Регулятор переменного напряжения

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях для гибкого регулирования и стабилизации напряжения электрической сети.

Известен регулятор вольтодобавочного переменного напряжения (Ю.К. Розанов, П.А. Воронин, С.Е. Рывкин, Е.Е. Чаплыгин, Справочник по силовой электронике, Издательство «МЭИ», 2014, стр. 305), содержащий вольтодобавочный трансформатор с сетевой обмоткой, включаемой последовательно с источником питания и нагрузкой, ключевой преобразователь, выполненный на управляемых ключах, входы которого подключены параллельно источнику питания, а к его выходу подключена вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора. За счет управления ключевым преобразователем на сетевой обмотке вольтодобавочного трансформатора наводится высокочастотное вольтодобавочное напряжение, добавляемое к напряжению сети. Изменение действующего значения вольтодобавочного напряжения на сетевой обмотке осуществляется методом частотного регулирования.

Недостатком настоящего технического решения является низкое качество напряжения на нагрузке вследствие наличия высокочастотных составляющих в его спектре.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является регулятор переменного напряжения (патент RU на полезную модель №142160, публ. 20.06.2014, МПК H02M 5/10), входные зажимы которого подключены к источнику питания, а выходные зажимы к нагрузке, построенный на основе тиристорного регулятора переменного напряжения, содержащего многообмоточный трансформатор, сетевая обмотка которого включена последовательно с источником питания и нагрузкой, а вторичные обмотки которого подключены к соответствующим выходам ключевого преобразователя, за счет изменения количества и направления вторичных обмоток многообмоточного трансформатора, подключаемых к источнику питания ключевым преобразователем, изменяется действующее значение напряжения, наводимого на сетевой обмотке многообмоточного трансформатора.

Недостатками данного технического решения являются малая дискретность управления уровнями напряжения на нагрузке при обеспечении его синусоидальной формы, а также высокие массогабаритные показатели и стоимость при его работе в широком диапазоне изменения напряжения на нагрузке, вследствие необходимости увеличения мощности и количества вторичных обмоток многообмоточного трансформатора, а также применения управляемых ключей с повышенным классом по напряжению.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение диапазона и дискретности регулирования напряжения на нагрузке без повышения массогабаритных показателей и стоимости устройства.

Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является расширение области применения регуляторов напряжения, построенных на основе схем с вольтодобавкой.

Это достигается тем, что известный регулятор переменного напряжения, подключенный своими первым и вторым входными зажимами к источнику питания, а первым и вторым выходными зажимами к нагрузке, причем второй входной и второй выходной зажимы объединены, и содержащий многообмоточный трансформатор с сетевой обмоткой и вторичными обмотками, ключевой преобразователь, входы которого подключены к источнику питания, а количество выходов равно количеству вторичных обмоток многообмоточного трансформатора, датчик напряжения и блок управления, причем сетевая обмотка многообмоточного трансформатора своим концом подключена к первому выходному зажиму, вторичные обмотки многообмоточного трансформатора подключены к соответствующим выходам ключевого преобразователя, первый вход датчика напряжения подключен к первому выходному зажиму, второй вход подключен ко второму выходному зажиму, а его выход соединен с блоком управления, снабжен первым и вторым дополнительными управляемыми ключами, при этом первый дополнительный управляемый ключ подключен между началом сетевой обмотки многообмоточного трансформатора и вторым выходным зажимом, а второй дополнительный управляемый ключ включен между началом сетевой обмотки многообмоточного трансформатора и первым входным зажимом.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема регулятора переменного напряжения, на фиг. 2 приведена таблица состояний управляемых ключей регулятора переменного напряжения, определяющих величину напряжения, формируемого ключевым преобразователем на сетевой обмотке многообмоточного трансформатора и величину напряжения на нагрузке при выбранных коэффициентах трансформации многообмоточного трансформатора. В качестве управляемых ключей может быть использовано встречно-параллельное включение тиристоров.

Регулятор переменного напряжения, подключенный своими первым 1 и вторым 2 входными зажимами к источнику питания, а первым 3 и вторым 4 выходными зажимами к нагрузке 5, причем второй входной 2 и второй выходной 4 зажимы выполнены объединенными, содержит многообмоточный трансформатор 6 с сетевой обмоткой 7 и первой 8, второй 9 вторичными обмотками, выполненными с различными коэффициентами трансформации, а также ключевой преобразователь 10, первый дополнительный управляемый ключ 11 и второй дополнительный управляемый ключ 12. При этом сетевая обмотка 7 многообмоточного трансформатора 6 своим концом соединена с первым выходным зажимом 3 регулятора переменного напряжения, а своим началом подключена последовательно со вторым дополнительным управляемым ключом 12 к первому входному зажиму 1. Первый дополнительный управляемый ключ 11 включен между началом сетевой обмотки 7 и вторым выходным зажимом 4 регулятора переменного напряжения.

Ключевой преобразователь 10 выполнен в виде первой 13 и второй 14 параллельных ветвей, соединенных в первой 15 и второй 16 общих точках, причем первая общая точка 15 является первым входом ключевого преобразователя 10 и подключена к первому входному зажиму 1 регулятора переменного напряжения, а вторая общая точка 16 является вторым входом ключевого преобразователя 10 и подключена ко второму входному зажиму 2 регулятора переменного напряжения. Первая параллельная ветвь 13 ключевого преобразователя 10 выполнена в виде последовательного соединения первого 17, второго 18 и третьего 19 управляемых ключей, а вторая параллельная ветвь 14 выполнена в виде последовательного соединения четвертого 20, пятого 21 и шестого 22 управляемых ключей.

При этом первая вторичная обмотка 8 многообмоточного трансформатора 6 подключена к первому выходу ключевого преобразователя 10 так, что ее начало подключено к общей точке соединения первого 17 и второго 18 управляемых ключей первой параллельной ветви 13 ключевого преобразователя 10, а своим концом подключена к общей точке соединения четвертого 20 и пятого 21 управляемых ключей второй параллельной ветви 14 ключевого преобразователя 10. Вторая вторичная обмотка 9 многообмоточного трансформатора 6 подключена ко второму выходу ключевого преобразователя 10 так, что ее начало подключено к общей точке соединения пятого 21 и шестого 22 управляемых ключей второй параллельной ветви 14, а ее конец подключен к общей точке соединения второго 18 и третьего 19 управляемых ключей первой параллельной ветви 13. К первому выходному зажиму 3 регулятора переменного напряжения подключен первый вход датчика напряжения 23, второй вход которого подключен ко второму выходному зажиму 4, а выход соединен с блоком управления 24. Имеется управляющая связь выхода блока управления 24 с управляемыми ключами 17, 18, 19, 20, 21, 22 и дополнительными управляемыми ключами 11, 12.

В данном случае многообмоточный трансформатор 6 выполнен с двумя вторичными обмотками 8 и 9 с разными коэффициентами трансформации. В случаях, когда многообмоточный трансформатор выполнен с большим числом вторичных обмоток, технический эффект будет достигаться за счет увеличения количества управляемых ключей в каждой из параллельных ветвей 13 и 14 ключевого преобразователя 10 и соответствующего подключения вторичных обмоток к соответствующим выходам ключевого преобразователя 10.

Регулятор переменного напряжения работает следующим образом.

Для формирования напряжения на сетевой обмотке 7 многообмоточного трансформатора 6 блок управления 24 по сигналам, поступающем на него с датчика напряжения 23, управляет процессом переключения ключевого преобразователя 10 за счет управления состоянием управляемых ключей 17, 18, 19, 20, 21, 22 в соответствии с таблицей фиг. 2, где индекс «0» соответствует выключенному состоянию управляемого ключа, а индекс «1» соответствует его включенному состоянию.

В предлагаемом изобретении уровни напряжения на нагрузке 5 могут формироваться двумя способами. При первом способе, который обеспечивает формирование высоких уровней напряжения на нагрузке, первый дополнительный управляемый ключ 11 находится в выключенном состоянии, а второй дополнительный управляемый ключ 12 находится во включенном состоянии, и напряжение на нагрузке 5 определяется суммой величины напряжения источника питания и напряжения, формируемого на сетевой обмотке 7 многообмоточного трансформатора 6. При втором способе, который обеспечивает формирование низких уровней напряжения на нагрузке, состояния первого 11 и второго 12 дополнительных управляемых ключей изменяются на противоположные: первый дополнительный управляемый ключ 11 находится во включенном состоянии, а второй дополнительный управляемый ключ 12 находится в выключенном состоянии. При таких состояниях первого 11 и второго 12 дополнительных управляемых ключей напряжение на нагрузке 5 будет определяться только величиной напряжения, формируемого на сетевой обмотке 7 многообмоточного трансформатора 6, поскольку данная комбинация включения дополнительных управляемых ключей 11 и 12 обеспечивает параллельное подключение нагрузки 5 к сетевой обмотке 7 многообмоточного трансформатора 6.

Таким образом, в зависимости от состояний первого 11 и второго 12 дополнительных управляемых ключей реализуются различные диапазоны изменения напряжения на нагрузке 5. При этом за счет выбора определенных коэффициентов трансформации первой 8 и второй 9 вторичных обмоток многообмоточного трансформатора 6 и соответствующего включения управляемых ключей 11, 12, 17, 18, 19, 20, 21, 22 на нагрузке 5 регулятора переменного напряжения по схеме фиг. 1 возможно обеспечить десять различных уровней напряжения, три из которых будут являться суммой напряжения источника питания с напряжением сетевой обмотки 7 многообмоточного трансформатора 6, еще три определяются как разность напряжения источника питания с напряжением сетевой обмотки 7 многообмоточного трансформатора 6, еще три уровня напряжения на нагрузке будут равняться величине напряжения, формируемого непосредственно на сетевой обмотке 7 многообмоточного трансформатора 6, а оставшийся десятый уровень обеспечивает напряжение на нагрузке 5 равное напряжению источника питания.

В таблице фиг. 2 приведен пример реализации на базе схемы фиг. 1 десяти уровней выходного напряжения регулятора переменного напряжения при коэффициентах трансформации первой вторичной обмотки 8 и второй вторичной обмотки 9 многообмоточного трансформатора 6 равных 2.2 и 3.3 соответственно. Относительные величины напряжений, приведенные в таблице, нормируются к напряжению источника питания. Управление управляемыми ключами 17, 18, 19, 20, 21, 22 ключевого преобразователя 10 позволяет получить относительно напряжения источника питания семь различных значений напряжения на сетевой обмотке 7 многообмоточного трансформатора 6: -18%, -30%, -45%, +18%, +30%, +45% и 0, и при соответствующем управлении первого 11 и второго 12 дополнительных управляемых ключей (фиг. 2) количество формируемых на нагрузке 5 относительных уровней напряжения будет составлять 10, как это показано в таблице на фиг. 2. При этом важно отметить, что максимальное относительное значение напряжения на сетевой обмотке 7 многообмоточного трансформатора 6 не превышает 45% от напряжения источника питания.

Формирование напряжения на нагрузке 5 в устройстве по прототипу определяется только алгебраической суммой величины напряжения источника питания и напряжения на сетевой обмотке 7. При аналогичных коэффициентах трансформации первой вторичной обмотки 8 и второй вторичной обмотки 9 многообмоточного трансформатора 6 равных 2.2 и 3.3, на сетевой обмотке 7 многообмоточного трансформатора 6 могут быть сформированы относительные уровни напряжения, равные: -15%, -23%, +18%, +45% и 0. При этом на нагрузке 5 в устройстве по прототипу возможно обеспечить только 5 следующих уровней напряжения относительно напряжения источника питания: 77%, 85%, 100%, 118%, 145%. При этом для более глубокого регулирования напряжения на нагрузке 5 в прототипе необходимо вводить вольтодобавочные напряжения, формируемые на сетевой обмотке 7 многообмоточного трансформатора 6, соизмеримые с величиной напряжения источника питания, что значительно увеличивает установленную мощность многообмоточного трансформатора 6.

Таким образом, в отличие от прототипа в заявляемом устройстве за счет добавления первого дополнительного управляемого ключа 11 и второго дополнительного управляемого ключа 12, реализуются 10 различных относительных значений напряжения на нагрузке 5: 18%, 30%, 45%, 55%, 70%, 82%, 100%, 118%, 130% и 145% без увеличения установленной мощности многообмоточного трансформатора 6.

Исходя из вышесказанного видно, что, использование предлагаемого изобретения позволяет расширить область применения регулятора переменного напряжения за счет увеличения диапазона и дискретности регулирования напряжения на нагрузке без увеличения мощности и изменения конструкции многообмоточного трансформатора.