Трансформаторные стабилизаторы переменного напряжения с регулированием на первичной стороне

Значительные колебания и отклонения напряжения в питающих сетях весьма отрицательно сказываются на качестве работы электрооборудования. Для устранения указанных недостатков питание электрооборудования осуществляют через стабилизаторы переменного напряжения.

Мощные стабилизаторы переменного напряжения с дискретным регулированием, как правило, содержат вольтодобавочные трансформаторы, переключение первичной обмотки которых осуществляется с помощью полупроводниковых ключей или быстродействующих реле [1]. В этом случае возникают режимы, когда возможны большие выбросы тока намагничивания [2], что ведет к частичной перегрузке трансформатора и коммутирующих устройств.

Структурная схема и анализ работы силового блока стабилизатора

Рассмотрим работу силового блока стабилизатора, содержащего вольтодобавочный трансформатор Т и два ключа К 1 и К 2 . Структурная схема устройства приведена на рис. 1.

Если напряжение на входе Uвх соответствует допустимому значению, то ключи К1 и К2 находятся в исходном состоянии, как изображено на рис. 1. Напряжение на выходе Uвых. практически равно напряжению на входе Uвх, так как ключ К1 обеспечивает режим закороченной первичной обмотки w1 трансформатора. Если величина напряжения на входе находится за пределами допустимого значения, то ключ К1 будет разомкнут, а ключ К2 – замкнут. При этом к напряжению сети подключена первичная обмотка w1 трансформатора. Блок обеспечивает повышение или понижение напряжения на выходе на величину напряжения U2 вторичной обмотки w2 трансформатора в зависимости от согласного или встречного включения ее с первичной обмоткой w1. В зависимости от требуемого диапазона регулирования напряжения осуществляется последовательное соединение аналогичных блоков. В некоторых вариантах первичная обмотка включается в диагональ моста, осуществляющего переключение первичной обмотки из согласного включения со вторичной обмоткой во встречное, или применяется полумостовая схема включения двух первичных обмоток. В этом случае блок может как повышать, так и понижать входное напряжение.

Рис. 1. Структурная схема силового блока стабилизатора

Проведем анализ уравнений, описывающих работу трансформатора. Максимальное значение индукции B_m трансформатора и ЭДС первичной обмотки E ₁ связаны соотношением [3]:

B =    ^{E 1}

^m   4, 44 fw 1 s ,

где f – частота напряжения; s – площадь сечения магнитопровода.

Для трансформатора с короткозамкнутой первичной обмоткой

E 1 = I 1 Z 1 ,

где I ₁ – ток первичной обмотки трансформатора; Z ₁ – сопротивление первичной обмотки трансформатора.

Выразив ток I1 через ток вторичной обмотки, получим

^E 1 ⁼

Т 7,

I вых Z 1 k _T

где I _вых – ток на выходе стабилизатора, он же (см. рис. 1) ток вторичной обмотки трансформатора; k _T = w ₂ Iw ₁ – коэффициент трансформации.

Из выражений (1) и (3) следует, что значение максимальной индукции в трансформаторе с короткозамкнутой первичной обмоткой невелико в силу малости сопротивления первичной обмотки Z ₁ и зависит от тока нагрузки.

Если пренебречь сопротивлением и потоком рассеяния первичной обмотки, полагая Z ₁ = 0 , то

B m = 0 .

Для трансформатора, первичная обмотка которого подключена к входному напряжению U _вх , если пренебречь сопротивлением и потоком рассеяния обмоток, то E ₁ = U _вх . При номинальном входном напряжении значение B_m близко к максимальному значению индукции предельной петли гистерезиса.

Итак, если трансформатор работает в режиме вольтодобавки, то переход к схеме закороченной первичной обмотки, когда трансформатор работа- ет с меньшим значением индукции, не вызывает каких-либо сложностей. Обратный переход от схемы с закороченной первичной обмоткой к схеме вольтодобавки можно приравнять к режиму включения трансформатора.

Следовательно, в схемах данного типа присутствует проблема ограничения выбросов тока намагничивания.

Схемы стабилизаторовс тиристорными ключами

Существуют схемные решения, когда в качестве ключей применяются тиристоры. Возможен ряд способов подключения первичной обмотки к входному напряжению. Рассмотрим вариант, приведенный на рис. 2.

Если блок является повышающим, как показано на рис. 2, то включение тиристора V 3 (V 4 ) в соответствующую полуволну напряжения вызывает отключение тиристора V₁ (V₂). На рис. 2 показаны токи для случая, когда тиристорный ключ К 1 заперт, а ключ К₂ открыт. Здесь целесообразно для снижения величины тока намагничивания при переходе от схемы закороченной первичной обмотки к схеме вольтодобавки включать тиристорный ключ К 2 с постепенно уменьшающимся углом задержки [4].

Можно изменить схему включения ключа К 1 , как показано на рис. 3, когда первичная обмотка включается параллельно вторичной.

В этом случае при наличии нагрузки в режиме параллельного включения первичной и вторичной обмоток напряжение на выходе практически равно напряжению на входе. Однако при этом осуществляется полное перемагничивание сердечника трансформатора по предельной петле гистерезиса. Переключение первичной обмотки на входное напряжение можно осуществлять в любой момент времени.

Если блок является понижающим и обмотки трансформатора включены встречно, то включе-

Рис. 2. Схема силового блока стабилизатора с тиристорными ключами при согласном включении обмоток трансформатора

Рис. 3. Схема силового блока стабилизатора с параллельным включением обмоток трансформатора

Рис. 4. Схема силового блока стабилизатора с дополнительным тиристорным ключом

Рис. 5. Схема силового блока стабилизатора с электромагнитными реле

ние тиристора V₁ (V₂) в соответствующую полуволну напряжения вызывает отключение тиристора V₃ (V₄). Это обусловлено тем, что ток первичной обмотки (см. рис. 3) меняет свое направление на противоположное. В этом варианте включение тиристорного ключа К₂ с углом задержки невозможно. Одним из вариантов перехода от схемы закороченной первичной обмотки к схеме вольт-вычета является включение параллельно тиристорному ключу К₂ дополнительного тиристорного ключа К₃ с последовательно включенным сопротивлением R , как показано на рис. 4.

Тиристорный ключ К3 необходимо включать перед отключением тиристорного ключа К1. После чего при включенном ключе К3 и запертом ключе К1 включать тиристорный ключ К2 с постепенно уменьшающимся углом задержки.

Работа стабилизатора напряженияна быстродействующих реле

На рис. 5 приведена схема, когда в качестве ключей применяются быстродействующие переключающие реле.

В исходном состоянии, как изображено на рис. 5, положение контактов, переключающих ре- ле К1 и К2, соответствует допустимому уровню напряжения. Если напряжение на входе становится больше (меньше) допустимого значения, переключение контактов реле осуществляется в следующей последовательности. Нормально разомкнутый контакт реле К2 замыкается, после чего замыкается нормально разомкнутый контакт реле К1 и затем контакты реле К2 возвращаются в исходное состояние. Напряжение на выходе Uвых становится равным сумме напряжений на входе и напряжения вторичной обмотки трансформатора при согласном включении обмоток или разности – при их встречном включении. В коротком промежутке времени, когда нормально разомкнутые контакты реле К1 и К2 замкнуты, первичная обмотка трансформатора подключается к напряжению на входе Uвх через токоограничивающий резистор R. Если напряжение Uвх возвращается в исходное состояние, то коммутация контактов реле осуществляется в следующей последовательности: нормально разомкнутый контакт реле К2 замыкается, после чего контакты реле К1 и затем контакты реле К2 возвращаются в исходные состояния.

На рис. 6 приведены осциллограммы напря-

а)

б)

Рис. 6. Осциллограммы напряжения и тока первичной обмотки трансформатора при коммутации реле К 1 : а – при размыкании; б – при замыкании нормально замкнутых контактов

жения и тока первичной обмотки трансформатора при коммутации реле К 1 .

Как видно из осциллограмм, при шунтировании первичной обмотки контактами реле величина первичного тока не изменяется. При подключении первичной обмотки к входному напряжению на осциллограмме видно резкое увеличение первичного тока за счет роста тока намагничивания. Ограничение величины тока обеспечивается правильным выбором величины сопротивления резистора R .

Заключение

При построении стабилизаторов переменного напряжения на основе вольтодобавочного трансформатора необходимо учитывать изменение индукции в сердечнике трансформатора при переходе от схемы закороченной первичной обмотки к подключению ее к входному напряжению.