устройство для регулирования напряжения

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее трехстержневой магнитопровод с двумя первичными обмотками, расположенными на крайних стержнях, вторичную обмотку и регулирующий блок со схемой управления, отличающийся тем, что введены фазосдвигающий блок и вспомогательная обмотка, которая соединена со схемой управления через фазосдвигающий блок и расположена на одном стержне с одной первичной обмоткой, подключенной к питающей сети, согласно параллельно с которой через регулирующий блок подсоединена к питающей сети вторая первичная обмотка, а вторичная обмотка выполнена в виде трех секций, размещенных на каждом стержне, и между собой соединенных согласно последовательно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регуляторам переменного напряжения или тока, и может быть использовано в преобразовательной технике в качестве источников питания электродуговых, индукционных и сварочных установок, стабилизаторов напряжения и т.п.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для регулирования напряжения и тока, содержащее трехстержневой магнитопровод с основной и дополнительной первичными обмотками, расположенными на крайних стержнях, и вторичной обмоткой на среднем стержне, к которой подключена постоянная нагрузка, при этом первичные обмотки между собой соединены встречно-последовательно и одна из них зашунтирована ключом на биполярных тиристорах.

Недостатками данного устройства являются увеличенный расход активных материалов, большие габариты и масса трансформатора, необходимость в дополнительном трансформаторе для питания схемы управления и синхронизации работы ключей, невысокие КПД и коэффициент мощности, высокий уровень радиопомех, неравномерность загрузки фаз питающей сети. Увеличение габаритов, массы и стоимости вызвано двойным комплектом первичных обмоток, рассчитанных каждая на полную мощность нагрузки. Низкие КПД и коэффициент мощности обусловлены большим потреблением реактивной мощности силовым трансформатором, трансформатором управления и регулятором с фазовым управлением. Последний рассчитан на удвоенное значение тока нагрузки тока в короткозамкнутом контуре одной первичной обмотки и тока в последовательном контуре другой первичной обмотки. Снижение КПД вызвано потерями от высших гармоник в регулирующем органе, в обмотках трансформатора и от токов нулевой последовательности из-за несимметричной загрузки фаз питающей сети.

Основной задачей изобретения является снижение массы, габаритов и стоимости устройства для регулирования напряжения за счет снижения активных материалов трансформатора, повышение надежности работы за счет исключения бросков тока намагничивания в моменты подачи напряжения на устройство, расширение функциональных возможностей за счет использования однофазной или трехфазной питающей сети и работы устройства для регулирования напряжения в вольтодобавочном режиме, повышение энергетических показателей КПД и коэффициента мощности за счет снижения потерь в регулирующем органе и трансформаторе, уровня радиопомех, потребления реактивной мощности трансформатора в целом, а также за счет равномерной загрузки фаз и улучшения гармонического состава.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство для регулирования напряжения, содержащее трехстержневой магнитопровод с двумя первичными обмотками, расположенными на крайних стержнях, вторичную обмотку и регулирующий блок со схемой управления, согласно изобретению введены фазосдвигающий блок и вспомогательная обмотка, которая соединена со схемой управления через фазосдвигающий блок и расположена на одном стержне с одной первичной обмоткой, подключенной к питающей сети, согласно-параллельно с которой через регулирующий блок подсоединена к питающей сети другая первичная обмотка, а вторичная обмотка выполнена в виде трех секций, размещенных на каждом стержне и между собой соединенных согласно-последовательно.

Снижение массы, габаритов и стоимости в предлагаемом устройстве достигается за счет соответствующего расположения и подключения обмоток, применения первичных обмоток, рассчитанных на передачу через каждую из них примерно около половины мощности нагрузки, сокращения числа витков вторичной обмотки, основная часть витков которой размещается на среднем стержне, отсутствия трансформатора управления.

Энергетические показатели повышаются за счет регулирования части полной мощности нагрузки, более равномерной загрузки фаз при питании первичных обмоток от трехфазной сети, работы трансформатора в вольтодобавочном режиме, исключения бросков тока намагничивания трансформатора, при этом снижаются потребление реактивной мощности, амплитуды гармоник, уровень радиопомех, ток холостого хода и стремятся к нулю потери от токов нулевой последовательности.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для регулирования напряжения; на фиг.2 векторная диаграмма напряжения вторичной обмотки трансформатора устройства, подключенного к трехфазной сети.

Устройство для регулирования напряжения (фиг.1) подключено к питающей сети 1 и выполнено на трехстержневом магнитопроводе 2 с двумя первичными обмотками основной 3 и дополнительной 4, расположенными на крайних стержнях, и тремя секциями 5, 6, 7 вторичной обмотки 8, которые размещены на каждом стержне и соединены между собой согласно-последовательно. Совместно с основной первичной обмоткой 3 на стержень введена вспомогательная обмотка 9, которая соединена со схемой 10 управления через фазосдвигающий блок 11. Обмотка 9 имеет двойное назначение для питания элементов схемы 10 управления и синхронизации регулирующего блока 12 с питающей сетью 1. Обе первичные обмотки 3 и 4 подключены к зажимам питающей сети 1 согласно-параллельно, причем дополнительная обмотка 4 соединена через регулирующий блок 12, соединенный со схемой 10 управления. Вторичная обмотка 8 соединена с нагрузкой 13, например с сопротивлением электрической дуги. Питающая сеть 1 может быть как однофазной, так и трехфазной.

Сущность уcтройcтва для регулирования напряжения поясняется на примере однофазной питающей сети 1 при работе трансформатора в двух режимах: когда на обе первичные обмотки 3 и 4 подано полное напряжение сети 1 и когда напряжения сети 1 подается только на основную нерегулируемую первичную обмотку 3, а вторая обмотка 4 в это время отключена от сети 1 регулирующим блоком 12.

При одновременной подаче напряжения сети 1 по первичным обмоткам 3 и 4 протекают намагничивающие токи, каждый из которых создает свой магнитный поток. Основной обмоткой 3 создается основной нерегулируемый поток Ф_о, а дополнительной первичной обмоткой 4 регулируемый поток Ф_р. Магнитные потоки Ф_о и Ф_р замыкаются каждый через свой крайний и средний стержни магнитопровода 2 и наводят в секциях 5, 6, 7 вторичной обмотки 8 ЭДС, равную

e₈=(W₅+W₆) + (W₇+W₆) e₅+e₇+2e₆

(1) (индекс соответствует номеру секции обмотки).

Нетрудно убедиться, что при одинаковом числе витков первичных обмоток 3 и 4 и одинаковом напряжении сети 12 потоки Ф_о и Ф_р равны. Под действием суммарного магнитного потока Ф Ф_o+Ф_р среднего стержня в секции 6, в которой размещена большая часть витков вторичной обмотки 8, наводится удвоенная ЭДС. Это позволяет уменьшить число витков обмотки, снизить массу, габариты и стоимость устройства в целом, не снижая требуемого напряжения на нагрузке 13.

При подаче напряжения сети 1 только на одну основную первичную обмотку 3 наведенный ею основной магнитный поток Ф_о замыкается по двум крайним и среднему стержням магнитопровода 2. Только в секции 5 вторичной обмотки 8 магнитный поток Ф_о наводит расчетную ЭДС на виток, а в секциях 6 и 7 ЭДС меньше и пропорциональны частям потока, протекающим по среднему и второму крайнему стержням. Полярность напряжения в первичной обмотке 4 и в секции 7 будет обратной по отношению к полярности секций 5 и 6 обмотки 8. Трансформируемое в секциях обмотки 8 напряжение частично компенсируется и частично падает в индуктивном сопротивлении этой обмотки. Данный режим исключает броски тока намагничивания в момент подачи напряжения на трансформатор, обеспечивает пониженное напряжение (несколько вольт) на холостом ходу, что важно с точки зрения электробезопасности в сварочном производстве, почти в два раза снижает потребление реактивной мощности на холостом ходу. Для обеспечения такого режима достаточно, например, в схему 10 управления ввести сигнал по току нагрузки 13 (току сварки).

Из уравнения (1) также видно, что, изменяя регулирующим блоком 12 напряжение в дополнительной обмотке 4, можно регулировать напряжение в секциях 6 и 7 обмотки 8. Для этого достаточно изменить напряжение управления U_y в схеме 10 управления.

Регулирующий блок 12 независимо от числа фаз питающей сети 1 может быть одноключевым и двухключевым, как с естественной, так и с принудительной коммутацией. В последнем случае коммутационные пики перезаряжающихся конденсаторов способствуют стабильности зажигания и поддержания сварочной дуги. У двухключевого регулирующего блока 12 один ключ соединяется последовательно с первичной обмоткой 4, а другой параллельно, шунтируя обмотку 4 на интервалах разомкнутого состояния последовательного регулирующего ключа.

Последовательный ключ регулирующего блока 12 может выполняться на симисторе или биполярных тиристорах либо транзисторах, а второй шунтирующий ключ на биполярных тиристорах или на оптронных тиристорах, подключенных по управляющему входу параллельно последовательному ключу.

Кривая напряжения обмотки 8 только под нагрузкой у устройства с одноключевым регулирующим блоком 12 представляет собой отрезок синусоиды, соответствующий фазовому углу регулирования схемы 10 управления. В остальных режимах независимо от типа регулирующего блока кривая напряжения имеет вид синусоиды с вольтодобавкой.

Пpи трехфазной питающей сети 1 одна первичная обмотка подключается на фазное (синусоидальное), а другая обмотка на линейное (косинусоидальное) напряжение двух других фаз. В отличие от однофазной сети здесь напряжения секций 5, 6 и 7 обмотки 8 суммируются геометрически согласно векторной диаграмме на фиг.2. Из диаграммы видно, что ЭДС e₅ и e₇ секций 5 и 7 перпендикуляpны, а полная ЭДС е₈ обмотки 8 сдвинута на угол относительно е₅. который при регулировании напряжения е₇, е₆ изменяется.

Внешние характеристики устройства с одноключевым регулирующим блоком пологопадающие, с двухключевым чуть жестче. Их жесткость и масса обмоточного провода зависят от числа витков в секциях вторичной обмотки 8.

Таким образом, поставленная задача успешно решается за счет использования эффекта удвоения ЭДС на виток, улучшения форм тока сети и выходного напряжения, более равномерной загрузки фаз питающей сети, особенно в устройствах средней и большой мощности, и предложенного расположения обмоток на стержнях магнитопровода.

Технико-экономические показатели устройства для регулирования напряжения достаточно высокие. В частности, у однофазного с одним ключом источника питания для сварки они достигают следующих значений: КПД 0,91, коэффициент мощности 0,9, удельно-массовый показатель 6,5 кг/кВт, уровень радиопомех в 1,6-2,1 раза ниже допустимого ГОСТ 95-77.

Предлагаемое устройство для регулирования напряжения независимо от числа фаз питающей сети и типа регулирующего блока имеет более широкие функциональные возможности и может быть изготовлено на мощности в несколько сотен килова