Регулятор переменного напряжения

(51) 02 3/12 (2009.01) 02 М 5/ 257 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Техническим результатом изобретения является раздельное регулирование активной и реактивной мощности нелинейной нагрузки,а также стабилизация входного коэффициента мощности регулятора при изменении характера и величины нелинейной нагрузки. Для достижения поставленной цели в регулятор переменного напряжения, содержащий активноиндуктивную нагрузку 1, вентили 2 и 3 с двусторонней проводимостью, регуляторы 4 и 5 скважности, формирователи 6 и 7 импульсов, датчик 8 фазового сдвига напряжения и тока на входе регулятора, включающий в себя датчик 9 напряжения, датчик 10 тока, операционные усилители 11, логический элемент И-НЕ 12 сравнения с двумя инверсными выходами 13 и 14, и дополнительный резистор 16 (для однофазной схемы), дополнительно введены фильтры низких частот 17 и 18.(76) Сысоев Владимир Васильевич Хоменко Андрей Андреевич(57) Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в цеховых сетях и системах электроснабжения с низким коэффициентом мощности, а также для поддержания оптимального входного коэффициента мощности регулятора, питающего нелинейные нагрузки. 18019 Изобретение относится к области электротехники, а именно к полупроводниковым регуляторам напряжения переменного тока. Изобретение может быть использовано в цеховых сетях и системах электроснабжения с низким коэффициентом мощности,а также для поддержания оптимального входного коэффициента мощности регулятора, питающего нелинейные нагрузки. Известны регуляторы напряжения (А.с. СССР 322838, 530402, 1086411, 1372464, 1556498,2014721, 2027278, 2239271, 2042999, 2119230,2145141, 2149494, 2212086, 2220494, 2234726,2239271 и другие). Наиболее близко по технической сущности и достигаемому эффекту является регулятор напряжения (А.с. СССР 1372464, Н 02 3/12). Известный регулятор позволяет раздельно регулировать активную и реактивную мощности, а также стабилизировать входной коэффициент мощности регулятора при изменении характера и величины нагрузки. Регулятор содержит активноиндуктивную нагрузку, управляемые вентили,стабилитроны, регуляторы скважности импульсов,формирователи импульсов, датчик фазового сдвига напряжения и тока, включающий датчики напряжения и тока, операционные усилители и логический элемент И-НЕ, дополнительный резистор (для однофазной схемы включения). Недостатком известного регулятора является снижение точности регулировки при нелинейной нагрузке. Известно, что в течение каждого периода имеются промежутки времени, когда напряжение и ток имеют различные направления, и тогда мгновенная мощность отрицательна (фиг. 3 а), то есть поступает не в цепь потребителя, а возвращается к источнику энергии. При этом только постоянная составляющая мгновенной мощностиявляется активной мощностью, требует затрат энергоносителя (топлива) для ее генерации и позволяет совершать полезную работу. Чисто формально реактивная мощность , как составляющая мгновенной мощности, показывает на наличие в электрической сети элементов, в которых возможно периодическое (в течение одного периода) накопление и возврат энергии. Суммарная энергия за период, связанная с существованием реактивной мощности, равна нулю. Следовательно,реактивная мощность не принимает участия в совершении полезной работы, но обеспечивает возможность ее совершения, при этом загружается электрическая сеть дополнительными токами,пульсирующими между источником и потребителем. Устройство прототипа решает техническую задачу изменения контура протекания реактивной мощности (реактивного тока основной частоты) не через сеть, а через дополнительный резистор 16 (в однофазном регуляторе) или с фазы на фазу посредством параллельных вентилей 3 для многофазных реактивных нагрузок устройство основывается на определении знакопеременных интервалов ( и- фиг. 3 а). Все это справедливо в случае линейности нагрузки потребителя. Однако при нелинейной нагрузке кривые тока и напряжения отличаются от синусоидальной формы, то есть имеется генерация нагрузкой в сеть широкого спектра гармоник кратных и некратных первой гармонике с различной амплитудой и сдвигом фазы относительно нее. Для примера, на фиг. 3 б представлено разложение действующего значения несинусоидальной кривой токана две синусоидальные составляющие первую 1 и пятую 5 гармоники, при этом пятая гармоника имеет сдвиг фазы относительно первой гармоники 5. Как видно из фигуры, угол перехода огибающей тока через нуль не совпадает с углом перехода первой (основной) гармоники и имеет некоторый угол . Аналогично происходит и с кривой напряжения. То есть, знакопеременные интервалы, используемые при работе прототипа и определяемые по изменениям действующих значений тока и напряжения, для первой гармоники будут отличаться от этих интервалов. Следовательно, устройство прототипа в этом случае замыкает контур протекания для первой гармоники только частично, в результате чего электрическая сеть все-таки остается загруженной реактивным током первой гармоники. А так как энергия,вырабатываемая электрическими станциями энергосистем, распределяется по каналу первой гармоники между нагрузками, следовательно,устройство прототипа в этом случае не достаточно эффективно из-за неточности определения фактических знакопеременных интервалов для тока и напряжения первой гармоники, и как следствие, не полной компенсации реактивной мощности основной частоты. Можно отметить, что и расчеты потребителей электрической энергии за потребляемую мощность производятся по первой гармонике. Техническим результатом изобретения является раздельное регулирование активной и реактивной мощности нелинейной нагрузки,а также стабилизация входного коэффициента мощности регулятора при изменении характера и величины нелинейной нагрузки. Технический результат достигается тем, что в регулятор напряжения, содержащий первый управляемый вентиль двусторонней проводимости,включенный последовательно с нагрузкой,управляющие входы которого через первые формирователь импульсов и регулятор скважности подключены к первому инверсному выходу логического элемента И-НЕ, второй инверсный выход которого через вторые регулятор скважности и формирователь импульсов подключен к управляющим входам второго управляемого вентиля двусторонней проводимости, включенного через резистор параллельно нагрузке, датчик фазового сдвига входных напряжений и тока регуляторов, выполненным в виде датчиков напряжения и тока, подключенным к сети переменного тока, двух операционных усилителей 18019 ограничителей, выходы которых соединены с соответствующими входами логического элемента И-НЕ, дополнительно введены два фильтра низких частот,включенных соответственно между соответствующими выходами датчиков тока и напряжения и соответствующими входами операционных усилителей-ограничителей. Применение фильтров низких частот позволяет при определении знакопеременных интервалов учитывать только первую (основную) гармонику и,таким образом, устранить влияние высших гармоник, присутствующих в напряжении и токе нагрузке. Наличие вышеперечисленных существенных признаков в предлагаемом регуляторе переменного напряжения позволяет расширить его функциональные возможности за счет применения для нелинейных нагрузок. На фиг. 1 приведена функциональная схема регулятора при включении в однофазную сеть на фиг. 2 - функциональная схема трехфазного регулятора напряжения на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу регулятора и влияние высших гармоник на точность его работы. Регулятор переменного напряжения содержит активно-индуктивную нагрузку 1, вентили 2 и 3 с двусторонней проводимостью, регуляторы 4 и 5 скважности, формирователи 6 и 7 импульсов, датчик 8 фазового сдвига напряжения и тока на входе регулятора, включающий в себя датчик 9 напряжения, датчик 10 тока, операционные усилители 11, логический элемент И-НЕ 12 сравнения с двумя инверсными выходами 13 и 14, и фильтры низких частот 17 и 18, дополнительный резистор 16 (для однофазной схемы). Активно-индуктивная нагрузка 1 через первый управляемый вентиль 2 соединена с питающей сетью. Параллельно с нагрузкой 1 включены последовательно соединенные второй управляемый вентиль 3 с двусторонней проводимостью и дополнительный резистор 16 (для однофазной схемы). В трехфазном регуляторе параллельно нагрузке 1 включен блок 3 из трех управляемых вентилей с двусторонней проводимостью. Управляющий вход первого управляемого вентиля 3 через последовательно соединенные первый формирователь 6 импульсов и первый регулятор 4 скважности импульсов подключен к первому выходу 13 логического элемента И-НЕ 12 датчика 8 фазового сдвига напряжения и тока на входе регуляторов, включающий в себя также два операционных усилителя 11, датчик 9 напряжения,датчик 10 тока, два фильтра низких частот 17 и 18. Управляющий вход второго управляемого вентиля 3 через последовательно соединенные второй формирователь 7 импульсов и второй регулятор 5 скважности импульсов к второму выходу 14 логического элемента И-НЕ 12, первый и второй входы которого соединены с соответствующими выходами операционных усилителей. Вход первого операционного усилителя 11 через последовательно соединенные первый фильтр 17 низких частот и датчик 9 напряжения подключены входу первого управляемого вентиля 2, к входу которого подключен также вход второго операционного усилителя 11 через второй фильтр нижних частот и датчик 10 тока. Для устранения кратковременных пиков коммутационных напряжений управляемые вентили 2 и 3 шунтированы встречно включенными стабилитронами 15. Фильтры низких частот могут быть выполнены по известным схемам (например, патент РФ 2242840, Н 03 Н 11/12, 2004) с использованием операционных усилителей, конденсаторов и резисторов промышленного исполнения. Регулятор работает следующим образом. С подачей сетевого напряжения на силовой вход регулятора переменного напряжения датчик 9 напряжения и датчик 10 тока подают сигналы на входы соответствующих фильтров 17 и 18 нижних частот,с выходов которых сигналы,соответствующие напряжению и току первой гармоники, через операционные усилители 11,логический элемент И-НЕ 12, регуляторы 4 и 5 скважности и формирователи 6 и 7 импульсов поступают на управляющие входы силовых вентилей 2 и 3. Согласно логике их переключения при совпадении знаков входных напряжений и тока включаются последовательные с нагрузкой 1 вентили 2, а вентили 3, параллельные нагрузке 1,отключены. В знакопеременные интервалы вентили 2 отключаются,а включаются шунтирующие нагрузку 1 полностью управляемые вентили 3. Затем цикл повторяется. В результате контур протекания первой гармоники реактивного тока нагрузки и реактивной мощности основной гармоники изменяется не через сеть, а через дополнительный резистор 16 в однофазном регуляторе (фиг. 1) или с фазы на фазу посредством параллельных вентилей 3 для многофазных реактивных нагрузок(фазная циркуляция реактивной мощности). В связи с тем, что сумма реактивных токов за период питающей сети в многофазных цепях без нулевого провода равна нулю, то шунтирующие нагрузку 1 вентили 3, управляемые датчиком 8 фазового сдвига,обеспечивают идеальную циркуляцию реактивной мощности и токов первой гармоники по фазам индуктивной нагрузки 1 при единичном входном коэффициенте мощности регулятора. Таким образом, благодаря устранению обмена реактивной мощностью нагрузки с сетью, входной коэффициент мощности регулятора напряжения неизменен и равен единице, то есть стабилен при изменении характера и величины нагрузки. В этом режиме стабилизации коэффициента мощности регуляторы 4 и 5 скважности повторяют длительности выходных импульсов с выходов 13 и 14 логического элемента И-НЕ. Раздельное регулирование активной и реактивной мощности достигается в предложенном регуляторе напряжения путем раздельного регулирования управляющих импульсов регуляторами 4 и 5 скважности, например, вручную. 3 18019 В этом случае при изменении скважности управляющего импульса от регулятора 4 изменяются, например, стабилизируются, вентилем 2 напряжение и активная составляющая мощности нагрузки при изменении ее параметров, а реактивная составляющая входного тока основной частоты изменяется аналогично,например,стабилизируется путем изменения открытого состояния вентиля 3 по команде регулятора 5 скважности. В схеме предложенного регулятора напряжения возможен режим взаимосвязанного регулирования активной и реактивной мощности нагрузки. Соотношение установленных мощностей последовательного и параллельного силовых вентилей равно соотношению активной и реактивной мощности нагрузки при синусоидальном токе нагрузки. Перечень фигур Фиг. 1. Функциональная схема регулятора при включении в однофазную сеть. 1 - активно-индуктивная нагрузка 2, 3 - вентили с двусторонней проводимостью 4, 5 - регуляторы скважности 6, 7 - формирователи импульсов 8 - датчик фазового угла сдвига напряжения 9 - датчик напряжения 10 - датчик тока 11 - операционные усилители 12 - логический элемент И-НЕ сравнения с двумя инверсными выходами 13 и 14 15 - стабилитрон 16 - дополнительный резистор (для однофазной схемы) 17, 18 - фильтры низких частот. Фиг.2. Функциональная схема трехфазного регулятора напряжения. Фиг. 3. Временные диаграммы, поясняющие работу регулятора и влияния высших гармоник на его точность а) кривые тока, напряжения и активной мощности с выделением знакопеременных интервалов б) огибающая кривой тока, содержащей первую и пятую гармоники. Пятая гармоника имеет фазовый сдвиг относительно первой гармоники равный 5. Величинапоказывает разницу в фазовом угле огибающей тока при наличии высших гармоник и тока при отсутствии высших гармоник. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Регулятор переменного напряжения,содержащий первый управляемый вентиль двусторонней проводимости,включенный последовательно с нагрузкой, управляющие входы которого через первые формирователь импульсов и регулятор скважности подключены к первому инверсному выходу логического элемента И-НЕ,второй инверсный выход которого через вторые регулятор скважности и формирователь импульсов подключен к управляющим входам второго управляемого вентиля двусторонней проводимости,включенного через резистор параллельно нагрузке,датчики фазового сдвига входных напряжений и тока регуляторов, выполненные в виде датчиков напряжения и тока, подключенным к сети переменного тока, двух операционных усилителейограничителей, выходы которых соединены с соответствующими входами логического элемента И-НЕ, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два фильтра низких частот,включенных соответственно между соответствующими выходами датчиков тока и напряжения и соответствующими входами операционных усилителей-ограничителей.