ОДНОФАЗНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
SINGLE-PHASE VOLTAGE REGULATOR

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано для регулирования и стабилизации напряжения в бытовых и промышленных электрических сетях переменного тока.
Известен однофазный регулятор переменного напряжения, построенный на основе автотрансформатора с промежуточными выводами (ответвлениями) его обмотки. Регулирование величины выходного напряжения осуществляется ступенчато посредством механического переключения ответвлений обмотки, осуществляемым устройством регулирования под нагрузкой (РПН). Исполнительным механизмом РПН является электропривод. Система управления однофазного регулятора переменного напряжения данного типа, получив задание величины выходного напряжения, определяет требуемый номер ответвления обмотки автотрансформатора, которое должно быть подключено к выходу однофазного регулятора переменного напряжения, после чего управляющее воздействие передается на устройство регулирования под нагрузкой, которое и осуществляет переключение. (Управление потоками электроэнергии и повышение эффективности электроэнергетических систем: учебное пособие / А.П. Бурман, Ю.К. Розанов, Ю.Г. Шакарян. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - 151 с.: ил.)
Однофазные регуляторы переменного напряжения данного типа имеют два существенных недостатка: низкое быстродействие (время переключения одной ступени измеряется единицами секунд) и низкую надежность за счет наличия механических контактов (РПН является одним из самых часто отказывающих элементов силового электротехнического оборудования).
Наиболее близким прототипом заявляемого технического решения является тиристорный регулятор переменного напряжения, содержащий управляемые ключи и вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к первому зажиму питающей сети последовательно с нагрузкой, а первичная обмотка своими крайними выводами через управляемые ключи подключена параллельно вторичной обмотке, при этом все выводы первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора через управляемые ключи подключены ко второму зажиму питающей сети (полезная модель RU 142160).
Недостатком прототипа является низкая дискретность регулирования выходного синусоидального напряжения однофазного регулятора переменного напряжения. В прототипе данный недостаток компенсируется применением импульсно-фазового управления тиристорными ключами, однако такой подход проводит к ухудшению гармонического состава выходного напряжения и, соответственно, ухудшению показателей качества электрической энергии как в нагрузке, так и в питающей электрической сети.
Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение дискретности уровней регулирования напряжения на выходе однофазного регулятора переменного напряжения без искажения синусоидальной формы напряжения и, следовательно, без ухудшения качества электрической энергии в нагрузке и питающей сети.
Технический результат достигается тем, что однофазный регулятор переменного напряжения, содержащий управляемые ключи и вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к первому зажиму питающей сети последовательно с нагрузкой, а первичная обмотка, имеющая промежуточные выводы, своим начальным выводом посредством управляемых ключей подключена к зажимам питающей сети и остальными своими выводами посредством управляемых ключей подключена ко второму зажиму питающей сети, выполнен таким образом, что остальные выводы первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора через дополнительные управляемые ключи подключены также к первому зажиму питающей сети.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема построения однофазного регулятора переменного напряжения, на фиг. 2 приведена таблица ступеней напряжений вольтодобавки, получаемых при различных комбинациях включенных управляемых ключей.
Однофазный регулятор переменного напряжения построен на базе вольтодобавочного трансформатора 1, вторичная обмотка 2 которого включена между первым зажимом питающей сети 3 и первым выводом нагрузки 4. Начальный вывод вторичной обмотки 5 вольтодобавочного трансформатора 1 подключен к общей точке соединения управляемых ключей 6 и 7. Первый промежуточный вывод вторичной обмотки 5, следующий за начальным выводом, подключен к общей точке соединения управляемых ключей 8 и 9, а второй промежуточный вывод вторичной обмотки 5 подключен к общей точке соединения управляемых ключей 10 и 11. Конец вторичной обмотки 5 подключен к общей точке соединения управляемых ключей 12 и 13. Выводы управляемых ключей 6, 8, 10 и 12, не подключенные к вторичной обмотке 5 вольтодобавочного трансформатора 1, соединены вместе и подключены к первому зажиму питающей сети 3, а выводы управляемых ключей 7, 9, 11 и 13, не подключенные к вторичной обмотке 5 вольтодобавочного трансформатора 1, соединены со вторым зажимом питающей сети 14, к которому также подключен второй вывод нагрузки 4.
Однофазный регулятор переменного напряжения работает следующим образом.
Регулирование выходного напряжения на нагрузке 4 осуществляется за счет формирования положительного или отрицательного вольтодобавочного напряжения на вторичной обмотке 2 вольтодобавочного трансформатора 1. С этой целью к первичной обмотке 5 вольтодобавочного трансформатора 1 посредством управляемых ключей 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 коммутируется напряжение с входа однофазного регулятора переменного напряжения, образованного первыми и вторым зажимами питающей сети 3 и 14. В общем случае количество уровней регулирования (ступеней) выходного напряжения определяется общим числом выводов первичной обмотки 5. При этом величина вводимого вольтодобавочного напряжения определяется коэффициентом трансформации напряжения из каждой секции первичной обмотки 5 во вторичную обмотку 2 с учетом полярности подключения секции первичной обмотки 5. Одновременно находиться во включенном (проводящем) состоянии могут не более двух управляемых ключей, в противном случае в первичной обмотке 5 вольтодобавочного трансформатора 1 возникнет короткое замыкание.
На фиг. 2 приведена таблица ступеней напряжения вольтодобавки однофазного регулятора переменного напряжения, построенного по схеме фиг.1, при различных состояниях управляемых ключей 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13. При этом проводящее состояние управляемых ключей 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 обозначено в таблице фиг. 2 как «вкл», непроводящее состояние - «выкл». Как видно из таблицы, предлагаемый однофазный регулятор переменного напряжения позволяет получить 13 различных уровней синусоидального выходного напряжения, отличающихся друг от друга как по величине, так и по знаку.
Схема прототипа для аналогичного случая с двумя промежуточными выводами первичной обмотки 5 вольтодобавочного трансформатора 1 позволяет сформировать только 7 различных уровней синусоидального выходного напряжения, что выгодно отличает предлагаемое техническое решение по возможностям регулирования выходного напряжения в условиях обеспечения максимально возможного качества электрической энергии.
Таким образом, осуществление совокупности признаков заявляемого однофазного регулятора переменного напряжения обеспечивает достижение указанного технического результата.