способ и устройство регулирования мощности нагрузки

Формула изобретения

1. Способ регулирования мощности нагрузки, обеспечивающий непрерывную передачу электрической энергии от внешних источников энергии переменного, постоянного тока на промежуточный накопитель энергии большой емкости с плавным регулированием потребляемого нагрузкой тока от промежуточного накопителя энергии, отличающийся тем, что регулирование мощности выполняется плавным изменением величины входного электрического сопротивления устройства с одновременным преобразованием характера электрического входного сопротивления в активную составляющую данного сопротивления.

2. Устройство регулирования мощности нагрузки, содержащее трансформатор с секционированной вторичной обмоткой, с выводами секционированной вторичной обмотки трансформатора соединены общие выводы анодов и катодов последовательно соединенных диодов выпрямителя, катоды диодов выпрямителя соединены с плюсовыми выводами промежуточных накопителей электрической энергии большой емкости, выполняющих функции делителя постоянного напряжения, и с электродами двухоперационных полупроводниковых приборов, другие электроды двухоперационных приборов присоединены плюсовой шиной к нагрузке, а аноды диодов выпрямителя присоединены к минусовой шине, одни электроды двухоперационных полупроводниковых приборов присоединены к плюсовым выводам промежуточных накопителей энергии, а другие электроды двухоперационных приборов присоединены плюсовой шиной к одному выводу нагрузки, другой вывод накопителей энергии минусовой шиной присоединен к другому выводу нагрузки, катод обратного диода соединен с плюсовой шиной устройства, а анод обратного диода соединен с минусовой шиной устройства, отличающееся тем, что нерегулируемая часть мощности к нагрузке передается от внешнего источника энергии с помощью диодов выпрямителя и двухоперационных приборов, находящихся в постоянно проводящем состоянии в предыдущей зоне регулирования, а регулируемая часть мощности нагрузки суммируется с нерегулируемой частью мощности и плавно изменяется с помощью двухоперационных приборов в последующей зоне регулирования путем их перевода из постоянно непроводящего состояния в импульсный режим управления с последующим переводом в постоянно проводящее состояние при увеличении мощности нагрузки, а при уменьшении мощности нагрузки - переводом двухоперационных приборов в предыдущей зоне регулирования из постоянно проводящего состояния в импульсный режим управления с последующим переводом в постоянно непроводящее состояние.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к полупроводниковой технике, и может быть использовано на электроподвижном составе для регулирования мощности тягового электродвигателя и других потребителей электроэнергии, получающих питание от электрической сети переменного и постоянного тока.

Известны управляемые выпрямители, регуляторы напряжения, преобразователи частоты, импульсные преобразователи постоянного тока для регулирования мощности на приемниках электрической энергии. Однако такие преобразователи имеют низкий коэффициент мощности из-за неэффективного использования напряжения на входе преобразователя, из-за нелинейных искажений тока и напряжения на входе и на выходе преобразователя, они работают от источника энергии только переменного или только постоянного тока [Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. - М.: Транспорт, 1999. - 464 с.].

Известен способ регулирования электрической мощности на n параллельно включенных нагрузках [а.с. СССР № 1676035, кл. H02M 05/257, 1991], известно устройство для регулирования мощности на m-фазной нагрузке [патент РФ № 2030084, кл. H02M 05/257, 1995]. Однако такие устройства применяются для ступенчатого регулирования мощности нагрузки за счет изменения способа соединения секционированной нагрузки.

Известен способ управления многозонным преобразователем переменного тока [патент РФ № 2168839, кл. H02M 07/155, 2001], который осуществляется выпрямительными мостами на управляемых вентилях. Способом обеспечивается регулирование мощности нагрузки за счет изменения среднего значения выпрямленного напряжения тиристорами выпрямителя с импульсно-фазовым управлением. Каждая пара последовательно соединенных управляемых вентилей подключена крайними точками между шинами постоянного тока нагрузки параллельно, а средними точками - к выводам последовательно соединенных секций вторичных обмоток трансформатора.

Недостатками данного способа управления мощностью и многозонного преобразователя переменного тока являются низкий коэффициент мощности в начале каждой зоны регулирования из-за неэффективного использования напряжения на входе преобразователя при изменении угла регулирования вентилей, загрузка источника энергии переменного напряжения высшими гармоническими составляющими тока и высокий коэффициент пульсаций тока в нагрузке, а питание устройства от контактной сети переменного тока ограничивает его функциональные возможности.

Известен также многозонный выпрямитель однофазного переменного тока (прототип) [патент РФ № 2003117287, кл. H02M 07/155, 2004]. Выпрямитель выполнен в виде нескольких последовательно соединенных секций вторичной обмотки трансформатора с выводами от каждой из них. Каждая пара последовательно соединенных управляемых вентилей параллельно подключены между собой шинами постоянного тока к нагрузке, а средние точки параллельных цепочек соединены к соответствующим выводам секций вторичной обмотки трансформатора. Параллельно нагрузке подключен диод: катодом к плюсовой шине, а анодом - к минусовой шине постоянного тока. Многозонным выпрямителем реализуется способ импульсно-фазового регулирования мощности нагрузки за счет изменения угла регулирования управляемых вентилей в пределах зоны управления.

Недостатками выпрямителя с известным способом регулирования мощности являются низкий коэффициент мощности в начале каждой зоны регулирования, нелинейные искажения тока и напряжения в питающей сети, ограниченные функциональные возможности устройства.

Целью изобретения является повышение коэффициента мощности устройства, повышение электромагнитной совместимости устройства регулирования мощности нагрузки с питающими сетями и с нагрузкой, а также расширение функциональной возможности устройства.

Цель достигается тем, что электрическая энергия непрерывно поступает на промежуточные накопители электрической энергии большой емкости от источника энергии переменного тока через трансформатор с секционированными вторичными обмотками и выпрямитель, а от источника энергии постоянного тока - через делитель напряжения. Плавное регулирование тока в контурах промежуточные накопители энергии - нагрузка выполняется двухоперационными силовыми полупроводниковыми приборами. Двухоперационные приборы в пределах каждой зоны регулирования находятся постоянно в непроводящем состоянии, переводятся в режим управления известными способами импульсного регулирования или импульсной модуляции и постоянно находятся в проводящем состоянии.

Каждый вывод секционированной последовательно соединенной вторичной обмотки трансформатора присоединен к анодам и катодам последовательно соединенных диодов, а катоды диодов присоединены к плюсовому выводу накопителей электрической энергии большой емкости - (например, ионисторов) и к коллекторам (анодам) двухоперационных силовых полупроводниковых приборов (силовых транзисторов, запираемых тиристоров), аноды последовательно соединенных диодов присоединены шиной к минусовому выводу накопителя энергии и к нагрузке. Эмиттеры силовых транзисторов (катоды запираемых тиристоров) соединены плюсовой шиной постоянного тока к нагрузке. Для передачи нерегулируемой части мощности от источника энергии к нагрузке одно плечо выпрямителя второй зоны регулирования собрано из двух последовательно соединенных диодов. Параллельно нагрузке соединен обратный диод катодом к плюсовой шине, а анодом к минусовой шине. Для питания от источника энергии постоянного тока плюсовой вывод источника энергии подключается к крайнему плюсовому выводу накопителя энергии устройства, а минусовой вывод - к минусовой шине контура постоянного тока. Накопители электрической энергии соединены последовательно и совместно с двухоперационными приборами образуют делитель напряжения постоянного тока.

Данным способом регулирования и соединением элементов устройства обеспечивается плавное изменение мощности нагрузки за счет регулирования постоянного тока в нагрузке двухоперационными приборами с переключением секций вторичной обмотки трансформатора при питании от источника энергии переменного тока или с переключением выводов делителя напряжения при питании от источника энергии постоянного тока.

Таким образом, заявляемый способ и устройство регулирования мощности нагрузки соответствуют критерию изобретения «новизна».

Известные способы управления многозонных выпрямителей, которыми обеспечивается изменение мощности нагрузки в пределах каждой зоны регулирования импульсно-фазовым или другим известным способом, характеризуются низким коэффициентом мощности, нелинейными искажениями тока, напряжением на входе и высокими пульсациями тока на выходе преобразователя, возможностью питания известных устройств от сети переменного тока. Предложенным способом регулирования мощности нагрузки и техническим решением для его реализации коэффициент мощности повышается за счет непрерывной передачи электрической энергии от источника переменного или постоянного тока на промежуточный накопитель электрической энергии большой емкости и активного характера входного электрического сопротивления устройства. Регулируемая часть мощности нагрузки плавно изменяется и суммируется с нерегулируемой частью мощности нагрузки. Нелинейные искажения электрических величин снижаются, так как форма тока на входе устройства определяется формой напряжения источников питания, а его величина изменяется за счет плавного изменения величины входного электрического сопротивления устройства от Z_ВХ= , когда двухоперационные приборы находятся постоянно в непроводящем состоянии, до Z_ВХ=КТ²·R, или Z_ВХ=К_Д·R, когда двухоперационные приборы находятся постоянно в проводящем состоянии в конце каждой зоны регулирования, и наоборот. В каждой зоне регулирования на интервале между двумя крайними состояниями приборов плавное изменение тока в нагрузке выполняется способами импульсного регулирования или импульсной модуляции.

Где R - активная составляющая сопротивления нагрузки Z;

- коэффициент трансформации трансформатора;

- коэффициент преобразования делителя напряжения;

U₁, U₂, -U, U_Д - действующее напряжение соответственно в сети переменного тока, во вторичной обмотке трансформатора, в сети постоянного тока, на выходе делителя напряжения.

Таким образом, заявляемый способ и устройство регулирования мощности нагрузки соответствуют критерию изобретения «существенные отличия».

Изобретение поясняется на чертеже.

На чертеже дана принципиальная электрическая схема устройства, реализующего предложенный способ регулирования мощности нагрузки, улучшающего коэффициент мощности и электромагнитную совместимость, расширяющего функциональные возможности устройства.

Выводы секционированной последовательно соединенной вторичной обмотки трансформатора TV соединены к анодам и катодам последовательно соединенных диодов 1 и 4, 2 и 3, 5 и 7. Катоды диодов 1 и 3, 5 и 6 присоединены к плюсовому выводу накопителей электрической энергии большой емкости 11, 12 и к коллекторам IGBT- транзисторов 9, 10. Аноды диодов 2, 4, 7 мостового выпрямителя соединены шиной к минусовому выводу накопителя энергии 11 и к нагрузке Z. Эмиттеры транзисторов 9, 10 соединены плюсовой шиной к другому выводу нагрузки. Параллельно 7 нагрузке Z соединен обратный диод 8 катодом к плюсовой шине, а анодом к минусовой шине. Для увеличения номинальной мощности нагрузки, расширения диапазона регулирования и для снижения емкости промежуточных накопителей электрической энергии количество секций вторичной обмотки трансформатора, секций делителя напряжения и элементов устройства можно увеличивать и соединять их так, как показано на чертеже.

Заряд накопителей электрической энергии начинается при подаче переменного напряжения ~U₁ через диоды или при подаче постоянного напряжения -U на крайние выводы последовательно соединенных накопителей 11, 12. Среднее значение напряжения на нагрузке в первой зоне регулирования можно увеличить до напряжения на накопителе энергии 11 переводом транзистора 9 из постоянно непроводящего состояния в импульсный режим работы, а затем - в постоянно проводящее состояние. Принцип управления двухоперационными приборами 9, 10 на интервале регулирования мощности между двумя крайними состояниями приборов такой же, как в известных способах импульсного регулирования или импульсной модуляции. Частота следования импульсов выбирается с учетом индуктивности сопротивления нагрузки для обеспечения требуемого уровня пульсаций тока в нагрузке. Для увеличения мощности нагрузки импульсы управления подают на транзистор 10 и переводят его из постоянно непроводящего состояния в импульсный режим работы, а транзистор 9 находится в постоянно проводящем состоянии и к постоянной составляющей напряжения, прикладываемого к нагрузке от 11, добавляется импульсное напряжение от 12. Во время паузы между импульсами напряжения ток в нагрузке протекает под действием ЭДС самоиндукции сопротивления нагрузки Z и напряжения накопителя энергии 11. С переводом транзистора 10 из импульсного режима работы в постоянно проводящее состояние мощность в нагрузку передается от двух секций вторичной обмотки трансформатора или от двух секций делителя напряжения постоянного тока. Уменьшение мощности нагрузки выполняется в обратном порядке, также как и увеличение мощности нагрузки.

Предлагаемый способ и устройство регулирования мощности нагрузки по сравнению с известными техническими решениями имеют следующие преимущества:

1) коэффициент мощности устройства близок к единице на всем диапазоне регулирования мощности нагрузки;

2) от источника энергии переменного тока потребляется практически синусоидальный ток, а от источника энергии постоянного тока потребляется практически постоянный ток, поэтому устраняются нелинейные искажения напряжения в питающих сетях во время работы устройства;

3) снижается коэффициент пульсаций тока в нагрузке;

4) повышаются функциональные возможности устройства, питающегося от источников энергии переменного и постоянного тока с одновременным преобразованием характера полного входного электрического сопротивления устройства в активную составляющую этого сопротивления.