ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к преобразовательной технике, и может быть использована для широко- и узкодиапазонного регулирования переменного напряжения.
Известен тиристорный регулятор переменного напряжения (SU №432474), содержащий последовательный и параллельный с нагрузкой ключи на биполярных тиристорах, причем параллельный ключ выполнен на тиристорах с отсекающими диодами, и конденсаторы, установленные между общими точками их соединения и зажимом сети.
Недостатком аналога является то, что при изменении реактивной составляющей нагрузки ограничен диапазон регулирования напряжения. Это вызвано потерей зарядки коммутирующих конденсаторов после изменения полярности напряжения сети.
Известен тиристорный регулятор переменного напряжения, выбранный в качестве прототипа (SU №517122), содержащий блок управления и две параллельные встречно - соединенные цепочки, состоящие каждая из тиристора с отсекающим диодом и коммутирующего конденсатора, установленного между общими точками соединения тиристора и диода, и нагрузку, подключенную параллельно одному встречно - параллельному ключу.
Недостатком прототипа является возможность появления сквозного контура в динамических режимах через регулирующий и нулевой ключи встречной цепочки, а при фазовом регулировании по моменту включения - регулятор не работоспособен.
Задачей полезной модели является повышение надежности работы регулятора при любом способе управления, в том числе и при фазовом по углу включения.
Поставленная цель достигается тем, что в тиристорном регуляторе переменного напряжения, содержащем блок управления на основе широтно-импульсного модулятора, связанный с датчиком тока, и две пары ключей, состоящих каждый из встречно-включенных тиристоров с отсекающими диодами, и коммутирующего конденсатора, установленного между точками соединения тиристоров с диодами, ключи соединены по мостовой схеме, одна диагональ которой подключена к питающей сети, а другая, образованная одноименными электродами тиристоров, - к нагрузке с датчиком тока, причем один из ключей каждой пары зашунтирован обратным управляемым диодом, отпираемым сигналами датчика тока.
Сущность технического решения заключается в том, что переключение тиристоров регулятора напряжения происходит по заданному алгоритму и проводящий тиристор можно запереть в любой момент времени, предотвращая возможное короткое замыкание сети.
Далее сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых представлено: на Фиг. 1 - схема предлагаемого тиристорного регулятора напряжения, на Фиг. 2 - временные диаграммы с алгоритмом работы управляемых ключей.
На фиг. 1 пунктиром обозначены однополупериодные тиристорно-диодные ключи 1-4 с коммутирующими конденсаторами. Ключи 1 и 2 зашунтированы обратными управляемыми диодами 5 и 6 и являются регулирующими, а ключи 3 и 4 - нулевыми, причем ключи 1, 3 и 2, 4 попарно выполняют основные функции и, одновременно, - роль коммутирующих.
Следует отметить, что однополупериодные регулирующие ключи 1 и 2, и нулевые ключи 3 и 4 работают в противофазе.
сети
сети
Тиристоры 7 и 8 с отсекающими диодами 9 и 10 и коммутирующим конденсатором 11, как и тиристоры 12 и 13 с отсекающими диодами 14 и 15 и коммутирующим конденсатором 16 образуют однополупериодные ключи, которые соединены по мостовой схеме. Одна диагональ моста подключена к питающей сети U а другая, образованная одноименными электродами тиристоров, - к нагрузке 17 с датчиком тока 18. К питающей сети 19 - U подключен также блок 20 управления, включающий в себя широтно-импульсный модулятор, распределитель импульсов и выходные каскады.
Сущность работы тиристорного регулятора напряжения с фазовым способом формирования выходного напряжения 21 состоит в следующем.
н
с
з
В начале положительного полупериода напряжения сети 19 с момента α=0 сигналом с блока 20 управления открывается тиристор 13 (замыкается нулевой ключ 4) отрицательного (второго) полупериода, и через управляемый диод 6 (фиг. 2,е) образуется короткозамкнутый контур нагрузки 17. По контуру продолжает протекать ток нагрузки 22 - i(α), состоящий из тока 23 - i(α), потребляемого из сети, и тока 24 - i(α) вызванного ЭДС самоиндукции и спадающего по экспоненте в короткозамкнутом контуре нагрузки (фиг. 2,а).
Уравнения для мгновенных значений токов, полученные методом припасовывания следующие:
ток нагрузки
i<sub>н</sub>(α)=i<sub>с</sub>(α)+i<sub>з</sub>(α),
ток сети
<img file="00000002.tif" he="13" wi="69" img-content="undefined" img-format="tif" />,
ток закоротки
<img file="00000003.tif" he="13" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />.
1
н
н
2
m
н
где к=R/L; к=U/ω·L; δ - коэффициент, учитывающий параметры схемы и начальные условия припасовывания; α=ω·t.
Коммутирующий конденсатор 16, заряженный полярностью, указанной на рисунке в скобках, перезаряжаясь обратной полярностью по цепи: 16-13-18-17-6-19-14-16 (фиг. 2,и), запирает тиристор 12, при этом образуется короткозамкнутый контур: 17-6-15-13-18-17.
К
К
При заданном угле коммутации α=α, сигналами с блока управления 20, одновременно отпирается тиристор 12 регулирующего ключа 2, и запирается тиристор 13 нулевого ключа 4. Коммутирующий конденсатор 16 перезаряжается полярностью 25 (фиг. 2). На интервале α≤α≤φ ток 23 (22) нагрузки 17 протекает встречно с напряжением сети 19, быстро спадая до нуля при α=φ. Избыточная электромагнитная энергия рекуперируется в сеть, при этом тиристор 12 регулирующего ключа 2 запирается вместе с управляемым диодом 6, который остается открытым в диапазоне φ≤α≤π+φ полу периода тока 22.
K
В момент α=φ перехода тока 22 через нуль сигналом с блока 20 управления отпирается тиристор 7 регулирующего ключа 1, и через него и управляемый диод 5, на интервале φ≤α≤π, протекает ток 23. На интервале α≤α≤π из питающей сети потребляется энергия, при этом кривая выходного напряжения 21 формируется в диапазоне зон рекуперации и потребления энергии независимо от реактивной составляющей нагрузки 17. Относительная продолжительность указанных зон не влияет на форму выходного напряжения. Поскольку в интервале этих зон нагрузка подключена к сети, то изменение, связанное с изменением характера нагрузки, не вызывает изменения формы кривой выходного напряжения.
После изменения полярности напряжения сети 19 в момент α=π сигналом управления широтно-импульсного модулятора одновременно открывается тиристор 8 нулевого ключа 3 и обратным напряжением конденсатора 11 закрывается тиристор 7 регулирующего ключа 1. Конденсатор 11 перезаряжается током 22 нагрузки 17 по контуру: (+) 11-8-17-18-5-19-9 - (-) 11, заряжаясь обратной полярностью 26.
После того, как потенциал анода диода 10 превысит потенциал его катода, диод отпирается. Ток 24, вызванный ЭДС самоиндукции, спадает по экспоненте в контуре: 17-18-5-10-8-17, рассеиваясь на активных сопротивлениях контура.
К
При угле α=π+α начинает формироваться отрицательная полуволна выходного напряжения 21, при этом повторно открывается тиристор 7 регулирующего ключа 1, образуя контур рекуперации энергии: 17-18-5-19-9-7-17 (фиг. 2,а, д-ж). С момента α=π+φ в работу вступает тиристор 12 регулирующего ключа 2 и управляемый диод 6, по которым в диапазоне π+φ≤α≤2π протекает ток 22 нагрузки 17.
Среднее и действующее значения напряжения 21 на нагрузке 17 определяются из уравнений
,
.
Из приведенного следует, что в отличие от аналога, при фазовом регулировании напряжения по моментам замыкания регулирующих ключей, в предлагаемом устройстве нет ограничений ни на характер нагрузки, ни на диапазон регулирования. При таком способе управления, как и при других способах на частоте сети, постоянно имеется контур протекания тока, вследствие чего между сетью и нагрузкой происходит свободный обмен энергией. Итак, тиристорный регулятор переменного напряжения работоспособен при любых способах управления с кратностью коммутации ключей K≥2.
ОП
Сигнал напряжения с датчика тока 18 сравнивается с опорным напряжением U, и разностный сигнал с блока 20 управления воздействует на длительность импульсов управления ключами 1-4, а также на систему защиты.
Устройство при такой схеме соединений и связей становится надежным в работе, поскольку отсутствует возможность в статических и динамических режимах появления сквозных контуров короткого замыкания сети. Энергетические показатели устройства здесь выше, поскольку на интервалах короткозамкнутой нагрузки ток по ней протекает, а из сети не потребляется.
На базе предлагаемого тиристорного регулятора переменного напряжения строятся трехфазные источники питания для емкостных накопителей энергии, для сварочных машин контактной и дуговой сварки, для вольтодобавочных трансформаторов, т.е. для нагрузок, где коммутационные пики используются как полезные.