устройство для бесконтактного регулирования амплитуды переменного напряжения

Формула изобретения

Устройство для бесконтактного регулирования амплитуды переменного напряжения, содержащее источник синусоидального напряжения с включенными на выходе двухполупериодным выпрямительным мостом с заземленным отрицательным полюсом и схемой фазоимпульсного управления, первый и второй однонаправленные управляемые ключи, объединенные анодами в одну точку, подсоединенную через дроссель к положительному полюсу двухполупериодного выпрямительного моста, первую и вторую цепи с общей точкой соединения в каждой из них анодов тиристоров, катодов диодов и выводов конденсаторов, оставшиеся выводы которых заземлены, и нагрузочное сопротивление, отличающееся тем, что дополнительно введен силовой трансформатор с одинаковыми первой и второй соединенными встречно первичными обмотками, концы которых объединены в одну точку и заземлены, а их начала подсоединены к катодам тиристоров, аноды каждого из диодов подсоединены соответственно к катодам однонаправленных управляемых ключей, управляющие выводы первого и второго однонаправленных управляемых ключей подключены к соответствующим выходам схемы фазоимпульсного управления, к двум другим выходам которой подключены управляющие выводы тиристоров, причем конденсаторы и первая и вторая первичные обмотки силового трансформатора, образующие LC-контуры, настроены на частоту источника синусоидального напряжения, а выводы вторичной обмотки силового трансформатора подсоединены к нагрузочному сопротивлению.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано для плавного бесконтактного регулирования амплитуды выходного напряжения силовых трансформаторов, работающих под нагрузкой, а также в системах диагностики работоспособности автоматических выключателей и релейной защиты электроустановок энергосистем.

Известны устройства для регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой, принцип действия которых основан на регулировании напряжения трансформатора путем переключения выводов вторичной обмотки трансформатора при помощи моторного электропривода, обеспечивающего перемещение подвижных контактов и установки, таким образом, заданного значения коэффициента трансформации (см., например, Устройство автоматического регулирования трансформаторов под нагрузкой типа АРН-1Н. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Рига, РОЗ Энергоавтоматика, 1980). Наиболее распространены трансформаторы со ступенчатым изменением вторичного напряжения, осуществляемым либо переключением выводов обмоток, либо включением в цепь нагрузки вольтодобавочного трансформатора с регулируемым (также ступенями) вторичным напряжением. Регулирование напряжения производят перемещением токосъемного контакта по оголенному участку обмотки (как в лабораторных автотрансформаторах), либо взаимным перемещением обмоток и элементов магнитопровода.

Все эти устройства конструктивно сложны, обладают значительными массогабаритными параметрами, не обеспечивают плавного регулирования выходного напряжения и недостаточно надежны при длительной эксплуатации.

Известны устройства типа «Сатурн» для проверки первичным током уставок срабатывания автоматических выключателей и релейной защиты (см. Комплектное испытательное устройство «Сатурн-М», «Сатурн-M1». Техническое описание, инструкция по эксплуатации, паспорт; Москва, К-489, НПФ «Радиус»). Для задания величины проверочного тока используется нагрузочный трансформатор, величина выходного тока у которого зависит от угла открытия силовых тиристоров, т.е. задается с помощью фазоимпульсного метода. Однако при этом методе регулирования форма тока и напряжения на выходе нагрузочного трансформатора существенно отличаются от синусоидальной формы, что снижает точность измерения проверочного тока и, следовательно, точность проверки уставок автоматических выключателей и релейной защиты электроустановок энергосистем. Применение специальных токовых шунтов с разветвителями тока устройства «Сатурн-М», когда через измерительную цепь протекает лишь часть общего тока, усложняет устройство и процедуру проведения испытаний автоматических выключателей.

Известны тиристорные регуляторы переменного напряжения с естественной коммутацией, представляющие собой два встречно-параллельно включенных тиристора, которые позволяют коммутировать однофазную сеть переменного тока и регулировать величину тока и напряжения на нагрузке (см. Преобразовательная техника. Руденко B.C. и др. Киев, Издательское объединение «Вища школа», 1983). Однако недостатком таких регуляторов является то, что в процессе регулирования к нагрузке приложено несинусоидальное напряжение и протекает прерывистый ток. Их гармонический состав существенно зависит от величины угла отпирания тиристоров.

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является устройство преобразования переменного напряжения в регулируемое выпрямленное напряжение (см. патент RU №2189687 С1, 7 Н02М 7/12. Опубл. 20.09.2002. Бюл. №26). Устройство содержит источник переменного напряжения, которое выпрямляется двухполупериодным выпрямительным мостом с заземленным отрицательным полюсом, два однонаправленных управляемых ключа, сглаживающий фильтр с нагрузочным резистором на выходе, схему фазоимпульсного управления, первую и вторую группы из тиристоров, диодов и конденсаторов в каждой. В обеих группах одни выводы конденсаторов и катоды соответствующих диодов соединены в общие точки, которые подсоединены к анодам соответствующих тиристоров этой группы, другие выводы конденсаторов в группах объединены в одну точку и заземлены, аноды диодов в каждой группе объединены и подсоединены соответственно к катодам первого и второго однонаправленных управляемых ключей, аноды которых объединены в одну точку и подсоединены через дроссель к положительному полюсу двухполупериодного выпрямительного моста, катоды тиристоров в обеих упомянутых группах объединены в одну точку и подсоединены к входному выводу сглаживающего фильтра, другой входной вывод которого заземлен. Управляющие выводы первого и второго однонаправленных управляемых ключей и управляющие выводы всех тиристоров в обеих упомянутых группах подключены к выходу схемы фазоимпульсного управления, вход которой подключен к выходу источника переменного напряжения.

Недостатком этого устройства является невозможность получения на его выходе синусоидального напряжения с регулируемой амплитудой, что ограничивает область применения.

Задачей изобретения является бесконтактное регулирование амплитуды синусоидального напряжения, например синусоидального напряжения промышленной частоты, и упрощение.

Решение задачи достигается тем, что в устройство для бесконтактного регулирования амплитуды переменного напряжения, содержащее источник синусоидального напряжения с включенными на выходе двухполупериодным выпрямительным мостом с заземленным отрицательным полюсом и схемой фазоимпульсного управления, первый и второй однонаправленные управляемые ключи, объединенные анодами в одну точку, подсоединенную через дроссель к положительному полюсу двухполупериодного выпрямительного моста, первую и вторую цепи с общей точкой соединения в каждой из них анодов тиристоров, катодов диодов и выводов конденсаторов, оставшиеся выводы которых заземлены, и нагрузочное сопротивление, дополнительно введен силовой трансформатор с одинаковыми первой и второй соединенными встречно первичными обмотками, концы которых объединены в одну точку и заземлены, а их начала подсоединены к катодам тиристоров, аноды каждого из диодов подсоединены соответственно к катодам однонаправленных управляемых ключей, управляющие выводы первого и второго однонаправленных управляемых ключей подключены к соответствующим выходам схемы фазоимпульсного управления, к двум другим выходам которой подключены управляющие выводы тиристоров, причем конденсаторы и первая, и вторая первичные обмотки силового трансформатора, образующие LC-контуры, настроены на частоту источника синусоидального напряжения, а выводы вторичной обмотки силового трансформатора подсоединены к нагрузочному сопротивлению.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, а на фиг.2 приведены осциллограммы сигналов на активной нагрузке при различных углах .

Схема содержит источник 1 синусоидального напряжения, двухполупериодный выпрямительный мост 2 с заземленным отрицательным полюсом, схему фазоимпульсного управления 3, первый 4 и второй 5 однонаправленные ключи, первую и вторую цепи с общей точкой соединения в каждой из них соответственно анодов тиристоров 6 и 7, соответственно катодов диодов 8 и 9 и соответственно выводов конденсаторов 10 и 11, нагрузочное сопротивление 12, силовой трансформатор 13 с одинаковыми первой 14 и второй 15 соединенными последовательно встречно первичными обмотками, дроссель 16.

Устройство для бесконтактного регулирования переменного напряжения работает следующим образом. Синусоидальное напряжение источника 1 выпрямляется двухполупериодным выпрямителем 2. В момент времени, соответствующий заданному углу , открывается ключ 4, при этом по нему и диоду 8 протекает ток, заряжающий конденсатор 10 до напряжения U . Начиная с конца первого полупериода происходит коммутация тиристора 6 и конденсатор 10 разряжается на обмотку 14 силового трансформатора 13. В следующий после первого полупериода с углом открывается второй ключ 5, при этом по нему и диоду 9 протекает ток, заряжающий конденсатор 11 до напряжения U . Начиная с конца второго полупериода происходит коммутация тиристора 7 и конденсатор 11 разряжается на обмотку 15 силового трансформатора 13. Далее процесс повторяется: конденсаторы 10 и 11 поочередно заряжаются в течение промежутков времени, равным полупериоду синусоидального напряжения источника 1, и также поочередно разряжаются на соответствующие полуобмотки 14 и 15 силового трансформатора 13 в течение следующих полупериодов синусоидального напряжения. Поскольку обмотки 14 и 15 силового трансформатора 13 включены встречно, то в магнитопроводе последнего возникает переменный магнитный поток с частотой синусоидального напряжения источника 1. При этом на вторичной обмотке силового трансформатора, нагруженной на сопротивление 12, наводится переменное напряжение, амплитудное значение которого пропорционально амплитуде синусоидального напряжения источника 1. Причем, это напряжение при условии работы силового трансформатора без насыщения сердечника, имеет синусоидальную форму вследствие разряда конденсаторов на индуктивность первичных обмоток трансформатора 13. Емкость конденсаторов 10 и 11 выбирается таким образом, чтобы образованные LC-контуры были настроены на частоту источника синусоидального напряжения 1. При этом обеспечивается коэффициент мощности устройства, близкий к единице. Очевидно, что устройство работает аналогичным образом при любом другом значении угла открытия ключей 4 и 5. Угол открытия тиристоров 6 и 7 может быть неизменным, обеспечивающий разряд конденсаторов 10 и 11. При этом однонаправленные ключи 4 и 5 и тиристоры 6 и 7 закрываются самопроизвольно при спадании через них анодного тока до нуля в моменты прохождения синусоидального напряжения через нуль. Работа фазоимпульсной схемы происходит под управлением микроконтроллера с синхронизацией от синусоидального напряжения источника 1.

Возможность осуществления изобретения подтверждается результатами компьютерного моделирования работы устройства в пакете прикладных программ системы схемотехнического моделирования Micro-Cap 7.5 фирмы Spectrum Software. Моделирование выполнялось для реальных значений параметров элементов устройства и активной нагрузке. На фиг.2 приведены осциллограммы тока в нагрузке (R_н=0,17 мОм) при различных углах 90, 135 и 175 градусов включения однонаправленных ключей 4 и 5 (ток в кА, время в мс). Регулировочная характеристика практически линейно убывает с 90 до 180° при синусоидальной форме тока в нагрузке. Аналогичные осциллограммы были получены для напряжений на активной нагрузке при различных ее значениях.