СТАБИЛИЗАТОР СИММЕТРИЧНОГО ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

СТАБИЛИЗАТОР СИММЕТРИЧНОГО ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ


RU (11) 2249895 (13) C2

(51) 7 H02J3/00, H02M5/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2003115064/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.05.20 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.05.20 
(43) Дата публикации заявки: 2004.12.10 
(45) Опубликовано: 2005.04.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: КОБЗЕВ А.В. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтноимпульсным регулированием. Москва, Энергоатомиздат, 1986, с.9, рис. 1,4б. RU 2071632 С1, 10.01.1997. RU 2113753 С1, 20.06.1995. SU 1534686 А, 07.01.1990.

SU 1793514 А, 07.02.1993. US 4589075 А, 13.05.1986. US 4891569 А, 02.01.1990. 
(72) Автор(ы): Кузьмин А.Ф. (RU); Пыркин А.Г. (RU); Сидоров С.Н. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Ульяновский государственный технический университет (RU) 
Адрес для переписки: 432027, г.Ульяновск, ул. Северный Венец, 32, УлГТУ, проректору по НИР 

(54) СТАБИЛИЗАТОР СИММЕТРИЧНОГО ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Использование: в преобразовательной технике. Технический результат: уменьшение количества транзисторных ключей, предназначенных для периодического подключения первичных обмоток к сетевому источнику. Используется существующая в симметричных режимах работы возможность одновременного и одинакового регулирования напряжения во всех трех фазах с помощью одного - в схемах с однополярной вольтодобавкой или двух - в схемах с двухполярной вольтодобавкой коммутирующего элемента в виде транзисторного ключа на выходе трехфазного диодного моста, зажимами переменного тока, соединенного со свободными выводами первичных обмоток. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для упрощения силовых цепей многофазных стабилизаторов ключевого действия за счет минимизации количества полупроводниковых элементов.

В настоящее время широкое применение получают стабилизаторы на транзисторных ключах, работающие по принципу высокочастотной автоматически регулируемой широтно-импульсным способом по отклонению вольтодобавки (см., например, B.C.Руденко и др. Преобразовательная техника. Киев: Вища школа. 1978, с.160). Достоинством данных стабилизаторов являются сравнительно малые искажения напряжения и тока нагрузки, обусловленные величиной вольтодобавки, которая выбирается минимально возможной для компенсации реально существующих отклонений сетевого питающего напряжения и тока нагрузки. Причем, если эти отклонения, в силу той или иной специфики технологического процесса, происходят в одну сторону, вольтодобавка может быть однополярной, чаще всего вольтоповышающей. В иных случаях требуется двухполярная, то есть вольтоповышающая и вольтопонижающая добавка напряжения на выходе стабилизатора. Недостатком указанных стабилизаторов в трехфазном исполнении является неоправданно большое количество полупроводниковых элементов, в связи с тем, что подобное устройство, как правило, получают простым объединением однофазных схем. При отыскании возможностей упрощения трехфазных схем следует различать несимметричные режимы работы стабилизаторов, требующие раздельного регулирования и стабилизации напряжения в каждой фазе нагрузки и симметричные режимы, допускающие общую стабилизацию путем одновременного и одинакового изменения напряжения во всех трех фазах. Очевидно, в случаях, допускающих применение общего для всех фаз знакопостоянного регулирования, как раз и существуют предпосылки заметного упрощения рассматриваемых устройств, которые до сих пор, по сведениям литературных источников, не были использованы. Наиболее близкое техническое решение содержится в книге А.В.Кобзева и др. "Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием". М.: Энергоатомиздат. 1986, с.9, рис. 1.46. Представленная в данном первоисточнике схема однофазного стабилизатора рассматривается в качестве базового структурного элемента, на основе которого осуществляется в настоящее время построение трехфазных стабилизаторов. 

Подобные схемы объединяет наличие трехфазного вольтодобавочного трансформатора, содержащего на каждом стержне магнитопровода вольтоповышающую первичную, а также вторичную обмотку, соединенную одним выводом с одной из фаз сетевого источника питания, а другим выводом - с одним из выводов трехфазной нагрузки. Указанная первичная обмотка одним из своих выводов соединена с той же фазой питающей сети, к которой подключается и вторичная обмотка данного стержня. В составе подобных схем имеются также полупроводниковый коммутирующий элемент, снабженный цепью защиты от коммутационных перенапряжений и цепи управления этим элементом.

Как отмечалось, в случаях, допускающих общее регулирование и стабилизацию напряжения во всех трех фазах нагрузки, количество коммутирующих элементов и соответственно число каналов управления может быть сведено к минимуму, то есть к одному - в схемах с однополярной вольтодобавкой и к двум - в схемах со знакопеременной вольтодобавкой. Для этого предлагается в схемах с однополярной вольтодобавкой для подключения первичных обмоток всех трех фаз использовать один коммутирующий элемент в виде трехфазного диодного моста, зажимами переменного тока соединенного с указанными свободными выводами вольтоповышающих первичных обмоток всех фаз, а зажимами постоянного тока подключенного в проводящем направлении к силовым выводам транзисторного ключа, служащего для объединения указанных выводов первичных обмоток в нулевую точку, для подключения которой к нулевому выводу сетевого источника служит средний вывод двух последовательно соединенных обратных диодов, подключенных встречно-параллельно указанному транзисторному ключу, а цепи управления выполнить в виде одноканальной системы автоматического управления, содержащей задатчик эталонного напряжения, датчик обратной связи, регулятор тока и устройство широтно-импульсного управления транзисторным ключом.

В схемах с двухполярной вольтодобавкой предлагается на каждом стержне трансформатора расположить вольтопонижающую первичную обмотку, включенную последовательно - согласно с указанной выше вольтоповышающей первичной обмоткой так, чтобы они своим средним выводом были соединены с той же фазой питающей сети, к которой подключена вторичная обмотка данного стержня. Дополнительно вводится аналогично выполненный второй коммутирующий элемент, в составе которого диодный мост зажимами переменного тока соединен со свободными выводами вольтопонижающих первичных обмоток всех фаз, а средний вывод двух последовательно соединенных диодов, шунтирующих транзисторный ключ в обратном направлении, также подключен к нулевому выводу сетевого источника.

В схемах с двухполярной вольтодобавкой, кроме указанного, предлагается использовать второй аналогично выполненный коммутирующий элемент, в составе которого диодный мост зажимами пременного тока соединен со свободными выводами вольтопонижающих первичных обмоток всех фаз, а средний вывод двух последовательно соединенных диодов, шунтирующих транзисторный ключ в обратном направлении, подключить аналогичным образом к нулевому выводу сетевого источника. Соответственным образом, уменьшение количества коммутирующих элементов в силовой схеме стабилизатора позволяет применить уже не трех, а одноканальную систему автоматического регулирования.

На фиг.1 изображена известная схема трехфазного стабилизатора, позволяющая работать в режимах с однополярной и двухполярной вольтодобавкой, а также упрощенная блок-схема цепей управления данным устройством; на фиг.2 - предлагаемая схема для работы в симметричном режиме с однополярной вольтодобавкой, а на фиг.3а, б - временные диаграммы напряжений нагрузки и напряжений вольтодобавки, иллюстрирующие работу данного устройства; на фиг.4 - предлагаемая схема для работы в симметричном режиме с двухполярной вольтодобавкой, а на фиг.5а, б, - аналогичные диаграммы, иллюстрирующие ее работу. 

Как видно из фиг.1, построение силовой схемы стабилизатора предполагает последовательное соединение в каждой фазе источника сетевой фазной ЭДС Еа (Ев, Ес) с одной из вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора W2 и цепью нагрузки Za (Zв, Zc). Подключение первичных вольтоповышающей W11 и вольтопонижающей W12 обмоток в параллель к сетевому источнику каждой фазы осуществляется с помощью одного из коммутирующих элементов 1-6. Принимая во внимание направление подключения обмоток, можно видеть, что замыкание ключа в цепи вольтоповышающей обмотки W 11 приведет к суммированию сетевой ЭДС Еа с напряжением вторичной обмотки U, то есть к увеличению результирующего напряжения в цепи нагрузки Za, a замыкание ключа в цепи вольтопонижающей обмотки W12 - к вычитанию указанных напряжений и соответственно к уменьшению результирующего напряжения в нагрузке Za. Регулированием длительности подключения указанных первичных обмоток в течение каждого периода тактовой частоты можно обеспечить стабилизацию выходного напряжения, а значит и постоянство тока в каждой фазе нагрузки. Такое регулирование может осуществляться автоматически по известному принципу отклонения с помощью трехканальной системы управления на фиг.2. Каждый канал этой системы содержит эталонный источник величины и формы фазного тока 7, датчик обратной связи 8 (9, 10), регулятор тока 11 и устройство широтно-импульсного управления 12 ключами 1 и 2.

Таким образом видно, что для своей реализации известный вариант построения стабилизатора требует применения нескольких коммутирующих элементов. В случаях, допускающих общее регулирование во всех фазах с однополярной вольтодобавкой, это число снижается с 6-ти до 1-го. Представленная на фиг.2 схема трехфазного стабилизатора содержит общий для всех трех первичных вольтоповышающих обмоток коммутирующий элемент с транзисторным ключом 13. Данный ключ служит для соединения указанных обмоток трансформатора по схеме звезды, для чего он присоединен в проводящем направлении к зажимам постоянного тока трехфазного диодного моста, который, в свою очередь, зажимами переменного тока подключен к свободным выводам указанных первичных обмоток вольтоповышающего трансформатора. Для соединения нулевой точки звезды с нулевым выводом сетевого источника служит средний вывод двух последовательно соединенных диодов, шунтирующих транзистор в обратном направлении. Такое присоединение обеспечивает одновременное включение и выключение всех трех первичных обмоток с возможностью протекания переменного тока по цепи с транзистором. Известно, что выключение транзистора в цепи с индуктивными элементами сопровождается появлением значительных перенапряжений. Для ограничения этих перенапряжений используют полярные (например, электролитические) конденсаторы фильтра низких частот, которые с целью устранения накапливания заряда шунтируются разрядным резистором. В данном случае подобный элемент защиты целесообразно подключить параллельно транзистору посредством разделительного диода, проводящего ток в направлении заряда конденсатора, но предотвращающего саморазряд конденсатора на интервалах включенного состояния транзистора. Данный конденсатор вступает в работу лишь на интервалах коммутации. Зарядившись при первоначальной подаче напряжения, этот защитный элемент, благодаря разделительному диоду, отключится и не будет оказывать никакого влияния на межкоммутационные процессы в схеме стабилизатора.

Принцип действия предлагаемого на схеме фиг.2 устройства прост. Он состоит в периодическом переключении транзистора 13 с достаточно высокой тактовой частотой и регулировании длительности включенного состояния на каждом такте в функции сигнала ошибки регулирования на входе регулятора 11 (фиг.1). В связи с одновременным одинаковым изменением напряжения во всех трех фазах нагрузки, такое регулирование требует применения лишь одного датчика обратной связи в одной из фаз на выходе стабилизатора. Для иллюстрации работы данного устройства на фиг.3а приведены диаграммы результирущего трехфазного напряжения нагрузки Ua, Uв, Uc, полученного сложением сетевой ЭДС Еа, Ев, Ес с напряжением регулируемой широтно-импульсным способом вольтодобавки U. Для примера амплитуда однополярной вольтодобавки на данных диаграммах принята равной U=12% по отношению к амплитуде сетевой ЭДС (см. фиг.36) при тактовой частоте переключений транзистора 1 кГц. Увеличение тактовой частоты позволяет уменьшить расход меди и стали при изготовлении вольтодобавочного трансформатора, требуя его изготовления на специальном ферромагнитном или ферритовом сердечнике с высокой частотой перемагничивания. 

Другой вариант стабилизатора на фиг.4 предназначен для работы в режиме со знакопеременной вольтодобавкой. Такой режим необходим в условиях возможных колебаний напряжения нагрузки в обе стороны от номинального значения. В отличие от рассмотренной, данная схема содержит на каждом стержне кроме вольтоповышающей W11 также и вольтопонижаюшую W12 обмотки. Для подключения последних служит аналогично выполненный коммутирующий элемент на транзисторном ключе 14. Способ присоединения этих обмоток позволяет видеть, что поочередное в противофазе переключение транзисторов 13 и 14 будет сопровождаться изменением полярности индуцированного во вторичных обмотках напряжения вольтодобавки ±Ua, ±Uв, ±Uc и соответственно одновременным изменением напряжения во всех фазах нагрузки Ua, Uв, Uc (см. диаграммы на фиг.5а, б). Регулированием длительности включенного состояния указанных транзисторов удается увеличивать и уменьшать результирующее напряжение нагрузки по сравнению с номиналом. Это регулирование возможно в пределах вольтодобавки, величина которой определяется количеством витков вторичной обмотки, то есть коэффициентом трансформации. При работе транзисторов в противофазе прерывание намагничивающего тока в обмотках трансформатора устраняется. Эта особенность двухтактных схем уменьшает величину возможных коммутационных перенапряжений, в связи с чем необходимость в защитных устройствах на основе полярных конденсаторов фильтра в ряде случаев отпадает.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Стабилизатор симметричного трехфазного напряжения, содержащий трехфазный вольтодобавочный трансформатор с расположенными на каждом стержне магнитопровода вольтоповышающей первичной обмоткой и вторичной обмоткой, соединенной одним выводом с одной из фаз сетевого источника питания, а другим выводом - с одним из выводов трехфазной нагрузки, причем указанная первичная обмотка одним из своих выводов соединена с той же фазой питающей сети, к которой подключена и вторичная обмотка данного стержня, а также коммутирующий элемент, снабженный цепью защиты от коммутационных перенапряжений и цепями управления, отличающийся тем, что, используемый для соединения свободных выводов указанных первичных обмоток, первый коммутирующий элемент выполнен в виде трехфазного диодного моста, зажимами переменного тока соединенного со свободными выводами вольтоповышающих первичных обмоток всех фаз, а зажимами постоянного тока подключенного в проводящем направлении к силовым выводам транзисторного ключа, служащего для объединения указанных выводов первичных обмоток в нулевую точку звезды, для подключения которой к нулевому выводу сетевого источника служит средний вывод двух последовательно соединенных обратных диодов, подключенных встречно-параллельно указанному транзисторному ключу, при этом цепи управления выполнены в виде одноканальной системы автоматического управления, содержащей задатчик эталонного напряжения, датчик обратной связи, регулятор тока и устройство широтно-импульсного управления транзисторным ключом.

2. Стабилизатор симметричного трехфазного напряжения по п.1, отличающийся тем, что, при работе с двухполярной вольтодобавкой, на каждом стержне трансформатора размещается вольтопонижающая первичная обмотка, соединенная последовательно-согласно с указанной вольтоповышающей обмоткой, при этом данные обмотки своим средним выводом подключены к той же фазе питающей сети, к которой присоединена вторичная обмотка данного стержня, а дополнительно введенный для соединения свободных выводов вольтопонижающих обмоток второй аналогично выполненный коммутирующий элемент зажимами переменного тока диодного моста соединен со свободными выводами указанных вольтопонижающих первичных обмоток, а средним выводом двух последовательно соединенных диодов, шунтирующих транзисторный ключ в обратном направлении, также, как и первый коммутирующий элемент, подключен к нулевому выводу сетевого источника.





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru