RU2128393C1

RU2128393C1 - Voltage regulator

Info

Publication number: RU2128393C1
Application number: RU97103021A
Authority: RU
Inventors: Л.Т. Магазинник; Г.Г. Магазинник
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 1997-03-03
Filing date: 1997-03-03
Publication date: 1999-03-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: voltage regulator incorporates minimal quantity of semiconductor devices. In may function as booster transformer and as forced thyristor cut-off device. EFFECT: reduced size, improved efficiency in handling load and supply mains currents. 2 dwg

Description

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в электрических сетях, снабженных автоматическими регуляторами-стабилизаторами переменного сетевого напряжения повышенного быстродействия. The invention relates to power converting equipment and can be used in electrical networks equipped with automatic regulators, stabilizers of variable mains voltage of high speed.

Известны схемы тиристорных стабилизаторов переменного напряжения с вольтодобавочными (вольтоповышающими и вольтопонижающими) трансформаторами, первичные обмотки которых включаются параллельно источнику сетевого напряжения, как правило, с помощью встречно-параллельных тиристоров, а вторичные обмотки - последовательно с нагрузкой. Регулирование выходного напряжения в подобных схемах осуществляется в необходимых ограниченных пределах с помощью тиристоров импульсно-фазовым способом. Основным назначением устройств является стабилизация сетевого напряжения в условиях меняющейся нагрузки и возможного изменения ЭДС источника по принципу автоматического регулирования с применением отрицательной обратной связи по напряжению нагрузки. С целью повышения быстродействия тиристорного регулятора выключение тиристоров осуществляется принудительно с помощью специального узла искусственной коммутации, основным элементом которого служат коммутирующие конденсаторы (см., например, авт. св. СССР N 1092648, кл. Н 02 J 3/12). There are known schemes of thyristor AC voltage stabilizers with voltage boosting (voltage-boosting and voltage-reducing) transformers, the primary windings of which are connected in parallel to the mains voltage source, as a rule, using counter-parallel thyristors, and the secondary windings are connected in series with the load. The regulation of the output voltage in such circuits is carried out to the necessary limited extent using thyristors using a pulse-phase method. The main purpose of the devices is to stabilize the mains voltage in a changing load and a possible change in the emf of the source according to the principle of automatic regulation using negative feedback on the load voltage. In order to increase the speed of the thyristor controller, the thyristors are switched off by force using a special artificial switching unit, the main element of which is switching capacitors (see, for example, ed. St. USSR N 1092648, class N 02 J 3/12).

Наиболее близким по технической сущности можно признать стабилизатор однофазного переменного напряжения в линиях электропередач, содержащий вольтоповышающий и вольтопонижающий трансформаторы, первичные обмотки которых подключены параллельно источнику сетевого напряжения, причем первичная обмотка вольтопонижающего трансформатора подключена с помощью контактов реле, а первичная обмотка вольтоповышающего трансформатора подключена с помощью встречно-параллельных тиристоров (симистора). Вторичные обмотки упомянутых трансформаторов соединены последовательно с нагрузкой. Система управления содержит систему автоматического регулирования и стабилизации выходного напряжения с применением отрицательной обратной связи, устройство импульсно-фазового управления тиристорами (симистором), а также конденсаторное устройство искусственной коммутации тиристоров (симистора) (см. авт. св. СССР N 1473004, кл. Н 02 J 3/12, бюл. 14, 1989). The closest in technical essence can be recognized as a single-phase AC voltage stabilizer in power lines, containing voltage-boosting and voltage-reducing transformers, the primary windings of which are connected in parallel with the mains voltage source, the primary winding of the voltage-reducing transformer connected using relay contacts, and the primary winding of the voltage-boosting transformer connected using the opposite -parallel thyristors (triac). The secondary windings of said transformers are connected in series with the load. The control system includes a system for automatically controlling and stabilizing the output voltage using negative feedback, a device for pulse-phase control of thyristors (triac), and a capacitor device for artificial switching of thyristors (triac) (see ed. St. USSR N 1473004, class N 02 J 3/12, bull. 14, 1989).

Недостатком указанного стабилизатора следует признать сравнительную сложность и большие массогабаритные показатели в связи с необходимостью применения коммутирующих конденсаторов. The disadvantage of this stabilizer should be recognized the comparative complexity and large overall dimensions due to the need to use switching capacitors.

Целью изобретения является упрощение и уменьшение массогабаритных показателей стабилизатора за счет совмещения функций вольтодобавочного трансформатора с функциями устройства принудительного запирания тиристоров (симистора) и появляющейся в связи с этим возможностью исключения из схемы коммутирующих конденсаторов. The aim of the invention is to simplify and reduce the overall dimensions of the stabilizer by combining the functions of the boost transformer with the functions of the thyristor compulsory locking device (triac) and the possibility of eliminating switching capacitors from the circuit, which appears in this connection.

Поставленная цель достигается тем, что вторичная обмотка вольтоповышающего трансформатора шунтирована встречно-параллельными тиристорами (симистором), управляющая цепь которых посредством трансформатора гальванической развязки, стабилитрона и выпрямительного моста подключена в параллель к указанной вторичной обмотке вольтоповышающего трансформатора. This goal is achieved by the fact that the secondary winding of the boost-up transformer is shunted by counter-parallel thyristors (triac), the control circuit of which is connected via a galvanic isolation transformer, a zener diode and a rectifier bridge in parallel to the specified secondary winding of the boost-up transformer.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема силовой части предлагаемого стабилизатора и блок-схема цепей управления тиристорами; на фиг. 2 - диаграмма выходного напряжения стабилизатора (для случая резистивной нагрузки), поясняющая принцип его действия. In FIG. 1 shows a schematic diagram of the power part of the proposed stabilizer and a block diagram of the thyristor control circuits; in FIG. 2 is a diagram of the output voltage of the stabilizer (for the case of resistive load), explaining the principle of its action.

Устройство содержит вольтопонижающий 1 и вольтоповышающий 2 трансформаторы, вторичные обмотки которых подключены последовательно с нагрузкой 3 к источнику сетевого напряжения. Первичная обмотка вольтоповышающего трансформатора подключена в параллель к источнику сетевого напряжения с помощью встречно-параллельных тиристоров (симистора) 4, а первичная обмотка вольтопонижающего трансформатора подключена также в параллель к источнику сетевого напряжения с помощью контактов 5 реле, катушка 6 которого также включена параллельно сети. Вторичная обмотка вольтоповышающего трансформатора зашунтирована дополнительным симистором 7, управляющая цепь которого посредством трансформатора 8 гальваническoй развязки, стабилитрона 9 и выпрямительного моста 10 подключена в параллель к указанной обмотке вольтоповышающего трансформатора. Система автоматического регулирования и стабилизации выходного напряжения содержит устройство 11 импульсно-фазового управления, подключенное выходом к управляющему электроду симистора 4, а входом - к выходу регулятора 12, к двум входам которого подключены соответственно напряжение U_у и напряжение отрицательной обратной связи U_ос, снимаемое с датчика 13 выходного напряжения нагрузки.The device contains a voltage-reducing 1 and voltage-boosting 2 transformers, the secondary windings of which are connected in series with a load of 3 to a source of mains voltage. The primary winding of the voltage-boosting transformer is connected in parallel to the mains voltage source using counter-parallel thyristors (triac) 4, and the primary winding of the voltage-reducing transformer is also connected in parallel to the mains voltage source using relay contacts 5, coil 6 of which is also connected in parallel to the network. The secondary winding of the step-up transformer is shunted by an additional triac 7, the control circuit of which is connected via a galvanic isolation transformer 8, a zener diode 9 and a rectifier bridge 10 in parallel to the specified winding of the step-up transformer. The system of automatic regulation and stabilization of the output voltage contains a pulse-phase control device 11 connected by an output to the control electrode of the triac 4, and by an input to the output of the regulator 12, the voltage U _у and the negative feedback voltage U _OS taken from sensor 13 of the output voltage of the load.

Принцип действия стабилизатора рассмотрим на конкретном примере однофазной электрической сети с действующим значением номинального напряжения 220 В (для стабилизации трехфазной сети возможна установка трех идентичных стабилизаторов по схеме "звезда" или "треугольник" либо, что рациональнее, двух стабилизаторов по схеме "открытый треугольник"). Тогда реальное соотношение напряжений в первичной и вторичной обмотках вольтопонижающего трансформатора 1 может быть, например U₁₁/U₁₂ = 220/12 (B), а для вольтоповышающего трансформатора 2 может быть U₂₁/U₂₂ = 220/36 (B). При этом стабилитрон 9 должен быть выбран таким, чтобы его напряжение "пробоя" превышало амплитудное значение вторичного напряжения трансформатора 2, т.е.

Рассмотрим работу стабилизатора при напряжении сети и нагрузки, меньшем номинального уровня, т.е. при U_c < 220 B. Полагается, что в этом случае реле 6 находится в исходном выключенном состоянии и его контакты 5 шунтируют первичную обмотку трансформатора 1, соответственно, напряжение на его вторичной обмотке также равно нулю. При выключенном состоянии симистора 4 нагрузка образует последовательную цепь с вторичной обмоткой трансформатора 2, выполняющего в этом случае роль реактора. При этом большая часть сетевого напряжения будет прикладываться к обмотке, а напряжение нагрузки может быть практически равно нулю (см. фиг. 2). Однако это имеет место лишь на начальном участке полуволны сетевого напряжения, длительность которого определяется напряжением "пробоя" стабилитрона 9

После того, как напряжение достигнет указанного уровня и стабилитрон 9, находящийся в первичной обмотке трансформатора 8 гальванической развязки, начнет проводить ток, увеличится ток в управляющей цепи симистора 7 и последний включится. Шунтирование вторичной обмотки трансформатора 2 с помощью симистора 7 приведет к скачкообразному изменению мгновенного напряжения нагрузки U₃ до уровня напряжения сети U_с. Полагается, что система автоматического регулирования и стабилизации выходного напряжения работает по известному принципу отклонения выходной координаты (U_ос) от заданного значения (U_у). Сигнал ошибки регулирования с выхода регулятора 12 поступает на вход устройства импульсно-фазового управления 11, которое вырабатывает отпирающие импульсы для симистора 4. Чем меньше выходное напряжение стабилизатора, тем меньше фазовый угол управления симистором α, тем больше величина вольтодобавки, которую вносит вторичная обмотка трансформатора 2 в цепь нагрузки. Включение симистора 4 в момент α приводит к подключению первичной обмотки трансформатора 2 к источнику сетевого напряжения, при этом во вторичной обмотке индуцируется ЭДС, фаза которой благодаря указанному на схеме способу соединения первичной и вторичной обмоток совпадает с фазой напряжения сети. В результате симистор 7 оказывается под воздействием обратного напряжения указанной обмотки и запирается, имея при этом достаточное время для восстановления своей запирающей способности. Запирание симистора 7 приводит к тому, что мгновенное напряжение нагрузки с момента α до конца полупериода определяется суммой сетевого напряжения и напряжения вторичной обмотки вольтоповышающего трансформатора 2. При этом эффективное значение вольтодобавки, вносимой трансформатором 2 за период, находится в прямой зависимости, как отмечалось, от ошибки регулирования, что обеспечивает эффект стабилизации выходного напряжения. Выключение симистора 4 на рассматриваемом полупериоде осуществляется естественным путем после снижения сетевого напряжения, а затем и тока первичной обмотки трансформатора 2 до нуля.We will consider the principle of operation of the stabilizer using a specific example of a single-phase electric network with an effective value of the nominal voltage of 220 V (to stabilize a three-phase network, it is possible to install three identical stabilizers in the "star" or "triangle" or, more rationally, two stabilizers in the "open triangle" circuit) . Then the real voltage ratio in the primary and secondary windings of the voltage-reducing transformer 1 can be, for example, U ₁₁ / U ₁₂ = 220/12 (B), and for the voltage-boosting transformer 2 can be U ₂₁ / U ₂₂ = 220/36 (B). In this case, the zener diode 9 must be selected so that its breakdown voltage exceeds the amplitude value of the secondary voltage of transformer 2, i.e.

Consider the operation of the stabilizer with a mains voltage and load less than the nominal level, i.e. at U _c <220 B. It is believed that in this case the relay 6 is in the initial off state and its contacts 5 bypass the primary winding of the transformer 1, respectively, the voltage on its secondary winding is also equal to zero. When the triac 4 is off, the load forms a serial circuit with a secondary winding of the transformer 2, which in this case acts as a reactor. In this case, most of the mains voltage will be applied to the winding, and the load voltage can be almost equal to zero (see Fig. 2). However, this takes place only in the initial section of the half-wave of the mains voltage, the duration of which is determined by the voltage of the "breakdown" of the zener diode 9

After the voltage reaches the specified level and the zener diode 9, located in the primary winding of the galvanic isolation transformer 8, starts to conduct current, the current in the control circuit of the triac 7 increases, and the last one turns on. Shunting the secondary winding of the transformer 2 with the help of a triac 7 will lead to an abrupt change in the instantaneous load voltage U ₃ to the network voltage level U _s . It is believed that the system of automatic regulation and stabilization of the output voltage works according to the well-known principle of deviation of the output coordinate (U _OS ) from a given value (U _y ). The signal of the control error from the output of the controller 12 is fed to the input of the pulse-phase control device 11, which generates unlocking pulses for the triac 4. The lower the output voltage of the stabilizer, the smaller the phase angle of the triac control α, the greater the voltage addition that the secondary winding of the transformer 2 makes into the load circuit. Turning on the triac 4 at the time α leads to the connection of the primary winding of the transformer 2 to the mains voltage source, while the secondary EMF is induced in the secondary winding, the phase of which, due to the method of connecting the primary and secondary windings indicated in the diagram, coincides with the phase of the mains voltage. As a result, the triac 7 is under the influence of the reverse voltage of the specified winding and is locked, while having enough time to restore its locking ability. Locking of the triac 7 leads to the fact that the instantaneous load voltage from the time α to the end of the half-cycle is determined by the sum of the mains voltage and the secondary voltage of the voltage-boosting transformer 2. Moreover, the effective value of the voltage boost introduced by the transformer 2 for the period is directly dependent, as noted, on regulation errors, which provides the effect of stabilizing the output voltage. The triac 4 is turned off at the considered half-cycle in a natural way after reducing the mains voltage, and then the current of the primary winding of the transformer 2 to zero.

Следует отметить, что повторное включение симистора 7 и шунтирование вторичной обмотки указанного трансформатора возможно лишь после выключения симистора 4. Данное условие может быть выполнено соответствующим подбором напряжения стабилизации стабилитрона 9. В течение следующих полупериодов сетевого напряжения работа схемы будет происходить аналогично. It should be noted that the repeated switching on of the triac 7 and the bypass of the secondary winding of the specified transformer is possible only after turning off the triac 4. This condition can be fulfilled by appropriate selection of the stabilization voltage of the zener diode 9. During the next half-periods of the mains voltage, the circuit will work similarly.

Если напряжение сети превысит номинальный уровень U_с > 220 B, реле 6 включится и тем самым подаст с помощью контактов 5 сетевое напряжение на первичную обмотку трансформатора 1. Обмотки указанного трансформатора, как указано на схеме, соединены таким образом, что индуцированная во вторичной обмотке ЭДС противофазна напряжению сети, поэтому результирующее напряжение нагрузки будет определяться разностью сетевого напряжения и ЭДС вторичной обмотки вольтопонижающего трансформатора 1. Если указанное понижение выходного напряжения окажется избыточным, в работу включится рассмотренная система стабилизации с вольтоповышающим трансформатором 2.If the mains voltage exceeds the nominal level U _with > 220 V, the relay 6 will turn on and thereby apply, via contacts 5, the mains voltage to the primary winding of the transformer 1. The windings of the specified transformer, as indicated in the diagram, are connected in such a way that the EMF induced in the secondary winding is out of phase with the mains voltage, therefore, the resulting load voltage will be determined by the difference between the mains voltage and the EMF of the secondary winding of the voltage-reducing transformer 1. If the indicated decrease in the output voltage turns out to be redun- dant, including consideration of the work with the stabilization system voltopovyshayuschim transformer 2.

Следует отметить, что для коммутации первичной обмотки вольтопонижающего трансформатора 1 вместо контакта 5 электромагнитного реле могут использоваться и полупроводниковые ключи (например, симисторы), управляемые полупроводниковым реле, однако, учитывая, что переход сетевого напряжения через номинальное значение имеет низкую частоту, применение электромагнитного реле, особенно при небольшой мощности стабилизатора (до 10 кВт), представляется более целесообразным. It should be noted that for switching the primary winding of the voltage-reducing transformer 1 instead of terminal 5 of the electromagnetic relay, semiconductor switches (for example, triacs) controlled by a semiconductor relay can be used, however, given that the mains voltage transitions through the rated value has a low frequency, the use of an electromagnetic relay, especially with a small stabilizer power (up to 10 kW), it seems more appropriate.

Таким образом, рассмотренный стабилизатор обеспечивает поддержание постоянства выходного напряжения при колебаниях сетевого напряжения в обе стороны от номинала с применением минимального количества полупроводниковых приборов. Введение дополнительного симистора 7 обеспечивает шунтирование обмотки вольтоповышающего трансформатора на тех интервалах времени, когда вольтодобавка не нужна, что способствует более эффективной токовой загрузке устройства и сети в целом. Совмещение функций вольтодобавочного трансформатора с функциями устройства искусственной коммутации тиристоров позволило исключить коммутирующие конденсаторы, что является достоинствами предложенного технического решения. Thus, the considered stabilizer ensures that the output voltage remains constant during mains voltage fluctuations on both sides of the nominal value using a minimum number of semiconductor devices. The introduction of an additional triac 7 provides shunting of the winding of the voltage-boosting transformer at those time intervals when voltage boosting is not needed, which contributes to a more efficient current loading of the device and the network as a whole. Combining the functions of a boost booster transformer with the functions of an artificial thyristor switching device made it possible to exclude switching capacitors, which are the advantages of the proposed technical solution.

Claims

A voltage regulator comprising a voltage-boosting and voltage-reducing transformers, the primary windings of which are connected in parallel with the mains voltage source, the primary winding of the voltage-reducing transformer connected using relay contacts, and the primary winding of the voltage-boosting transformer connected using on-parallel thyristors (triac), the secondary windings mentioned in series with the load, and the control system contains an automatic control system voltage regulation and stabilization using negative feedback and a pulse-phase control device with parallel-parallel thyristors (triac), characterized in that the secondary winding of the voltage-boosting transformer is shunted by additional parallel-parallel thyristors (triac), the control circuit of which is through a galvanic isolation transformer, the zener diode and rectifier bridge are connected in parallel to the specified secondary winding of the voltage-boosting transformer.