СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD OF AC VOLTAGE CONTROL

Изобретение относится к области электроники и автоматики, а именно к процессам преобразования энергии переменного тока на входе в энергию переменного тока на выходе для изменения величины напряжения без промежуточного преобразования в постоянный ток с применением устройств, выполненных на полупроводниковых элементах с управляющими электродами и снабженных 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. Такое регулирование часто осуществляют с использованием магнитных усилителей, многообмоточных трансформаторов с тиристорной коммутацией обмоток, различных тиристорных схем, изменяющих действующее значение напряжения. Указанные способы, как правило, предусматривают применение устройств, которые имеют относительно большую массу, габариты и не обеспечивают требуемые пределы регулирования напряжения или искажают форму синусоидального напряжения.
При этом важным параметром, определяющим экономичность процесса регулирования величины напряжения переменного тока, является обеспечение рекуперации энергии при реактивном характере нагрузки. Рекуперация энергии возможна при обеспечении гальванической связи между источником и потребителем электроэнергии. Однако применение трансформаторных схем устройств регулирования величины напряжения переменного тока не обеспечивает рекуперацию.
Для регулирования величины напряжения переменного тока на нагрузке также применяют способы, предусматривающие использование автотрансформаторных устройств, управляемых двигателем. Применение автотрансформаторных устройств обеспечивает рекуперацию энергии при комплексном характере нагрузки, однако указанные устройства имеют сравнительно большие массу и габариты, приводят к удорожанию процесса регулирования и низкому быстродействию.
Известен способ плавного регулирования напряжения переменного тока, представленный 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).
В соответствии с указанным способом, основанным на преобразовании напряжения переменного тока в последовательность биполярных импульсов значительно более высокой частоты, длительность которых определяет величину регулируемого напряжения, полученные импульсы подают 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.
Схема устройства, при помощи которого может быть реализован описанный способ регулирования напряжения переменного тока, включает инвертор, состоящий из четырех ключей, высокочастотный трансформатор, синхронный выпрямитель и сглаживающий фильтр.
Как можно увидеть, реализация вышеописанного способа предполагает применение большого числа элементов, которые имеют сравнительно большие массу и габариты, в частности высокочастотного трансформатора. Данный способ регулирования напряжения переменного тока является сравнительно дорогостоящим и недостаточно надежным, что обусловлено наличием шести полупроводниковых ключей. Кроме того, наличие трансформатора не обеспечивает возможность рекуперации, что значительно снижает эффективность способа регулирования.
Известен способ повышения величины напряжения переменного тока на нагрузке (А.Коршунов. "Импульсные преобразователи напряжения переменного тока", "Силовая Электроника", №1, 2006, стр.54-61), предполагающий применение только дросселя, параллельного ключа и последовательного ключа в отсутствие трансформаторных устройств.
В данном способе входное напряжение переменного тока подают на вход дросселя, выход которого соединен со входами параллельного и последовательного ключей. Выход последовательного ключа соединен с нагрузкой, а выход параллельного ключа соединен с общим проводом.
Регулирование величины выходного напряжения осуществляют изменением длительности пребывания параллельного ключа в замкнутом положении, которая определяется выражением
γ=τ/T=τ×f, 0<γ<1;
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
вых
вх
U=U/(1-γ);
вх
где U - величина входного напряжения переменного тока.
Описанный способ повышения величины напряжения переменного тока на нагрузке обеспечивает непрерывный ток на входе, предусматривает применение относительно небольшого по габаритам и массе дросселя. При этом выходное напряжение совпадает по фазе с входным напряжением. Рекуперация энергии в данном случае обеспечивается соотношением времен состояний включено и выключено параллельного (длительностью τ) и последовательного (длительностью Т - τ) ключей или, иными словами, противофазным управлением ключами.
В то же время описанный способ предусматривает получение прерывистого тока на выходе и не позволяет понижать величину выходного напряжения переменного тока.
Тот же источник содержит описание способа понижения величины напряжения переменного тока без использования трансформаторных устройств, который также предполагает применение дросселя, параллельного ключа и последовательного ключа.
В этом способе входное напряжение переменного тока подают на вход последовательного ключа, с выходом которого соединены вход дросселя и вход параллельного ключа. Выход параллельного ключа соединен с общим проводом, а к выходу дросселя подключают нагрузку.
Регулирование величины выходного напряжения в этом способе, как и в предыдущем случае, осуществляют путем изменения длительности пребывания последовательного ключа в замкнутом положении, которая определяется выражением
γ=τ/T=τ×f, 0<γ<1;
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
При этом среднее значение выходного напряжения U определяется выражением
вых
вх
U=γ×U;
вх
где U - величина входного напряжения переменного тока.
Описанный способ понижения величины напряжения переменного тока на нагрузке обеспечивает непрерывный ток на выходе, предусматривает применение относительно небольшого по габаритам и массе дросселя. При этом выходное напряжение совпадает по фазе с входным напряжением. Рекуперация энергии в данном случае обеспечивается соотношением времен состояний включено и выключено параллельного (длительностью τ) и последовательного (длительностью Т - τ) ключей или, иными словами, противофазным управлением ключами.
В то же время описанный способ предусматривает получение прерывистого тока на входе и не позволяет повышать величину выходного напряжения переменного тока.
Вопрос рекуперации реактивной энергии в обоих описанных способах регулирования величины напряжения переменного тока при нелинейной нагрузке решается посредством применения четырех квадратных ключей переменного тока (например, диодный мост, в диагональ которого включен силовой транзистор (IGBT), для которого вход и выход носят 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.
Применение же обоих описанных способов регулирования величины напряжения переменного тока в отношении одной нагрузки параллельным включением входов двух вышеописанных схем соединения элементов, одна из которых используется для повышения величины выходного напряжения переменного тока, а вторая - для понижения величины выходного напряжения переменного тока, путем поочередной коммутации нагрузки через реле со схемой соединения элементов, используемой для повышения или понижения величины напряжения переменного тока, приводит к разрыву цепи нагрузки в момент переключения. Кроме того, в таком случае масса и габариты совокупности используемых в процессе элементов увеличиваются вдвое.
Известен способ регулирования величины напряжения переменного тока на нагрузке, описанный в уже упомянутом источнике (А.Коршунов. "Импульсные преобразователи напряжения переменного тока", "Силовая Электроника", №1, 2006, стр.54-61), предполагающий применение только дросселя и двух параллельных ключей в отсутствие трансформаторных устройств. Данный способ позволяет как повышать, так и понижать величину напряжения переменного тока на одной нагрузке.
В этом способе входное напряжение переменного тока подают на вход первого последовательного ключа, с выходом которого соединены вход параллельного дросселя и вход второго последовательного ключа. Выход второго последовательного ключа соединяют с нагрузкой, а выход параллельного дросселя соединяют с общим проводом.
Регулирование величины выходного напряжения переменного тока в этом способе осуществляют путем изменения длительности пребывания первого последовательного ключа в замкнутом положении, которая определяется выражением
γ=τ/T=τ×f, 0<γ<1;
где τ - время нахождения первого последовательного ключа в замкнутом положении в течение периода Т=1/f преобразования импульсов входного напряжения переменного тока в импульсное напряжение;
f - частота переключения первого последовательного ключа.
вых
При этом среднее значение выходного напряжения U определяется выражением
вых
вх
U=-U×γ/(1-γ);
вх
где U - величина входного напряжения переменного тока.
Этот способ регулирования величины напряжения переменного тока позволяет осуществлять как повышение, так и понижение напряжения на одной нагрузке, обеспечивает рекуперацию и предполагает применение небольшого числа элементов, а также не требует использования трансформаторных устройств, имеющих значительные массу и габариты. Данный способ является наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу регулирования величины напряжения переменного тока и избран в качестве наиболее близкого аналога.
В то же время описанный способ регулирования величины напряжения переменного тока предусматривает наличие прерывистого тока на входе и выходе схемы соединения элементов, используемых в этом процессе. С учетом того, что выходное напряжение находится в противофазе с входным напряжением, возникает необходимость применения высоковольтных силовых ключей с учетом напряжения на них, которое в два раза превышает напряжение в двух последних вышеописанных способах регулирования, что приводит к увеличению габаритов, массы и стоимости этих ключей, а также снижает надежность процесса регулирования. Кроме того, описанный способ предполагает применение дросселя, который накапливает энергию во всем диапазоне передаваемой на нагрузку мощности. Это приводит к увеличению массы, габаритов и стоимости этого элемента, а также снижает надежность процесса регулирования.
Таким образом, описанные недостатки наиболее близкого аналога приводят к увеличению массы и габаритов совокупности применяемых в процессе элементов и соответственно ограничивают сферу применения описанного способа, а также приводят к увеличению стоимости и снижению надежности процесса регулирования величины напряжения переменного тока.
Учитывая вышеизложенное, признаками наиболее близкого аналога, совпадающими с существенными признаками предложенного изобретения, являются: осуществление преобразования напряжения в последовательность биполярных импульсов значительно более высокой частоты по отношению к частоте входного напряжения переменного тока, длительность которых определяет величину регулируемого напряжения; осуществление указанного преобразования путем противофазного замыкания и размыкания двух ключей.
В основу изобретения поставлена задача уменьшения массы и габаритов совокупности применяемых в процессе регулирования величины напряжения переменного тока устройств, что позволит расширить сферу применения такого процесса, а также повышение его надежности и снижение стоимости путем применения других устройств и другой последовательности операций над ними, с одновременным обеспечением непрерывного тока на входе нагрузки.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе регулирования величины напряжения переменного тока, при котором осуществляют преобразование напряжения в последовательность биполярных импульсов значительно более высокой частоты по отношению к частоте входного напряжения переменного тока, длительность которых определяет величину регулируемого напряжения, а указанное преобразование осуществляют путем противофазного замыкания и размыкания двух ключей, в соответствии с изобретением напряжение переменного тока подают на вход 5.2 параллельного реле и на вход 4.2 входного реле, вход 4.3 которого соединен со входом дросселя, а вход 4.1 соединен со входом 6.1 выходного реле, вход 6.2 которого соединен с общей цепью, а вход 6.3 соединен с выходом последовательного ключа, вход которого соединен с выходом дросселя и входом параллельного ключа, выход которого соединен со входом 5.3 параллельного реле, вход 5.1 которого соединен с общей цепью, а нагрузку подключают ко входу 6.1 выходного реле, при этом, для повышения величины напряжения переменного тока, коммутируют вход 4.3 со входом 4.2 входного реле, вход 5.3 со входом 5.1 параллельного реле и вход 6.3 со входом 6.1 выходного реле, а для понижения величины напряжения переменного тока коммутируют вход 4.3 со входом 4.1 входного реле, вход 5.3 со входом 5.2 параллельного реле и вход 6.3 со входом 6.2 выходного реле.
Именно эти признаки необходимы и достаточны для решения поставленной задачи.
Как можно увидеть, заявляемый способ предусматривает использование минимального числа элементов, имеющих минимальные габариты, массу и стоимость, а именно один дроссель, два полупроводниковых ключа и три реле, связи которых также обеспечивают минимальные габариты, массу и стоимость при обеспечении достаточной надежности процесса регулирования в целом. В отличие от наиболее близкого аналога связи элементов, применяемых в заявляемом способе, а также последовательность операций над ними позволяют применять дроссель и ключи, которые имеют в несколько раз меньшие массу, габариты и стоимость, а также имеют значительно большую надежность. Так, обеспечение синфазности входного и выходного напряжения в заявленном способе обуславливает снижение напряжения на ключах в два раза, что позволяет применять ключи со значительно меньшими габаритами и массой. Кроме того, режимы вольтодобавления и вольтовычитания, осуществляемые в предлагаемом способе, обуславливают снижение как минимум в два раза величины мощности, накапливаемой в дросселе, что позволяет использовать дроссель со значительно меньшими габаритами и массой. Таким образом, совокупность двух ключей, дросселя и трех реле, применяемых в заявляемом способе, имеет меньшую массу и габариты по сравнению с совокупностью элементов, применяемых в наиболее близком аналоге. При этом заявляемый способ обеспечивает непрерывность тока на входе нагрузки.
При подаче напряжения переменного тока на вход 5.2 параллельного реле и на вход 4.2 входного реле, вход 4.3 которого соединен со входом дросселя, а вход 4.1 соединен со входом 6.1 выходного реле, вход 6.2 которого соединен с общей цепью, а вход 6.3 соединен с выходом последовательного ключа, вход которого соединен с выходом дросселя и входом параллельного ключа, выход которого соединен со входом 5.3 параллельного реле, вход 5.1 которого соединен с общей цепью, и подключении нагрузки ко входу 6.1 выходного реле обеспечивается возможность повышения и понижения величины напряжения переменного тока с использованием одних и тех же элементов. При этом обеспечивается непрерывность тока на входе и выходе, в два раза снижается напряжение на ключах, уменьшается величина мощности, накапливаемой в дросселе, что позволяет максимально уменьшить массу и габариты совокупности применяемых в процессе регулирования величины напряжения переменного тока устройств, повысить его надежность и снизить стоимость.
За счет коммутации входа 4.3 со входом 4.2 входного реле, входа 5.3 со входом 5.1 параллельного реле и входа 6.3 со входом 6.1 выходного реле, а также за счет коммутации входа 4.3 со входом 4.1 входного реле, входа 5.3 со входом 5.2 параллельного реле и входа 6.3 со входом 6.2 выходного реле обеспечивается возможность работы и переключения режимов повышения и понижения величины напряжения переменного тока соответственно с применением всего одного дросселя и двух ключей, что также позволяет максимально уменьшить массу и габариты совокупности применяемых в процессе регулирования величины напряжения переменного тока устройств, повысить его надежность и снизить стоимость. При этом на входе 5.2 параллельного реле и входе 6.1 выходного реле обеспечивается непрерывность тока.
Суть изобретения поясняется чертежами, где:
фиг.1 - электрическая функциональная схема устройства, реализующего способ регулирования величины напряжения переменного тока;
фиг.2 - электрическая функциональная схема стабилизатора напряжения переменного тока, реализующего способ регулирования величины напряжения переменного тока.
Устройство, реализующее способ регулирования величины напряжения переменного тока (фиг.1), состоит из последовательного ключа 1, параллельного ключа 2, дросселя 3, входного реле 4, параллельного реле 5 и выходного реле 6.
Входное напряжение переменного тока подают на вход 5.2 параллельного реле 5 и на вход 4.2 входного реле 4, вход 4.3 которого соединен со входом дросселя 3, а вход 4.1 соединен со входом 6.1 выходного реле 6, вход 6.2 которого соединен с общей цепью, а вход 6.3 соединен с выходом последовательного ключа 1, вход которого соединен с выходом дросселя 3 и входом параллельного ключа 2, выход которого соединен со входом 5.3 параллельного реле 5, вход 5.1 которого соединен с общей цепью. Нагрузку подключают ко входу 6.1 выходного реле 6.
Входное напряжение переменного тока с помощью параллельного ключа 2 преобразуют в последовательность широтно-импульсно-модулированных биполярных импульсов. При этом длительность широтно-импульсно-модулированных биполярных импульсов определяет величину напряжения на нагрузке. В дросселе 3 накапливается энергия заряда. При помощи последовательного ключа 1 осуществляют синхронное выпрямление тока разряда энергии, накопленной в дросселе 3. При этом параллельный ключ 2 и последовательный ключ 1 замыкают и размыкают в противофазе.
Работа ключей 1 и 2 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 2 работает как модулятор, а последовательный ключ 1 работает как синхронный выпрямитель.
Режим повышения величины напряжения переменного тока обеспечивают путем коммутации входа 4.3 со входом 4.2 входного реле 4, входа 5.3 со входом 5.1 параллельного реле 5 и входа 6.3 со входом 6.1 выходного реле 6.
Режим понижения величины напряжения переменного тока обеспечивают путем коммутации входа 4.3 со входом 4.1 входного реле 4, входа 5.3 со входом 5.2 параллельного реле 5 и входа 6.3 со входом 6.2 выходного реле 6.
При этом, путем противофазного замыкания и размыкания параллельного ключа 2 и последовательного ключа 1, осуществляют преобразование напряжения в последовательность биполярных импульсов значительно более высокой частоты по отношению к частоте входного напряжения переменного тока, длительность которых определяет величину регулируемого напряжения.
Одним из возможных вариантов реализации заявляемого способа регулирования величины напряжения переменного тока является однофазный стабилизатор напряжения переменного тока (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 последовательного ключа 1, параллельного ключа 2, дросселя 3, входного реле 4, параллельного реле 5, выходного реле 6, входного фильтра низкой частоты 7, выходного фильтра низкой частоты 8 и включает схему управления 9, подключенную к управляющим входам ключей и реле.
Входной фильтр низкой частоты 7 стабилизатора подключается к источнику напряжения переменного тока, а к выходу выходного фильтра низкой частоты 8 стабилизатора подключается нагрузка, например электродвигатель. Входное напряжение переменного тока с помощью параллельного ключа 2 преобразовывается в последовательность широтно-импульсно-модулированных биполярных импульсов. При этом длительность широтно-импульсно-модулированных биполярных импульсов определяет величину напряжения на нагрузке. В дросселе 3 накапливается энергия заряда. При помощи последовательного ключа 1 осуществляется синхронное выпрямление тока разряда энергии, накопленной в дросселе. При этом ключи 1 и 2 работают в противофазе. При помощи схемы управления 9 обеспечивают противофазное переключение ключей 1 и 2 с частотой значительно большей частоты входного напряжения переменного тока. Входной фильтр низкой частоты 7 и выходной фильтр низкой частоты 8 обеспечивают подавление высокочастотных составляющих промодулированного напряжения в цепи источника входного напряжения и в нагрузке.
Работа ключей 1 и 2 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 2 работает как модулятор, а последовательный ключ 1 работает как синхронный выпрямитель.
Если на вход стабилизатора поступает напряжение переменного тока величиной равной или меньшей 220 В, стабилизатор работает в режиме повышения напряжения, что обеспечивается путем коммутации входа 4.3 со входом 4.2 входного реле 4, входа 5.3 со входом 5.1 параллельного реле 5 и входа 6.3 со входом 6.1 выходного реле 6. При этом на параллельный ключ 2 и последовательный ключ 1 подают противофазные управляющие широтно-импульсно-модулированные импульсы, причем время включения ключа 2 больше времени включения ключа 1.
Если на вход стабилизатора поступает напряжение переменного тока величиной, большей 220 В, стабилизатор работает в режиме понижения напряжения, что обеспечивается путем коммутации входа 4.3 со входом 4.1 входного реле 4, входа 5.3 со входом 5.2 параллельного реле 5 и входа 6.3 со входом 6.2 выходного реле 6.
Описанный выше способ регулирования величины напряжения переменного тока, в сравнении с существующими аналогами, позволяет максимально уменьшить массу и габариты совокупности применяемых в процессе регулирования величины напряжения переменного тока устройств, повысить его надежность и снизить стоимость.