RU2050679C1

RU2050679C1 - Voltage regulating device

Info

Publication number: RU2050679C1
Application number: RU93052801A
Authority: RU
Inventors: Георгий Алексеевич Шадрин
Original assignee: Георгий Алексеевич Шадрин
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1993-11-29
Publication date: 1995-12-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: voltage regulating device has three-legged magnetic circuit carrying two primary windings on extreme legs and one secondary winding on each leg, as well as regulating device connected to control circuit which is connected through phase-shifting device to auxiliary winding. Primary windings are inter connected in parallel and connected to supply mains; one of them is connected through regulating device; auxiliary winding is wound on leg of second primary winding; parts of secondary winding are interconnected cumulatively in series. Device may operate on three-phase or single-phase supply mains. EFFECT: improved power characteristics and operating reliability of device, reduced mass and size, cost and radio noise, enlarged functional capabilities. 2 dwg

Description

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. The invention relates to electrical engineering, in particular to AC or current regulators, and can be used in converting technology as power sources for electric arc, induction and welding installations, voltage stabilizers, etc.

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. The closest in technical essence to the claimed is a device for regulating voltage and current, containing a three-core magnetic circuit with a primary and secondary primary windings located on the extreme rods, and a secondary winding on the middle rod, to which a constant load is connected, while the primary windings are interconnected counter-sequentially and one of them is shunted with a key on bipolar thyristors.

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. The disadvantages of this device are the increased consumption of active materials, the large size and weight of the transformer, the need for an additional transformer to power the control circuit and synchronize the operation of the keys, low efficiency and power factor, high level of interference, uneven loading of the phases of the supply network. The increase in size, weight and cost is caused by a double set of primary windings, each designed for full load power. Low efficiency and power factor due to the large consumption of reactive power by a power transformer, a control transformer and a phase-controlled controller. The latter is designed to double the value of the load current of the current in the short-circuited circuit of one primary winding and the current in the serial circuit of another primary winding. The decrease in efficiency is caused by losses from higher harmonics in the regulatory body, in the transformer windings and from zero sequence currents due to the asymmetric loading of the phases of the supply network.

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. The main objective of the invention is to reduce the mass, dimensions and cost of a device for regulating voltage by reducing the active materials of the transformer, increasing the reliability by eliminating inrush currents of the magnetization at the moments of voltage supply to the device, expanding the functionality through the use of a single-phase or three-phase supply network and operation devices for regulating voltage in boost mode, increasing energy efficiency and power factor in seconds even reducing losses in the regulatory body and the transformer, the level of radio noise, the consumption of reactive power of the transformer as a whole, as well as due to the uniform loading of phases and improving the harmonic composition.

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. The solution of this problem is achieved by the fact that in the device for voltage regulation, containing a three-core magnetic circuit with two primary windings located on the extreme rods, a secondary winding and a control unit with a control circuit, according to the invention, a phase-shifting unit and an auxiliary winding are introduced, which is connected to the control circuit via phase shifting unit and is located on the same rod with one primary winding connected to the supply network, according to which, in parallel, through the regulating The second unit is connected to the mains supply with another primary winding, and the secondary winding is made in the form of three sections located on each rod and interconnected in series.

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. The reduction in mass, dimensions and cost in the proposed device is achieved due to the appropriate location and connection of the windings, the use of primary windings, designed to transmit through each of them about half the load power, reducing the number of turns of the secondary winding, the main part of the turns of which are located on the middle core, lack of a control transformer.

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. Energy indicators are increased by regulating a part of the total load power, more uniform loading of phases when feeding primary windings from a three-phase network, operation of the transformer in boost mode, elimination of inrush currents of the magnetization of the transformer, while reducing reactive power consumption, harmonic amplitudes, radio noise level, open circuit current move and tend to zero loss from currents of the zero sequence.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для регулирования напряжения; на фиг.2 векторная диаграмма напряжения вторичной обмотки трансформатора устройства, подключенного к трехфазной сети. Figure 1 presents a functional diagram of a device for regulating voltage; figure 2 is a vector diagram of the voltage of the secondary winding of the transformer of the device connected to a three-phase network.

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. The voltage regulating device (Fig. 1) is connected to the supply network 1 and is made on a three-core magnetic circuit 2 with two primary windings of the main 3 and additional 4 located on the extreme rods and three sections 5, 6, 7 of the secondary winding 8, which are placed on each rod and are interconnected in sequence. Together with the main primary winding 3, an auxiliary winding 9 is introduced onto the rod, which is connected to the control circuit 10 through a phase-shifting unit 11. The winding 9 has a dual purpose for powering the elements of the control circuit 10 and synchronizing the control unit 12 with the supply network 1. Both primary windings 3 and 4 are connected to the terminals of the supply network 1 in parallel, with the additional winding 4 connected through a control unit 12 connected to the control circuit 10. The secondary winding 8 is connected to the load 13, for example, with the resistance of the electric arc. The supply network 1 can be either single-phase or three-phase.

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. The essence of the device for voltage regulation is illustrated by the example of a single-phase supply network 1 when the transformer operates in two modes: when both primary windings 3 and 4 are supplied with the full voltage of network 1 and when the voltage of network 1 is supplied only to the main unregulated primary winding 3, and the second winding 4 at this time, disconnected from the network 1 by the regulatory unit 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).When the voltage of the network 1 is simultaneously supplied, magnetizing currents flow through the

primary windings

3 and 4, each of which creates its own magnetic flux. The main winding 3 creates the main unregulated flow Ф _о , and the additional primary winding 4 creates an adjustable flow Ф _р . The magnetic fluxes Ф _о and Ф _{р are} each closed through their extreme and middle rods of the magnetic circuit 2 and induce in the

sections

5, 6, 7 of the secondary winding 8 EMF equal to
e ₈ = (W ₅ + W ₆ )

+ (W ₇ + W ₆ )

e ₅ + e ₇ + 2e ₆
(1) (the index corresponds to the number of the winding section).

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_Σ 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.It is easy to verify that with the same number of turns of the primary windings 3 and 4 and the same voltage of the network 12, the flows Ф _о and Ф _р are equal. Under the action of the total magnetic flux Ф _Σ Ф _o + Ф _{р of the} middle rod in section 6, in which most of the turns of the secondary winding 8 are placed, a double EMF is induced. This allows you to reduce the number of turns of the winding, to reduce the weight, dimensions and cost of the device as a whole, without reducing the required voltage at the load 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).When applying voltage network 1 only on one main primary winding 3 induced its main magnetic flux F is closed _on the two extreme and the average magnetic rods 2. Only in the section 5 of the secondary winding 8, a magnetic flux F _of the calculated electromotive force induces on coil, and in sections 6 and 7 EMFs are smaller and proportional to the parts of the stream flowing along the middle and second extreme rods. The voltage polarity in the primary winding 4 and in section 7 will be inverse to the polarity of sections 5 and 6 of the winding 8. The voltage transformed in the sections of the winding 8 is partially compensated and partially drops in the inductive resistance of this winding. This mode eliminates the inrush of magnetization current at the moment of supplying voltage to the transformer, provides a low voltage (several volts) at idle, which is important from the point of view of electrical safety in the welding industry, and almost halves the consumption of reactive power at idle. To ensure this mode, it is enough, for example, to enter the control circuit 10 to enter a signal according to the load current 13 (welding current).

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.From equation (1) it is also seen that by changing the voltage in the additional winding 4 by the regulating unit 12, the voltage in the sections 6 and 7 of the winding 8 can be adjusted. For this, it is sufficient to change the control voltage U _y in the control circuit 10.

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. The control unit 12, regardless of the number of phases of the supply network 1, can be single-key and two-key, both with natural and forced switching. In the latter case, the switching peaks of the rechargeable capacitors contribute to the stability of the ignition and the maintenance of the welding arc. In the two-key control unit 12, one key is connected in series with the primary winding 4, and the other in parallel, bypassing the winding 4 at open intervals of the serial control key.

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. The serial key of the control unit 12 can be performed on a triac or bipolar thyristors or transistors, and the second shunt key on bipolar thyristors or optocouplers connected via a control input parallel to the serial key.

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. The voltage curve of the winding 8 only under load from a device with a single-key control unit 12 is a segment of a sinusoid corresponding to the phase angle of regulation of the control circuit 10. In other modes, regardless of the type of control unit, the voltage curve has the form of a sinusoid with voltage boost.

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 γ относительно е₅. который при регулировании напряжения е₇, е₆ изменяется.With a three-phase supply network 1, one primary winding is connected to the phase (sinusoidal), and the other winding to the linear (cosine) voltage of the other two phases. Unlike a single-phase network, here the voltages of the sections 5, 6 and 7 of the winding 8 are summed geometrically according to the vector diagram in figure 2. The diagram shows that the EMF e ₅ and e _{7 of} sections 5 and 7 are perpendicular, and the total EMF e _{8 of} winding 8 is shifted by an angle γ relative to e ₅ . which, when regulating the voltage e ₇ , e ₆ changes.

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. The external characteristics of the device with a single-key control unit are sloping, with a two-key slightly stiffer. Their rigidity and mass of the winding wire depend on the number of turns in the sections of the secondary winding 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. Thus, the task posed is successfully solved by using the effect of doubling the EMF per turn, improving the forms of the network current and output voltage, more uniform loading of the phases of the supply network, especially in medium and high power devices, and the proposed location of the windings on the cores of the magnetic circuit.

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. Technical and economic indicators of the device for voltage regulation are quite high. In particular, for a single-phase with one key power source for welding, they reach the following values: efficiency 0.91, power factor 0.9, specific gravity 6.5 kg / kW, radio noise level 1.6-2.1 times below permissible GOST 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 киловатт. The proposed device for voltage regulation, regardless of the number of phases of the supply network and the type of control unit has wider functionality and can be manufactured at a power of several hundred kilowatts.

Claims

DEVICE FOR VOLTAGE REGULATION, containing a three-core magnetic circuit with two primary windings located on the extreme rods, a secondary winding and a control unit with a control circuit, characterized in that a phase-shifting unit and an auxiliary winding are introduced, which is connected to the control circuit through a phase-shifting unit and is located on one a rod with one primary winding connected to the supply network, according to which, in parallel with which, through the control unit, the second primary I winding and the secondary winding is in the form of three sections, placed on each rod, and connected with each other according to the sequence.