ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к областям преобразовательной техники и автоматизированного электропривода.
Известен тиристорный регулятор напряжения [1], содержащий блок тиристоров, соединенный по цепи входов с фазами питающей сети через трансформаторы тока и по цепи выходов с нагрузкой, трехфазный источник напряжения синхронизации, генератор высокочастотных импульсов, m каналов импульсно-фазового управления, усилители импульсов, импульсные трансформаторы и источник управляющего сигнала, соединенные между собой и с управляющими цепями блока тиристоров.
Недостатком данного устройства является значительная длительность управляющих сигналов, равная 65-120 электрическим градусам. Поэтому усилители импульсов, импульсные трансформаторы находятся продолжительное время в рабочем состоянии и вся система управления в целом потребляет значительную мощность и, соответственно, имеет большие массо-габаритные показатели.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному решению и взятым за прототип является устройство управления вентильным преобразователем [2], содержащее блок тиристоров, соединенный по цепи входов с фазами питающей сети через трансформаторы тока и по цепи выходов с нагрузкой, m-фазный источник напряжения синхронизации,
генератор высокочастотных импульсов, источник управляющего сигнала и каналы импульсно-фазового управления, каждый состоящий из устройства фазосмещения, двух логических распределителей импульсов, усилителей импульсов и импульсных трансформаторов, соединенных соответствующим образом между собой и с управляющими цепями блока тиристоров.
Следует отметить, что за счет дополнительно введенного узла высокочастотной синхронизации устройство обеспечивает надежное управление блоком тиристоров, с последовательным соединением последних.
Недостатком прототипа, как и аналога [1], является значительная длительность управляющих сигналов, равная 65-120 электрическим градусам для обеспечения работоспособности блока тиристоров. В результате усилители импульсов и импульсные трансформаторы имеют большие габариты и устройство потребляет значительную мощность.
Следует отметить, что при длительности управляющих импульсов меньше 60 электрических градусов тиристорный блок был бы неработоспособен: отсутствует условие протекания тока в нагрузке, т.к. в любой текущий момент времени управляющие импульсы подаются только на один тиристор блока тиристоров, а цепь для протекания тока в нагрузке содержит как минимум два тиристора разных фаз.
Технический результат заявляемого решения - уменьшение массо-габаритных показателей и потребляемой мощности системы управления
тиристорного регулятора напряжения.
Технический результат достигается тем, что в тиристорный регулятор напряжения, содержащий блок тиристоров, соединенный по цепи входов с m фазами питающей сети через трансформаторы тока и по цепи выходов с нагрузкой, m-фазный источник напряжения синхронизации, генератор высокочастотных импульсов, m каналов импульсно-фазового управления, состоящих из устройства фазосмещения, двух логических распределителей импульсов, усилителей импульсов и импульсных трансформаторов, соответственно соединенных между собой, управляющими цепями блока тиристоров, а также с m-фазным источником напряжения синхронизации и генератором высокочастотных импульсов, дополнительно введены m выпрямителей и пороговых элементов, при этом вход каждого выпрямителя подключен к выходу соответствующего трансформатора тока, а выход выпрямителя - к входу порогового элемента, выход которого соединен с одним из входов логического распределителя импульсов соответствующего канала импульсно-фазового управления.
Отличительной особенностью предлагаемой полезной модели является то, что уменьшение массо-габаритных показателей и потребляемой мощности устройства достигнуто за счет введения m маломощных и малогабаритных измерительных выпрямителей, пороговых элементов и подключения их между выходом трансформаторов тока и входом логического распределителя импульсов соответствующего канала
импульсно-фазового управления. В процессе работы устройства пороговые элементы по контролируемому току в каждой фазе четко фиксируют факт-надежного отпирания тиристоров и после их включения блокируют подачу управляющих импульсов: выключают усилители импульсные и импульсные трансформаторы. Поэтому длительность подачи управляющих импульсов на тиристорный блок существенно уменьшается (оптимизируется) и составляет 5-10 электрических градусов вместо 65-120 у известных устройств при сохранении условий надежной работоспособности тиристорного блока. В результате значительно уменьшается потребляемая мощность системы управления и устройства в целом и, соответственно, уменьшаются его массо-габаритные показатели. Следует отметить, что массо-габаритные показатели системы управления тиристорного регулятора напряжения определяются аналогичными показателями усилителей импульсов и импульсных трансформаторов. Поэтому введение дополнительных малогабаритных выпрямителей и пороговых элементов в целом приводит к вышеуказанному положительному результату.
На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства, где приняты следующие обозначения:
1 - блок тиристоров;
2-4 - трансформаторы тока;
5 - нагрузка, например, электродвигатель переменного тока;
6 - m-фазный источник напряжения синхронизации, например,
трехфазный трансформатор;
7 - генератор высокочастотных импульсов, например, с частотой f=20 кГц;
8-10- каналы импульсно-фазового управления;
11 - устройство фазосмещения, выполненное с двумя выходами;
12, 13 - логические распределители импульсов, выполненные, например, на логических элементах 3И;
14, 15 - усилители импульсов;
16, 17 - импульсные трансформаторы;
18-20 - выпрямители;
21-23 - пороговые элементы.
В предлагаемом тиристорном регуляторе напряжения блок тиристоров 1 соединен по цепям входов с m фазами питающей сети через трансформаторы тока 2-4 и по цепи выходов с нагрузкой 5. Кроме того, тиристорный регулятор напряжения содержит m-фазный источник напряжения синхронизации 6, генератор высокочастотных импульсов 7, m каналов импульсно-фазового управления 8-10, состоящих из устройства фазосмещения с двумя выходами 11, логических распределителей импульсов 12, 13 с тремя входами, усилителей импульсов 14, 15 и импульсных трансформаторов 16, 17, соответственно соединенных между собой и управляющими цепями блока тиристоров. При этом вход каждого устройства фазосмещения 11 подключен к соответствующему выходу m-фазного
источника напряжения синхронизации 6. Выходы устройства фазосмещения 11 подключены к первым входам логических распределителей импульсов 12, 13. Выход каждого распределителя импульсов подключен к входу усилителя импульсов 14 (15), а выход последнего подключен к управляющему входу соответствующего тиристора блока тиристоров через импульсный трансформатор 16 (17). Генератор высокочастотных импульсов 7 подключен ко вторым входам логических распределителей импульсов. Дополнительно в тиристорный регулятор напряжения введены m выпрямителей 18-20 и пороговых элементов 21-23. Вход выпрямителя 18 подключен к выходу трансформатора тока 2, а выход выпрямителя подключен к входу порогового элемента 21. Выход порогового элемента 21 соединен с третьим входом логических распределителей импульсов 12, 13 первого канала импульсно-фазового управления. Аналогично подключены выпрямители 19, 20 и пороговые элементы 22, 23. Источник управляющего сигнала Uy подключен к соответствующему входу устройства фазосмещения 11, водящего в состав m каналов импульсно-фазового управления 8-10.
Работу предлагаемого тиристорного регулятора напряжения рассмотрим на примере трехфазного тиристорного регулятора напряжения.
Под действием напряжений синхронизации и управляющего Uy устройство фазосмещения 11 формирует на своих выходах противофазные сигналы типа «меандр» с частотой напряжения питающей сети. Выходные сигналы устройства фазосмещения смещены относительно соответствующей
фазы напряжения питания на угол управления α электрических градусов по первому выходу и на угол α+180 электрических градусов по второму выходу. Величина угла управления задается уровнем напряжения управления Uy и регулируется в пределах 0-180 электрических градусов.
Длительность выходных сигналов устройств фазосмещения равна 90 электрическим градусам из условия работоспособности блока тиристоров, выполненного в соответствии с фиг.1. Выходные сигналы устройства фазосмещения 11 подаются на первые входы логических распределителей импульсов 12, 13. На вторые входы логических распределителей импульсов 12, 13 подаются сигналы с выхода генератора высокочастотных импульсов, а на третьи входы - сигнал с выхода порогового элемента 21. При отсутствии тока в силовых цепях блока тиристоров 1 и соответственно, в обмотках трансформаторов тока 2-4, на выходе выпрямителей 18-20 формируются сигналы нулевого уровня, а на выходе пороговых элементов 21-23 - сигналы единичного уровня. В результате на выходе логических распределителей импульсов формируются выходные сигналы устройств фазосмещения, промодулированные сигналом высокочастотного генератора. Эти сигналы подаются на управляющие цепи блока тиристоров через усилители импульсов и импульсные трансформаторы. Соответственно открываются два тиристора в блоке тиристоров, например, один в фазе А, а второй в фазе В. Под действием напряжения питающей сети через тиристоры в цепи нагрузки начинает протекать ток. На выходе выпрямителей 18, 19 появляется сигнал,
пропорциональный току нагрузки (току через открытые тиристоры). Этим сигналом пороговые элементы 21, 22 переключаются в состояние с нулевым сигналом и тем самым воздействуя на входы логических распределителей импульсов блокируют подачу управляющих сигналов на тиристоры в фазах А и В. Тиристоры в фазах А и В остаются в открытом состоянии вследствие присущего им «триггерного» свойства управления. В результате указанной выше блокировки длительность сигналов усилителей импульсов, импульсных трансформаторов и тиристоров сокращается до 5-10 электрических градусов при заданной 90. Указанная длительность 5-10 электрических градусов соответствует времени нарастания тока в цепи нагрузки и через тиристоры до значения равного «току удержания», при котором тиристоры гарантированно остаются в открытом состоянии при снятии управляющего сигнала. Данный параметр в предлагаемом устройстве устанавливается величиной напряжения переключения порогового элемента и имеет значение (0,001÷0,01)Iн, где Iн-номинальное значение тока тиристора. Через 60 электрических градусов подается управляющий сигнал на тиристор в фазе С длительностью 90 электрических градусов, который аналогично блокируется по току в этой фазе. Тиристор в фазе С остается в открытом состоянии. Таким образом, поочередно через 60 электрических градусов на блок тиристоров подаются «узкие» управляющие сигналы длительностью 5-10 электрических градусов с углом управления ос. К нагрузке
прикладывается напряжение кусочно-синусоидальной формы, под действием которого в ней и через тиристоры протекают токи. Выходное трехфазное напряжение на нагрузке регулируется от нулевого значения до напряжения питающей сети путем изменения угла управления α от источника управляющего сигнала Uy.
Таким образом, используя общеизвестное «триггерное» свойство тиристоров в предлагаемом тиристорном регуляторе напряжения первоначально формируются запускающие «широкие» управляющие импульсы для обеспечения работоспособности тиристорного блока, которые преобразуются в «узкие» за счет дополнительно введенных малогабаритных выпрямителей и пороговых элементов и соответствующего их подключения. В результате этого устройство управления потребляет значительно меньшую мощность и, соответственно, имеет меньшие массо-габаритные показатели и высокий коэффициент полезного действия.
Следует отметить, что предлагаемое устройство может быть использовано для тиристорных регуляторов напряжения постоянного тока. На фиг.2 представлен блок тиристоров 1, обеспечивающий регулирование постоянного тока на нагрузке, например, на обмотке возбуждения электродвигателя постоянного тока 5. В принципе работоспособность блока тиристоров 1 по фиг.2 обеспечивается с «узкими» управляющими импульсами от устройства импульсно-фазового управления 6 длительностью 10-15 электрических градусов, т.к. для протекания тока в нагрузке
достаточно открыть только один тиристор. Однако при регулировании напряжения на якорной обмотке электродвигателя в обмотке возбуждения кратковременно наводится напряжение (противо-ЭДС), под действием которого происходит выключение открытого тиристора и отсутствует его последующее включение по причине недостаточной длительности управляющего импульса. В результате блок тиристоров становится неработоспособным и поэтому в известных устройствах [3] формируются «широкие» управляющие импульсы длительностью до 180 электрических градусов.
В предлагаемом тиристорном регуляторе напряжения с блоком тиристоров и системой управления по фиг.2 отсутствует указанный выше недостаток. Тиристоры открываются «широкими» управляющими импульсами, которые преобразуются в «узкие» за счет блокировки по току. При кратковременном выключении открытого тиристора снимается блокировка по току, на его управляющий вход повторно поступают управляющие импульсы. Тиристор вновь включается, а управляющие импульсы снимаются за счет дополнительно введенной в устройство блокировки по току (выпрямителей и пороговых элементов).
Таким образом, предлагаемое устройство может эффективно использоваться с разнообразными исполнениями блоков тиристоров и преобразователей.
Источники известности:
[1] В.А.Шубенко, И.Я.Браславский. Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым управлением. Москва, «Энергия», 1972 г., стр.56-59, 176, 177.
[2] Устройство управления вентильным преобразователем. свидетельство на полезную модель №30475. Опубликовано бюл. №18, 2003 г.
[3] Электроприводы унифицированные трехфазные серии ЭПУ1М. Промышленный каталог 08.41.11-99, УДК 62-83: 621.9.06 (085), ГРНТИ 45.41.333.