РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для регулирования и стабилизации напряжения в сетях с нестабильными параметрами и в устройствах, где имеется необходимость точной и плавной регулировки переменного напряжения в широком диапазоне.
Известно устройство для регулирования и стабилизации переменного напряжения, содержащее регулятор, состоящий из N вольтодобавочных трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены последовательно между собой и с нагрузкой, N ключей, каждый из которых соединяет первичную обмотку соответствующего трансформатора параллельно входу устройства, управляющее устройство и измерительный орган. При этом исполнительные органы N ключей включены в цепь первичных обмоток трансформаторов с возможностью переключения, как минимум в три положения, при которых первичные обмотки трансформаторов подключены к входу, или к выходу вольтодобавочных трансформаторов, или параллельно соответствующим вторичным обмоткам, а управляющие входы N ключей подсоединены к выходу управляющего устройства, которое через измерительный орган соединено с входом или выходом устройства (патент Российской Федерации на полезную модель RU 20978 U1 кл. G05F 1/20, H02M 5/12, опубл. 12.10.2001 г.)
К недостаткам данного устройства относится невозможность плавного регулирования выходного напряжения и большое количество механических ключей, имеющих ограниченный срок службы. Это обусловлено тем, что регулирование выходного напряжения выполняется подключением или отключением от цепи нагрузки первичных обмоток вольтодобавочных трансформаторов с помощью механических ключей.
Наиболее близким к техническому решению по технической сущности является стабилизатор переменного напряжения, содержащий систему импульсно-фазового управления тиристорными ключами и орган плавного регулирования, выполненный на вольтодобавочном трансформаторе, вторичная обмотка которого включена между входным и выходным зажимами, а первичная обмотка своими выводами с помощью одной пары управляемых тиристорных ключей подключена к общей точке соединения других входного и выходного зажимов и, с помощью второй пары тиристорных ключей, подключена встречно-параллельно вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора (авторское свидетельство СССР №478289, мки G05f 1/28 опубл. 21.07.1975 г.). В зависимости от комбинации включенных тиристорных ключей вольтодобавочный трансформатор соединяется по схемам повышающего (режим «вольтодобавка») или понижающего (режим «вольтоотбавка») автотрансформатора, а также первичная обмотка может закорачиваться на вторичную (режим «закоротка»). Таким образом, устройство позволяет получить на нагрузке три уровня синусоидального напряжения, разделяющих диапазон регулирования на два поддиапазона.
Н
Н
Н
Импульсно-фазовое регулирование напряжения нагрузки реализуется в каждом поддиапазоне, то есть всегда осуществляется между двумя соседними уровнями синусоидального напряжения. При активно-индуктивной нагрузке в начале каждого полупериода напряжения сети включают тиристорный ключ повышенного уровня напряжения, и с регулируемой задержкой, равной углу переключения на понижение напряжения γ, включают тиристорный ключ ближайшего пониженного уровня напряжения. Значение угла переключения γ ограничено фазовым углом нагрузки φ, совпадающим с моментом перехода тока нагрузки через нулевое значение. Это обусловлено тем, что регулирование напряжения путем изменения угла переключения на понижение напряжения возможно только в зонах несовпадения знаков напряжения и тока нагрузки (0°<γ<φ). После перехода тока нагрузки через нулевое значение с задержкой, равной углу переключения на повышение напряжения α, включают тиристорный ключ ближайшего повышенного уровня напряжения. Изменяя значение угла переключения α в интервалах совпадения знаков тока и напряжения (φ≤α≤π), реализуют дальнейшее регулирование напряжения нагрузки. Описанное устройство обеспечивает плавное регулирование и стабилизацию напряжения на нагрузке путем изменения угла переключения тиристорных ключей γ в интервалах несовпадения знаков напряжения и тока и путем изменения угла переключения α в зонах совпадения напряжения и тока нагрузки.
Недостатком данного устройства является значительное искажение формы выходного напряжения при регулировании его в широком диапазоне. Это обусловлено тем, что формирование выходного напряжения из отрезков синусоид производится только в двух поддиапазонах (выше и ниже уровня сети) и искажение формы выходного напряжения возрастает пропорционально величине диапазона регулирования. Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.
Решаемая задача - повышение показателей качества электроэнергии.
Технический результат - расширение диапазона плавного регулирования выходного напряжения в три раза при сохранении малого искажения его формы.
Этот технический результат достигается тем, что в регуляторе переменного напряжения, содержащем систему импульсно-фазового управления тиристорными ключами и орган плавного регулирования, выполненный на вольтодобавочном трансформаторе, вторичная обмотка которого включена между входным и выходным зажимами, а первичная обмотка своими выводами через одну пару тиристорных ключей подключена к общей точке соединения других входного и выходного зажимов и через вторую пару тиристорных ключей подключена встречно-параллельно вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора, вход регулятора подключен к питающей сети через дополнительный блок дискретного регулирования напряжения, который содержит другой вольтодобавочный трансформатор с коэффициентом трансформации большим в два раза, вторичная обмотка которого подключена между первыми входным и выходным зажимами блока, а первичная обмотка - одним из выводов через тиристорный ключ соединена с выводом вторичной обмотки, подключенным к первому входному зажиму блока, вторым из выводов через тиристорный ключ соединена с выводом вторичной обмотки, подключенным к первому выходному зажиму блока и обоими выводами через пару тиристорных ключей подключена к точке соединения других входного и выходного зажимов блока.
Предлагаемое техническое решение за счет различных сочетаний подключения двух вольтодобавочных трансформаторов (первого для плавной регулировки, а второго для дискретной регулировки выходного напряжения) позволяет получить на выходе два дополнительных уровня и четыре дополнительных поддиапазона регулирования напряжения. Этим обеспечивается расширение общего диапазона плавного регулирования выходного напряжения в три раза при сохранении малого искажения его формы. Малое искажение формы выходного напряжения обусловлено тем, что формирование выходного напряжения из отрезков синусоид повышенного и пониженного уровней за счет импульсно-фазового управления тиристорами происходит лишь в пределах значения выходного напряжения вторичной обмотки первого вольтодобавочного трансформатора на каждом уровне регулировки, а сами три уровня выходного напряжения создаются дискретно без искажения формы.
Схема регулятора переменного напряжения показана на фиг. 1. Она содержит орган плавного регулирования (ОПР), блок дискретного регулирования (БДР) и систему импульсно-фазового управления. Орган плавного регулирования содержит первый вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка 1 которого подключена между входным 2 и выходным 3 зажимами и последовательно с нагрузкой 4. Первичная обмотка 5 вольтодобавочного трансформатора своими выводами подключена к общей точке соединения других входного 6 и выходного 7 зажимов органа плавного регулирования с помощью двух управляемых ключей на тиристорах 8, 9 и также 10, 11. Кроме того, первичная обмотка 5 своими выводами с помощью пары управляемых ключей на тиристорах 12, 13 и 14, 15 подключена встречно-параллельно вторичной обмотке 1..
Блок дискретного регулирования содержит второй вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка 16 которого подключена между входным зажимом 17 этого блока и входным зажимом 2 органа плавного регулирования. Первичная обмотка 18 второго вольтодобавочного трансформатора своими выводами с помощью пары управляемых ключей на тиристорах 19, 20 и 21, 22 подключена встречно-параллельно вторичной обмотке 16. Кроме того, первичная обмотка 18 своими выводами с помощью двух управляемых ключей на тиристорах 23, 24 и также 25, 26 подключена к другому входному зажиму 27 блока дискретного регулирования, подсоединенному к другому входному зажиму 6 органа плавного регулирования.
Н
Н
Н
Н
Система импульсно-фазового управления 28 по сигналам u, i датчиков напряжения 29 и тока 30 нагрузки, соответственно, выделяет интервалы эффективного изменения углов переключения тиристорных ключей ОПР на понижение (0°≤γ<φ) и повышение (φ≤α≤π) напряжения, а также, формируя импульсы управления тиристорами БДР, обеспечивает работу тиристорного регулятора во всех режимах.
Регулятор работает следующим образом. С помощью тиристорных ключей обеспечивается сочетание различных подключений двух вольтодобавочных трансформаторов: первого для плавной регулировки и второго для дискретной регулировки выходного напряжения. Напряжение вторичной обмотки 16 второго вольтодобавочного трансформатора блока дискретного регулирования вдвое превышает напряжение вторичной обмотки 1 первого вольтодобавочного трансформатора органа плавного регулирования, это позволяет получить три основных уровня выходного напряжения, соответствующие им три диапазона и шесть поддиапазонов регулирования (вверх и вниз от каждого уровня). На фиг. 2 уровни выходного напряжения показаны сплошными линиями, а границы поддиапазонов плавного регулирования - штриховыми линиями. Внутри каждого поддиапазона происходит плавное импульсно-фазовое регулирование выходного напряжения. Границы соседних поддиапазонов совпадают, этим обеспечивается непрерывное плавное регулирование выходного напряжения в границах от нижней штриховой линии до верхней. При небольших изменениях величины напряжения в сети регулировка выходного напряжения осуществляется лишь органом плавного регулирования, а при больших изменениях величины напряжения в сети, когда для сохранения малого искажения его формы регулировку невозможно осуществить только за счет ОПР, происходит и соответствующее переключение тиристоров блока дискретного регулирования.
Н
С
Напряжение на нагрузке 4 равно напряжению сети (u=u) в режиме «двойная закоротка» при включенных ключах на тиристорах 12, 13 и 14, 15; 19, 20 и 21, 22. В этом режиме у обоих вольтодобавочных трансформаторов вторичные обмотки подсоединены встречно-параллельно их первичным обмоткам и регулирования напряжения на нагрузке не происходит.
Н
С
В режиме «закоротка» БДР при включенных тиристорах 19, 20 и 21, 22, напряжение u на нагрузке 4 плавно изменяется органом плавного регулирования в двух поддиапазонах: в одном выше, а другом ниже уровня u напряжения сети (фиг. 2).
С
БДР
БДР
В режиме «вольтоотбавка» («ВО») БДР при включенных тиристорах 21, 22, 23, 24 на вход ОПР поступает напряжение, меньшее, чем в сети, на величину напряжения, трансформируемого из первичной 18 во вторичную 16 обмотку второго вольтодобавочного трансформатора. В этом случае напряжение на нагрузке плавно изменяется органом плавного регулирования в двух поддиапазонах относительно уровня u-u, где u - напряжение «вольтоотбавки» блока дискретного регулирования (фиг.2).
С
БДР
БДР
В режиме «вольтодобавка» («ВД») БДР при включенных тиристорах 19, 20 и 25, 26 напряжение на нагрузке 4 изменяется органом плавного регулирования в двух поддиапазонах относительно уровня u+u, где u - напряжение «вольтодобавки» блока дискретного регулирования (фиг. 2).
ОПР
ОПР.
Орган плавного регулирования по сигналам с датчиков тока 30 и напряжения 29 нагрузки 4 осуществляет с помощью системы управления импульсно-фазовое регулирование напряжения на нагрузке 4 посредством включения в соответствующие моменты времени тиристоров 8, 9; 10, 11; 12, 13; 14, 15. При этом первый вольтодобавочный трансформатор на интервалах формирования выходного напряжения соединяется по схеме повышающего или понижающего автотрансформатора, или же его обмотки закорочены. При включенных тиристорах 10, 11 и 12, 13 первый вольтодобавочный трансформатор соединяется по схеме повышающего автотрансформатора, при этом напряжение на нагрузке возрастает на величину напряжения u, трансформируемого из первичной во вторичную обмотку. При включенных тиристорах 8, 9 и 14, 15 первый вольтодобавочный трансформатор соединяется по схеме понижающего автотрансформатора, при этом напряжение на нагрузке уменьшается на величину напряжения u. При включенных тиристорах 12, 13 и 14, 15 обмотки первого вольтодобавочного трансформатора закорочены, при этом напряжение на нагрузке 4 равно входному напряжению ОПР.
Н
С
БДР
ОПР
Н
С
БДР
ОПР
С
БДР
ОПР
Н
С
БДР
ОПР
С
Диаграммы, поясняющие работу регулятора при совместном импульсно-фазовом и дискретном регулировании с указанием порядка очередности проводимости тиристоров при активно-индуктивной нагрузке приведены на фиг. 3. В диапазоне ниже напряжения сети (фиг. 3а, 3б) выходное напряжение регулируется в режиме «ВО» БДР. При этом напряжение нагрузки u на верхней границе диапазона составляет u-u+u, а на нижней границе u=u-u-u. В диапазоне выше напряжения сети (фиг. 3в, 3г) выходное напряжение регулируется в режиме «ВД» БДР. На верхней границе диапазона напряжение нагрузки равно u+u-u, а на нижней границе диапазона u=u+u-u. В диапазоне между нижней границей диапазона регулирования в режиме «ВД» БДР и верхней границей диапазона регулирования в режиме «ВО» БДР аналогичным образом производят регулирование выходного напряжения относительно уровня u, используя режим «закоротка» БДР (на фиг. 3 не показано).
С
БДР
Н
С
БДР
Н
С
БДР
ОПР
Н
Н
С
БДР
Н
С
БДР
ОПР
Н
Н
Н
Рассмотрим формирование выходного напряжения в поддиапазоне, находящемся ниже уровня u-u (фиг. 3а). В начале положительного полупериода входного напряжения ОПР ("+" на зажиме 2 и "-" на зажиме 6) нагрузочная составляющая тока первичной обмотки 5 протекает через тиристоры 12 и 15. Выходное напряжение соответствует режиму «ВО» БДР: u=u-u. В регулируемый момент времени у включают тиристор 9. При этом под действием напряжения первичной обмотки 5 тиристор 12 выключается и нагрузочная составляющая тока протекает через тиристоры 15 и 9. Выходное напряжение становится равным u=u-u-u. В момент времени u ток нагрузки проходит через нулевое значение и тиристоры 15 и 9 выключаются. Далее включаются тиристоры 8 и 14, обеспечивающие противоположное направление протекания тока нагрузки. В регулируемый момент времени а включают тиристор 13. При этом под действием напряжения первичной обмотки 5 тиристор 8 выключается и нагрузочная составляющая тока протекает через тиристоры 13 и 14. Обмотки первого вольтодобавочного трансформатора закорочены и выходное напряжении регулятора вновь соответствует уровню «ВО» БДР u=u-u. Указанный высокий уровень выходного напряжения сохранится до включения тиристора 8 в регулируемый момент времени (π+γ) следующего полупериода питающего напряжения. При этом происходит выключение тиристора 13 и на выходе регулятора устанавливается напряжение низкого уровня u=u-u-u рассматриваемого поддиапазона регулирования. Напряжение низкого уровня сохраняется и при смене работающих тиристоров 8, 14 на тиристоры 9, 15, вызванной изменением полярности тока нагрузки в момент времени (π+φ). Переключение на уровень повышенного напряжения поддиапазона регулирования реализуется включением тиристора 12 в момент времени (π+α), при этом тиристор 9 выключается. Далее все процессы формирования выходного напряжения периодически повторяются. Изменяя значения углов переключения в пределах 0≤γ≤φ и φ≤α≤π, регулируют значение выходного напряжения от нижней до верхней границы поддиапазона.
С
БДР
С
БДР
ОПР
Из диаграмм, приведенных на фиг. 3б, следует, что выходное напряжение в этом поддиапазоне регулирования формируется аналогично, но из отрезков синусоидальных напряжений u-u и u-u+u.
С
С
БДР
С
БДР
ОПР
С
БДР
Н
С
БДР
ОПР
Формирование выходного напряжения в режиме «ВД» БДР в диапазоне, находящемся выше уровня напряжения сети u показано на фиг. 3в и 3г. Выходное напряжение в поддиапазоне регулирования на фиг.3в формируется из отрезков двух синусоидальных напряжений: u+u и u+u-u, а на фиг. 3г - из отрезков двух синусоидальных напряжений: u+u и u=u+u+u.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить, что оно обеспечивает четыре дополнительных поддиапазона плавного регулирования выходного синусоидального напряжения, увеличивающих общий диапазон регулирования в три раза и, следовательно, соответствует критерию "новизна".
Сравнение заявленного технического решения с другими известными решениями в данной области техники и прототипом показало, что признаки, отличающие от них заявленное техническое решение, обеспечивают получение нового технического результата, заключающегося в уменьшении искажения выходного напряжения при широком диапазоне плавного регулирования.
Применение заявленного технического решения в энергетике для регулирования или стабилизации напряжения в сетях с нестабильными параметрами и в устройствах электротехники для точной и плавной регулировки переменного напряжения в широком диапазоне обеспечивает соответствие критерию "промышленная применимость".