Активный регулятор переменного напряжения обеспечивает возможность одновременного независимого регулирования выходного напряжения и потребляемой активной мощности, а также величины и знака реактивной мощности сетевого входа. Выполнен по трехфазной схеме с применением согласующего трансформатора и трех коммутирующих элементов, каждый в виде однофазного диодного моста с подключенным на выходе силовым транзисторным ключом, с помощью которых осуществляется чередующееся подключение с двойной по отношению к сети частотой трехфазной нагрузки к двум вторичным обмоткам трансформатора. Предлагается способ независимого пропорционального регулирования активной и реактивной составляющих мощности сетевого входа, для чего получены математические выражения, связывающие задающие сигналы с управляющими напряжениями на входах системы импульсно-фазового управления. Технический результат - возможность реализации активного режима. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для повышения энергетических показателей трехфазных регуляторов переменного напряжения.
Выполнение регуляторов переменного напряжения на новой элементной базе в виде запираемых тиристоров GТО или транзисторных ключей типа IGBT, MOSFET позволяет перевести данные устройства в активный режим энергопотребления. Активный регулятор переменного напряжения (АРПН) отличает наличие как минимум двух управляющих входов, один из которых традиционно служит для регулирования выходного напряжения и, соответственно, потребляемой активной мощности, а второй - для одновременного регулирования величины и знака реактивной мощности сетевого входа. Таким образом, наличие второго управляющего входа позволяет данному устройству активно влиять на энергетический режим питающей сети, чем и обусловлено его название. Для перевода регулятора в активный режим необходимо обеспечить в его схеме возможность периодического чередующегося подключения трехфазной нагрузки к двум фазам питающей сети. Для этого могут служить коммутирующие элементы, каждый из которых содержит транзисторный ключ на выходе однофазного диодного моста, зажимами переменного тока соединенного с двумя вторичными обмотками согласующего трансформатора (см. например, Глазенко Т.А. и др. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности. Л.: Энергоатомиздат, 1983, с.10-15). Как будет показано, при таком исполнении существует возможность одновременного изменения выходного напряжения, а также величины и знака фазового сдвига
1 между сетевым напряжением и первой гармоникой потребляемого тока. Для упрощения автоматического регулирования этот процесс должен осуществляться автономно, то есть с помощью двух управляющих сигналов независимо друг от друга по линейному пропорциональному закону. Согласно известному решению (см. патент РФ № 2167484, 2001 г., Бюл.№ 14), подобное регулирование реализуется с помощью задающих сигналов Up
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
, Uq
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
, относительные значения которых пропорциональны активной и реактивной составляющим мощности, на основе вертикального принципа путем коммутации транзисторных ключей, в моменты равенства периодически изменяющихся синхронно с сетью опорных сигналов линейно-пилообразной формы и управляющих сигналов Uy1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
, Uy2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
, значения которых определяют фазовую задержку моментов включения и выключения транзисторов. Управляющие сигналы получают на выходах некого функционального построителя, на входы которого подают упомянутые выше задающие сигналы. Характеристики функционального построителя обеспечивают необходимую для линейного автономного регулирования связь указанных входных и выходных сигналов Uy
1
(Up
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
, Uq
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
), Uy
2![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
(Up
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
, Uq
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
), Uy
3![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
(Up). Согласно предлагаемому решению эти выражения должны иметь следующий вид:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813316.gif)
Реализация предлагаемого способа управления возможна в двух вариантах. Первый имеет отношение к так называемому компенсационному режиму энергопотребления АРПН, когда требуется одновременное независимое регулирование обеих указанных составляющих мощности сетевого входа. Регулирование активной мощности ведется с помощью управляющего сигнала, относительное значение которого изменяется в пределах U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
p=0-1, а регулирование величины и знака реактивной мощности - с помощью управляющего сигнала, изменяющегося по величине и знаку U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
q=0-
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
0.5, при этом импульсно-фазовое управление осуществляется с однократным включением каждого транзисторного ключа в течение полуволны сетевого напряжения с фазовой задержкой относительно начала полуволны, зависящей от знака реактивной мощности, а именно: в режиме генерирования реактивной мощности при U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
q&
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
; 0 фазовая задержка осуществляется при включении с углом
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813317.gif)
, а при выключении с углом
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813318.gif)
; в режиме потребления реактивной мощности при U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
q&
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
; 0 фазовая задержка осуществляется при включении с углом
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813319.gif)
, а при выключении с углом
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813320.gif)
.
Второй вариант переводит устройство в компенсированный режим энергопотребления, когда регулирование выходного напряжения и потребляемой активной мощности осуществляется с помощью сигнала U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
p=0-1 при поддержании нулевого значения реактивной мощности. Данный режим обеспечивается установкой U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
q=0 при такой организации импульсно-фазового управления, когда включение каждого транзистора в течение полуволны сетевого напряжения происходит с фазовой задержкой на угол
1=
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/2-0.5Uy
3, а выключение - с задержкой на угол
2=
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/2+0.5Uy
3.
На фиг.1 представлена принципиальная схема силовых цепей и укрупненная блок-схема цепей управления рассматриваемого устройства; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений (а, б) и мощностей (в), а также фазовая диаграмма мощностных составляющих (г), иллюстрирующие работу регулятора в компенсационном режиме неавтономного управления с углами
2=
1+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/3, на фиг.3 - аналогичные диаграммы, иллюстрирующие работу регулятора в компенсационном режиме автономного управления, реализация которого возможна при углах управления
2&
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
;
1+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/3; на фиг.4 - аналогичные диаграммы, иллюстрирующие работу регулятора в компенсированном режиме.
Представленное на фиг.1 устройство содержит 3-фазный согласующий трансформатор 1, к одноименным выводам вторичных обмоток которого подключена нагрузка 2. Формирование импульсного напряжения в нагрузке осуществляется кратковременным попарным объединением других выводов обмоток с помощью коммутирующих элементов. Эти элементы выполнены одинаково с применением однофазных диодных мостов 3, 4, 5, к выходным зажимам которых подключены транзисторные ключи 6, 7, 8. Основными элементами цепей управления служат функциональный построитель 9, на входы которого подаются задающие сигналы Up, Uq, а на выходах получают управляющие сигналы Uy
1, Uy
2, Uy
3, поступающие далее на входы системы импульсно-фазового управления транзисторами 10.
Алгоритм работы состоит в поочередном циклическом переключении транзисторов с двойной по отношению к сети частотой. Регулирование осуществляется импульсно-фазовым способом изменением углов включения
1 и выключения
2 транзисторов, замеряемых относительно начала положительных и отрицательных полуволн сетевого линейного напряжения. Замыкание тока нагрузки на интервалах выключенного состояния транзисторов происходит по параллельным нагрузке цепям, содержащим, как видно из фиг.1, вспомогательный диодный мост с подключенным на выходе конденсаторным фильтром и разрядным резистором.
Получим закон автономного пропорционального регулирования мощностных составляющих сетевого входа при допущении синусоидальности питающего напряжения и работы регулятора на нагрузку омического характера. В этом случае, при условии соединения первичных обмоток идеального трансформатора звездой, форма сетевого фазного тока будет совпадать с формой выходного фазного напряжения, показанного на диаграммах фиг.2а, б; 3а, б; 4а. Раскладывая данный ток в ряд Фурье, запишем выражения косинусного и синусного коэффициентов при первом слагаемом тригонометрического ряда в относительной системе координат
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813321.gif)
где U
m - амплитудное значение линейного напряжения вторичных обмоток трансформатора;
R - фазное омическое сопротивление нагрузки;
К
Т - коэффициент трансформации.
Данные соотношения позволяют расчитать действующее значение основной гармоники сетевого тока и фазовый сдвиг этой гармоники
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813322.gif)
а также активную и реактивную мощности на сетевом входе регулятора
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813323.gif)
После подстановки (1), (2) в (3) относительные значения активной и реактивной мощностей выразятся
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813324.gif)
Для осуществления пропорционального регулирования введем понятия задающих сигналов, значения которых равны относительным значениям указанных мощностей U
p![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
=Р
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
; U
q=Q
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
. Таким образом, закон пропорционального управления активным регулятором может быть представлен уравнениями (4). Решение этой системы уравнений относительно углов управления
1,
2 обеспечит возможность независимого регулирования Р и Q с помощью двух задающих сигналов в пределах U
p
U
pг![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
, Uq
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8804.gif)
U
qг![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
. Граничные значения сигналов можно получить, подставляя в (4) максимальный угол выключения
2=
1+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/3
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813325.gif)
Придавая углу включения транзисторов всевозможные значения
1=0-
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
, с помощью (5) на фиг.2в построены графики максимальных значений задающих сигналов U
pг![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
(
1), U
qг![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
(
1), а на фиг.2г фазовая тректория этих координат. Работа при указанных задающих сигналах обеспечивает максимальные значения активной и реактивной мощностей, однако регулирование в этом случае будет неавтономным. Автономное (независимое) регулирование данных мощностей возможно при условии
2&
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
;
1+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/3.Форма выходного напряжения U
н(t) и графики зависимостей Р
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
(
1), Q
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
(
1), в данном режиме для случая
2=
1+
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/6 показаны на фиг.3 в режиме генерирования реактивной мощности при Uq&
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
; 0 (а) и в режиме потребления реактивной мощности при Uq&
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
; 0 (б).
Так как точное решение системы уравнений (4) относительно углов управления в явном виде представляется затруднительным, приближенное решение получено при допущении
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813326.gif)
в следующем виде:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813327.gif)
где Uy
1![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
, Uy
2![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
- управляющие сигналы, значения которых пропорциональны углу включения
1 и углу выключения
2 транзистора соответственно. Техническая реализация системы управления может быть осуществлена согласно блок-схеме фиг.1. Задающие сигналы Up, Uq поступают на входы функционального построителя 9, реализующего зависимости (6). На выходах этого блока формируются управляющие сигналы Uy
1![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
, Uy
2![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
, поступающие далее на входы системы импульсно-фазового управления 10. Работа данной системы происходит по так называемому вертикальному принципу. Как показано на диаграммах фиг.2а, фиг.3а, при генерировании реактивной мощности Uq&
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
; 0 формирование передних фронтов отпирающих импульсов происходит в моменты равенства управляющего сигнала U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
y
1 с линейно возрастающими опорными сигналами пилообразной формы, в результате чего углы включения транзисторов будут определяться зависимостью
1=U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
у
1·
/3. Формирование задних фронтов отпирающих импульсов будет происходить в моменты равенства этих же опорных сигналов с управляющим сигналом U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
у
2, в результате чего углы выключения транзисторов будут равны
2=U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
y
2·
2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/3. При работе регулятора с потреблением реактивной мощности Uq&
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/964.gif)
; 0 формирование отпирающих импульсов, как показано на фиг.2б, фиг.3б, должно происходить в моменты равенства управляющих сигналов с опорными сигналами убывающей формы, в результате чего углы включения транзисторов будут определяться согласно зависимости
1=
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
-U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
у
2·
2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/3, а углы выключения согласно зависимости
2=
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
-U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
y
1·
/3.
Точность отыскания углов управления по (6) снижается по мере уменьшения реактивной мощности Uq
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8594.gif)
0, поэтому для работы в компенсированном режиме при Uq=0 был найден другой алгоритм управления. В этом режиме фазовый сдвиг первой гармоники тока должен быть равен нулю
1=0, для чего включения и выключения транзисторов должны происходить симметрично относительно вершины полуволны сетевого напряжения, то есть при соотношении
2=
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
-
1. Подставляя данную зависимость в (4), получаем закон регулирования в компенсированном режиме
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813328.gif)
где
1=
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/3-
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/2 - диапазон изменения угла включения.
Методом регрессии с помощью (7) найдена обратная зависимость угла включения от величины задающего сигнала
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813329.gif)
Результаты расчета зависимостей (7) и (8) на фиг.4б подтверждают их тождественность. Диаграммы на фиг.4а иллюстрируют возможность реализации закона управления (8) с достаточно высокой точностью на основе вертикального принципа с применением опорного сигнала линейно-пилообразной формы. В этом случае углы включения и выключения транзисторов будут определяться в точках пересечения данного периодического сигнала с задающим сигналом U*р=0
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/247.gif)
1, согласно выражениям
1=
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/2-0.5U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
p;
2=
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/2+0.5U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
p.
Формула изобретения
1. Способ управления активным регулятором переменного напряжения, содержащим в своем составе три коммутирующих элемента, с помощью которых осуществляется периодическое чередующееся подключение трехфазной нагрузки к двум фазам питающей сети с регулируемой фазовой задержкой на угол управления
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
, отсчитываемой от начала полуволны сетевого напряжения, который предусматривает одновременное независимое регулирование выходного напряжения, соответственно, активной, а также реактивной составляющих мощности сетевого входа с помощью управляющих сигналов Up*, Uq* на входах функционального построителя, относительные значения которых пропорциональны, соответственно, активной и реактивной мощности сетевого входа, на основе вертикального принципа путем коммутации транзисторных ключей в моменты равенства периодически изменяющихся синхронно с сетью опорных сигналов линейно-пилообразной формы и управляющих сигналов, получаемых с выходов указанного функционального построителя, отличающийся тем, что, при условии синусоидальности сетевого напряжения и работы регулятора на омическую нагрузку, управляющие сигналы имеют вид:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813332.gif)
2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что регулирование величины активной мощности с помощью задающего сигнала, изменяющегося в пределах U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
p=0
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/247.gif)
1, а также величины и знака реактивной мощности с помощью задающего сигнала, изменяющегося по величине и знаку в пределах U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
q=0
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/247.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
0,5, осуществляют при однократном включении транзисторного ключа в течение каждой полуволны сетевого линейного напряжения с фазовой задержкой относительно начала полуволны, зависящей от знака реактивной мощности, а именно в режиме генерирования реактивной мощности при U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
q<0 фазовая задержка осуществляется при включении с углом
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813333.gif)
, а при выключении с углом
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813334.gif)
в режиме потребления реактивной мощности при U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
q>0 фазовая задержка осуществляется при включении с углом
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813335.gif)
, а при выключении с углом
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/81/813336.gif)
.
3. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что регулирование активной мощности с помощью задающего сигнала, изменяющего в пределах U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
p=0-1, при поддержании нулевого значения реактивной мощности установкой задающего сигнала U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8727.gif)
q=0 осуществляют при однократном включении транзисторного ключа в течение каждой полуволны сетевого линейного напряжения с фазовой задержкой относительно начала полуволны при включении на угол
1=
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/2-0,5Uy
3 и фазовой задержкой при включении на угол
2=
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
/2+0,5Uy
3.
РИСУНКИ
Рисунок 1,
Рисунок 2,
Рисунок 3,
Рисунок 4