МНОГОФАЗНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к области силовой электротехники и может быть использована для питания потребителей переменного тока.
Уровень техники. Из уровня техники известен многоступенчатый стабилизатор переменного напряжения [патент РФ №2237270], содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок, содержащий коммутирующие элементы, подключена к выводам для подключения входного напряжения, а вторичная обмотка включена в цепь нагрузки, устройство сравнения и управления. При этом коммутирующий блок выполнен в виде размыкающего и замыкающего контактов, а первичная обмотка трансформатора подключена параллельно вторичной обмотке непосредственно и через размыкающий контакт, параллельно первичной обмотке трансформатора включен конденсатор. Упомянутый замыкающий контакт подключен одним выводом к точке соединения размыкающего контакта и первичной обмотки трансформатора, другим своим выводом - к нулевому проводу. Устройство сравнения и управления выполнено в виде схем контроля и управления, контролирующих увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке от установленного уровня, входы которых подключены к выходу вспомогательного источника, подключенного к входному и нулевому проводам, выходы схем контроля и управления подключены к коммутирующим реле, управляющим упомянутыми выше размыкающими и замыкающими контактами коммутирующего блока. К выходному напряжению подключено первое промежуточное реле, в цепи которого находится замыкающий контакт второго коммутирующего реле, второе промежуточное реле, в цепи которого находится замыкающий контакт первого коммутирующего реле, каскады соединены ступенчато, а параллельно коммутирующим элементам включены RC-цепи.
К недостаткам такого решения относится значительное число элементов, что приводит к общему снижению надежности и увеличению себестоимости. Кроме того, количество схем контроля и управления определяется числом включенных ступенчато каскадов, что также ведет к увеличению стоимости системы в целом.
Из уровня техники также известно устройство для регулирования переменного напряжения [патент РФ №2245600], содержащее входной и выходной выводы, общую точку, первый трансформатор, имеющий основную обмотку, подключенную между входным выводом устройства и общей точкой и секционированную обмотку, отпайки которой подключены к соответствующим входам коммутатора, второй трансформатор, вторичная обмотка которого включена между входным и выходным выводами устройства. Также устройство содержит управляемый фазовращатель, через который первичная обмотка второго трансформатора подключена к выходу управляемого коммутатора посредством первого входа фазовращателя, и к общей точке посредством второго входа фазовращателя, первый трансформатор выполнен повышающим напряжение не менее чем в 2 раза величины диапазона регулирования напряжения, а второй трансформатор выполнен понижающим напряжение соответственно.
К недостаткам такого решения относится необходимость использования трансформатора с большим числом промежуточных отводов, и может быть затруднена в установках на большие мощности при малом общем числе витков, что ограничивает количество ступеней регулирования. Кроме того, данное решение предназначено для питания однофазной нагрузки, и не может быть использовано в промышленных сетях с трехфазным питанием, что ограничивает его область применения.
Данное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом.
Раскрытие полезной модели. Трехфазные сети переменного тока используются для питания различного рода промышленных установок, в том числе систем автоматизации, а также в технологических процессах.
На качество питающего напряжения и допустимые его отклонения от номинального значения распространяются требования различных стандартов и технических условий, а потребители рассчитаны на значения предельных отклонений, не превышающих заданные при проектировании. Поддержание стабильного уровня действующего значения напряжения, соответствующего стандартам, является самостоятельной задачей, кроме того, существуют и многочисленные технологические процессы (например, гальванопластика) где не нужна точная стабилизация напряжения, однако требуется управлять скоростью протекающих процессов в широком диапазоне.
Стабилизация уровня напряжения, и его соответствие стандартам, является самостоятельной задачей, решаемой в существующих установках за счет преобразования электроэнергии. Оно реализуется путем использования автономных инверторов напряжения и двойного преобразования - выпрямления, инвертирования. Такие установки представляют собой полупроводниковые преобразователи, и могут быть реализованы в качестве агрегатов гарантированного электропитания. В таких сложных устройствах применяются электронные комплектующие, и потому они, как правило, имеют низкую надежность. Отличие преобразователей является использование разных вариантов широтно-импульсной модуляции для формирования напряжения, имеющего вид меандра. Качество выходного напряжения чаще всего обеспечивается за счет скорости коммутации полупроводниковых ключей.
Предлагаемое решение обеспечивает регулирование уровня выходного напряжения при его значительных колебаниях в питающей сети, а также для обеспечения заданных значений напряжения в технологических процессах путем формирования и коммутации внутри устройства шестифазной системы напряжений, преобразуемой на выходе в трехфазное напряжение.
На фигуре 1 представлена функциональная схема предлагаемого многофазного регулятора напряжения. Напряжение трехфазной питающей сети поступает на первичные трехфазные обмотки двух трансформаторов, соединенных по схеме "зиг-заг" и включенных с фазовым сдвигом, как это описано в патенте на полезную модель РФ №182989 ("Симметричный полупроводниковый преобразователь"). Так обеспечивается взаимный сдвиг фаз между вторичными обмотками двух трансформаторов, что наглядно следует из векторных диаграмм, представленных на фигурах 2 и 3. В таком случае обеспечивается технологическое преимущество за счет идентичности конструкции и обмоток двух трансформаторов. Каждый из двух упомянутых трансформаторов оснащается двумя вторичными обмотками, на каждом из них одна из обмоток выполняется с общей нейтралью по схеме "звезда", вторая разомкнута. Две обмотки по схеме "звезда" объединяются в общую нейтраль и подключены к шестифазному коммутатору, обеспечивающему переключение отводов обмоток при помощи полупроводниковых ключей (транзисторов). Выход упомянутого коммутатора соединяется с входом вторичных обмоток трансформаторов, выполненных разомкнутыми. Таким образом, порядок соединения (суммирования) фаз двух пар обмоток задается переключением упомянутого шестифазного коммутатора. В зависимости от порядка соединения (подключения) фаз пары разомкнутых обмоток к паре обмоток по схеме "звезда", изменяется уровень выходного суммарного шестифазного напряжения - значение напряжения и фазовый сдвиг которого определяется не только входным трехфазным напряжением питания, но и порядком подключения обмоток. Таким образом, происходит регулирование уровня напряжения, которое затем подается на вход блока согласующих трансформаторов. Блок согласующих трансформаторов содержит в своем составе три однофазных трансформатора - оснащенных тремя обмотками на каждом из них. Две первичные обмотки упомянутых трансформаторов подключаются согласно к двум фазам с выхода пары разомкнутых обмоток, одним из выводов все первичные обмотки согласующих трансформаторов объединяются в общую нейтраль. Каждый из согласующих трансформаторов содержит по одной вторичной обмотке, упомянутые вторичные обмотки соединяются в общую нейтраль по схеме "звезда", и подключаются к выходу многофазного регулятора, формируя трехфазное выходное напряжение.
На фигуре 4 представлена электрическая принципиальная схема предлагаемого многофазного регулятора напряжения, включая входные трехфазные трансформаторы с обмотками по схеме "зиг-заг" и взаимным симметричным фазовым сдвигом, по две вторичных обмотки на каждом из упомянутых трансформаторов, подключение этих обмоток к коммутатору, а выхода коммутатора - к блоку согласующих трансформаторов.
Из представленного описания следует, что количество ступеней регулирования выходного трехфазного напряжения определяется числом комбинаций подключения пар трехфазных обмоток, образующих с учетом симметричного фазового сдвига входных трансформаторов шестифазную систему напряжений. Используемый в предлагаемом решении шестифазный коммутатор обеспечивает получение 6 возможных уровней напряжения на выходе, что определяется количеством возможных соединений фаз двух пар вторичных обмоток упомянутых входных трансформаторов.
Уровни выходного напряжения регулятора зависят от фазового сдвига при коммутации фаз между парами трехфазных обмоток в шестифазном коммутаторе, ведь известно, что сумма двух синусоидальных функций одной частоты дает суммарное синусоидальное напряжение той же частоты - с напряжением и фазой, зависящей от напряжений и взаимного фазового сдвига суммируемых функций. Таким образом, при суммировании фаз с минимальным фазовым сдвигом будет формироваться производное от них напряжение с уровнем напряжения, близким к удвоенному значению. Также очевидно, что при включении фаз с максимальным уровнем фазового сдвига, будет получено минимальное напряжение, поскольку в таком случае фазы будут компенсировать друг друга (возникнет большая разница в полярности суммируемых напряжений).
Для формирования выходного трехфазного напряжения используется блок согласующих трансформаторов, устройство которого основано на суммировании напряжений фаз, подаваемых от шестифазного коммутатора при помощи однофазных трансформаторов. Вторичные обмотки упомянутых трансформаторов включаются по схеме "звезда", и имеют симметричный фазовый сдвиг между собой, формируя трехфазное выходное напряжение. То есть, отличие заключается в уменьшении числа фаз на выходе.
Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- используется два трехфазных трансформатора, при взаимном симметричном сдвиге, по две вторичных обмотки на каждом;
- вторичные обмотки от каждого из двух трансформаторов используются для формирования шестифазных напряжений;
- регулирование напряжения осуществляется путем переключения взаимной очередности фаз между двумя парами обмоток;
- выходное напряжение формируется в блоке согласующих трансформаторов, путем слияния в трехфазную систему.
Таким образом, совокупность существенных признаков решения приводит к новому техническому результату - возможности регулирования трехфазного напряжения, при одновременном упрощении конструкции.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена функциональная схема многофазного стабилизатора напряжения. Здесь 1 - первичная трехфазная обмотка, 2 - вторичная трехфазная обмотка, 3 - полупроводниковый коммутатор, 4 - блок согласующих трансформаторов. На фигуре 2 изображена векторная диаграмма суммирования напряжений в обмотке "зиг-заг" при прямом чередовании фаз. На фигуре 3 изображена векторная диаграмма суммирования напряжений в обмотке "зиг-заг" при обратном чередовании фаз. На фигуре 4 изображена принципиальная схема многофазного регулятора напряжения.