ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для регулирования или стабилизации напряжения в сетях с нестабильными параметрами.
Известно устройство для регулирования и стабилизации переменного напряжения, содержащее систему импульсно - фазового управления и регулирующий орган, выполненный на вольтодобавочном трансформаторе, вторичная обмотка которого включена между первыми входным и выходным зажимами, а первичная обмотка крайними выводами с помощью двух управляемых тиристорных ключей переменного тока подключена к общей точке соединения вторых входного и выходного зажимов. Средний вывод первичной обмотки непосредственно соединен с первым входным зажимом и через третий тиристорный ключ соединен с одним из крайних выводов. Первый тиристорный ключ включает обмотки вольтодобавочного трансформатора по схеме повышающего автотрансформатора и устройство обеспечивает на нагрузке синусоидальное напряжение высокого уровня по отношению к напряжению сети. Второй тиристорный ключ включает обмотки вольтодобавочного трансформатора по схеме понижающего автотрансформатора и устройство обеспечивает на нагрузке синусоидальное напряжение низкого уровня относительно напряжения сети. Третий тиристорный ключ закорачивает половину первичной обмотки и напряжение нагрузки практически равно напряжению сети. Таким образом, диапазон регулирования делится синусоидальными уровнями на два поддиапазона. Импульсно-фазовое регулирование напряжения нагрузки всегда осуществляется в пределах одного поддиапазона, то есть между двумя соседними синусоидальными уровнями. При этом в начале каждого полупериода напряжения сети включают тиристорный ключ пониженного уровня, а с задержкой на угол регулирования переключаются на тиристорный ключ ближайшего повышенного уровня (авторское свидетельство СССР №401980, G05f 1/20, опубл. 20.11.1974 г.).
Недостатком данного устройства является сокращение диапазона регулирования при смешанной (активно - индуктивной или активно - емкостной) нагрузке. Это обусловлено тем, что регулирование выходного напряжения выполняется только изменением угла переключения на повышение напряжения, а значение угла переключения на понижение напряжения равно нулю. Такое регулирование эффективно только в зонах совпадения знаков напряжения и тока и рекомендуется при работе на активную или выпрямительную нагрузки. Регулирование напряжения в зонах несовпадения знаков напряжения и тока путем изменения угла переключения на повышение напряжения невозможно. Поэтому при активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузках сокращается диапазон регулирования на величину, пропорциональную длительности интервалов несовпадения знаков тока и напряжения.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является стабилизатор переменного напряжения, содержащий систему импульсно-фазового управления и регулирующий орган, выполненный на вольтодобавочном трансформаторе, вторичная обмотка которого включена между входным и выходным зажимами, а первичная обмотка крайними выводами с помощью одной пары управляемых тиристорных ключей подключена к общей точке соединения других входного и выходного зажимов и, с помощью второй пары тиристорных ключей, подключена встречно-параллельно вторичной обмотке (авторское свидетельство СССР №478289, G05f 1/28, опубл. 21.07.1975 г.). В зависимости от комбинации включенных тиристорных ключей вольтодобавочный трансформатор соединяется по схемам повышающего (режим «вольтодобавка») или понижающего (режим «вольтоотбавка») автотрансформатора, а также первичная обмотка может закорачиваться на вторичную (режим «закоротка»). Таким образом, устройство обеспечивает на нагрузке три уровня синусоидального напряжения, разделяющих диапазон регулирования на два поддиапазона.
Н
Н
Н
Импульсно-фазовое регулирование напряжения нагрузки реализуется в каждом поддиапазоне, то есть всегда осуществляется между двумя соседними уровнями синусоидального напряжения. При активно-индуктивной нагрузке в начале каждого полупериода напряжения сети включен тиристорный ключ повышенного уровня напряжения, а с регулируемой задержкой, равной углу переключения на понижение напряжения γ, включают тиристорный ключ ближайшего пониженного уровня напряжения. Значение угла переключения (ограничено фазовым углом нагрузки φ, совпадающим с моментом перехода тока нагрузки через нулевое значение. Это обусловлено тем, что регулирование напряжения путем изменения угла переключения на понижение напряжения возможно только в зонах несовпадения знаков напряжения и тока нагрузки (0°<γ<φ). После перехода тока нагрузки через нулевое значение с задержкой, равной углу переключения на повышение напряжения α, включают тиристорный ключ ближайшего повышенного уровня напряжения. Изменяя значение угла переключения (в интервалах совпадения знаков тока и напряжения (φ<α<π), реализуют дальнейшее регулирование напряжения нагрузки. Таким образом, рассматриваемое устройство обеспечивает импульсно - фазовое регулирование напряжения нагрузки путем изменения угла переключения (в интервалах несовпадения знаков напряжения и тока и путем изменения угла переключения (в зонах совпадения напряжения и тока нагрузки. При таком двухзонном регулировании сокращения диапазона регулирования не происходит.
Недостатком данного устройства является значительное искажение формы выходного напряжения. Это обусловлено тем, что выходное напряжение формируется из отрезков синусоид напряжения повышенного и пониженного уровней и его искажение возрастает пропорционально величине поддиапазона регулирования. Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.
Решаемая задача - повышение показателей качества электроэнергии.
Технический результат - уменьшение искажения формы выходного напряжения.
Этот технический результат достигается тем, что в тиристорном регуляторе переменного напряжения, содержащем систему импульсно-фазового управления и регулирующий орган, выполненный на вольтодобавочном трансформаторе, вторичная обмотка которого включена между входным и выходным зажимами, а первичная обмотка крайними выводами с помощью одной пары управляемых ключей на тиристорах подключена к общей точке соединения других входного и выходного зажимов и, с помощью второй пары управляемых ключей на тиристорах, подключена встречно-параллельно вторичной обмотке, а средний вывод первичной обмотки подключен к общей точке соединения входного и выходного зажимов через дополнительный управляемый ключ на тиристорах. Такое выполнение обеспечивает на выходе два дополнительных уровня синусоидального напряжения, увеличивающих количество поддиапазонов регулирования в два раза. При неизменном диапазоне регулирования величина поддиапазона снижается в два раза и соответственно уменьшается искажение выходного напряжения при импульсно-фазовом регулировании.
Н
Н
Н
Н
Схема тиристорного регулятора переменного напряжения показана на фиг. 1. Она содержит регулирующий орган и систему импульсно-фазового управления. Регулирующий орган представляет собой вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка 1 которого подключена между входным 2 и выходным 3 зажимами и последовательно с нагрузкой 4. Первичная обмотка 5 крайними выводами с помощью пары управляемых ключей, каждый из которых соответственно выполнен на двух тиристорах 6, 7 и 8, 9, подключена встречно-параллельно вторичной обмотке 1. Кроме того, первичная обмотка 5 крайними и средним выводами с помощью трех управляемых ключей на тиристорах 10, 11 также 12, 13 и 14, 15 подключена к общей точке соединения других входного 16 и выходного 17 зажимов. Система импульсно - фазового управления 18 по сигналам u, i датчиков напряжения 19 и тока 20 нагрузки, соответственно, выделяет интервалы эффективного изменения углов переключения на понижение (0°<γ<φ) и повышение (φ<α<π) напряжения, а также, формируя импульсы управления тиристорами, обеспечивает работу регулятора во всех режимах.
ЗТ
С
СТ
ВД1
С
СТ
ВД2
С
СТ
ВО1
С
СТ
ВО2
С
СТ
В зависимости от комбинации включенных управляемых ключей регулятор обеспечивает на нагрузке пять уровней синусоидального напряжения. Напряжение нагрузки равно напряжению сети в режиме «закоротка» u=u при включенных управляемых ключах на тиристорах 6, 7 и 8, 9. При включенных управляемых ключах на тиристорах 6, 7 и 14, 15 обмотки 1 и 5 вольтодобавочного трансформатора соединяются по схеме повышающего автотрансформатора. Таким образом реализуется режим «вольтодобавка 1» и напряжение нагрузки возрастает на величину напряжения, трансформируемого из первичной во вторичную обмотку. В данном режиме напряжение вторичной обмотки 1 равно ступени регулирования (u) и выходное напряжение регулятора u=u+u. При включенных управляемых ключах на тиристорах 6, 7 и 12, 13 обмотки 1 и 5 вольтодобавочного трансформатора также соединяются по схеме повышающего автотрансформатора. В этом случае реализуется режим «вольтодобавка 2», отличающийся от режима «вольтодобавка 1» тем, что к сети подключается только половина первичной обмотки 5. В результате этого коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора увеличивается в два раза и напряжение вторичной обмотки 1 равно удвоенной ступени регулирования. Поэтому выходное напряжение регулятора в рассматриваемом режиме u=u+2u. Еще два уровня синусоидального напряжения на выходе регулятора, меньшие чем напряжение сети, получаются в режимах «вольтоотбавка», реализуемых включением обмоток 1 и 5 вольтодобавочного трансформатора по схемам понижающего автотрансформатора. Режим «вольтоотбавка 1» получается при включенных управляемых ключах на тиристорах 8, 9 и 10, 11. В этом случае параллельно выходу включается вся первичная обмотка 5 вольтодобавочного трансформатора и напряжение его вторичной обмотки 1 равно ступени регулирования. Поэтому выходное напряжение регулятора в рассматриваемом режиме u=u-u. Режим «вольтоотбавка 2» реализуется при включенных управляемых ключах на тиристорах 8, 9 и 12, 13. Данный режим отличается от режима «вольтоотбавка 1» тем, что параллельно выходу регулятора включается половина первичной обмотки 5 и коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора увеличивается в два раза. Напряжение вторичной обмотки 1 удваивается и выходное напряжение регулятора в режиме «вольтоотбавка 2» снижается еще на одну ступень u=u-2u.
ВО2
ВО1
ЗТ
ВД1
ВД2
Следует отметить, что соседние уровни синусоидального напряжения отличаются на величину ступени регулирования и делят диапазон регулирования на четыре равных поддиапазона. В пределах каждого поддиапазона реализуется импульсно-фазовое регулирование выходного напряжения. На фиг. 2 показаны диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения при импульсно-фазовом регулировании в пределах всех поддиапазонов с указанием порядка очередности проводимости тиристоров при активно-индуктивной нагрузке. Там же показаны штриховыми линиями уровни синусоидальных напряжений (u, u, u, u, u) соответствующие режимам: «вольтоотбавка 2», «вольтоотбавка 1», «закоротка», «вольтодобавка 1» и «вольтодобавка 2» соответственно.
Н
Н
С
Н
ВО1
Н
Н
ВО2
Н
ВО1
Н
ВО1
Н
Н
ВО1
Н
ВО2
Н
Н
ВО1
Н
Н
ВО1
ВО2
Рассмотрим формирование выходного напряжения при импульсно-фазовом управлении в поддиапазоне «вольтоотбавка 2 - вольтоотбавка 1». Диаграммы выходного напряжения u и тока нагрузки i, а также интервалы проводимости тиристоров в рассматриваемом режиме приведены на фиг. 2 (a). В начале положительного полупериода питающего напряжения u ("+" на зажиме 2 и "-" на зажиме 16) нагрузочная составляющая тока первичной обмотки 5 протекает через тиристоры 8 и 10. Выходное напряжение соответствует режиму «вольтоотбавка 1» u=u. В регулируемый момент времени γ включают тиристор 12. При этом под действием напряжения левой полуобмотки первичной обмотки 5 тиристор 10 выключается и нагрузочная составляющая тока протекает через тиристоры 8 и 12. В момент времени φ ток нагрузки проходит через нулевое значение и тиристоры 8, 12 выключаются. Далее включают тиристоры 9 и 13, обеспечивающие противоположное направление протекания тока нагрузки. На интервале проводимости управляемых ключей на тиристорах 8, 9 и 12, 13 выходное напряжение соответствует режиму «вольтоотбавка 2» u=u. В регулируемый момент времени α включают тиристор 11. При этом под действием напряжения левой полуобмотки первичной обмотки 5 тиристор 13 выключается и нагрузочная составляющая тока протекает через тиристоры 9 и 11. В результате выходное напряжении регулятора возрастает до уровня, соответствующего режиму «вольтоотбавка 1» u=u. Указанный уровень выходного напряжения сохранится до включения тиристора 13, вызывающего выключение тиристора 11 в регулируемый момент времени (π+γ) следующего полупериода питающего напряжения. В результате включения тиристора 13 на выходе регулятора устанавливается напряжение низкого уровня u=u рассматриваемого поддиапазона регулирования. Напряжение низкого уровня сохраняется и при смене работающих тиристоров, вызванной изменением полярности тока нагрузки в момент времени (π+φ)ю Переключение на уровень повышенного напряжения поддиапазона регулирования u=u реализуется включением тиристора 10 в момент времени (π+α). Далее все процессы формирования выходного напряжения периодически повторяются. Следует отметить, что плавное регулирование напряжения в пределах рассматриваемого поддиапазона реализуется изменением углов переключения γ и α. При значениях γ=0 и α=π выходное напряжение равно напряжению низкого уровня поддиапазона (u-u). При выполнении равенства γ=α=φ выходное напряжение равно напряжению повышенного уровня поддиапазона (u=u). Изменяя значения углов переключения в пределах (0≤γ≤φ) и (φ≤α≤π), регулируют выходное напряжение от минимального (u) до максимального (u) уровней поддиапазона.
Н
Н
ВО1
ЗТ
ЗТ
ВД1
ВД1
ВД2
Формирование выходного напряжения в пределах других поддиапазонов выполняется аналогично рассмотренному выше. Отличия заключаются в том, что в поддиапазоне «вольтоотбавка 1 - закоротка» регулирование напряжения выполняется путем переключения управляемых ключей на тиристорах 6, 7 и 10, 11 при включенном управляемом ключе на тиристорах 8, 9. Диаграммы выходного напряжения u и тока нагрузки i, а также интервалы проводимости тиристоров в рассматриваемом режиме приведены на фиг. 2 (б). Из них следует, что выходное напряжение формируется из отрезков синусоидальных напряжений u, u. В поддиапазоне «закоротка-вольтодобавка 1» выходное напряжение формируется из отрезков синусоид u, u благодаря переключениям управляемых ключей на тиристорах 8, 9 и 14, 15 при включенном управляемом ключе на тиристорах 6, 7. Диаграммы напряжения и тока нагрузки, совмещенные с интервалами проводимости тиристоров в данном режиме, приведены на фиг. 2 (в). В поддиапазоне «вольтодобавка 1 - вольтодобавка 2» регулирование напряжения выполняется путем переключения управляемых ключей на тиристорах 14, 15 и 12, 13 при включенном управляемом ключе на тиристорах 6, 7. Согласно диаграммам, представленным на фиг. 2 (г), выходное напряжение в этом случае формируется из отрезков синусоид u, u.
Сравнение заявленного решения с прототипом позволило установить, что оно обеспечивает на выходе два дополнительных уровня синусоидального напряжения, увеличивающих количество поддиапазонов регулирования в два раза и, следовательно, соответствует критерию "новизна".
Сравнение заявленного решения с другими известными решениями в данной области техники показало, что признаки, отличающие его от прототипа, обеспечивают получение нового технического результата, заключающегося в уменьшении искажения выходного напряжения при импульсно-фазовом регулировании.
Применение заявленного решения в энергетике для регулирования или стабилизации напряжения в сетях с нестабильными параметрами обеспечивает соответствие критерию "промышленная применимость".