РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Устройство относится к области электротехники, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано в системах электроснабжения с несинусоидальными токами и напряжениями для повышения коэффициента мощности активно-индуктивных нагрузок.
Известен регулятор напряжения (А.с. СССР 1372464, Н02J 3/12, Н02J М 5/257), позволяющий раздельно регулировать активную и реактивную мощности, а также стабилизировать входной коэффициент мощности регулятора при изменении характера и величины нагрузки. Недостатком известного регулятора является низкая помехозащищенность.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является регулятор переменного напряжения (Патент Республики Казахстан на изобретение 18019, H02J 3/12, Н02М 5/257).
Известный регулятор позволяет стабилизировать входной коэффициент мощности регулятора при наличии в системе электроснабжения нелинейных нагрузок за счет устранения контура обмена реактивной мощностью (реактивного тока основной частоты) нагрузки регулятора и входной сети. Регулятор содержит активно-индуктивную нагрузку, вентили с двусторонней проводимостью, регуляторы скважности, формирователи импульсов, датчик фазового угла сдвига тока и напряжения на входе регулятора, датчик напряжения, датчик тока, операционные усилители, логический элемент И-НЕ сравнения с двумя инверсными выходами, стабилитроны, дополнительный резистор (для однофазной схемы), фильтры низких частот.
Недостатком известного регулятора является низкая помехозащищенность от перенапряжений в электрической сети и кондуктивных сетевых помех в рабочих и аварийных режимах и приводящая к снижению надежности системы управления вентилями с двусторонней проводимостью.
Целью полезной модели является повышение помехозащищенности регулятора.
Технический результат предлагаемого технического решения - более высокая надежность за счет исключения попадания сетевых помех и наводок в систему управления регулятора переменного напряжения.
Технический результат достигается тем, что в регулятор напряжения, содержащий первый полностью управляемый ключ двусторонней проводимости, включенный последовательно с нагрузкой, первый формирователь импульсов управления первым ключом, вход которого через первый регулятор скважности подключен к первому инверсному выходу логического блока формирования импульсов управления, второй инверсный выход которого подключен через второй регулятор скважности к входу второго формирователя импульсов управления вторым полностью управляемым ключом двусторонней проводимости, второй ключ включен через резистор параллельно нагрузке, датчик фазового сдвига напряжения и тока на входе регулятора, выполненный в виде датчиков напряжения и тока, подключенным к сети переменного тока, выходы которых через соответствующие фильтры низких частот соединены с соответствующими входами операционных усилителей, двух стабилитронов, подключенных параллельно соответствующим ключам, дополнительно введены два оптронных транзисторных ключа, включенных соответственно между соответствующими управляющими входами ключей и формирователями импульсов управления ключами, две оптронные пары, включенных соответственно между соответствующими входами логического блока формирования импульсов управления и операционными усилителями.
Как видно из вышеизложенного, предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, отличными от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии данного решения критерию «новизна».
В результате проведенного поиска и последующего сопоставительного анализа совокупность признаков, отличающая предлагаемое техническое решение от прототипа, в известных устройствах не обнаружена, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «существенные отличия».
Применение оптронов и транзисторных оптронных ключей позволяет осуществить идеальную гальваническую развязку между электрическими цепями системы управления и силовой сетью, что значительно повышает помехоустойчивость за счет устранения влияния перенапряжений в электрической сети и кондуктивных сетевых помех на работу электронных устройств системы управления и, соответственно, надежность работы регулятора переменного напряжения. Это позволит также обеспечить соответствие характеристик регулятора напряжения требованиям международных стандартов МЭК серии 61000 в области электромагнитной совместимости технических средств, в части обеспечения помехоустойчивости.
Наличие вышеперечисленных существенных признаков в предлагаемом регуляторе переменного напряжения позволяет повысить надежность его работы.
На фиг.1 приведена функциональная схема регулятора при включении в однофазную сеть; на фиг.2 - функциональная схема трехфазного регулятора напряжения.
Регулятор переменного напряжения содержит активно-индуктивную нагрузку 1, полностью управляемые ключи 2 и 3 с двусторонней проводимостью, регуляторы 4 и 5 скважности, формирователи 6 и 7 импульсов, датчик 8 фазового сдвига напряжения и тока на входе регулятора, включающий в себя, датчик 9 напряжения, датчик 10 тока, фильтры 11 и 12 низкой частоты, операционные усилители 13 и 14, логический блок 15 формирования импульсов управления с двумя инверсными выходами 16 и 17, резистора 18 (для однофазной схемы), двух стабилитронов 19, двух оптронов 20 и 21 и двух транзисторных оптронных ключей 22 и 23.
Активно-индуктивная нагрузка 1 через первый полностью управляемый ключ 2 с двусторонней проводимостью соединена с питающей сетью. Параллельно с нагрузкой 1 включены последовательно соединенные второй полностью управляемый ключ 3 с двусторонней проводимостью и дополнительный резистор 18 (для однофазной схемы). Управляющий вход первого ключа 2 через последовательно соединенные первый транзисторный оптронный ключ 22, первый формирователь 6 импульсов и первый регулятор 4 скважности импульсов подключен ко второму выходу 17 логического блока 15 формирования импульсов управления. Управляющий вход второго ключа 3 через последовательно соединенные второй транзисторный оптронный ключ 23, второй формирователь 7 импульсов и второй регулятор 5 скважности импульсов подключен к первому выходу 16 логического блока 15 формирования импульсов управления, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами оптронов 20 и 21. Датчик 8 фазового сдвига напряжения и тока на входе регулятора, включает себя датчик 9 напряжения, датчик 10 тока, два фильтра низких частот 11 и 12, два операционных усилителя 13 и 14, на которых выполнен триггер Шмидта, два оптрона 20 и 21 и логический блок 15 формирования импульсов управления. Вход первого оптрона 20 через последовательно соединенные первый операционный усилитель 13, первый фильтр 11 низких частот и датчик 9 напряжения подключен к входу первого ключа 2, к входу которого подключен также вход второго оптрона 21 через второй операционный усилитель 14, второй фильтр 12 нижних частот и датчик 10 тока. Для устранения кратковременных пиков коммутационных напряжений управляемые ключи 2 и 3 шунтированы встречно включенными стабилитронами 19.
В трехфазном регуляторе параллельно нагрузке 1 включен блок 3 из трех полностью управляемых ключей с двусторонней проводимостью, шунтированных соответствующими встречно включенными стабилитронами, а трехфазная активно-индуктивная нагрузка 1 соединена с сетью через блок 2 из трех полностью управляемых ключей с двусторонней проводимостью, шунтированных соответствующими встречно включенными стабилитронами. Блоки 4-7, 9-15, 20-23 исполнены в трехфазном исполнении.
В качестве оптронов и транзисторных оптронных ключей могут быть использованы промышленные оптроны и ключи, например марки КР249КН8А, АОТ161А1 и другие производимые ЗАО «Синтэк» (Россия), ОАО «Протон» (Россия).
Регулятор работает следующим образом.
С подачей сетевого напряжения на вход регулятора переменного напряжения сигналы с датчика 9 напряжения и датчика 10 тока поступают на входы соответствующих фильтров 11 и 12 нижних частот, с выходов которых сигналы, соответствующие напряжению и току первой гармоники, через операционные усилители 13 и 14, на которых выполнены триггеры Шмидта, оптроны 20 и 21, логический блок 15 формирования импульсов управления, регуляторы 4 и 5 скважности и формирователи 6 и 7 импульсов поступают на соответствующие транзисторные оптронные ключи 22 и 23 и далее на управляющие входы полностью управляемых ключей 2 и 3 с двусторонней проводимостью. Согласно логике их переключения при совпадении знаков входного напряжения и тока, когда мгновенная мощность положительна, энергия поступает из сети в нагрузку 1 где поглощается в сопротивлении нагрузки Rн (выполняет полезную работу; активная мощность) и обеспечивает нормальный режим работы путем создания электромагнитных полей индуктивностью Lн (реактивная мощность, реактивный ток). В эти моменты включается последовательно соединенный с нагрузкой 1 ключ 2, а ключ 3, параллельный нагрузке 1, отключается. Из сети потребляется мощность (ток), которая имеет активную и реактивную составляющие. В знакопеременные интервалы, когда мгновенная мощность отрицательна (эквивалентна реактивной мощности) ключ 2 отключается и включается ключ 3, последовательно соединенный с сопротивлением Rш 18 (для однофазного регулятора). Сопротивление 18 шунтирует нагрузку 1, в результате чего изменяется контур протекания реактивного тока, то есть реактивный ток циркулирует внутри регулятора и в сеть не поступает. В результате чего повышается коэффициент мощности по первой (основной) гармонике на входе регулятора напряжения. Затем цикл повторяется.
Величина сопротивления Rш зависит от мощности нагрузки и ее коэффициента мощности и определяется либо экспериментальным путем, либо путем математического моделирования с использованием, например, программ Electronics Workbench, MatLab, Micro-Cap.
В трехфазном регуляторе осуществляется фазная циркуляция реактивной мощности с фазы на фазу посредством параллельных нагрузке управляемых ключей 3. В связи с тем, что сумма реактивных токов за период питающей сети в многофазных цепях без нулевого провода с индуктивной нагрузкой равна нулю, то логика переключения ключей 2 и шунтирующих нагрузку 1 ключей 3 обеспечивают циркуляцию реактивной мощности первой гармоники по фазам внутри регулятора напряжения и практически единичный его входной коэффициент мощности.
Таким образом, благодаря устранению обмена реактивной мощностью нагрузки с сетью входной коэффициент мощности регулятора напряжения при работе на активно-индуктивную нагрузку в автоматическом режиме для однофазной сети в 2 раза снижает потребление нагрузкой реактивной мощности, а для трехфазной сети поддерживает коэффициент мощности равным единице. Введение оптронов и транзисторных оптронных ключей позволяет значительно повысить помехозащищенность системы управления регулятора переменного напряжения от перенапряжений в электрической сети и кондуктивных сетевых помех в рабочих и аварийных режимах.