РЕГУЛЯТОР-СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
AC CONTROLLER

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано в тех случаях применения, где требуется расширенный диапазон регулирования выходного напряжения (со стабилизацией тока при нескольких заданных его значениях) и хорошие показатели по электромагнитной совместимости (ЭМС). Такие требования предъявляются сегодня, например, к регуляторам яркости, обеспечивающим электропитание ламп посадочной полосы аэродромов с несколькими заданными (стабилизированными) значениями тока.
Известны регуляторы-стабилизаторы переменного тока, обеспечивающие решение задачи широкодиапазонного его регулирования при заданных значениях тока стабилизации и при заданном уровне ЭМС (см., например, стр.11, рис.4 в [1]: Гельман М.В., Лохов С.П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения. - М.: Энергия, 1975. - 104 с.). Такие регуляторы-стабилизаторы содержат трансформатор с одной первичной обмоткой (образующей входные силовые выводы регулятора) и с одной или несколькими вторичными обмотками, выполненными с промежуточными отводами (отпайками), которые через управляемые ключевые элементы (в виде встречно-параллельно соединенных тиристоров) подключены к выходным выводам регулятора. Управление ключевыми элементами осуществляется выполненным соответствующим образом блоком импульсно-фазового управления. Регулирование напряжения со стабилизацией тока осуществляется комбинированным способом: дискретно - изменением коэффициента трансформации трансформатора за счет переключения отводов вторичной (или нескольких вторичных) обмоток трансформатора и плавно - за счет широтного (фазового) регулирования напряжения в пределах каждой отпайки.
Недостатками таких решений регулятора-стабилизатора являются: 1) технологические сложности изготовления трансформатора, обусловленные наличием большого числа промежуточных отводов во вторичной обмотке, которые приводят к повышению его стоимости; 2) увеличенной стоимостью ключевых элементов и техническими проблемами при необходимости получения повышенных значений выходного напряжения порядка 4…6 кВ; 3) невозможностью использования при относительно больших мощностях (примерно больше 10 кВА) более эффективной (технологически и технико-экономически) тороидальной конструкции магнитопровода трансформатора, которая позволяет уменьшить шумы в работе трансформаторов.
Наиболее близким по технической сущности решением является регулятор-стабилизатор тока электроосветительного оборудования аэродромов, описанный на стр.237…239, рис.12.16 в [2]: Электроосветительное оборудование аэродромов /Фрид Ю.В., Величко Ю.К., Козлов В.Д. и др. - М.: Транспорт, 1988. - 318 с. Он тоже содержит трансформатор с одной первичной и одной вторичной силовыми обмотками. Первичная обмотка подключается к сети через управляемый ключевой элемент с двухсторонней проводимостью, выполненный в виде пары встречно соединенных тиристоров. Блок импульсно-фазового управления (БИФУ) тиристорами обеспечивает стабилизацию заданного значения тока нагрузки, которой является так называемое «кабельное кольцо» [2]. Принципы построения БИФУ описаны, например, на стр.214-239 в [3]: Справочник по преобразовательной технике /Под ред. И.М.Чиженко. - Киев: «Техника», 1978. - 447 с. По технической сущности решения такой регулятор-стабилизатор является наиболее близким к предложенному и поэтому выбран за прототип.
Недостатками этого решения являются: 1) плохая ЭМС по входу и выходу (из-за больших искажений входных и выходных токов), не соответствующая современным международным требованиям, предъявляемым МЭК; 2) сильно изменяемая форма тока нагрузки при изменении его значения, что затрудняет измерение с высокой точностью действующего его значения и особенно при больших углах регулирования, которые соответствуют малым значениям тока нагрузки; 3) большие искажения напряжения и тока, при которых работает трансформатор, приводят к завышенному уровню излучаемых им акустических шумов; 4) невозможность дальнейшего улучшения технико-экономических показателей трансформатора (включая ослабление шумов) при мощностях больше 3000 ВА за счет перехода на тороидальную конструкцию магнитопровода (поскольку максимальный стандартный типоразмер магнитопровода на частоте 50 Гц ограничен сегодня именно указанной мощностью трансформатора).
Целью настоящего изобретения является ослабление указанных недостатков (вплоть до практического исключения ряда из них).
Поставленная цель достигается тем, что регулятор переменного тока, содержащий основной силовой канал регулирования в виде основного трансформатора, первичная обмотка которого подключена к силовым входным выводам регулятора-стабилизатора через пару встречно-параллельно соединенных основных тиристоров, а вторичная обмотка предназначена для подключения ее к выходным выводам регулятора-стабилизатора, а также систему управления, включающую в себя последовательно соединенные датчик тока нагрузки, узел измерения действующего значения тока нагрузки, узел сравнения его с выходным сигналом задатчика уровня стабилизации тока, а также блок импульсно-фазового управления основными тиристорами, одним из своих входов подключенный ко входным выводам регулятора-стабилизатора, снабжен «дежурным» трансформатором напряжения со вторичной обмоткой и с первичной обмоткой, подключенной к силовым входным выводам регулятора-стабилизатора, N числом дополнительных силовых каналов регулирования, каждый из которых выполнен аналогично основному силовому каналу регулирования и содержит дополнительный трансформатор со вторичной обмоткой и с первичной обмоткой, подключенной ко входным силовым выводам регулятора-стабилизатора через пару встречно соединенных дополнительных тиристоров, а также N+1 числом пар встречно-параллельно соединенных тиристоров, каждая из которых подключена параллельно одной из первичных обмоток основного и дополнительных трансформаторов, вторичные обмотки основного, N дополнительных и «дежурного» трансформаторов соединены согласно последовательно и подключены к выходным выводам регулятора-стабилизатора, система управления снабжена датчиком перехода тока нагрузки через нулевые значения, а также логическим блоком распределения управляющих импульсов между основными, дополнительными и шунтирующими тиристорами, задатчик уровня стабилизации тока нагрузки выполнен с переключаемыми N+1 уровнями, причем входы упомянутого логического блока подключены к выходу задатчика уровня стабилизации тока нагрузки, к выходу датчика перехода тока нагрузки через нулевые значения, к выходу блока импульсно-фазового управления и ко входным силовым выводам регулятора-стабилизатора.
Техническая сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг.1 принципиальная электрическая схема силовой части регулятора-стабилизатора переменного тока с функциональной блок-схемой системы управления;
на фиг.2 и 3 - временные диаграммы рабочих процессов в регуляторе-стабилизаторе в режиме, соответствующем максимальному значению тока нагрузки;
на фиг.4 - вариант выполнения логического блока 37 системы управления;
на фиг.5 - временные диаграммы, поясняющие работу регулятора переменного тока в режиме последовательного увеличения тока нагрузки.
Регулятор-стабилизатор на фиг.1 содержит основной силовой канал регулирования 1, выполненный в виде основного трансформатора напряжения 2 с первичной 3 и вторичной 4 обмотками, причем параллельно первичной обмотке 3 подключена пара встречно-параллельно соединенных шунтирующих тиристоров 5 (в качестве них может использоваться симистор (Triac) 5, как показано на фиг.1). Одна точка соединения симистора 5 и обмотки 3 через пару встречно-параллельно соединенных основных тиристоров 6 (или симистора 6) подключена к первому входному силовому выводу стабилизатора 7, а другая точка соединения симистора 5 и первичной обмотки 3 подключена к его второму входному силовому выводу 8. Регулятор-стабилизатор снабжен постоянно работающим «дежурным» трансформатором напряжения 9 со вторичной обмоткой 10 и с первичной обмоткой 11, подключенной ко входным силовым выводам 7, 8 регулятора-стабилизатора. В данном конкретном примере регулятор-стабилизатор снабжен двумя (N=2) дополнительными силовыми каналами регулирования 12, 13, которые выполнены аналогично основному силовому каналу регулирования: первый дополнительный канал 12 содержит дополнительный трансформатор напряжения 14 с первичной 15 и вторичной 16 обмотками, причем параллельно первичной обмотке 15 подключен симистор 17, одна точка соединения симистора 17 и обмотки 15 через симистор 18 подключена к первому входному силовому выводу регулятора-стабилизатора 7, а другая точка соединения симистора 17 и первичной обмотки 15 подключена к его второму входному силовому выводу 8. Второй дополнительный канал 13 содержит дополнительный трансформатор 19 с первичной 20 и вторичной 21 обмотками и симисторы 22, 23, которые соединены с первичной обмоткой 20 и входными силовыми выводами 7, 8 стабилизатора так же, как и в основном силовом (1) и в первом (12) дополнительном каналах. Вторичные обмотки 4, 10, 16, 21 основного, «дежурного» и двух дополнительных каналов соединены согласно последовательно и подключены к выходным выводам 24, 25 регулятора. К выводам 24, 25 подключается нагрузка 26 - «кабельное кольцо», которое выполнено в виде L числа ламп 27, 28, 29, …L (где L=100…200), соединенных между собой последовательно через согласующие трансформаторы.
Система управления 30 регулятором-стабилизатором содержит блок импульсно-фазового управления 31, последовательно соединенные датчик тока нагрузки 32, измеритель действующего значения тока нагрузки 33, задатчик N+1 уровней стабилизации тока нагрузки 34, узел сравнения сигналов 35 измерителя действующего значения тока 33 и задатчика уровней стабилизации тока нагрузки 34, а также датчик перехода тока нагрузки через нулевые значения 36 и логический блок 37 распределения управляющих импульсов между основными, дополнительными и шунтирующими тиристорами. Входы этого узла 37 подключены к выходам блока импульсно-фазового управления 31, к выходам узлов 34, 36 и ко входным силовым выводам регулятора-стабилизатора. В данном примере регулятор реализует три уровня тока стабилизации: N+1=2+1=3. Для изменения уровней стабилизации тока нагрузки используются три ключа 38, 39, 40, которыми управляет оператор.
2
Процессы в регуляторе-стабилизаторе для (третьего - см. ниже) режима, когда выходное напряжение регулятора близко к наибольшему, при мощности активно-индуктивной нагрузки S=13 кВА с cosφ=0,95 и при конкретном значении угла регулирования α=70 эл. град показаны на фиг.2 и 3. При этом приняты следующие обозначения:
- на фиг.2:
1
41 - входное (сетевое) напряжение U(t) регулятора-стабилизатора и 42 - потребляемый из сети ток;
43, 44 - напряжение на обмотке 3 основного трансформатора 2 и ток через нее соответственно;
45, 46 - напряжение на обмотке 15 дополнительного трансформатора 14 и ток через нее соответственно;
на фиг.3:
47, 48 - напряжение на обмотке 20 дополнительного трансформатора 19 и ток через нее соответственно;
49, 50 - напряжение на обмотке 11 «дежурного» трансформатора 9 и ток через нее соответственно;
51, 52 - выходное напряжение регулятора-стабилизатора (на выходных выводах 24, 25) и ток нагрузки.
Принцип построения и работы нестандартного логического блока 37 поясняется фиг.4 и 5.
Логический блок 37 на фиг.4 содержит три логических узла 53, 54, 55.
Первый логический узел 53 обеспечивает формирование импульсов управления для ключевых элементов (в данном случае симисторов) 5, 6 основного канала. Его логическая часть содержит три логических элементов «ЗИ» 56, 57, 58, один логический элемент «НЕ» 59 и один логический элемент «2ИЛИ» 60. Связи между логическими элементами 56÷60 и результирующая функция логического узла 53 в соответствии с фиг.4 и 5 определяются следующими логическими выражениями:
,
.
Второй логический узел 54 обеспечивает формирование импульсов управления для ключевых элементов 17, 18 первого дополнительного канала. Его логическая часть содержит три логических элементов «ЗИ» 61, 62, 63, один логический элемент «НЕ» 64 и один логический элемент «2ИЛИ» 65. Связи между логическими элементами 61÷65 и результирующая функция логического узла 54 в соответствии с фиг.4 и 5 определяются следующими логическими выражениями:
,
.
Третий логический узел 55 обеспечивает формирование импульсов управления для ключевого элемента 23 второго дополнительного канала. Его логическая часть содержит только один логический элемент «2И» 66. Управление ключевым элементом 22 обеспечивается непосредственно от датчика перехода тока нагрузки через нулевые значения 36. Функциональная характеристика логического элемента «2И» 66 определяется логическим выражением
,
.
Выходы логических элементов 58, 60, 63, 65, 66 и выход датчика перехода тока нагрузки через нулевые значения 36 подключены к управляющим входам ключевых элементов 5, 6, 17, 18, 22, 23 соответственно через драйверы (усилительно-развязывающие узлы) 67÷72.
Описание принципа работы регулятора
Работа логического блока 37, системы управления 30 и регулятора в целом поясняется временными диаграммами на фиг.5, где показаны:
10
10
4
10
4
16
10
4
16
21
1
1
2
2
3
- U- напряжение на вторичной обмотке 10; U+U - суммарное напряжение 2-х вторичных обмоток 10 и 4; U+U+U - суммарное напряжение 3-х вторичных обмоток 10, 4, 16; U+U+U+U - суммарное напряжение 4-х вторичных обмоток 10, 4, 16, 21. При этом пунктиром показаны потенциально возможные напряжения (при замкнутых ключевых элементах 6, 18, 23 и разомкнутых 5, 17, 22, а непрерывными жирными линиями - реальные напряжения на нагрузке (между выходными выводами 24, 25), на трех интервалах 0÷θ; θ÷θ и θ÷θ, которые соответствуют трем режимам работы регулятора - режиму минимальных значений напряжений, режиму средних значений напряжений и режиму наибольших его значений;
1
2
3
- α, α, α - углы регулирования для каждого из трех режимов;
1
2
3
- p, p, p - сигналы, поступающие от задатчика уровней стабилизации тока нагрузки 34 (задаются оператором или автоматически - см. фиг.5) и задающие моменты перехода из одного режима в другой;
01
02
03
- I, I, I - сигналы, определяющие уровни задания тока нагрузки;
i0
- U - сигнал, поступающий от датчика перехода тока нагрузки через нулевые значения 36;
31
- U - сигнал на выходе блока импульсно-фазового управления (БИФУ) 31;
1(+)
1(-)
U, U - сигналы, определяющие полярность полуволн напряжения сети;
У5
У6
У17
У18
У22
У23
U, U, U, U, U, U - сигналы управления ключевыми элементами 5, 6, 17, 18, 22, 23 соответственно.
Рассмотрим алгоритмы управления ключевыми элементами регулятора, соответствующие каждому из трех режимов стабилизации тока нагрузки, которые обеспечиваются последовательным включением ключей 38, 39, 40.
1
1
01
В первом режиме (на интервале 0÷θ - фиг.5) обеспечивается стабилизация тока нагрузки при минимальном его значении. При этом замкнут только ключ 38, и от задатчика N+1 уровней стабилизации тока нагрузки 34 в узел сравнения 35 и в логический узел 37 подается сигнал p (фиг.5) и минимальный уровень сигнала задания I. В логический узел 37 поступают также информация от датчика перехода тока нагрузки через нулевые значения 36, от блока импульсно-фазового управления 31 и информация о напряжении сети. В этом режиме логический узел обеспечивает:
1
а) подачу управляющих импульсов на симисторы основного канала 1: на основной симистор 6 с управляемой задержкой на угол α (относительно нулевых значений сетевого напряжения - см. фиг.2, 3, и 5) и на шунтирующий симистор 5 в моменты перехода тока нагрузки через нулевые значения;
б) подачу импульсов управления на шунтирующие тиристоры 17, 22 в моменты перехода тока нагрузки через нулевые значения;
в) и запрет на подачу управляющих импульсов на дополнительные симисторы 18, 23 дополнительных каналов 12, 13;
В результате второй операции (б) трансформаторы 14, 19 оказываются в режиме трансформатора тока, то есть передача энергетического потока через них от сети в нагрузку 26 не происходит, и они практически не оказывают заметного дополнительного сопротивления для тока нагрузки. К нагрузке 26 при этом прикладывается сумма двух напряжений - напряжения на обмотке 4 трансформатора напряжения 2 и напряжения на обмотке 10 трансформатора напряжения 9.
1
2
1
2
02
Во втором режиме (на интервале θ÷θ - фиг.5) обеспечивается стабилизация тока нагрузки при среднем его значении. При этом в задатчике уровней стабилизации тока 34 замкнуты ключи 38, 39, и в узел сравнения 35 подается уже два сигнала р и р, больший уровень сигнала задания - I. Логический узел 37 распределения управляющих импульсов между основными, дополнительными и шунтирующими тиристорами переходит в новое (второе) состояние и в соответствии с фиг.4 и 5 обеспечивает здесь:
2
а) подачу управляющих импульсов на симисторы дополнительного канала 12: на дополнительный симистор 18 с управляемой задержкой на угол α (относительно нулевых значений сетевого напряжения) и на шунтирующий симистор 17 в моменты перехода тока нагрузки через нулевые значения;
б) подачу управляющих импульсов на основной симистор 6 основного канала 1 в моменты перехода тока нагрузки через нулевые значения;
в) запрет на подачу управляющих импульсов на шунтирующий симистор 5 основного канала 1;
г) запрет на подачу управляющих импульсов на дополнительный симистор 23 дополнительного канала 13.
2
3
1
2
3
03
В результате первой операции (а) трансформатор 19 оказывается в режиме трансформатора тока, передача энергетического потока через него от сети в нагрузку 26 не происходит, и он практически не оказывает заметного дополнительного сопротивления для тока нагрузки. К нагрузке 26 при этом прикладывается сумма уже трех напряжений - напряжения на обмотке 4 трансформатора напряжения 2, напряжения на обмотке 16 трансформатора напряжения 14 и напряжения на обмотке 10 трансформатора напряжения 9. В третьем режиме (на интервале θ÷θ - фиг.5) обеспечивается стабилизация тока нагрузки при максимальном его значении. При этом в задатчике уровней стабилизации тока 34 замкнуты все три ключа 38÷40 и в узел сравнения 35 и в логический узел 37 подаются уже три сигнала р, р и р, а также максимальный уровень сигнала задания I. Логический узел 37 распределения управляющих импульсов между основными, дополнительными и шунтирующими тиристорами при этом переходит в новое (третье) состояние и обеспечивает здесь:
а) подачу управляющих импульсов на симисторы дополнительного канала 13: на дополнительный симистор 23 с управляемой задержкой на угол α (относительно нулевых значений сетевого напряжения) и на шунтирующий симистор 22 в моменты перехода тока нагрузки через нулевые значения;
б) подачу управляющих импульсов на основной симистор 6 основного канала 1 и на дополнительный симистор 18 дополнительного канала 12 в моменты перехода тока нагрузки через нулевые значения;
в) запрет на подачу управляющих импульсов на шунтирующий симистор 5 основного канала 1;
г) запрет на подачу управляющих импульсов на шунтирующий симистор 17 дополнительного канала 12.
У31
У31
1(+)
1(-)
В качестве управляемых ключевых элементов могут быть использованы как тиристоры, так и симисторы. При использовании симисторов в качестве сигнала управления, соответствующего моментам перехода тока нагрузки через нулевые значения, используется сигнал U по модулю . При использовании тиристоров положительные и отрицательные импульсы сигнала U распределяются между тиристорами одной пары с помощью сигналов U и U, показанных на фиг.5, и двух логических элементов «2И». Система управления может быть выполнена как в цифроаналоговом, так и в цифровом виде.
Использованный в изобретении многоканальный принцип построения регулятора-стабилизатора позволяет реализовать следующие положительные качества:
1) улучшить его электромагнитную совместимость за счет уменьшения искажений как входного, так и выходного тока и улучшить входной коэффициент мощности, причем с ростом канальности преобразования энергетического потока N эти показатели качества улучшаются;
2) за счет дробления силового преобразующего тракта (на N+1 частей) появляется возможность использования магнитопроводов тороидальной конструкции, позволяющей заметно улучшить технологические и технико-экономические показатели трансформаторов;
3) показатели качества по п.1) и конструкторские возможности по п.2) позволяют значительно снизить шумы в работе трансформаторов, что важно в ряде случаев при эксплуатации;
4) показатели качества по п.1) позволяют отказаться от использования дросселя индуктивности, часто устанавливаемого в силовой цепи регулятора-стабилизатора для сглаживания тока с вытекающими из этого возможностями улучшения показателей качества регулятора-стабилизатора.
Целесообразное число дополнительных каналов N зависит от требуемой мощности регулятора-стабилизатора и определяется в каждом конкретном случае применения.