устройство для регулирования трехфазного напряжения

Формула изобретения

Устройство для регулирования трехфазного напряжения, содержащее трехфазный трансформатор с вторичными фазными обмотками, включенными между выводами для подключения сети и выводами для подключения нагрузки, первый трехфазный мост, выполненный на двунаправленных ключах с естественной коммутацией, второй трехфазный мост и узел управления, при этом фазные выводы первого трехфазного моста соединены с первыми крайними выводами соответствующих первичных фазных обмоток трехфазного трансформатора, вторые крайние выводы которых соединены в общую точку, объединенные выводы ветвей первого моста соединены с соответствующими объединенными выводами ветвей второго трехфазного моста, фазные выводы второго моста соединены с соответствующими фазными выводами для подключения сети или нагрузки, отличающееся тем, что второй трехфазный мост выполнен на двунаправленных полностью управляемых ключах и предназначен для формирования импульсов переменного напряжения с частотой, равной утроенной частоте сети и регулируемой длительностью, кроме того, узел управления содержит датчик напряжения нагрузки, подключенный выходом к одному из входов элемента сравнения, к другому входу которого подключен источник сигнала задания, выход которого подключен к входу управления длительностью импульсов формирователя управляющих импульсов для ключей второго трехфазного моста, входы синхронизации которого связаны с выводами для подключения сети, и формирователь управляющих импульсов для ключей первого трехфазного моста, связанный с входами синхронизации с выводами для подключения сети.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для регулирования или стабилизации напряжения трехфазной электрической сети.

Известен стабилизатор трехфазного напряжения по а.с. СССР N 322836, кл. Н 02 М 5/02, 1970, содержащий в каждой фазе однофазный четырехобмоточный трансформатор, однофазный реверсивный выпрямитель с естественной коммутацией и однофазный инвертор напряжения или тока с соответственно емкостным или индуктивным фильтром на входе.

К недостаткам устройства, прежде всего, следует отнести большой вес, габариты и сложность как трансформаторного, так и полупроводникового оборудования, а также инерционность звена постоянного тока и снижение коэффициента мощности при увеличении угла управления выпрямителем с естественной коммутацией.

Известен также стабилизатор (регулятор) трехфазного напряжения заявка Японии N 63-36004, кл. G 05 F 1/30, 1988), содержащий в каждой фазе однофазный понижающий трансформатор и однофазный мост на ключах с двухсторонней проводимостью и естественной коммутацией, включенный между понижающим и вольтодобавочным трансформаторами.

Однако и это устройство имеет большой вес и габариты трансформаторного оборудования. Ему также свойственно снижение коэффициента мощности в процессе регулирования напряжения из-за естественной коммутации ключей.

Наиболее близким к предлагаемому является стабилизатор (регулятор) трехфазного напряжения с улучшенными энергетическими показателями по а.с. СССР N 589663, кл. G 05 F 1/30, 1984, который взят за прототип. Устройство содержит в каждой фазе однофазный вольтодобавочный трансформатор и мост на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, а также синхронизированную с сетью систему управления.

Недостатки прототипа сложность устройства из-за большого количества полностью управляемых ключей, а также большой вес и габариты вольтодобавочного агрегата из-за выполнения его на трех однофазных трансформаторах.

Цель изобретения улучшение массогабаритных показателей и упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что другая ветвь каждого однофазного моста содержит ключи с естественно коммутацией и подключена к одному из концов соответствующей фазной первичной обмотки, все ветви трех однофазных мостов соединены параллельно, образуя два трехфазных моста, один из которых на полностью управляемых ключах, а другой на ключах с естественной коммутацией и в качестве трехфазного вольтодобавочного агрегата применен трехфазный трансформатор, другие концы первичной обмотки которого объединены, причем введены две синхронизированные с сетью системы управления, одна из которых от трехфазно-однофазного мостового циклоконвертора с искусственной коммутацией, подключенная своим выходом к трехфазному мосту на полностью управляемых ключа и своим управляющим входом к выходу элемента сравнения, а другая от однофазно-трехфазного нулевого циклоконвертора с естественной коммутацией, подключенная своим выходом к трехфазному мосту на ключах с естественной коммутацией.

На фиг;1 приведена принципиальная схема стабилизатора (регулятора) трехфазного напряжения; на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие процесс преобразования и изменения напряжения.

Устройство (фиг. 1) содержит входные 1 и выходные 2 выводы, предназначенные для подключения соответственно к трехфазной сети и трехфазной нагрузке, трехфазный трансформатор 3, трехфазно-однофазный мостовой циклоконвертор 4 с искусственной коммутацией на полностью управляемых ключах 5-10 с синхронизированной с сетью системой управления 11, однофазно-трехфазный нулевой циклоконвертор 12 с естественной коммутацией, выполненной в виде трехфазного моста с двухсторонней проводимостью на ключах 13-18 с синхронизированной с сетью системой управления 19, датчик 20 напряжения нагрузки и элемент сравнения 21.

Элементы схемы соединены следующим образом. Два циклоконвертора 4 и 12 с системами управления 11 и 19 соединены последовательно и через них первичная обмотка трехфазного трансформатора 3 подключена к входным 1 или выходным 2 зажимам, а вторичная обмотка включена между входными 1 и выходными 2 зажимами устройства, датчик напряжения 20 нагрузки через элемент сравнения 21 подключен к управляющему входу системы управления 11, а синхронизирующие входы систем управления 11 и 19 подключены к входным зажимам 1, предназначеным для подключения к сети.

Процесс преобразования устройством (фиг.1) трехфазного напряжения сети с обобщенным вектором в трехфазное напряжение нагрузки с обобщенным вектором протекает в три этапа (фиг.2): на первом этапе посредством трехфазно-однофазного циклоконвертора 4 на полностью управляемых ключах 5-10 с системой управления 11 происходит преобразование трехфазного напряжения сети с частотой f₁ в однофазное регулируемое промежуточное напряжение с утроенной частотой 3f₁; на втором этапе посредством однофазно-трехфазного циклоконвертора 12 на ключах 13-18 с естественной коммутацией и с системой управления 19 происходит преобразование однофазного регулируемого напряжения в трехфазное напряжение с обобщенным вектором , которое имеет двухступенчатую форму, частоту первой гармоники, равную частоте сети f₁ и регулируется по величине широтно-импульсным способом; на третьем этапе посредством трехфазного трансформатора 3 происходит уменьшение трехфазного напряжения в коэффициент трансформации к_т раз и прибавление его к напряжению сети , формируя на нагрузке трехфазное регулируемое напряжение с обобщенным вектором



где _f- фаза напряжения вольтодобавки, которая принимает два значения - 0 рад. (фиг.2,а-б) или рад (фиг.2,в-г), обеспечивающая соответственно противофазность и синфазность напряжения и напряжения добавки по отношению к напряжению .

Устройство работает следующим образом. Полностью управляемые ключи 5-10 моста циклоконвертора 4 (фиг.1) переключаются по алгоритму приведенному на нижних диаграммах фиг. 2, а-г. В соответствии с диаграммой в любой момент времени в работе находятся два ключа, один из нечетной группы с ключами 5, 7, 9, а другой из четной группы с ключами 6, 8, 10. Каждый ключ находится в замкнутом состоянии 60 эл.град. причем в паре с ключом из другой группы он работает 30 эл.град. При замыкании двух ключей, относящихся к одной из ветвей моста, выходные зажимы преобразователя 4 закорачиваются и в последствии через ключи 13-18 преобразователя 12 шунтируют первичную обмотку трансформатора 3, устраняя дроссельный режим его работы при мгновенных значениях u_п 0 и u_f 0. При замыкании ключей из разных ветвей моста преобразователя 4 на выходе этого преобразователя циклически формируются то положительные, то отрицательные импульсы из линейных напряжений сети. Регулирование длительности этих импульсов от 60 до 0 эл.град. следующих с утроенной частотой сети, осуществляется одновременным взаимным и встречным смещением интервалов проводимости пар ключей 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10 мостового циклоконвертора 4 на 30 эл. град. При дальнейшем смещении интервалов проводимости также на 30 эл. град. импульсное переменное напряжение u_п инвертируется и на интервалах полупериодов этого напряжения длительность его прямоугольных импульсов регулируется от 0 до 60 эл.град.

Возможна подача на управляющий вход системы управления 11 как однополярного, так и двухполярного напряжения управления.

При двухполярном напряжении управления, снимаемом непосредственно с выхода элемента сравнения 21 (вычитателя), регулирование напряжения u_п производится с инверсией в области u_п 0 как показано на фиг.2, б-в, а при однополярном (выпрямленном) напряжении управления регулирование действующего значения промежуточного высокочастотного напряжения u_п производится в том же диапазоне, но без инверсии полуволн его первой гармоники. В том и другом случаях, не зависимо от полярности полувон напряжения u_п преобразователя 4, стабилизатор (регулятор) обеспечивает режимы вольтоприбавления и вольтовычитания. Эти режимы задаются реверсивным алгоритмом управления (фиг.2) однофазно-трехфазным циклоконвертором 12 на ключах с естественной коммутацией 13-18 (фиг.1).

Ключи преобразователя 12 обладают двухсторонней проводимостью и каждый ключ выполнен, например, на двух встречно параллельно включенных тиристорах, образуя в каждой ветви моста циклоконвертора 12 две пары тиристоров, одна из которых подключена катодами, а другая анодами к фазным первичным обмоткам трансформатора 3. Каждая пара тиристоров в составе ключей 13-18 (см.фиг.2) на протяжении периода напряжения сети работает 180 эл.град. причем при формировании вольтодобавки на интервале 180-_т в выпрямительном режиме, а на оставшемся интервале _т в инверторном режиме, направляя активную энергию из сети 1 через преобразователи 4, 12 и трансформатор 3 в нагрузку 2, а при формировании вольтовычета наоборот, на интервале 180-_т в инверторном режиме, а на интервале _т в выпрямительном, направляя активную энергию через преобразователи 4 и 12 из нагрузки 2 в сеть 1 (_т фаза тока первичной обмотки трансформатора 3). При таком 180-градусном алгоритме управления, когда в любой момент времени в работе находятся три ключа преобразователя 12, на первичных фазных обмотках трансформатора 3 формируются двухступенчатые напряжения u_f (фиг.2, а и фиг.2, г) со средней высотой ступени, равной 1/3 от среднего значения выпрямленного напряжения u_п на каждом 60-градусном интервале, равном длительности соответственно каждой ступени.

Средняя высота каждой ступени в кривой мгновенного значения напряжения u_f и действующее значение первой гармоники напряжения вольтодобавки регулируются широтно-импульсным способом, вследствие изменения u_п (фиг.2, б и 2, в), сформированных из линейных напряжения сети.

Представленные на фиг. 2 алгоритмы управления преобразователями 4 и 12 реализованы синхронизированными с сетью системами управления 11 и 19, которые взяты соответственно от трехфазно-однофазного циклоконвертора с естественной коммутацией.

Предлагаемое устройство позволяет с улучшенным быстродействием регулировать (стабилизировать) напряжение на нагрузке без сдвига первой гармоники. Оно проще, легче и дешевле известного устройства, поскольку в силовой части применено в 2 раза меньше полностью управляемых ключей с двухсторонней проводимостью и взамен трех однофазным вольтодобавочным трансформаторам применен один трехфазный.

Устройство имеет хорошую готовность к серийному производству, т.к. ее электрическая часть, включая и силовую схему и систему управления, содержит собственно два известных преобразователя, серийный выпуск которых, известных как реверсивные выпрямители, уже освоен, а перевод реверсивных выпрямителем в режим циклоконверторов весьма прост, в то время как для устройства-прототипа требуются все этапы проектирования, включая как проведение НИРОКР, так и подготовку производства.