РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
AC VOLTAGE CONTROLLER

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковым преобразователям электрической энергии, предназначенным для преобразования переменного напряжения в регулируемое по величине переменное напряжение, и может быть использовано в регулируемых электроприводах переменного тока и в качестве устройств их плавного пуска.
Известен регулятор переменного напряжения с вольтдобавкой (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. - Н.: НГТУ, 2004, с.451), который содержит трансформатор (однофазный или трехфазный) напряжения, к первичным и вторичным обмоткам которого последовательно подключены встречно-параллельные тиристоры.
Такой регулятор характеризуется сложностью из-за наличия тиристоров на первичных и вторичных обмотках трансформатора, плохим использованием вентилей по обратному напряжению.
Кроме того, известен регулятор переменного напряжения (см. Розанов Ю.К. и др. Силовая электроника, М. МЭИ, 2007. с.390), являющийся прототипом, содержащий трансформатор с первичной обмоткой и n-секциями (там изображен случай двух секций), вторичной обмотки, группу управляемых двунаправленных ключей, состоящую из встречно-параллельно включенных тиристоров или транзисторов, а также нагрузку, причем управляемые ключи подсоединены одними выводами к отводам вторичной обмотки трансформатора, а вторыми выводами все соединены с одним выводом нагрузки, второй вывод которой подсоединен к выводу трансформатора, не связанному с ключами.
Недостатком регулятора является то, что обратные напряжения на ключах являются большими, т.к. определяются амплитудами напряжений отводов трансформатора, что снижает надежность работы регулятора.
Задачей предлагаемого изобретения является создание регулятора переменного напряжения с большей надежностью в работе.
Поставленная задача достигается тем, что в регуляторе переменного напряжения, содержащий трансформатор с разделенной на n секций вторичной обмоткой и группу двунаправленных управляемых ключей (тиристоров или транзисторов), подключенных к вторичной обмотке трансформатора, группа управляемых ключей разделена на две подгруппы однонаправленных ключей, также введены дополнительно две группы диодов, причем одна подгруппа n управляемых однонаправленных ключей, соединенных последовательно, подключена катодом крайнего ключа к началу вторичной обмотки трансформатора, а анодом другого крайнего ключа подгруппы - к одному выводу нагрузки, вторая группа последовательно включенных управляемых ключей подключена анодом крайнего ключа к началу вторичной обмотки трансформатора, а катодом - к тому же выводу нагрузки, при этом между анодами последовательно включенных управляемых ключей первой подгруппы и отводами секций вторичной обмотки трансформатора включены диоды первой дополнительной группы, катодами к отводам, аналогично, между катодами последовательно включенных управляемых ключей второй подгруппы и отводами секций вторичной обмотки трансформатора также включены диоды второй дополнительной группы, анодами к отводам обмотки.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого изобретения на примере трехуровневого регулятора, на фиг.2 приведена диаграмма переменного напряжения на нагрузке для первого поддиапазона регулирования при выполнении ключей на тиристорах, на фиг.3 приведена диаграмма переменного напряжения и тока нагрузки для второго поддиапазона регулирования при выполнении ключей на тиристорах, на фиг.4 приведена диаграмма переменного напряжения и тока нагрузки для третьего поддиапазона регулирования, на фиг.5 приведена диаграмма переменного напряжения и тока нагрузки для первого поддиапазона регулирования при выполнении ключей на транзисторах, на фиг.6 приведена диаграмма переменного напряжения и тока нагрузки для второго поддиапазона регулирования при выполнении ключей на транзисторах,
Регулятор переменного напряжения (фиг.1) содержит трансформатор Т 1, имеющий первичную обмотку 2 и, в общем случае, n секций вторичной обмотки (на фиг.1 изображен случай с n=3 секциями 3, 4, 5 вторичной обмотки трансформатора), первую подгруппу из n-последовательно включенных управляемых ключей ПГУК 6 (для рассматриваемой фиг.1 с n=3 отводами вторичной обмотки это ключи 7, 8, 9), подключенную катодом к началу вторичной обмотки и к одному из выводов нагрузки 10 регулятора, вторую подгруппу из n-последовательно включенных управляемых ключей ВГУК 11 (в рассматриваемой фиг.1 с n=3 это ключи 12, 13, 14), подключенную анодом к началу вторичной обмотки трансформатора и к тому же выводу нагрузки регулятора, две группы диодов - первую ПГД 15 и вторую ВГД 16, состоящую в первой группе из n-1 диодов (в случае фиг.1 n=3 это диоды 17, 18 во второй группе диодов (в случае фиг.1 n=3 это диоды 19, 20), подключенные катодами первой группы диодов к отводам вторичной обмотки трансформатора и анодами к анодам первой группы 6 последовательно включенных управляемых ключей 7, 8, 9 и подключенные анодами второй группы диодов к отводам обмотки, а катодами - к катодам второй группы 11 управляемых ключей 12, 13, 14.
1
1
Устройство работает следующим образом. Сначала рассмотрим случай использования тиристоров в качестве ключей, а затем и случай транзисторов в качестве ключей. В обоих случаях конфигурация схемы регуляторов одинакова, но алгоритмы управления ключами разные. Весь диапазон регулирования переменного напряжения разделен на n поддиапазонов, в рассматриваемом случае на n=3 поддиапазона. В первом поддиапазоне при положительной полуволне питающего напряжения, полярность которого соответствует знакам + на левых выводах секций вторичных обмоток, сначала включаются тиристоры 12 и 13 по моментам перехода отрицательной полуволны тока нагрузки через ноль и затем с варьируемым в этом поддиапазоне углом α>0 тиристор 14. Ток при этом протекает сначала по контуру секции 4 и 3 вторичных обмоток трансформатора - диод 18 - тиристор 13 - тиристор 12 - нагрузка. В момент перехода напряжения нагрузки через ноль тиристоры 13 и 14 выключаются в силу естественной коммутации и ток в нагрузке течет через тиристор 12 против напряжения секции 3 трансформатора. Затем включаются тиристоры 7 и 8 по моментам перехода положительной полуволны тока нагрузки через ноль. Отрицательная полуволна тока нагрузки протекает при этом через тиристоры 7 и 8, диод 20, секции 3 и 4 трансформатора. Затем с варьируемым в этом поддиапазоне углом α>0 включается тиристор 9 и ток из диода 20 переходит в силу естественной коммутации в цепь из тиристора 9 и секции 5 вторичной обмотки трансформатора. Мгновенное значение отрицательного переменного напряжения на нагрузке 10 возрастает до полного напряжения всех секций вторичной обмотки трансформатора, как показано на фиг.2, где наряду с напряжением нагрузки показан отдельно ток нагрузки.
Тогда форма напряжения на нагрузке в этой полуволне будет такая же двухступенчатая, как в предыдущей полуволне, как показано на фиг.2.
2
2
Во втором поддиапазоне регулирования выпрямленного напряжения в положительную полуволну питающего напряжения сначала включается тиристор 12 и диод 17 и на нагрузке 10 действует напряжение секции 3 вторичной обмотки. Ток протекает по контуру секция 3 - диод 17 - тиристор 12 - нагрузка 10. Затем с варьируемым углом α>0 включается тиристор 13 и напряжение на нагрузке 10 становится равным сумме напряжений секций 4 и 3 вторичной обмотки трансформатора. Результирующая кривая напряжения на нагрузке показана на фиг.3 для второго поддиапазона регулирования. Здесь же приведена кривая всего вторичного напряжения трансформатора u2. При отрицательной полуволне питающего напряжения сначала включается тиристор 7, а затем с углом α>0 тиристор 8.
3
В третьем поддиапазоне регулирования выпрямленного напряжения в положительную полуволну питающего напряжения включается с варьируемым углом α>0 тиристор 12 и ток течет по контуру диод 21 - секция 3 вторичной обмотки - диод 17 - тиристор 12 - нагрузка 10 до тех пор, пока не спадет до нуля после смены полярности питающего напряжения. С этого момента вступает в работу тиристор 7 и аналогично формируется отрицательная полуволна тока нагрузки. Результирующая кривая переменного напряжения на нагрузке на фиг.4 такая же, как в классической схеме регулятора напряжения одной секции вторичной обмотки.
Теперь рассмотрим случай использования транзисторов в качестве ключей. В первом поддиапазоне при положительной полуволне питающего напряжения, полярность которого соответствует знакам + на левых выводах секций вторичных обмоток, включаются с повышенной частотой поочередно то два транзистора 12 и 13, то три транзистора 12, 13, 14. При отрицательной полуволне питающего напряжения, полярность которого соответствует знакам - на левых выводах секций вторичных обмоток, включаются с повышенной частотой поочередно то два транзистора 7 и 8, то три транзистора 7, 8, 9. Напряжение uн на нагрузке имеет вид, показанный на фиг.5, где дополнительно показано напряжение u21 одной секции вторичной обмотки трансформатора. При активно-индуктивной нагрузке указанные последовательности управления необходимо делать по интервалам, соответствующим положительной и отрицательной полуволнам тока нагрузки, как и в случае тиристорного регулятора.
Во втором поддиапазоне регулирования выходного напряжения при положительной полуволне питающего напряжения включаются с повышенной частотой поочередно то один транзистор 12, то два транзистора 12, 13. При отрицательной полуволне питающего напряжения включаются с повышенной частотой поочередно то один транзистор 7, то два транзистора 7, 8. Напряжение uн на нагрузке имеет вид, показанный на фиг.6, где дополнительно показано напряжение u2 всей вторичной обмотки трансформатора.
В третьем диапазоне регулирования выходного напряжения кривая напряжения на нагрузке здесь такая же, как и случае тиристорного регулятора.
Таким образом, как видно из схемы регулятора, напряжения на тиристорах 7-9 и 12-14 фиксируются с помощью диодов 19-20 и 17-18 соответственно на уровне напряжения секции вторичной обмотки, которая в общем случае в n раз (здесь в 3 раза) меньше напряжения всей вторичной обмотки. Поэтому создан регулятор переменного напряжения с уменьшенными значениями обратных напряжений на тиристорах, т.е. с более высокой надежностью работы регулятора.