ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
THYRISTOR REGULATOR OF ALTERNATING VOLTAGE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в качестве регулирующих органов стабилизаторов напряжения, к форме выходного напряжения которых предъявляются повышенные требования.
Известен тиристорный регулятор с вольтодобавочным трансформатором, выбранный в качестве аналога (см., например, а.с.№551794, кл. G05F 1/30), содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого включена между одним из входных и выходных выводов с нагрузкой, а первичная обмотка подключена между встречно включенными тиристорами с отсекающими диодами, между общими точками которых установлен конденсатор, причем тиристоры с отсекающими диодами зашунтированы двухобмоточным дросселем насыщения.
Недостатками такого регулятора с вольтодобавочным трансформатором являются большие масса и габариты дросселя насыщения и появление в нем постоянной составляющей тока.
Известно устройство для регулирования переменного напряжения с вольтодобавочным трансформатором, выбранное в качестве аналога (см., например, а.с. №432474, кл. G05F 1/30), содержащее подключенный к сети регулирующий орган на двух биполярных тиристорных ключах, один из которых с отсекающими диодами, между общими точками соединения которых и сетью установлены конденсаторы, а первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора подключена параллельно ключу с отсекающими диодами, его вторичная обмотка - последовательно с нагрузкой и с питающей сетью.
Недостатком данного устройства с вольтодобавочным трансформатором являются ограниченные функциональные возможности, поскольку оно позволяет осуществлять только добавку или только вольтоотбавку, а регулирующий орган работоспособен лишь при отдельных способах управления из-за потери запасенной энергии конденсаторов при смене полярности напряжения сети.
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому положительному эффекту является тиристорный регулятор переменного напряжения, выбранный в качестве прототипа (см., например, а.с. №930529, кл. H02M 5/257 // H02P 13/30), содержащий вольтодобавочный трансформатор, первичная обмотка которого подключена в диагональ моста переменного тока, образованного двухполупериодными ключами, состоящими из согласно - последовательно включенных тиристоров и отсекающих вентилей, между общими точками соединения которых установлены коммутирующие конденсаторы, а вторичная обмотка трансформатора подключена между одним из входных и выходных выводов сети.
Основным недостатком устройства является сложность алгоритма управления и большое количество тиристорных ключей.
Целью изобретения является: упрощение алгоритма, схемы управления и устройства в целом.
Поставленная цель достигается тем, что в тиристорном регуляторе переменного напряжения, содержащем трансформатор, вторичная обмотка которого подключена между зажимами сети и нагрузкой, четыре цепочки, состоящих каждая из тиристора с отсекающим диодом и коммутирующим конденсатором, установленным между общими точками соединения тиристоров и отсекающих диодов, блок управления, состоящий из трансформатора управления, источника питания, синхронизированного широтно-импульсного модулятора и выходных каскадов, введены обратные управляемые вентили, которые подключены параллельно цепочкам, включенным по мостовой схеме, причем одна диагональ моста соединена отсекающими диодами с питающей сетью, а другая - тиристорами с первичной обмоткой трансформатора через датчик тока, выходом соединенный с блоком управления.
Анализ известных технических решений в области регуляторов переменного напряжения с вольтодобавочными трансформаторами позволяет констатировать выводы об отсутствии признаков, сходных с существенными признаками в заявляемом тиристорном регуляторе переменного напряжения и признать заявляемое решение соответствующим критерию «Существенные отличия».
Сущность изобретения заключается в том, что в один полупериод коммутирующие конденсаторы заряжаются до амплитудного значения напряжения питающей сети, запасая электрическую энергию, а при коммутации тиристора в этом же полупериоде перезаряжаются током нагрузки через первичную обмотку трансформатора, при этом к нагрузке прикладывается напряжение с вольтодобавкой или с вольтоотбавкой, передаваемое из сети по первичной и вторичной обмоткам трансформатора, с учетом коэффициента трансформации. Переход из режима вольтодобавки в режим вольтоотбавки в течение периода осуществляется автоматически схемой блока управления, в том числе и прямая передача напряжения сети при насыщенном магнитопроводе трансформатора.
На фиг.1 представлена принципиальная схема тиристорного регулятора переменного напряжения с вольтодобавочным трансформатором, а на фиг.2,а и б - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы в двух режимах вольтодобавки и вольтоотбавки. На фиг.3 представлен алгоритм работы ключей. Цифрами 1-4 в кружочках  обозначены двухполупериодные ключи с принудительно-естественной коммутацией. Например, ключ 1- тиристоры 16 и 6 с отекающим диодом 10 и общий с ключом 4 конденсатор 14.
Вторичная 1 обмотка вольтодобавочного трансформатора 2 подключена между зажимами сети 3 и нагрузкой 4. В блок 5 управления входят: трансформатор управления, источник питания схемы управления, синхронизированный с питающей сетью широтно-импульсный модулятор вертикального принципа построения на основе «прямой» и «обратной» (линейно нарастающей и спадающей) «пил», распределитель импульсов по полупериодам, дифференцирующие цепи и выходные каскады на импульсных трансформаторах и защитные токовые цепи.
Два тиристора 6, 7 с отсекающими диодами 10, 11 (ключи 1,4) и два тиристора 8, 9 с отсекающими диодами 12, 13 (ключи 2,3) включены встречно-последовательно по схеме моста, подсоединенного диагональю с отсекающими диодами к зажимам сети. Два конденсатора 14 и 15 установлены между общими точками соединения тиристоров 6,7 с отсекающими диодами 10, 11 и тиристоров 8, 9 - с диодами 12, 13 соответственно, причем антипараллельно тиристорам с отсекающими диодами цепочек включены управляемые вентили 16, 17 и 18, 19. Первичная 20 обмотка трансформатора 2 через датчик 21 тока, который выходом соединен с блоком 5 управления, подключена между одноименными зажимами тиристоров 6, 7 и 8, 9.
Полярность напряжения 3 сети для положительного полупериода α=π показана без скобок, а для отрицательного α=π…2π - в скобках. Полярность напряжения на обкладках конденсаторов 14, 15 соответствует исходному состоянию силовой схемы.
Принцип работы тиристорного регулятора переменного напряжения в режиме вольтодобавки трансформатора 2 поясним по фиг.1 и 2,а с момента α=ω·t=φ перехода тока нагрузки через ноль.
2
В момент t=φ перехода тока нагрузки 4 через нуль импульсами 22 отпираются тиристор 6 и управляемый вентиль 19. Через образовавший контур:+3 - диод 10 - тиристор 6 - первичная обмотка 20 - датчик 21 тока - управляемый вентиль 19 - минус 3, начинает протекать ток 23, при этом во вторичную обмотку 1 трансформируется напряжение в совпадающей полярности и на нагрузке 4 формируется напряжение 24 с вольтодобавкой. Одновременно конденсатор 14, заряженный полярностью, показанной в скобках, перезаряжается током первичной обмотки 20 по цепи: (+) 14 - тиристор 6 - первичная обмотка 20 - датчик 21 тока - управляемый вентиль 19 - диод 11 - (-) 14 полярностью, обозначенной без скобок.
3
3
K
K
В момент t=ω·t=α импульсом 25 отпирается тиристор 7, при этом образуется короткозамкнутый контур первичной обмотки 20: диод 11 - тиристор 7 - первичная обмотка 20 - датчик 21 тока - управляемый вентиль 19, по которому продолжает протекает ток 26 (где α - угол коммутации). Конденсатор 14, запирая тиристор 6, перезаряжается током 26 по контуру: +14 - тиристор 7- первичная обмотка 20 - датчик 21 тока - управляемый вентиль 19 - напряжение сети 3 - диод 10 - минус 14, полярностью в скобках.
Изменение индукции в магнитопроводе трансформатора 2 задерживается и к нагрузке 4 прикладывается напряжение сети 3.
4
5
K
В момент t=α-π происходит изменение полярности напряжения сети 3. В момент t=2·π-α импульсом 27 повторно открывается тиристор 6. Конденсатор 14, обратным напряжением запирает тиристор 7 и перезаряжается по цепи: (+) 14 - тиристор 6 - первичная обмотка 20 - датчик 21 тока - управляемый вентиль 19 - диод 11 - (-) 14, полярностью без скобок, подготавливаясь к работе в следующий период напряжения 3 сети (фиг.1).
Ток 28, протекая встречно с напряжением сети 3, быстро спадает до нуля, при этом тиристор 6 и управляемый вентиль 19 запираются (фиг.2).
6
В момент t=π+φ импульсом 29 одновременно отпираются тиристор 9 и управляемый вентиль 16. Первичная обмотка 20 подключается к сети через диод 13, тиристор 9 и управляемый вентиль 16 и по этой обмотке потечет ток 30 обратного направления. Напряжение 24 обмоток: первичной 20 и вторичной 1 суммируются. Одновременно конденсатор 15 перезаряжается током 30 по контуру: +15 - тиристор 9 - датчик 21 тока - первичная обмотка 20 - управляемый вентиль 16 - диод 12 - минус 15, заряжаясь полярностью, приведенной в скобках.
7
0
В момент t=t+2π импульсом 31 открывается тиристор 8, образуя короткозамкнутый контур первичной обмотки 20 через тиристор 8, управляемый вентиль 16 и диод 12, по которому протекает ток 32. Конденсатор 15 перезаряжается полярностью, отмеченной без скобок.
8
0
1
K
В момент времени t=t=2π изменяется полярность напряжения сети 3 на положительную, причем в момент t=π-α импульсом 33 повторно отпирается тиристор 9, образуя контур возврата избыточной электромагнитной энергии, по которому протекает ток 34. Конденсатор 15 перезаряжается полярностью в скобках. Тиристор 9 и управляемый вентиль 16 при спадании тока до нуля запираются.
Цифрами 35 обозначены коммутационные пики при всех перезарядках коммутирующих конденсаторов 14 и 15, а цифрой 36 - ток, протекающий по первичной обмотке 20 трансформатора 2. На фиг.2 внизу приведены диапазоны проводимости (алгоритм) тиристоров 6…9 и управляемых вентилей 16…19.
Рассмотрим режим вольтоотбавки по фиг.1 и 2,б.
Этот режим отличается лишь тем, что здесь первичная 20 и вторичная 1 обмотки трансформатора 2 включены встречно, обеспечивая вольтоотбавку, при этом переключаются другие тиристоры и управляемые вентили 17 и 19.
1=
Принцип работы этого режима также рассмотрим с момента tφ перехода тока 36 через нуль, когда импульсом 22 отпираются тиристор 9 и управляемый вентиль 17. Конденсатор 15, разряжаясь по цепи: +15 - датчик 21 - первичная обмотка 20 - управляемый вентиль 17 - минус 3 - +3 сети - диод 12, перезаряжается полярностью, приведенной в скобках. Образуется короткозамкнутый контур: диод 13 - тиристор 9 - датчик 21 тока - первичная обмотка 20 - управляемый вентиль 17, по которому начинает протекать ток 23. Конденсатор 15 перезаряжается током 23 согласно с напряжением сети 3 через диод 12, полярностью в скобках. К нагрузке 4 прикладывается напряжение 24, т.е. напряжение сети 3.
2
K
3
K
5
4
4
5
В момент t=α (угол коммутации) сигналом 25 открывается тиристор 8, запирая тиристор 9 обратным напряжением конденсатора 15. Происходит перезарядка конденсатора 15 током 26 (36) по контуру: (+) 15 - тиристор 8 - датчик 21 тока - первичная обмотка 20 - управляемый вентиль 17 - диод 13, полярностью без скобок. По цепи: +3 - диод 12 - тиристор 8 - датчик 21 тока - первичная обмотка 20 - управляемый вентиль 17 - минус 3 протекает ток 26 встречно с напряжением сети 3, снижая напряжение 24 на величину напряжения вторичной обмотки 1 трансформатора 2. Затем в момент t=π-αимпульсом 27 снова открывается тиристор 9, образуя короткозамкнутый контур первичной обмотки 20, по которому продолжает протекать ток 28 до момента t=π+φ даже после изменения полярности напряжения сети 3 в момент t=T/2=π. На интервале t-t происходит рекуперация избыточной электромагнитной энергии.
В отрицательном полупериоде напряжения сети 3 процессы протекают аналогично, но в работу вступают тиристоры 6, 7, диоды 10, 11, конденсатор 14 и управляемый вентиль 18. Импульсами 29 и 33 дважды отпирается тиристор 6, а импульсом 31 - тиристор 7, при этом по первичной обмотке 20 трансформатора 2 протекают импульсные токи 30, 32, 34, образующие в отрицательном полупериоде ток 36 первичной обмотки 20. Синхронизация ШИМ выполнена по моментам перехода напряжения сети 3 или тока 36 через ноль.
УПР
Переход из режима вольтодобавки в режим вольтоотбавки поясняется диаграммами фиг.3. Видно, что на базе ШИМ с прямой и обратной пилами переход из одного режима в другой осуществляется автоматически за счет изменения напряжения управления U. Симметрия ШИМ выполнена относительно середине каждого полупериода напряжения сети - π/2 и 3π/2.
УПР
Из алгоритма фиг.3 видно, как происходит изменение длительности работы ключей 1...4, обозначенных кружочками. При значениях t=π·n/2 напряжение управления U (на фиг.3 обозначено пунктиром) будет находиться на серединах прямой и обратной «пил», при этом ключами 1 и 3 или 2 и 4 будет обеспечен короткозамкнутый контур первичной обмотки 20. К нагрузке будет прикладываться неискаженное напряжение сети.
По регулировочным свойствам такой тиристорный регулятор приближается к устройствам на полностью управляемых ключах, имеет минимальное количество силовых элементов, проще алгоритм управления, выше надежность.
Предлагаемый тиристорный регулятор для узкодиапазонного регулирования может использоваться в качестве стабилизатора переменного напряжения на мощности до нескольких тысяч киловатт, обеспечивая высокие энергетические показатели.