устройство для дискретного регулирования переменного напряжения

Формула изобретения

1. Устройство для дискретного регулирования переменного напряжения, содержащее трансформатор с секционированной вторичной обмоткой, каждая секция которой своими выводами соединена с соответствующими последовательно включенными первым и вторым ключами, причем вторые ключи каждой секции образуют последовательную цепь, соединенную своим первым выводом с первым выводом для подключения нагрузки, четыре дополнительных ключа, соединенных по схеме моста, одна диагональ которого включена между выводами для подключения сети, отличающееся тем, что вторая диагональ моста включена между выводами первичной обмотки трансформатора, при этом в рассечку одного из проводов, присоединенных к выводам для подключения сети, включен полупроводниковый коммутационный элемент, секции вторичной обмотки трансформатора и выводы для подключения сети соединены по схеме, обеспечивающей суммирование или вычитание напряжений сети и секций.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве коммутационного элемента использован симистор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения синусоидальной формы.

Известен преобразователь переменного напряжения в переменное со ступенчатым регулированием, содержащий два согласующих трансформатора, первый из которых содержит регулировочную обмотку, выполненную с промежуточными выводами, две коммутирующие системы и другие элементы (патент РФ N 2033682, H 02 M 5/12, H 01 F 29/04, 1995).

Существенными недостатками данного устройства являются большие габариты и материалоемкость, обусловленные наличием в его составе двух трансформаторов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для дискретного регулирования переменного напряжения [2]

Это устройство содержит трансформатор с секционированной вторичной обмоткой, каждая секция которой своими выводами соединена с последовательно включенными первым и вторым ключами, причем вторые ключи каждой секции образуют последовательную цепь, соединенную своим первым выводом с первым выводом для подключения нагрузки, а первичная обмотка соединена с выводами для подключения сети, четыре дополнительных ключа, соединенных по схеме моста, одна диагональ которого включена между выводами для подключения сети, а вторая между вторым выводом для подключения нагрузки и вторым выводом указанной последовательности цепи.

Дополнительные ключи в рассматриваемом устройстве служат для реверсирования полярности подключения нагрузки относительно сети, в то время как полярность вторичной обмотки трансформатора относительно сети остается неизменной. Значительно расширяя диапазон регулирования это схемное решение повышает КПД и улучшает массогабаритные показатели, что является преимуществом устройства-прототипа перед ранее приведенным аналогом.

Основной же его недостаток заключается в низкой надежности работы, обусловленной тяжелым режимом работы ключей.

Все ключи устройства коммутируют ток нагрузки, что вызывает износ и снижение надежности контактирования контактных (электромеханических) ключей. Выполнение же ключей в бесконтактном варианте (полупроводниковыми, оптронными и т.п.) резко удорожает устройство и многократно увеличивает количество физических элементов схемы, что также отрицательно сказывается на надежности.

Помимо указанного, функционирование дополнительных ключей сопряжено с еще одним серьезнейшим фактором риска, заключающемся в следующем. Как правило, параметры нагрузок подобных устройств лежат в области дугообразования при размыкании цепи нагрузки контактным ключом. Реверсирование нагрузки по условиям обеспечения непрерывности ее питания следует проводить за возможно более короткий промежуток времени. Но поскольку за это время могут не завершится дуговые разряды, быстрое переключение дополнительных контактных ключей будет приводить к короткому замыканию через один замкнувшийся ключ и непогасшую дугу на втором ключе, что сводит надежность работы устройства к недопустимо низкому уровню.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы устройства.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем трансформатор с секционированной вторичной обмоткой, каждая секция своими выводами соединена с последовательно включенными первым и вторым ключами, причем вторые ключи каждой секции образуют последовательную цепь, соединенную своими первым выводом с первым выводом для подключения нагрузки, четыре дополнительных ключа, соединенных по схеме моста, одна диагональ которого включена между выводами для подключения сети, вторая диагональ моста включена между выводами первичной обмотки трансформатора, а в рассечку одного из производств, присоединенных к выводам подключения сети, включен полупроводниковый коммутационный элемент, например симистор.

Сущность предложенного технического решения заключается в том, что реверсирование нагрузки заменяется реверсированием трансформатора, который через свою первичную и вторичную обмотки передает нагрузке лишь часть общей потребляемой ею мощности, что облегчает режим работы дополнительных ключей.

На фиг. 1 и 2 изображено предлагаемое устройство.

Действительно, как явствует из фиг. 1, дополнительные ключи 4.7 при предлагаемом их включении в цепь первичной обмотки трансформатора коммутируют уже не полный ток нагрузки, а только долю этого тока, определяемую коэффициентом трансформации между первичной обмоткой и задействованными секциями его вторичной обмотки. В действительности же, исходя из логики процесса регулирования, дополнительные ключи будут переключаться только при всех незадействованных секциях, т. к. именно такое состояние регулятора должно предшествовать реверсированию их полярности. Следовательно, коммутируемый дополнительными ключами ток будет представлять собой незначительный ток холостого хода трансформатора, неспособный вызвать затяжную дугу и короткое замыкание при переключении ключей, что существенно повышает надежность работы устройства, при этом не ухудшая каких-либо других его показателей.

Однако полного устранения возможности короткого замыкания при использовании контактных ключей вышеописанное техническое решение еще не дает. Здесь следует иметь в виду, что при быстром переключении коммутирующих полный ток нагрузки основных ключей 2 и 3 через непогасшую дугу замыкаются управляемые этими ключами секции вторичной обмотки трансформатора.

Наиболее эффективное техническое решение, кардинально повышающее надежность работы устройства без существенного его усложнения и возрастания стоимости, приведено на фиг. 2 и соответствует п.2 ее формулы. Оно заключается в том, что в рассечку одного из проводов, присоединенных к выводам для подключения сети, включен бесконтактный ключ, например симистор 9. Запирание ключа 9 на время переключения ключей 2.7 полностью обесточивает схему устройства и тем самым исключает возможность возникновения короткого замыкания при выполнении ключей 2.7 в любом варианте, поскольку в этом случае реализуется коммутация контактных ключей в режиме "сухой цепи".

Работа устройства фиг.2 отличается от работы предшествующего устройства только тем, что непосредственно перед переключением любого из ключей 2.7 ключ 9 запирается и вслед за их переключением отпирается снова.

Таким образом, сущность последнего технического решения заключается во введении бездуговой коммутации тока нагрузки одним бесконтактным ключом, при которой роль остальных контактных ключей сводится лишь к подготовке новых путей протекания токов перед открыванием бесконтактного ключа. Тем самым полностью исключается дугообразование при работе устройства под любой нагрузкой и обеспечивается полная надежность его работы без существенного возрастания сложности и стоимости.

Поскольку время переключения бесконтактных элементов на несколько порядков меньше времени переключения контактных ключей, введение такого элемента практически не отразится на быстродействии устройства. Стоимость устройства при этом несколько повышается, но это повышение с лихвой перекрывается достигаемым резким возрастанием надежности работы по сравнению с весьма низкой надежностью устройства-прототипа с одними лишь контактными ключами.

В устройстве для дискретного регулирования переменного напряжения, содержащем трансформатор 1 с секционированной вторичной обмоткой, каждая секция которой своими выводами соединена с соответствующими последовательно включенными первым 2 и вторым 3 ключами, причем вторые ключи 3 каждой секции образуют последовательную цепь, соединенную своим первым выводом с первым выводом для подключения нагрузки 8, четыре дополнительных ключа 4.7, соединенных по схеме моста, одна диагональ которого включена между выводами для подключения сети, вторая диагональ моста включена между выводами первичной обмотки трансформатора 1. Во втором варианте заявляемого устройства в рассечку одного из приводов, присоединенных к выводам для подключения сети, включен полупроводниковый коммутационный элемент, например симистор 9.

Устройство работает следующим образом. Величина напряжения на нагрузке 8 определяется тем, как при помощи дополнительных ключей 4.7 подключена к напряжению сети первичная обмотка трансформатора 1. Например, при замкнутых ключах 4 и 6 и разомкнутых 5 и 7 напряжения на нагрузке будет равно разности напряжения сети и напряжений введенных ключами 2 и 3 секций вторичной обмотки трансформатора; если же замкнуты ключи 5 и 7 и разомкнуты 4 и 6, то напряжение на нагрузке станет равным сумме указанных составляющих.

Работа второго варианта устройства отличается от работы первого лишь тем, что непосредственно перед каждым переключением ключей 2.7 элемент 9 запирают и вслед за их переключением его снова открывают.