РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электроники и автоматики, а именно, к устройствам преобразования энергии переменного тока на входе в энергию переменного тока на выходе для изменения напряжения без промежуточного преобразования в постоянный ток, выполненным на полупроводниковых элементах с управляющим электродом и снабженным элементами, служащими для замыкания и размыкания контактов.
Регулирование величины напряжения переменного тока требуется в электропитании, системах автоматики, электроприводах переменного тока и многих других электронных устройствах. Для этого часто применяют магнитные усилители, многообмоточные трансформаторы с тиристорной коммутацией обмоток, различные тиристорные схемы, изменяющие действующее значение напряжения за счет искажения формы синусоиды. Указанные устройства, как правило, имеют относительно большую массу и габариты, не обеспечивают требуемые пределы регулирования напряжения или искажают форму синусоидального напряжения.
При этом важным параметром, определяющим экономичность устройств регулирования напряжения переменного тока, является наличие рекуперации энергии при реактивном характере нагрузки. Рекуперация энергии возможна при наличии гальванической связи между источником и потребителем электроэнергии. Однако, все трансформаторные схемы устройств регулирования напряжения переменного тока не обеспечивают рекуперацию.
Для регулирования величины напряжения переменного тока на нагрузке также применяют автотрансформаторные устройства, управляемые двигателем. Автотрансформаторные устройства обеспечивают рекуперацию энергии при комплексном характере нагрузки, однако и эти
устройства имеют сравнительно большие массу и габариты, являются дорогостоящими и имеют низкое быстродействие.
Известно устройство, предполагаемое реализацией способа регулирования напряжения переменного тока, представленного в описании изобретения к патенту Российской Федерации №2266608 (МПК: Н02М 03/22, Н02М 07/527, G05F 01/56; опубл. 20.12.2005 в бюл. №35).
Схема данного устройства регулирования напряжения переменного тока включает инвертор, высокочастотный трансформатор, синхронный выпрямитель и фильтр. Работа такого устройства основана на преобразовании напряжения переменного тока с помощью инвертора в последовательность биполярных импульсов значительно более высокой частоты, относительная длительность которых определяет величину регулируемого напряжения, и на подаче их через высокочастотный трансформатор, устанавливающий пределы регулирования, на синхронный выпрямитель, перемена фазы работы ключей которого изменяет фазу регулируемого напряжения исходной частоты, получаемого на выходе сглаживающего фильтра, на противоположную.
Описанное устройство также имеет сравнительно большие массу и габариты, обусловленные наличием трансформатора, и является сравнительно дорогостоящим и недостаточно надежным, что обусловлено наличием шести полупроводниковых ключей. Кроме того, наличие трансформатора не обеспечивает возможность рекуперации, что значительно снижает эффективность изделия.
Известно безтрансформаторное электронное устройство повышения напряжения переменного тока на нагрузке (А.Коршунов, "Импульсные преобразователи напряжения переменного тока", "Силовая Электроника", №1, 2006 г. стр.54-61), состоящее из входного фильтра низкой частоты, дросселя, параллельного ключа, последовательного ключа и выходного фильтра низкой частоты.
В данном устройстве входное напряжение переменного тока поступает на входной фильтр низкой частоты, выход которого соединен с входом дросселя. Выход дросселя соединен со входами параллельного и последовательного ключей. Выход последовательного ключа соединен со
входом выходного фильтра низкой частоты, а выход параллельного ключа соединен с общим проводом устройства. Нагрузка подключается к выходу выходного фильтра низкой частоты.
Регулирование выходного напряжения в данном устройстве осуществляется изменением относительной длительности пребывания параллельного ключа в замкнутом положении, которая определяется выражением:
где: τ - время нахождения параллельного ключа в замкнутом положении в течение периода Т=1/f преобразования импульсов входного напряжения переменного тока в импульсное напряжение;
f - частота переключения параллельного ключа.
вых
Среднее значение выходного напряжения U может определяется выражением:
вх
где: U - величина входного напряжения переменного тока.
Рекуперация в описанном устройстве обеспечивается соотношением времен состояний включено и выключено параллельного (длительностью τ) и последовательного (длительностью Т - τ) ключей или, иными словами, протифовазным управлением ключами.
Естественно, что серьезным недостатком описанного устройства является отсутствие возможности понижения выходного напряжения переменного тока.
Тот же источник содержит описание безтрансформаторного электронного устройства понижения напряжения переменного тока на нагрузке, также состоящего из входного фильтра низкой частоты, дросселя, параллельного ключа, последовательного ключа и выходного фильтра низкой частоты, но имеющего другие связи указанных элементов.
В этом устройстве входное напряжение переменного тока поступает на входной фильтр низкой частоты, выход которого соединен со входом последовательного ключа. С выходом последовательного ключа соединены вход дросселя и вход параллельного ключа. Выход параллельного ключа соединен с общим проводом устройства, а выход дросселя соединен с
фильтром низкой частоты. Нагрузка подключается к выходу выходного фильтра низкой частоты.
Регулирование выходного напряжения в указанном устройстве, как и в предыдущем случае, осуществляется изменением относительной длительности пребывания параллельного ключа в замкнутом положении, которая определяется выражением:
где: τ - время нахождения параллельного ключа в замкнутом положении в течении периода Т=1/f преобразования импульсов входного напряжения переменного тока в импульсное напряжение;
f - частота переключения параллельного ключа.
вых
При этом, среднее значение выходного напряжения U может определяется выражением:
вх
где: U - величина входного напряжения переменного тока.
Очевидным недостатком последнего описанного устройства является отсутствие возможности повышения выходного напряжения переменного тока.
Вопрос рекуперации реактивной энергии в обоих описанных безтрансформаторных устройствах регулирования напряжения переменного тока при нелинейной нагрузке решается схемотехнически, посредством двунаправленности схемы. Двунаправленность осуществляется применением четырехквадратных ключей переменного тока (например - диодный мост, в диагональ которого включен силовой транзистор (IGBT) для которого вход и выход носит лишь условный характер). Если нагрузка имеет реактивный характер то ввиду сдвига фазы между током нагрузки и напряжением возникает обратимый реактивный ток, который течет обратно в сеть, в этом случае параллельный ключ работает как модулятор, а последовательный ключ - как синхронный выпрямитель.
Параллельное включение входов двух вышеописанных устройств регулирования напряжения переменного тока дает возможность регулировать выходное напряжение переменного тока в сторону повышения, путем подключения нагрузки к повышающей схеме, и в
сторону понижения напряжения переменного тока на нагрузке, путем подключения последней к понижающей схеме, посредством выходного реле.
Такой известный безтрансформаторный регулятор напряжения переменного тока, в сравнении с описанными выше устройствами, позволяет осуществлять как повышение, так и понижение напряжения на нагрузке, обеспечивает рекуперацию, имеет улучшенные массо-габаритные характеристики, является наиболее близким по технической сущности к заявляемому регулятору напряжения переменного тока и избран в качестве наиболее близкого аналога. В тоже время, это устройство имеет ряд недостатков.
Так, использование четырех полупроводниковых ключей и двух дросселей не обеспечивает достаточного уменьшения массы, габаритов и стоимости изделия, снижает его надежность.
Учитывая вышеизложенное, признаками наиболее близкого аналога, совпадающими с существенными признаками предложенного полезной модели, являются наличие входного фильтра низкой частоты, последовательного ключа, параллельного ключа, дросселя, выходного фильтра низкой частоты и выходного реле.
В основу полезной модели поставлена задача снижения массы и габаритов регулятора напряжения переменного с одновременным устранением других указанных недостатков наиболее близкого аналога.
Поставленная задача решена за счет того, что в регулятор напряжения переменного тока, содержащий входной фильтр низкой частоты, последовательный ключ, параллельный ключ, дроссель, выходной фильтр низкой частоты и выходное реле, в соответствии с полезной моделью, дополнительно включены входное реле и параллельное реле, при этом выход входного фильтра низкой частоты соединен со входом 2 параллельного реле и со входом 2 входного реле, вход 3 которого соединен со входом дросселя, а вход 1 соединен со входом выходного фильтра низкой частоты и входом 1 выходного реле, вход 2 которого соединен с общей цепью, а вход 3 соединен с выходом последовательного ключа, вход которого соединен с выходом дросселя и входом параллельного ключа,
выход которого соединен со входом 3 параллельного реле, вход 1 которого соединен с общей цепью, кроме того, входное реле выполнено с возможностью коммутации его входа 3 с его входом 1 или входом 2, при этом, параллельное реле выполнено с возможностью коммутации его входа 3 со входом 1 при коммутации входов 2 и 3 входного реле и с возможностью коммутации входа 3 со входом 2 при коммутации входов,1 и 3 входного реле, а выходное реле выполнено с возможностью коммутации его входа 3 со входом 1 при коммутации входов 2 и 3 входного реле и с возможностью коммутации входа 3 со входом 2 при коммутации входов 1 и 3 входного реле, причем, последовательный ключ выполнен с возможностью замыкания при разомкнутом параллельном ключе и с возможностью размыкания при замкнутом параллельном ключе.
Именно эти признаки необходимы и достаточны для решения поставленной задачи.
Как можно увидеть, схема заявляемого устройства содержит минимальное число элементов, имеющих минимальные габариты, массу и стоимость, а именно, два фильтра низкой частоты, один дроссель, два полупроводниковых ключа и три реле, связи которых также обеспечивают минимальные габариты, массу и стоимость при достаточной надежности изделия вцелом.
Так, введение в схему устройства входного и параллельного реле, с учетом наличия выходного реле, позволяет преобразовывать общую схему в схему повышения напряжения и в схему понижения напряжения, благодаря чему, одни и те же элементы участвуют в работе как режима повышения, так и режима понижения напряжения переменного тока, что обеспечивает минимальное количество элементов всего устройства и позволяет уменьшить габариты, массу и стоимость изделия.
Соединение выхода входного фильтра низкой частоты со входом 2 параллельного реле и со входом 2 входного реле, вход 3 которого соединен со входом дросселя, а вход 1 соединен со входом выходного фильтра низкой частоты и входом 1 выходного реле, вход 2 которого соединен с общей цепью, а вход 3 соединен с выходом последовательного ключа, вход которого соединен с выходом дросселя и входом параллельного ключа,
выход которого соединен со входом 3 параллельного реле, вход 1 которого соединен с общей цепью, позволяет обеспечить минимальное количество полупроводниковых ключей, фильтров низкой частоты и дросселей при возможности преобразования общей схемы устройства в схему повышения напряжения и в схему понижения напряжения а также при работе одних и тех же элементов как в режиме повышения так и в режиме понижения напряжения переменного тока, что обеспечивает минимальное количество элементов всего устройства и позволяет уменьшить габариты, массу и стоимость изделия.
Выполнение входного реле с возможностью коммутации его входа 3 с его входом 1 или входом 2, а параллельного реле с возможностью коммутации его входа 3 со входом 1 при коммутации входов 2 и 3 входного реле и с возможностью коммутации входа 3 со входом 2 при коммутации входов 1 и 3 входного реле, а также выполнение выходного реле с возможностью коммутации его входа 3 со входом 1 при коммутации входов 2 и 3 входного реле и с возможностью коммутации входа 3 со входом 2 при коммутации входов 1 и 3 входного реле, при выполнении последовательного ключа с возможностью замыкания при разомкнутом параллельном ключе и с возможностью размыкания при замкнутом параллельном ключе, позволяет обеспечить возможность работы и переключения режимов повышения и понижения напряжения переменного тока с учетом минимального количества полупроводниковых ключей, фильтров низкой частоты и дросселей, что также обеспечивает минимальное количество элементов всего устройства и позволяет уменьшить габариты, массу и стоимость изделия.
Суть изобретения поясняется чертежами, где изображено на:
фиг.1 - схема регулятора напряжения переменного тока электрическая функциональная;
фиг.2 - схема стабилизатора напряжения переменного тока электрическая функциональная.
вх
Регулятор напряжения переменного тока, схема электрическая функциональная которого представлена на фиг.1, состоит из входного фильтра низкой частоты ФНЧ, выходного фильтра низкой частоты
вых
1
2
3
ФНЧ, последовательного ключа В, параллельного ключа М, дросселя Др, входного реле P, параллельного реле P и выходного реле Р.
вх
2
1
1
вых
3
3
2
2
Выход входного фильтра низкой частоты ФНЧ соединен со входом 2 параллельного реле Р и со входом 2 входного реле P. Вход 3 входного реле P соединен со входом дросселя Др, а вход 1 первого соединен со входом выходного фильтра низкой частоты ФНЧ и входом 1 выходного реле Р. Вход 2 выходного реле Р соединен с общей цепью а вход 3 соединен с выходом последовательного ключа В. Вход последовательного ключа В соединен с выходом дросселя Др и входом параллельного ключа М, выход которого соединен со входом 3 параллельного реле Р, а вход 1 параллельного реле Р соединен с общей цепью.
1
2
1
1
3
1
1
Входное реле P выполнено с возможностью коммутации его входа 3 с его входом 1 или входом 2. Параллельное реле Р выполнено с возможностью коммутации его входа 3 со входом 1 при коммутации входов 2 и 3 входного реле P и с возможностью коммутации входа 3 со входом 2 при коммутации входов 1 и 3 входного реле P. Выходное реле Рвыполнено с возможностью коммутации его входа 3 со входом 1 при коммутации входов 2 и 3 входного реле P и с возможностью коммутации входа 3 со входом 2 при коммутации входов 1 и 3 входного реле P.
Последовательный ключ В выполнен с возможностью замыкания при разомкнутом параллельном ключе М и с возможностью размыкания при замкнутом параллельном ключе М.
Работа регулятора напряжения переменного тока осуществляется следующим образом.
вх
вых
Входной фильтр низкой частоты ФНЧ подключается к источнику напряжения переменного тока, а к выходу выходного фильтра низкой частоты ФНЧ подключается нагрузка. Входное напряжение переменного тока с помощью параллельного ключа М преобразовывается в последовательность широтно-импульсно-модулированных биполярных импульсов. При этом, длительность широтно-импульсно-модулированных биполярных импульсов определяет величину напряжения на нагрузке. В дросселе Др накапливается энергия заряда. При помощи последовательного ключа В осуществляется синхронное выпрямление тока разряда энергии,
вх
вых
накопленной в дросселе Др. При этом, параллельный ключ М и последовательный ключ В работают в противофазе. Входной фильтр низкой частоты ФНЧ и выходной фильтр низкой частоты ФНЧ обеспечивают подавление высокочастотных составляющих промодулированного напряжения в цепи источника входного напряжения и в нагрузке.
Работа ключей М и В в противофазе, обеспечивает рекуперацию реактивной энергии при нелинейной нагрузке. Если нагрузка имеет реактивный характер то ввиду сдвига фазы между током нагрузки и напряжением возникает обратимый реактивный ток который течет обратно в сеть, в этом случае параллельный ключ М работает как модулятор, а последовательный ключ В работает как синхронный выпрямитель.
1
2
3
Режим повышения напряжения переменного тока обеспечивается коммутацией входа 3 и входа 2 входного реле P и коммутацией входов 3 с входами 1 параллельного реле Р и выходного реле Р. При этом, на параллельный ключ М и последовательный ключ В подаются противофазные управляющие широтно-импульсно-модулированные импульсы.
2
3
1
Режим понижения напряжения переменного тока обеспечивается коммутацией входов 3 со входами 2 параллельного реле Р и выходного реле Р и коммутацией входа 3 и входа 1 входного реле P.
Одним из возможных вариантов реализации описанной схемы регулятора напряжения переменного тока является однофазный стабилизатор напряжения переменного тока, электрическая функциональная схема которого представлена на фиг.2, предназначенный для обеспечения электропитанием различных потребителей в условиях больших по значению и длительности отклонений напряжения в сети 220 В частотой 50 Гц с диапазоном рабочих входных напряжений от 120 до 380 В, обеспечивающий коэффициент полезного действия не менее 93% при входном напряжении в пределах от 160 до 240 В.
Стабилизатор напряжения переменного тока (фиг.2) состоит из вышеперечисленных элементов с такими же связями и включает схему управления СУ, подключенную к управляющим входам ключей и реле.
вх
вых
вх
вх
Входной фильтр низкой частоты ФНЧ стабилизатора подключается к источнику напряжения переменного тока, а к выходу выходного фильтра низкой частоты ФНЧ стабилизатора подключается нагрузка, например, электродвигатель. Входное напряжение переменного тока с помощью параллельного ключа М преобразовывается в последовательность широтно-импульсно-модулированных биполярных импульсов. При этом, длительность широтно-импульсно-модулированных биполярных импульсов определяет величину напряжения на нагрузке. В дросселе Др накапливается энергия заряда. При помощи последовательного ключа В осуществляется синхронное выпрямление тока разряда энергии, накопленной в дросселе. При этом, ключи М и В работают в противофазе. Схема управления СУ обеспечивает противофазное переключения ключей М и В с частотой значительно большей частоты входного напряжения переменного тока. Входной фильтр низкой частоты ФНЧ и выходной фильтры низкой частоты ФНЧ обеспечивают подавление высокочастотных составляющих промодулированного напряжения в цепи источника входного напряжения и в нагрузке.
Работа ключей М и В в противофазе, обеспечивает рекуперацию реактивной энергии при нелинейной нагрузке. Если нагрузка имеет реактивный характер то ввиду сдвига фазы между током нагрузки и напряжением возникает обратимый реактивный ток который течет обратно в сеть, в этом случае параллельный ключ М работает как модулятор, а последовательный ключ В работает как синхронный выпрямитель.
1
2
3
При уменьшении входного напряжения переменного тока, стабилизатор работает в режиме повышения напряжения, что обеспечивается коммутацией входа 3 и входа 2 входного реле P и коммутацией входов 3 с входами 1 параллельного реле Р и выходного реле P. При этом, на параллельный ключ М и последовательный ключ В подаются противофазные управляющие широтно-импульсно-модулированные импульсы, причем время включения ключа М больше времени включения ключа В.
При увеличении входного напряжения переменного тока, стабилизатор работает в режиме понижения напряжения, что
2
3
1
обеспечивается коммутацией входов 3 с входами 2 параллельного реле Р и выходного реле Р и коммутацией входа 3 и входа 1 входного реле P.
1
2
3
При уменьшении сопротивления нагрузки, стабилизатор работает в режиме повышения напряжения, что обеспечивается коммутацией входа 3 и входа 2 входного реле P и коммутацией входов 3 с входами 1 параллельного реле Р и выходного реле Р.
2
3
1
При увеличении сопротивления нагрузки, стабилизатор работает в режиме понижения напряжения, что обеспечивается коммутацией входов 3 с входами 2 параллельного реле Р и выходного реле Р и коммутацией входа 3 и входа 1 входного реле P.
Описанный выше регулятор напряжения переменного тока, в сравнении с существующими аналогами, имеет минимальные габариты, массу и стоимость при достаточной экономичности и надежности изделия вцелом.