способ управления регулятором переменного напряжения с вольтодобавочным каналом

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛЯТОРОМ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ВОЛЬТОДОБАВОЧНЫМ КАНАЛОМ, выполненным в виде моста на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью и вольтодобавочного трансформатора с первичной обмоткой в диагонали этого моста, по которому изменяют относительное время шунтирования первичной обмотки ключами моста и подключения обмотки к сети, для чего формируют две последовательности тактовых интервалов с одинаковой длительностью и внутри каждого тактового интервала формируют два временных интервала с одинаково взаимно изменяющейся длительностью, при этом временные интервалы одинаковой длительности разных последовательностей соответствуют включенному состоянию ключей противоположных плеч моста, а временные интервалы одной последовательности включенному состоянию смежных плеч моста, связанных с одним и тем же выводом первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, отличающийся тем, что задают длительность тактовых интервалов двух последовательностей равными периоду напряжения сети, при этом последовательности формируют сдвинутыми друг относительно друга на 180^o и расположенными относительно напряжения сети так, что каждый временной интервал каждой из последовательностей расположен симметрично относительно соответствующей точки перехода через "ноль" сетевого напряжения.

Описание изобретения к патенту

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 вольтодобавочного 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 в конце каждого полупериода сетевого напряжения.

Наиболее близким у изобретению является способ управления регулятором переменного напряжения с вольтодобавочным каналом без сдвига первой гармоники [2] Суть способа состоит в изменении относительного времени шунтирования и подключения к сети первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, вторичная обмотка которого включена 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 вольтодобавочного трансформатора 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 вольтодобавочного 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.

Цель достигается тем, что задают длительности тактовых интервалов двух последовательностей равными периоду напряжения сети, располагают последовательности относительно друг друга со сдвигом 180^о, а относительно напряжения сети таким образом, что каждый временной интервал каждой последовательности расположен симметрично относительно соответствующей точки перехода через ноль сетевого напряжения.

На фиг. 1 приведены временные диаграммы, поясняющие алгоритм управления ключами и принцип регулирования переменного напряжения; на фиг.2 изображена функциональная схема устройства до уровня известных элементов, реализующая операции способа; на фиг.3 диаграмма работы системы управления.

На фиг. 1 U₁ и U₂ напряжения сети и нагрузки, U₂⁽⁺⁾ U₁(1+K_т ) и U₂^(-) U₁(1-K_т)- напряжения нагрузки при работе способа в режиме вольтодобавки и вольтовычета соответственно, К_т коэффициент трансформации, Т₁ 2 -период напряжения сети, Т_к1 и Т_к2 тактовые интервалы первой и второй последовательностей, которые сдвинуты относительно друг друга на 180^о и по длительности равны периоду напряжения сети Т₁, -первый временной интервал тактового интервала Т_к1 первой последовательности и он же второй временной интервал тактового интервала Т_к2 второй последовательности, = 2 второй временной интервал тактового интервала Т_к1 первой последовательности и он же первый временной интервал Т_к2 второй последовательности, t₁,t₂,t₃, t₄, t₅ интервалы замкнутого состояния ключей 1 и 4, 1 и 2, 2 и 3, 1 и 2, 1 и 4 соответственно за один период.

На фиг. 2 приведена схема одного из вариантов системы управления, реализующей предложенный способ. Она совмещена с силовой частью регулятора на ключах 1 4, обозначена номером 5 и включает в себя синхронизирующий трансформатор 6, дифференциаторы 7 и 8, компараторы 9 и 10, выходные каскады 11 14.

Временными диаграммами (фиг.3) поясняется работа системы 5 управления в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг.1; Это диаграммы выходных сигналов элементов системы 5 управления, номера которых соответствует номерам указанных на фиг.2 элементов.

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 t₂ и t₄ (фиг.1а) ключи 1 и 2 (фиг.2) подключают первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора к сети, формируя на его вторичной обмотке положительную вольтодобавку "+" К_тU₁. Вольтодобавочный трансформатор, суммируя эту вольтодобавку с напряжением сети, обуславливает на нагрузке напряжение U₂⁽⁺⁾ (1+K_т)U₁. На интервалах t₁ и t₅ (фиг.1а,б) ключами 1 и 4 и интервале t₃ ключами 2 и 3 (фиг.2) закорачивают первичную обмотку трансформатора, прикладывая к нагрузке напряжение сети U₂ U₁. В последующие периоды напряжения сети интервалы замкнутого состояния ключей повторяются.

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

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

Система 5 управления регулятором (фиг.2) работает следующим образом.

На первичную обмотку синхронизирующего трансформатора 6 подается синусоидальное напряжение сети U₁. С вторичных обмоток снимаются два уменьшенных напряжения, одно из которых совпадает по фазе с напряжением сети, а другое находится с ним в противофазе. После смещения этих напряжения на 90^о при помощи, например, дифференциаторов 7 и 8 получают положительное и отрицательное косинусоидальные напряжения, которые являются опорными сигналами (на фиг. 3 сигналы 7 и 8). Компараторы 9 и 10, сравнивая опорные напряжения 7, 8 (фиг. 3) с напряжением управления U_у, на своих выходных зажимах формируют двухполярные прямоугольные импульсы (фиг.3, импульсы 9 и 10), длительности которых определяются точками пересечения опорных напряжений "+" dU₁/dt и "-" dU₁/dt с напряжением управления U_у и соответствуют временным интервалам первой и второй последовательностей. При этом для любого значения U_у длительности тактовых интервалов этих двух последовательностей равны периоду напряжения сети (Т₁ T_к1 Т_к2 + ). В процессе управления тактовые интервалы Т_к1 и Т_к2 так же, как и опорные напряжения, сдвинуты относительно друг друга на 180^о. При изменении сигнала управления производится взаимное и встречное изменение длительностей временных интервалов и каждой последовательности и симметричное формирование временных интервалов первой и второй последовательностей относительно точек напряжения сети через ноль, при котором отсутствует сдвиг фазы первой гармоники выходного напряжения регулятора.

Выходные пачки импульсов 11 14 для тиристорных ключей (или длинные импульсы для транзисторных ключей) с длительностями и приведены в нижней части диаграммы (фиг.3). Они также симметричны относительно точек перехода напряжения сети через ноль и согласуются с предложенным на фиг.1 алгоритмом управления ключами 1 4 регулятора.

При изменении напряжения управления в области отрицательных значений U_у < < 0 (фиг.1 а и 3) напряжение U₂ регулируется от U₁(1+К_т) до U₁, а в области положительных значений U_у > 0 (фиг.1 б) от U₁ до U₁(1- К_т).

Реализация предложенного способа может быть выполнена на серийных элементах, что указывает на готовность электротехнической промышленности к производству энергоэффективного средства повышения качества электроэнергии.