способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях, по которому меняют величину и фазу добавочного напряжения на участке цепи или величину сопротивления этого участка путем перевода вспомогательных трансформаторов в различные режимы работы и переключения тиристорных ключей этих режимов в определенные моменты времени, отличающийся тем, что переключение тиристорных ключей этих режимов выполняют за несколько промежуточных этапов неполнофазного режима работы вспомогательных трансформаторов, на каждом из которых включают один или более тиристорных ключей нового режима работы и одновременно с этим выключают один или более тиристорных ключей предыдущего режима работы таким образом, чтобы исключить разрыв цепи тока нагрузки на данном промежуточном этапе, а моменты перевода вспомогательных трансформаторов в различные промежуточные этапы неполнофазного режима работы выбирают в зависимости от фазового угла нагрузки совпадающими с временными зонами естественной коммутации выключаемых на этих этапах тиристорных ключей.

2. Устройство для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях, содержащее трансформаторы, первичные обмотки которых последовательно подключены между входными и выходными зажимами устройства, зажимы вторичных обмоток и отводы их через тиристорные ключи подключены к источнику трехфазного напряжения и узел управления с блоком выходных каскадов, выходы которых подключены к управляющим электродам тиристорных ключей, отличающееся тем, что узел управления выполнен в виде системы программного управления, содержащей блок центрального процессора, считывающий из постоянного запоминающего устройства в соответствии с командой на перевод устройства в новый режим работы цифровые данные о необходимых моментах времени организации различных промежуточных этапов и тиристорных ключах, которые должны быть включены или выключены при смене этапов в процессе перевода устройства в данный режим, корректирующий эти цифровые данные с учетом поступающих на его вход текущих значений фазового угла нагрузки и хранящий их в своей оперативной памяти, постоянно следящий за значением текущего времени от момента перехода напряжения одной из фаз через нулевое значение и при совпадении его с цифровыми данными из оперативной памяти выполняющий включение и выключение определенных тиристорных ключей в соответствии с данными оперативной памяти для перевода устройства в новый режим работы, снабженный тремя парами входных и выходных зажимов, одна пара подключена к блоку постоянного запоминающего устройства, вторая пара - к датчику фазы нагрузки регулирующего органа устройства, входной зажим третьей пары - к блоку управления, а выходной зажим связан с входом блока выходных каскадов, а датчик фазы выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя и подключен с помощью трех входных и трех выходных зажимов в питающую трехфазную сеть.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения под нагрузкой, а также компенсации реактивной мощности или симметрирования нагрузки в трехфазной сети.

Для регулирования или стабилизации напряжения под нагрузкой широко известен способ коммутации вольтодобавочных трансформаторов дискретного n-фазного трансформаторно-тиристорного регулятора переменного напряжения, заключающийся в том, что коммутацию вольтодобавочных трансформаторов в динамическом режиме производят последовательно один за другим и перевод их из одного режима работы в другой осуществляют через промежуточный режим холостого хода, сняв при этом импульсы управления со всех тиристорных ключей первичной обмотки соответствующего вольтодобавочного трансформатора [1].

В качестве прототипа выбран известный способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях, по которому меняют величину и фазу добавочного напряжения на участке цепи или величину сопротивления этого участка путем перевода вспомогательных трансформаторов в различные режимы работы с помощью переключения тиристорных ключей этих режимов в определенные моменты времени [2].

Известное устройство для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях содержит трансформаторы, первичные обмотки которых последовательно подключены между входными и выходными зажимами устройства, зажимы вторичных обмоток и отводы через тиристорные ключи подключены к источнику трехфазного напряжения и узел управления с блоком выходных каскадов, выходы которых подключены к управляющим электродам тиристорных ключей [2].

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают достаточной надежности и долговечности работы устройства, а также широких функциональных возможностей его по стабилизации и регулирования параметров электроэнергии.

Это объясняется тем, что при изменении фазового угла нагрузки сдвигают временные зоны естественной коммутации тиристорных ключей.

Кроме того, зоны естественной коммутации тиристорных ключей в разных фазах не совпадают и имеют сдвиг, как правило, на 60^o. Поэтому переключение тиристорных ключей в определенные моменты времени при переводе вспомогательных трансформаторов в различные режимы работы сопровождается коммутационными экстратоками, величины которых в 100 ^oC 1000 раз больше номинального нагрузочного тока. Последнее приводит к перегрузке тиристорных ключей и вспомогательных трансформаторов по току и напряжению, а также к кратковременным (до 0,02 с) колебаниям напряжения в питающей сети. Это в свою очередь вызывает сбои в работе электронного узла управления самого устройства и другой электронной техники, подключенной к зажимам данной трехфазной сети. Использование одного и того же устройства либо в качестве симметрикомпенсирующего устройства из-за весьма существенного изменения фазового угла нагрузки от активно-индуктивного (0^o Фн 90^o) до чисто емкостного (Фн 0 - 90^o) не представляется возможным в связи с возникновением экстратоков.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение надежности способа стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях и устройства для его реализации.

Технический результат заключается в том, что появляется возможность использования одного и того же устройства, либо в качестве симметрокомпенсирующего устройства, а также исключаются экстратоки и перенапряжения на тиристорных ключах в момент перевода вспомогательных трансформаторов в различные режимы работы.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях, по которому меняют величину и фазу добавочного напряжения на участке цепи или величину сопротивления этого участка путем перевода вспомогательных трансформаторов в различные режимы работы с помощью переключения тиристорных ключей этих режимов в определенные моменты времени, переключение тиристорных ключей этих режимов выполняют за несколько промежуточных этапов неполнофазного режима работы вспомогательных трансформаторов, на каждом из которых включают один или более тиристорных ключей нового режима работы и одновременно с этим включают один или более тиристорных ключей предыдущего режима работы таким образом, чтобы исключить разрыв цепи тока нагрузки на данном промежуточном этапе, а моменты перевода вспомогательных трансформаторов в различные промежуточные этапы неполного фазного режима выбирают в зависимости от фазового угла нагрузки совпадающими с временными зонами естественной коммутации выключаемых на этих этапах тиристорных ключей.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях, содержащем трансформаторы, первичные обмотки которых последовательно подключены между входными и выходными зажимами устройства, зажимы вторичных обмоток и отводы их через тиристорные ключи подключены к источнику трехфазного напряжения, и узел управления с блоком выходных каскадов, выходы которых подключены к управляющим электродам тиристорных ключей, узел управления выполнен в виде системы программного управления, содержащей блок центрального процессора, считывающий из постоянного запоминающего устройства в соответствии с командой на перевод устройства в новый режим работы цифровые данные о необходимых моментах времени организации различных промежуточных этапов и тиристорных ключах, которые должны быть включены или выключены при смене этапов в процессе перевода устройства в данный режим, корректирующий эти цифровые данные с учетом поступающих на его вход текущих значений фазового угла нагрузки и хранящий их в своей оперативной памяти, постоянно следящий за значением текущего времени от момента перехода напряжения одной из фаз через нулевое значение и при совпадении его с цифровыми данными из оперативной памяти выполняющей включение и выключение определенных тиристорных ключей в соответствии с данными оперативной памяти для перевода устройства в новый режим работы, снабженный тремя парами входных и выходных зажимов, одна пара подключена к блоку постоянного запоминающего устройства, вторая пара - к датчику фазы нагрузки регулирующего органа устройства, входной зажим третьей пары - к блоку управления, выходной зажим третьей пары - к блоку управления, выходной зажим связан с входом блока выходных каскадов, а датчик фазы выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя и подключен с помощью трех входных и трех выходных зажимов в питающую трехфазную сеть.

Предлагаемый способ и устройство обеспечивают перевод вспомогательных трансформаторов в различные режимы работы без возникновения экстратоков и перенапряжений на тиристорных ключах и других элементах устройства.

На фиг. 1 приведена схема одного из вариантов устройства для осуществления способа стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях; на фиг. 2 - схемы вторичной обмотки вспомогательного трансформатора устройства, поясняющие процесс стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в соответствии с предлагаемым способом; на фиг. 3 - временные зоны естественной коммутации тиристорных ключей, поясняющие процесс стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в соответствии с предлагаемым способом.

Устройство (фиг. 1) содержит трехфазный трансформатор 1 с первичными обмотками 2 и вторичными обмотками 3 в каждой фазе. Первичные обмотки 2 последовательно подключены между входными зажимами A, B, C и выходными зажимами A", B", C" устройства, а зажимы вторичных обмоток 3 и отвода 4 их через тиристорные ключи блока 5 подключены к зажимам a, в, c источника трехфазного напряжения. Блок 5 состоит из ключевых элементов в виде тиристорных ключей.

Устройство снабжено системой программного управления, содержащей блок центрального процессора 6, снабженный тремя парами входных и выходных зажимов, одна пара подключена к блоку постоянного запоминающего устройства 7, вторая пара - к датчику фазы 8 нагрузки регулирующего органа устройства, входной зажим третьей пары - к блоку управления 9, а выходной зажим связан с входом блока выходных каскадов 10, выходы которых подключены к управляющим входам электродам тиристорных ключей блока 5. Датчик фазы 8 выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя и подключен с помощью трех входных зажимов a₁, в₁, c₁ и трех выходных зажимов a₂, в₂, c₂ в питающую трехфазную сеть.

На фиг. 2 изображены схема 11 вторичной обмотки вспомогательного трансформатора устройства для момента времени начала первого промежуточного этапа переключения тиристорных ключей блока 5, схема 12 вторичной обмотки вспомогательного трансформатора устройства для момента времени начала второго промежуточного этапа переключения тиристорных ключей блока 5, схема 13 вторичной обмотки вспомогательного трансформатора устройства для момента времени начала третьего промежуточного этапа переключения тиристорных ключей блока 5.

На фиг. 3 изображены временная зона 14 естественной коммутации тиристорных ключей, выключаемых на первом промежуточном этапе переключения, временная зона 15 естественной коммутации тиристорных ключей, выключаемых на втором промежуточном этапе переключения, временная зона 16 естественной коммутации тиристорных ключей, выключаемых на третьем (последнем) этапе переключения.

Необходимость стабилизации или регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях приводит к необходимости изменения напряжения вспомогательного трансформатора 1 как по величине, так и по фазе. Для этого с помощью блока 5 меняют схему подключения вторичной обмотки 3 к зажимам a, в, c трехфазной питающей сети.

Способ осуществляют следующим образом.

Блок центрального процессора 6 организует работу всей системы программного управления устройством. Он постоянно считывает текущую информацию с датчика фазы 8 о фазовом угле тока нагрузки и о моментах времени перехода через нулевое значение тока и напряжения, оцифровывает ее и на моменты времени перехода напряжения фазы A через нулевое значение помещает обновленную информацию о фазовом угле нагрузки в оперативную память центрального процессора 6. Центральный процессор 6 ведет отсчет реального текущего времени от момента перехода напряжения фазы A через нулевое значение. Счетчик времени обнуляется каждый раз в момент перехода напряжения фазы A через нулевое значение. По команде блока управления 9 на перевод устройства в новый режим работы центральный процессор 6 считывает из блока постоянного запоминающего устройства 7 необходимую цифровую информацию о моментах времени организации различных промежуточных этапов переключения определенных тиристорных ключей в блоке 5, обрабатывает эту информацию с учетом текущего значения фазового угла нагрузки и помещает ее в свою оперативную память. Далее центральный процессор 6 следит за значением текущего времени и при совпадении его с временем начала первого промежуточного этапа переключения путем воздействия на блок выходных каскадов 10 снимает импульсы управления с выключаемых тиристорных ключей и подает импульсы управления на те тиристорные ключи, которые должны быть включены на данном этапе. По мере увеличения текущего времени и совпадение его с моментами реализации других промежуточных этапов аналогично происходит переключение соответствующих тиристорных ключей блока 5. После реализации всех промежуточных этапов переключения тиристорных ключей устройство оказывается в новом стационарном режиме работы.

Рассмотрим один из вариантов осуществления способа на примере перевода вспомогательного трансформатора из исходного режима работы с условным названием "добавить 1" в конечный режим работы с условным названием "добавить 2". В исходном режиме включены тиристорные ключи 5₁, 5₂ ^oC 5₅ (схема 11). В конечном режиме должны быть включены тиристорные ключи 5₆, 5₇ ^oC 5₁₀ (схема 13). На первом промежуточном этапе, в определенный момент времени в соответствии с временной зоной 14 (заштрихованная область) выполняют включение тиристорного ключа 5₆ и снимают импульсы управления с тиристорного ключа 5₃ (схема 11). По тиристорному ключу 5₃ протекал в исходном режиме работы ток фазы B (i_B). При включении тиристорного ключа 5₆ получают короткозамкнутый контур с перенапряжением U_ac. Током короткозамкнутого контура тиристорный ключ 5₃ быстро выключается без возникновения экстратока, если момент времени начала первого промежуточного этапа совпадает с заштрихованной областью временной зоны 14. После выключения тиристорного ключа 5₃ вспомогательный трансформатор 1 находится в неполнофазном режиме работы, магнитный поток в стержне фазы A его в 2 раза больше, чем в стержнях фаз B и C. При этом цепь тока нагрузки устройства не разрывается, перенапряжения на тиристорных ключах отсутствуют и вспомогательный трансформатор в этом промежуточном режиме может находится сколь угодно долго. На втором промежуточном этапе, в определенный момент времени в соответствии с временной зоной 15 ( заштрихованная область) выполняют включение тиристорных ключей 5₇, 5₈ и 5₉ и снимают импульсы управления с тиристорных ключей 5₁, 5₂ и 5₅ (схема 12). По тиристорным ключам 5₁, 5₂ протекал в первом промежуточном режиме работы ток нагрузки фазы A (i_A), а по тиристорному ключу 5₅ - ток нагрузки фазы C (i_C). При включении тиристорного ключа 5₇ получают короткозамкнутый контур с напряжением U_aв, а при включении тиристорных ключей 5₈ и 5₉ - второй короткозамкнутый контур с напряжением U_ac. Током первого короткозамкнутого контура выключаются тиристорные ключи 5₁, 5₂, а током второго - тиристорный ключ 5₅. При этом экстратоков не возникает, если момент времени начала второго промежуточного этапа совпадает с заштрихованной временной зоной 15. Цепь тока нагрузки устройства не разрывается, перенапряжения на тиристорных ключах отсутствуют и вспомогательный трансформатор в этом промежуточном режиме может находиться длительное время. Магнитный поток в стержне фазы C вспомогательного трансформатора в 2 раза больше, чем в стержнях фаз A и B. На третьем промежуточном этапе, в определенный момент времени в соответствии с временной зоной 16 (заштрихованная область) выполняют включение тиристорного ключа 5₁₀ и снимают импульсы управления с тиристорного ключа 5₄ (схема 13). По тиристорному ключу 5₄ протекал во втором промежуточном режиме работы ток фазы B (i_в). При включении тиристорного ключа 5₁₀ создается короткозамкнутый контур с напряжением U_aв. Током короткозамкнутого контура выключаются тиристорный ключ 5₄ без возникновения экстатока, если момент времени начала третьего промежуточного этапа совпадает с заштрихованной областью временной зоны 16. После выключения тиристорного ключа 5₄ вспомогательный трансформатор оказывается в новом полнофазном режиме работы с условным названием "добавить 2". При этом напряжение на выходных зажимах A", B", C" устройства увеличивается на определенную ступень регулирования. Если к выходным зажимам устройства подключить 3-фазную конденсаторную батарею, то можно регулировать или стабилизировать коэффициент мощности в сети переменного тока, а неполнофазные режимы использовать для симметрирования тока нагрузки этой сети.

Предложенное решение позволяет расширить функциональные возможности и повысить надежность способа стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях и устройства для его реализации.