник напряжения смещения, при этом разрядные диоды включены попарно согласно последовательно, общие точки разрядных диодов в сформированных цепях соединены с соответствующими выводами для подключения сети, крайние выводы цепей из пар разрядных диодов соединены анодами с первыми выводами для подключения соответствующих секций нагрузки, а катодами с вторыми выводами для подключения соответствующих секций нагрузки, первый тиристорный ключ первой пары подключен анодом к первому выводу для подключения второй секции нагрузки, а катодом к второму выводу для подключения первой секции нагрузки, анод второго тиристорного ключа первой пары подключен к первому выводу для подключения первой секции нагрузки, а его катод к второму выводу для подключения второй секции нагрузки, первый и второй тиристорные ключи третьей пары подключены анодами к соответствующим выводам для подключения сети, а катодами к вторым выводам для подключения второй и первой секций нагрузки соответственно, кроме того, выход общего формирователя сигнала управления соединен с входами первого и второго формирователей управляющих импульсов, второй формирователь управляющих импульсов содержит дополнительный вход, соединенный с выходом источника напряжения смещения, и пару дополнительных выходов, связанных с входами управления тиристорных ключей третьей пары.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания обмоток возбуждения электрических машин.

Известны различные устройства для регулирования напряжения с помощью тиристоров [1]

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является тиристорный регулятор секционированной нагрузки [2] содержащий двухсекционную нагрузку, например, печь сопротивлений, а также две пары тиристорных ключей и два формирователя управляющих импульсов, каждый из которых выходами связан с входами управления тиристорных ключей соответствующих пар. При этом тиристорные ключи первой пары включены между выводами для подключения секций нагрузки, первый и второй тиристорные ключи второй пары подключены катодами к соответствующим выводам для подключения питающей однофазной сети переменного тока, а анодами к первым выводам для подключения второй и первой секций нагрузки.

В статическом установившемся режиме работы начальное изменение уровня потребляемой мощности в прототипе производят изменением углов отпирания тиристоров первой пары, включенных между собой встречно и параллельно, путем подачи импульсов от первого формирователя. При этом секции нагрузки подключаются последовательно через отпирающиеся поочередно по полупериодам тиристорные ключи первой пары к фазам питающей сети, причем величина действующего значения напряжения переменного тока на каждой секции нагрузки по мере отпирания тиристоров первой пары увеличивается и приближается к уровню 0,5 от величины действующего значения напряжения однофазной сети. Дополнительное изменение уровня потребляемой мощности производится одновременным изменением углов отпирания тиристорных ключей второй пары, при поочередном отпирании которых секции нагрузки поочередно в каждом полупериоде подключаются к фазам сети, при этом действующее значение напряжения переменно-постоянного тока на каждой секции нагрузки увеличивается до уровня 0,707 от действующего значения напряжения сети.

Основными недостатками устройства-прототипа являются пониженные энергетические характеристики, обусловленные упомянутым ограничением выходного напряжения, затрудняющим согласование величины напряжения питающей сети с номинальной величиной напряжения секций нагрузки; ограниченные функциональные возможности, связанные с различным характером выходного напряжения на секциях нагрузки на нижнем и верхнем участках диапазона его регулирования.

Целью изобретения является улучшение энергетических показателей устройства, а также расширение его функциональных возможностей путем обеспечения подключения электромагнитных нагрузок постоянного тока, например обмоток возбуждения электрических машин.

Цель достигается тем, что в устройство для регулирования напряжения на двухсекционной нагрузке, содержащее две пары тиристорных ключей, два формирователя управляющих импульсов, каждый из которых выходами связан с входами управления тиристорных ключей соответствующих пар, причем тиристорные ключи первой пары включены между выводами для подключения секций нагрузки, первый и второй тиристорные ключи второй пары подключены катодами к соответствующим выводам для подключения сети, а анодами к первым выводам для подключения второй и первой секций нагрузки, введена третья пара тиристорных ключей, две пары разрядных диодов, общий формирователь сигнала управления и источник смещения, при этом разрядные диоды включены попарно-согласно-последовательно, общие точки разрядных диодов в сформированных цепях соединены с соответствующими выводами для подключения сети, крайние выводы цепей из пар разрядных диодов соединены анодами с первыми выводами для подключения соответствующих секций нагрузки, а катодами с вторыми выводами для подключения соответствующих секций нагрузки, первый тиристорный ключ первой пары подключен анодом к первому выводу для подключения второй секции нагрузки, а катодом к второму выводу для подключения первой секции нагрузки, анод второго тиристорного ключа первой пары подключен к первому выводу для подключения первой секции нагрузки, а его катод к второму выводу для подключения второй секции нагрузки, первый и второй тиристорные ключи третьей пары подключены анодами к соответствующим выводам для подключения сети, а катодами к вторым выводам для подключения второй и первой секций нагрузки соответственно, кроме того, выход общего формирователя сигнала управления соединен с входами первого и второго формирователей управляющих импульсов, второй формирователь управляющих импульсов содержит дополнительный вход, соединенный с выходом источника напряжения смещения, и пару дополнительных выходов, связанных с входами управления тиристорных ключей третьей пары.

На фиг. 1 приведена электрическая схема устройства; на фиг. 2 временные графики изменения напряжения на секциях нагрузки; на фиг. 3 регулировочные и энергетические характеристики устройства.

Две секции 1 и 2 нагрузки, например обмотки возбуждения электрической машины, получают питание от однофазной сети 3 переменного тока, выводы 4 и 5 для подключения которой являются входными клеммами управляемого выпрямительного устройства, осуществляющего регулирование выпрямленного напряжения на двухсекционной нагрузке. Устройство содержит три пары тиристорных ключей: 6, 7; 8, 9 и 10, 11 соответственно, а также две пары разрядных диодов: 12, 13 и 14, 15. Первый тиристорный ключ 6 первой пары подключен анодом к первому выводу 16 для подключения второй секции 2 нагрузки, а катодом к второму выводу 17 для подключения первой секции 1 нагрузки. Первый 8 и второй 9 тиристорные ключи второй пары подключены катодами к соответствующим выводам 4 и 5 для подключения сети 3, а анодами к первым выводам 16 и 18 для подключения второй 2 и первой 1 секций нагрузки соответственно. Первый 10 и второй 11 тиристорные ключи третьей пары подключены анодами к соответствующим выводам 4 и 5 для подключения сети 3, а катодами к вторым выводам 19 и 17 для подключения второй 2 и первой 1 секций нагрузки соответственно. Разрядные диоды 12, 13 и 14, 15 каждой пары включены между собой попарно, согласно и последовательно, причем в этих сформированных цепях общая точка соединения разрядных диодов 12, 13 первой пары соединена с первым выводом 4 для подключения сети 3, а общая точка соединения разрядных диодов 14, 15 второй пары соединена с вторым выводом 5 для подключения сети. Крайние выводы цепей из пар 12, 13 и 14, 15 разрядных диодов соединены анодами с первыми выводами 16 и 18 для подключения соответствующих секций 1 и 2 нагрузки, а катодами с вторыми выводами 17 и 19 для подключения соответствующих секций 1 и 2 нагрузки.

Фазоимпульсное управление тиристорными ключами устройства производится посредством двух формирователей 20 и 21 управляющих импульсов, первый из которых связан двумя своими выводами 22 с управляющими электродами тиристорных ключей 6, 7 первой пары, а второй, имея две пары выходов 23, связан с входами управления тиристорных ключей второй 8, 9 и третьей 10, 11 пар. Общий формирователь 24 сигнала управления соединен выходом 25 с входом 26 первого формирователя 20 управляющих импульсов, а также с первым входом 27 второго формирователя 21 управляющих импульсов, второй вход 28 которого связан с выходом источника 29 напряжения смещения, используемого для формирования регулировочной характеристики устройства (фиг. 3). Для стабилизации заданной величины тока в секциях 1, 2 нагрузки первый вход 30 общего формирователя 24 сигнала управления подключен к блоку 31 задания, а его второй вход 32 связан цепью отрицательной обратной связи с датчиком 33 тока устройства, выполненного, например, в виде трансформатора 34 тока, первичной обмоткой подключенного к цепи питающей однофазной сети 3, а вторичной обмоткой нагруженного на согласующий однофазный выпрямитель 35.

Статический установившийся режим работы устройства иллюстрируется временными графиками изменения выпрямленного напряжения на секциях 1, 2 его нагрузки, представленными на фиг. 2, а, б, в. Так, например, при работе на нижнем участке диапазона регулирования, когда запирающее напряжение источника 29 смещения превышает низкий уровень выходного напряжения общего формирователя 24 сигнала управления, второй формирователь 21 управляющих импульсов закрыт и соответственно закрыты тиристорные ключи 8, 9 и 10, 11 второй и третьей пары. Тиристорные ключи 6 и 7 первой пары поочередно отпираются в каждом полупериодном интервале напряжения питающей сети 3, причем величина угла их фазоимпульсного управления, показанного на фиг. 2 а и определяемого работающим первым формирователем 20 управляющих импульсов, пропорциональна выходному напряжению общего формирователя 24 сигнала управления, связанного выходом 25 с входом 26 формирователя 20. Величина тока, протекающего по секциям 1 и 2 электромагнитной нагрузки, например по обмотке электрической машины, пропорциональна выходному сигналу блока 31 задания и поддерживается автоматически регулирующим действием общего формирователя 24 сигнала управления, связанного по входу 32 цепью отрицательной обратной связи с выходом датчика 33 тока устройства. При этом компенсируются температурные изменения сопротивлений секций 1 и 2 нагрузки, а также колебания напряжения однофазной питающей сети 3 переменного тока, а на интервалах закрытого состояния тиристорных ключей 6 и 7 первой пары ток секций 1 и 2 благодаря действию ЭДС самоиндукции этих электромагнитных нагрузок замыкается через цепи разрядных диодов 12, 13 и 14, 15, шунтирующих секции 1 и 2 нагрузки. При идентичных параметрах величин сопротивления секций 1 и 2 нагрузки, подключаемых последовательно через отпирающиеся тиристорные ключи 6 и 7 первой пары к выводам 4 и 5 питающей сети, напряжения на этих секциях распределяются поровну и по максимальной величине не превышают половины амплитудного значения напряжения питающей сети 3 (фиг. 2 а).

Затем при работе на среднем участке диапазона регулирования, когда уровень выходного напряжения общего формирователя 24 сигнала управления превышает величину запирающего напряжения источника смещения, в действие вступает второй формирователь 21 управляющих импульсов, осуществляющий с величиной угла синхронное фазоимпульсное отпирание тиристорных ключей 8, 9 и 10, 11 второй и третьей пар (фиг. 2 б). При этом, например, на первом полупериодном интервале 0 < t< <, соответствующем положительной по полярности полуволне питающего напряжения однофазной сети 3, сначала при угле t отпирается тиристорный ключ 7 первой пары по сигналу первого формирователя 20 управляющих импульсов, подключая последовательно секции 1 и 2 нагрузки к входным выводам 4, 5 устройства. Затем ближе к концу полупериода при угле t по сигналу второго формирователя 21 управляющих импульсов синхронно отпираются тиристорные ключи 9 и 10 соответственно второй и третьей пар, подключая параллельно секции 1 и 2 нагрузки к выводам 4, 5 питающей однофазной сети. При этом ранее проводивший ток тиристорный ключ 7 первой пары принудительно запирается по анодной цепи напряжением обратной полярности, а мгновенное значение выпрямленного напряжения на каждой секции 1 и 2 нагрузки увеличивается вдвое ввиду упомянутого перехода от их начального последовательного соединения в последующее параллельное, сохраняемое до окончания полупериода (t ).

Аналогичная коммутация производится на втором полупериодном интервале (< t < 2), соответствующем отрицательной по полярности полуволне напряжения сети 3, когда сначала при угле t + отпирается тиристорный ключ 6 первой пары, а затем при угле t=+ синхронно отпираются тиристорные ключи 8 и 11 соответственно второй и третьей пар. В итоге на обоих полупериодных интервалах характер изменения выпрямленного напряжения на секциях 1, 2 нагрузки соответствует вольтодобавочному процессу подрегулирования, при котором изменения выходного напряжения общего формирователя 24 сигнала управления приводят одновременно к изменению углов и фазоимпульсного выходного напряжения как первого 20, так и второго 32 формирователя управляющих импульсов.

Наконец, при работе на верхнем участке диапазона регулирования, когда возросший уровень выходного напряжения общего формирователя 24 сигнала управления выводит первый формирователь 20 управляющих импульсов в режим насыщения, величина угла отпирания тиристорных ключей 6 и 7 первой пары близка к нулю и последовательное подключение секций 1 и 2 нагрузки к выводам 4, 5 питающей однофазной сети 3 происходит в моменты t 0 и t, т.е. в начале каждого полупериодного интервала (фиг. 2 в). При этом необходимое подрегулирование величины выходного выпрямленного напряжения на секциях 1, 2 нагрузки, обеспечивающее стабилизацию заданного значения их тока, производится общим формирователем 24 сигнала управления, воздействующим на изменение угла t второго формирователя 21 управляющих импульсов. Производимое тиристорными ключами 8, 9 и 10, 11 второй и третьей пар управляемое параллельное подключение секций 1 и 2 нагрузки соответствует вольтодобавочному процессу подрегулирования выходного напряжения устройства (фиг. 2 в), причем максимальное мгновенное значение напряжения на каждой секции равно амплитуде напряжения питающей однофазной сети. В верхней части фиг. 3 приведены регулировочная характеристика устройства, т.е. зависимость среднего значения выходного выпрямленного напряжения U₁₍₂₎ на секциях 1, 2 нагрузки от величины выходного сигнала U₂₅ общего формирователя 24 сигнала управления, связанного выходной цепью 25 с входами 26 и 27 управления соответственно первого 20 и второго 21 формирователей управляющих импульсов. При оптимальном выборе величины источника 29 напряжения смещения, подаваемого на дополнительный вход 28 второго формирователя 21 управляющих импульсов, когда этот формирователь начинает действовать (фиг. 2 б) при значениях углов отпирания тиристорных ключей 6, 7 первой пары 60-70^о, результирующая регулировочная характеристика U₁₍₂₎ f(U₂₅) устройства имеет благоприятный, практически линейный на большей части диапазона регулирования характер, за исключением обычно неиспользуемых нелинейных начального и конечного участков.

Сочетание двухполупериодного процесса выпрямленных с вольтодобавочным принципом подрегулирования выходного напряжения, реализуемого на среднем и верхнем участках диапазона регулирования (фиг. 2 б, в), благоприятно отражается на улучшении энергетических показателях устройства, в частности на его коэффициенте мощности Х, зависимость которого в функции упомянутого изменения величины выходного напряжения U₁₍₂₎ на секциях 1, 2 нагрузки приведена в нижней части фиг. 3.

Положительный технико-экономический эффект, создаваемый при использовании предлагаемого устройства для регулирования напряжения на двухсекционной нагрузке, определяется по сравнению с прототипом расширением функциональных возможностей в форме подключения к выходным клеммам устройства двух электромагнитных секций нагрузки, например обмоток возбуждения электрической машины, относительно которых устройство производит управляемое двухполупериодное выпрямление напряжения переменного тока питающей однофазной сети, улучшением энергетических характеpистик устройства в виде расширения диапазона регулирования выходного напряжения, средняя величина которого приближается к уровню 0,9 от действующего значения напряжения сети, а также снижением его пульсаций и повышением коэффициента мощности устройства, реализующего в средней и верхней частях диапазона регулирования вольтодобавочный принцип управления с замыканием ЭДС самоиндукции электромагнитных секций нагрузки через шунтирующие цепи разрядных диодов.