RU2092960C1

RU2092960C1 - Phase control device for rectifier cell

Info

Publication number: RU2092960C1
Authority: RU
Inventors: Анатолий Федорович Валуев
Original assignee: Анатолий Федорович Валуев
Priority date: 1992-05-08
Filing date: 1992-05-08
Publication date: 1997-10-10

Abstract

FIELD: electronic engineering. SUBSTANCE: phase control device for rectifier cell connected in series with load between ac supply mains leads has phase control unit and is characterized in that it is provided, in addition, with one more controlled rectifier cell, capacitor, controlled switch, and rectifier cell control unit; rectifier cell power leads are connected to series circuit set up of capacitor and additional controlled rectifier cell whose control input is connected to output of phase control unit whose input leads are connected to supply mains leads; control input of rectifier cell is connected to output of control unit whose input is connected to controlled switch meant to trigger device by external signal; rectifier cell control unit functions to open rectifier cell after supply voltage has crossed zero; phase control unit functions to open additional rectifier cell upon opening of main rectifier cell. EFFECT: improved design. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания нагрузок регулируемым напряжением от сети переменного тока подачей на нагрузку части каждого рабочего полупериода напряжения сети. The invention relates to electrical engineering and can be used to power loads with regulated voltage from an alternating current network by supplying to the load a part of each working half-period of the network voltage.

Известны устройства для фазового управления вентильными элементами, в которых элемент открывают с заданным сдвигом относительно момента перехода напряжения сети через нуль, после чего элемент пропускает ток нагрузки до тех пор, пока ток не уменьшится до величины тока удержания при снижении или перемене знака питающего переменного напряжения [1, 2] Недостатком таких устройств является отставание первой гармонической составляющей тока, потребляемого из сети, от напряжения сети, в особенности при малых значениях напряжения на нагрузке. Known devices for phase control of valve elements, in which the element is opened with a predetermined shift relative to the moment when the network voltage passes through zero, after which the element passes the load current until the current decreases to the value of the holding current when the AC voltage decreases or changes its sign [ 1, 2] The disadvantage of such devices is the lag of the first harmonic component of the current consumed from the network from the mains voltage, especially at low values of voltage at the load.

С другой стороны, известно устройство для управления тиристорами при питании от сети постоянного тока, в котором для запирания тиристора ток нагрузки, протекающий через открытый тиристор, понижают до величины тока удержания, разряжая в направлении, противоположном протеканию тока нагрузки, заранее заряженный конденсатор, подключая последний с помощью вспомогательного тиристора [3] Такое устройство имеет нагрузочный резистор, соединенный с анодом вспомогательного тиристора, и поэтому неэкономично. On the other hand, a device is known for controlling thyristors when powered by a direct current network, in which, to lock the thyristor, the load current flowing through the open thyristor is reduced to the holding current value, discharging a precharged capacitor in the direction opposite to the flow of the load current, connecting the last using an auxiliary thyristor [3] Such a device has a load resistor connected to the anode of the auxiliary thyristor, and therefore is uneconomical.

Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является обеспечение опережения или синфазности первой гармонической составляющей тока нагрузки, потребляемого из сети переменного тока, относительно напряжения сети, используя вспомогательный вентильный элемент и конденсатор, как в схеме [3] с одновременным снижением потерь энергии. The problem solved by the proposed device is to ensure that the first harmonic component of the load current consumed from the alternating current is advanced or in phase with respect to the mains voltage using an auxiliary valve element and capacitor, as in the scheme [3], while reducing energy losses.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройство для фазового управления вентильным элементом, соединенным последовательно с нагрузкой к выводам питающей сети переменного тока, содержащее блок фазового управления вентильным элементом, введен второй управляемый вентильный элемент, конденсатор и блок управления вентильным элементом, при этом к силовым выводам первого вентильного элемента подключена последовательная цепочка из конденсатора и второго вентильного элемента, выход введенного блока управления соединен с управляющим входом первого вентильного элемента, а выход блока фазового управления соединен с управляющим входом второго вентильного элемента. The solution to this problem is ensured by the fact that a second controllable valve element, a capacitor and a valve element control unit are introduced into the device for phase control of the valve element connected in series with the load to the terminals of the AC supply network, containing a phase valve the terminals of the first valve element are connected in series with a capacitor and a second valve element, the output of the introduced control unit is connected to the control input of the first valve element, and the output of the phase control unit is connected to the control input of the second valve element.

Техническим результатом решения поставленной задачи является улучшение качества потребляемой нагрузкой из сети энергии, что приводит к уменьшению потерь энергии в сети. The technical result of solving the problem is to improve the quality of the consumed load from the energy network, which leads to a decrease in energy loss in the network.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие ее работу; на фиг. 3 и 4 примеры реализации устройства. In FIG. 1 shows a block diagram of a device; in FIG. 2 time charts explaining her work; in FIG. 3 and 4 examples of implementation of the device.

Устройство (фиг. 1) для управления вентильным элементом 1, соединенным последовательно с нагрузкой 2 к выводам питающей сети переменного тока 3 и 4, содержит конденсатор 5, второй управляемый вентильный элемент 6, блок управления 7 первым вентильным элементом 1 и блок фазового управления 8 вторым вентильным элементом 6. Нагрузка 2 соединена последовательно с вентильным элементом 1 между выводами питающей сети переменного тока 3 и 4, к силовым выводам вентильного элемента 1 подключена последовательная цепочка из конденсатора 5 и вентильного элемента 6, выход 9 блока управления 7 соединен со входом 10 вентильного элемента 1, а выход 11 блока фазового управления 8 соединен со входом 12 вентильного элемента 8. The device (Fig. 1) for controlling the valve element 1 connected in series with the load 2 to the terminals of the AC mains 3 and 4, contains a capacitor 5, a second controlled valve element 6, a control unit 7 of the first valve element 1 and a phase control unit 8 of the second the valve element 6. The load 2 is connected in series with the valve element 1 between the terminals of the AC mains 3 and 4, to the power terminals of the valve element 1 is connected a series of capacitor 5 and the valve element 6 that, output 9 of the control unit 7 is connected to the inlet 10 of the valve element 1, and the output of the phase control block 11 8 connected to the input 12 of the valve element 8.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы, поясняющие работу схемы для случая, когда вентильные элементы 1 и 6 имеют двухстороннюю проводимость и ток нагрузки опережает напряжение сети. На фиг. 2 представлены: 13 кривая напряжения сети между выводами 3 и 4, 14 кривая напряжения на нагрузке 2 и 15 кривая напряжения на конденсаторе 5. In FIG. 2 is a timing chart explaining the operation of the circuit for the case where the valve elements 1 and 6 have two-sided conductivity and the load current is ahead of the mains voltage. In FIG. 2 presents: 13 voltage curve of the network between pins 3 and 4, 14 voltage curve at load 2 and 15 voltage curve at capacitor 5.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. В установившемся режиме к началу каждого полупериода напряжения сети (к моментам времени t_o, t_o + T/2 и т.д.) вентильные элементы 1 и 6 заперты, конденсатор 5 заряжен до напряжения, равного или меньшего амплитуды напряжения питающей сети (на фиг. 2 к моменту времени t_o напряжение на конденсаторе 5 равно амплитудному и имеет отрицательную величину).The device (Fig. 1) works as follows. In the steady state, at the beginning of each half-cycle of the mains voltage (at the times t _o , t _o + T / 2, etc.), the valve elements 1 and 6 are closed, the capacitor 5 is charged to a voltage equal to or lower than the amplitude of the voltage of the supply network (at Fig. 2 at time t _{o the} voltage on the capacitor 5 is equal to the amplitude and has a negative value).

В момент времени t_o блок управления 7 открывает вентильный элемент 1 и на нагрузку 2 подается положительная полуволна напряжения сети. Одновременно с этим блок фазового управления 8 начинает отсчитывать заданную задержку угла включения и в момент времени t₁ открывает второй вентильный элемент 6. Конденсатор 5, разряжаясь через открытые вентильные элементы 6 и 1, запирает последний, так как ток разряда конденсатора 5 превышает значение тока нагрузки в момент времени t₁. После этого конденсатор 5 перезаряжается до положительной амплитуды напряжения сети, вентильный элемент 6 запирается, как только мгновенное значение напряжения сети станет меньше амплитудного, и схема опять, как и перед моментом времени t_o, находится в состоянии, когда вентильные элементы 1 и 6 заперты, а конденсатор заряжен до амплитудного, теперь положительного, напряжения. Начиная с момента времени t_o + T/2 процесс повторится, но в отрицательный полупериод напряжения сети и т.д. в результате чего на нагрузку будет подаваться переменное напряжение с первой гармонической составляющей тока сети, опережающей напряжение сети.At time t _o, the control unit 7 opens the valve element 1 and a positive half-wave of the mains voltage is applied to load 2. At the same time, the phase control unit 8 starts to count the specified delay of the angle of inclusion and at time t ₁ opens the second valve element 6. The capacitor 5, discharging through the open valve elements 6 and 1, closes the latter, since the discharge current of the capacitor 5 exceeds the value of the load current at time t ₁ . After that, the capacitor 5 is recharged to a positive amplitude of the mains voltage, the gate element 6 is locked as soon as the instantaneous value of the mains voltage becomes less than the amplitude, and the circuit again, as before the time moment t _o , is in a state when the gate elements 1 and 6 are closed, and the capacitor is charged to the amplitude, now positive, voltage. Starting at time t _o + T / 2, the process will be repeated, but in the negative half-period of the mains voltage, etc. as a result, an alternating voltage with the first harmonic component of the mains current ahead of the mains voltage will be supplied to the load.

Если блок 8 открывает вентильный элемент 6 с задержкой, большей, чем Т/4, конденсатор 5 заряжается до величины напряжения, меньшего, чем амплитудное (фиг. 2, момент времени t₂).If block 8 opens the valve element 6 with a delay greater than T / 4, the capacitor 5 is charged to a voltage value less than the amplitude (Fig. 2, time t ₂ ).

В случае выполнения блока управления 7 в виде блока фазового управления аналогично выполнению блока 8 схема способна обеспечивать синфазность первой гармонической составляющей тока и напряжения сети, для чего вентильный элемент 1 включают блоком 7 с первой заданной задержкой, после чего со второй задержкой включают блоком 8 вентильный элемент 6. In the case of the execution of the control unit 7 in the form of a phase control unit, similarly to the execution of block 8, the circuit is capable of providing in phase with the first harmonic component of the current and network voltage, for which valve element 1 is turned on by block 7 with a first predetermined delay, after which the valve element is turned on by block 8 with a second delay 6.

На фиг. 3 представлен пример выполнения устройства в случае, когда каждый вентильный элемент 1 и 6 выполнен в виде двух встречно-параллельно соединенных тиристоров (16, 17 и 18, 19 соответственно). Блок управления 7 тиристорами 16 и 17 имеет первый 20 и второй 21 динисторы, первый 22 и второй 23 диоды и первый 24, второй 25 и третий 26 резисторы, при этом для перевода устройства в рабочее состояние в блоке 7 предусмотрен управляющий ключевой элемент 27 (например, контакт реле, переключателя и т.д.). Динистор 21, ключевой элемент 27, резистор 24 и динистор 22 образуют последовательную цепочку, выводы которой катоды динисторов 21 и 22 подключены к силовым выводам встречно-параллельно соединенных тиристоров 16 и 17 так, что катод динистора 20 соединен с катодом тиристора 16 и катод динистора 21 соединен с катодом тиристора 17. Встречно-параллельно каждому динистору подключены диоды (диод 22 к вывода динистора 20 и диод 23 к выводам динистора 21), между выводом катода диода 22 и выводом управляющего электрода тиристора 16 подключен резистор 25, а между выводом катода диода 23 и выводом управляющего электрода тиристора 17 резистор 26. Блок фазового управления 8 управляет тиристорами 18 и 19 с помощью импульсного трансформатора 28 и может быть выполнен, например, как [4]
Устройство (фиг. 3) работает следующим образом. При непроводящем состоянии ключевого элемента 27 к выводам сети 3 и 4 подключен блок 8, который каждый полупериод открывает один из тиристоров 18 и 19, из-за чего конденсатор 5 перезаряжается через нагрузку (напряжение на нем диаграмма 15 на фиг. 2). Тиристоры 16 и 17 открыться не могут, т.к. цепь управления ими разорвана элементом 27.In FIG. 3 shows an example of the device in the case when each valve element 1 and 6 is made in the form of two counter-parallel connected thyristors (16, 17 and 18, 19, respectively). The control unit 7 of the thyristors 16 and 17 has a first 20 and a second 21 dynistors, a first 22 and a second 23 diodes and a first 24, a second 25 and a third 26 resistors, while for switching the device into working condition, a control key element 27 is provided in block 7 (for example contact relay, switch, etc.). The dinistor 21, the key element 27, the resistor 24 and the dinistor 22 form a series circuit, the conclusions of which the cathodes of the dinistors 21 and 22 are connected to the power terminals of the oppositely connected thyristors 16 and 17 so that the cathode of the dinistor 20 is connected to the cathode of the thyristor 16 and the cathode of the dinistor 21 connected to the cathode of the thyristor 17. Diodes are connected counter-parallel to each dinistor (a diode 22 is connected to the terminal of the dinistor 20 and a diode 23 is connected to the terminals of the dinistor 21), a resistor 25 is connected between the output of the cathode of the diode 22 and the terminal of the thyristor 16 electrode, and between the terminal m of the cathode of the diode 23 and the output of the control electrode of the thyristor 17, the resistor 26. The phase control unit 8 controls the thyristors 18 and 19 using a pulse transformer 28 and can be performed, for example, as [4]
The device (Fig. 3) works as follows. In the non-conductive state of the key element 27, a block 8 is connected to the terminals of the network 3 and 4, which each half-cycle opens one of the thyristors 18 and 19, due to which the capacitor 5 is recharged through the load (voltage on it diagram 15 in Fig. 2). Thyristors 16 and 17 cannot open, because their control circuit is broken by element 27.

Перевод элемента 27 в проводящее состояние приводит к появлению тока в резисторе 24 и в общем случае одновременно появляется напряжение на одном из динисторов 20, 21 и ток через один из резисторов 25 или 26, т.е. в одном из управляющих электродов тиристоров 16 или 17. Динамические характеристики динисторов и тиристоров таковы, что в рассматриваемом случае динистор открывается раньше, шунтирует управляющий переход тиристора и последний не отпирается (в случае необходимости "снизить" быстродействие тиристора возможно, подключив параллельно управляющему переходу конденсатор, что широко используется для повышения помехоустойчивости тиристорных схем). The translation of the element 27 into a conducting state leads to the appearance of a current in the resistor 24 and, in the general case, a voltage simultaneously appears on one of the dynistors 20, 21 and a current through one of the resistors 25 or 26, i.e. in one of the control electrodes of the thyristors 16 or 17. The dynamic characteristics of the dynistors and thyristors are such that in the case under consideration the dynistor opens earlier, shunts the control transition of the thyristor and the latter does not open (if necessary, it is possible to “reduce” the speed of the thyristor by connecting a capacitor in parallel to the control transition, which is widely used to increase the noise immunity of thyristor circuits).

После перехода в начале следующего, например, положительного полупериода напряжения сети через нуль начинает протекать ток через нагрузку 2, диод 23, элемент 27, резистор 24, резистор 25 и управляющий переход тиристора 16. Величины сопротивлений резисторов 24 и 25 таковы, что тиристор 16 должен открыться до того, как напряжение на резисторе 25 приблизится к пороговому напряжению динистора 20 и произойдет это вблизи начала полупериода. Если эти условия выполнены, то в начале положительного полупериода (вблизи момента времени t_o на фиг. 2) тиристор 16 открывается и одновременно блок 8 начинает отсчет времени задержки включения тиристора 18. В момент времени t₁ тиристор 18 открывается, конденсатор 5 разряжается на открытые тиристоры 18 и 16, последний закрывается (повторное его включение из-за того, что на блок 7 вновь подается напряжение, не происходит, как описано выше), конденсатор 5 перезаряжается, тиристор 10 запирается и т.д. в последующие полупериоды, пока ключевой элемент 27 находится в проводящем состоянии.After the transition, at the beginning of the next, for example, positive half-period of the mains voltage, zero current starts flowing through load 2, diode 23, element 27, resistor 24, resistor 25, and the control transition of thyristor 16. The resistance values of resistors 24 and 25 are such that thyristor 16 must open before the voltage across the resistor 25 approaches the threshold voltage of the dynistor 20 and this happens near the beginning of the half-cycle. If these conditions are met, then at the beginning of the positive half-cycle (near the time t _o in Fig. 2) the thyristor 16 opens and at the same time block 8 starts the countdown of the turn-on delay time of the thyristor 18. At the time t _{1, the} thyristor 18 opens, the capacitor 5 discharges to open thyristors 18 and 16, the latter is closed (its repeated inclusion due to the fact that voltage is again applied to block 7, it does not occur, as described above), the capacitor 5 is recharged, the thyristor 10 is locked, etc. in subsequent half-periods, while the key element 27 is in a conductive state.

На фиг. 4 представлен пример выполнения устройства в случае, когда вентильные элементы 1 и 6 выполнены в виде симисторов 29 и 30 соответственно. Блок управления 7 выполнен, как и на фиг. 3, и включает первый симметричный динистор 31 и четвертый 32 и пятый 33 резисторы, блок фазового управления 8 включает в себя второй симметричный динистор 34, второй конденсатор 35 и переменный резистор 36, т.е. имеет простейший вид (1). В отличие от схемы фиг. 3 блок фазового управления 8 не подключен постоянно к выводам питающей сети 3 и 4, поэтому для запуска схемы используется переключатель 37 с первым 38 и вторым 39 замыкающими контактами и одним размыкающим контактом 40, а также диод 41. In FIG. 4 shows an example of the device in the case when the valve elements 1 and 6 are made in the form of triacs 29 and 30, respectively. The control unit 7 is made, as in FIG. 3, and includes a first symmetrical dinistor 31 and a fourth 32 and fifth 33 resistors, the phase control unit 8 includes a second symmetric dinistor 34, a second capacitor 35, and a variable resistor 36, i.e. has the simplest form (1). In contrast to the circuit of FIG. 3, the phase control unit 8 is not permanently connected to the terminals of the supply network 3 and 4, therefore, to start the circuit, switch 37 is used with the first 38 and second 39 make contacts and one make contact 40, as well as diode 41.

Пока состояние контактов переключателя 37 соответствует изображенному на фиг. 3, блоки 7 и 8 отключены от сети, симисторы 29 и 30 заперты, а конденсатор 5 заряжен через диод 41 до амплитуды напряжения питающей сети отрицательной полярности. При замыкании контактов 38 и 39 и размыкании контакта 40 переключателя 37 на нагрузку будет подаваться напряжение аналогично тому, как это происходило в схеме фиг. 3, но если переключение произошло перед началом отрицательного полупериода напряжения сети, симистор 29 подаст на нагрузку в начале полупериода отрицательное напряжение, но симистор 30, отпираясь позже от блока 8, не выключит симистор 29, т.к. конденсатор 5 заряжен до напряжения также отрицательной полярности. Таким образом, в данной схеме возможна при включении устройства в работу подача на нагрузку первого полного полупериода напряжения сети, а далее заданная блоком 8 часть каждого полупериода, зато перед началом работы устройство не потребляет энергии. While the state of the contacts of the switch 37 corresponds to that shown in FIG. 3, blocks 7 and 8 are disconnected from the network, triacs 29 and 30 are locked, and capacitor 5 is charged through diode 41 to the voltage amplitude of the supply network of negative polarity. When the contacts 38 and 39 are closed and the contact 40 of the switch 37 is opened, voltage will be applied to the load in the same way as in the circuit of FIG. 3, but if the switching occurred before the start of the negative half-period of the mains voltage, the triac 29 will apply a negative voltage to the load at the beginning of the half-cycle, but the triac 30, unlocking later from block 8, will not turn off the triac 29, because the capacitor 5 is charged to a voltage also of negative polarity. Thus, in this scheme, when the device is turned on, it is possible to supply the load with the first full half-cycle of the mains voltage, and then the part of each half-cycle specified by block 8, but before starting work, the device does not consume energy.

Устройство может использоваться в однополупериодном варианте, когда вентильные элементы выполнены в виде тиристоров. Если тиристоры подают на нагрузку положительное напряжение (нагрузка может быть индуктивной с обратным диодом), то конденсатор 5 заряжают в отрицательный полупериод через диод, соединенный аналогично диоду 41 в схеме фиг. 4, т.е. подключают этот диод между выводом сети 4 и анодом вентильного элемента 6 тиристора. The device can be used in a half-wave version when the valve elements are made in the form of thyristors. If the thyristors supply a positive voltage to the load (the load can be inductive with a reverse diode), then the capacitor 5 is charged into the negative half-cycle through a diode connected similarly to diode 41 in the circuit of FIG. 4, i.e. connect this diode between the output of the network 4 and the anode of the gate element 6 of the thyristor.

Источники информации:
1. "Тиристоры". Технический справочник под ред. В.А.Лабунцова и др. М. Энергия, 1971, с. 227, рис. 9-13.Information sources:
1. "Thyristors". Technical Reference Ed. V.A. Labuntsova et al. M. Energia, 1971, p. 227, fig. 9-13.

2. Тамже, с. 229, рис. 9-16. 2. Tamzhe, p. 229, fig. 9-16.

3. Тамже, с. 189, рис. 8-13. 3. Tamzhe, p. 189, fig. 8-13.

4. Тамже, с. 237, рис. 9-30. 4. Tamzhe, p. 237, fig. 9-30.

Claims

1. A device for phase control of a valve element, connected in series with the load between the terminals of the AC mains supply, comprising a phase control unit, characterized in that an additional controlled valve element, a capacitor, a controlled key element and a valve element control unit are introduced, while to the power the conclusions of the valve element is connected to a series circuit of a capacitor and an additional controlled valve element, with the control input of which you are connected the stroke of the phase control unit, the input terminals of which are connected to the terminals of the supply network, the output of the control unit is connected to the control input of the valve element, the input of which is connected to a controlled key element designed to start the device with an external signal, the valve element control unit is designed to open the valve element after voltage transfer network through zero, and the phase control unit is made opening an additional controlled valve element after opening the valve element.

2. The device according to claim 1, characterized in that the diode is inserted, and the controlled key element is made in the form of a contact group of two make and one make contacts, while the phase control unit is connected through the first make contact to the terminals of the supply network, the valve control unit the element through the second make contact is connected to the power terminals of the valve element, and the make contact forms a series circuit with the diode connected to the power terminals of the additional controlled valve element a.

3. The device according to p. 1, characterized in that the control unit of the valve element is made in the form of a synchronous switching unit of the valve element at the beginning of the half-cycle of the supply voltage.

4. The device according to p. 1, characterized in that the control unit of the valve element is made in the form of a phase control unit of the valve element.