способ регулирования напряжения под нагрузкой и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ регулирования напряжения под нагрузкой, в соответствии с которым меняют величину и фазу добавочного напряжения на участке цепи между входными зажимами и зажимами нагрузки, для чего формируют несколько уровней добавочного напряжения на выходе исходного трансформаторно-тиристорного модуля путем переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения обмоток трансформатора упомянутого модуля, отличающийся тем, что формируют одно или несколько добавочных напряжений на выходах дополнительных трансформаторно-тиристорных модулей аналогичных исходному, последовательно включенных с выходами исходного трансформаторно-тиристорного модуля, при этом мощность и напряжение на выходах дополнительных трансформаторно-тиристорных модулей уменьшают по сравнению с мощностью и напряжением на выходе исходного трансформаторно-тиристорного модуля в геометрической прогрессии, знаменатель которой равен числу уровней напряжения на выходе исходного трансформаторно-тиристорного модуля, при этом напряжение на входных зажимах выбирают равным средине диапазона регулирования напряжения на зажимах нагрузки, а сумму максимальных уровней напряжения на выходах всех трансформаторно-тиристорных модулей выбирают равной половине упомянутого диапазона.

2. Устройство для регулирования напряжения под нагрузкой, содержащее исходный трансформаторно-тиристорный модуль первичные обмотки трансформатора которого последовательно подключены между зажимами питающей сети и нагрузки, а его вторичные обмотки и их отводы через соответствующие тиристорные ключи подключены к зажимам питающей сети, и систему управления трансформаторно-тиристорными модулями, отличающееся тем, что первичные обмотки трансформатора исходного трансформаторно-тиристорного модуля и зажимы нагрузки подключены к питающей сети через согласующий двухобмоточный трансформатор, а между первичными обмотками трансформатора упомянутого модуля и зажимами нагрузки последовательно включены первичные обмотки трансформаторов одного или нескольких аналогичных дополнительных трансформаторно-тиристорных модулей меньшей мощности, вторичные обмотки которых и их отводы через соответствующие тиристорные ключи аналогично исходному трансформаторно-тиристорному модулю подключены к зажимам питающей сети, система управления трансформаторно-тиристорными модулями выполнена в виде системы программного управления, содержащей блок центрального процессора с постоянным запоминающим устройством, снабженный двумя парами входных и выходных зажимов, одна пара которых подключена к датчику фазы нагрузки устройства, входной зажим второй пары которых подключен к блоку управления, а ее выходной зажим связан с входами нескольких блоков выходных каскадов по числу используемых трансформаторно-тиристорных модулей, выходные зажимы каждого из блоков выходных каскадов подключены к управляющим электродам тиристорных ключей соответствующего трансформаторно-тиристорного модуля, датчик фазы выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя и подключен входными зажимами последовательно с нагрузкой, кроме того, мощность и напряжение на выходных зажимах каждого из дополнительных трансформаторно-тиристорных модулей уменьшается по сравнению с мощностью и напряжением на выходных зажимах исходного трансформаторно-тиристорного модуля в геометрической прогрессии, знаменатель которой равен числу уровней напряжений на выходе исходного трансформаторно-тиристорного модуля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для бесконтактного регулирования напряжения под нагрузкой.

Для регулирования напряжения под нагрузкой широко известен способ механического переключения отводов регулировочной обмотки трансформатора с разрывом дуги тока нагрузки в масле или вакууме [1].

Недостатками способа являются повышенный электроизнос механических контактов, необходимость периодической ревизии устройства в связи со сменой изношенных контактов и загрязненного масла и низкое быстродействие.

В качестве прототипа выбран известный способ регулирования напряжения под нагрузкой, по которому меняют величину и фазу добавочного напряжения на участке цепи путем перевода трансформаторно-тиристорного модуля в различные режимы работы с помощью переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения обмоток трансформатора этого модуля [2].

Известно устройство для регулирования напряжения под нагрузкой, содержащее трансформаторно-тиристорный модуль, первичные обмотки трансформатора которого последовательно подключены между зажимами питающей сети и нагрузки, зажимы вторичных обмоток и отводы их через тиристорные ключи подключены к зажимам питающей сети, и систему управления модулем, выходные зажимы которой подключены к управляющим электродам тиристорных ключей [2].

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают широких функциональных возможностей по регулированию напряжения на выходных зажимах устройства и требуют больших затрат активных материалов для изготовления его. Это объясняется тем, что трансформаторно-тиристорный модуль известного устройства имеет всего девять уровней напряжения на входных зажимах, которые отличаются друг от друга на одинаковую по напряжению величину. Поэтому, с помощью известного устройства можно регулировать напряжение в достаточно узком диапазоне, например в диапазоне 10% от номинальной величины ступенями по 2,5%. Увеличение диапазона регулирования напряжения на нагрузке приводит к прямо пропорциональному увеличению ступени регулирования, а следовательно, к снижению точности его. Использование известного устройства для регулирования напряжения в широких пределах, например в диапазоне 0-100% от номинальной величины, мелкими ступенями по 1-2% не представляется возможным. Кроме того, расход активных материалов на изготовление трансформатора и затраты на тиристоры известного устройства соответствуют полному диапазону регулирования напряжения, а следовательно, наибольшей мощности, которую потребляет нагрузка при номинальном напряжении на ее зажимах.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа регулирования напряжения под нагрузкой и сокращение расхода активных материалов на изготовление устройства для его реализации.

Технический результат заключается в том, что появляется возможность регулировать напряжение на нагрузке мелкими ступенями по 1-2% в широком диапазоне регулирования 0-100% от номинальной величины, а также в два раза уменьшаются расход активных материалов и затраты на тиристоры и изготовление трансформаторно-тиристорных модулей устройства.

Этот технический результат достигается тем, что в способе регулирования напряжения под нагрузкой, по которому меняют величину и фазу добавочного напряжения на участке цепи путем перевода трансформаторно-тиристорного модуля в различные режимы работы с помощью переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения обмоток трансформатора этого модуля, согласно изобретению, ступень регулирования напряжения на нагрузке уменьшают в геометрической прогрессии со знаменателем ее, который равен числу уровней напряжения на выходе исходного модуля, путем использования различных режимов работы одного или нескольких, последовательно включенных, аналогичных по схемотехническому исполнению, дополнительных трансформаторно-тиристорных модулей, мощность и напряжение на выходных зажимах которых в такой же геометрической прогрессии уменьшают по сравнению с мощностью и напряжением исходного модуля, а напряжение на входе выбирают равным середине диапазона регулирования напряжения на нагрузке, а сумму максимальных уровней напряжения на выходных зажимах всех модулей принимают равной половине этого диапазона.

Этот технический результат достигается также тем, что в устройстве для регулирования напряжения под нагрузкой, содержащем трансформаторно-тиристорный модуль, первичные обмотки трансформатора которого последовательно подключены между зажимами питающей сети и нагрузки, зажимы вторичных обмоток и отводы их через тиристорные ключи подключены к зажимам питающей сети, и систему управления модулем, выходные зажимы которой подключены к управляющим электродам тиристорных ключей, согласно изобретению, входные зажимы подключены к питающей сети через согласующий двухобмоточный трансформатор, а между выходными зажимами первичных обмоток трансформатора этого модуля и нагрузкой последовательно включены первичные обмотки трансформаторов одного или нескольких аналогичных трансформаторно-тиристорных модулей меньшей мощности, зажимы вторичных обмоток которых и отводы их через соответствующие тиристорные ключи аналогично исходному модулю подключены к питающей сети, а система управления выполнена в виде системы программного управления, содержащей блок центрального процессора с постоянным запоминающим устройством, снабженный двумя парами входных и выходных зажимов, одна пара подключена к датчику фазы нагрузки устройства, входной зажим второй пары - к блоку управления, а выходной зажим связан с входами нескольких блоков выходных каскадов по числу используемых трансформаторно-тиристорных модулей, выходные зажимы каждого из этих блоков подключены к управляющим электродам тиристорных ключей соответствующего модуля, а датчик фазы выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя и подключен с помощью входных и выходных зажимов в питающую сеть последовательно с нагрузкой устройства.

Именно заявленная схема подключения первичных и вторичных обмоток трансформаторов отдельных трансформаторно-тиристорных модулей, а также выбор входного напряжения питания на уровне середины диапазона регулирования напряжения, обеспечивают, согласно способу, широкодиапазонное и мелкоступенчатое регулирование напряжения на нагрузке, а также в два раза меньший расход активных материалов и затраты на тиристоры и изготовление трансформаторно-тиристорных модулей устройства и тем самым достижение цели технического результата изобретения. Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают соответствие критерию "Изобретательский уровень". Проведенные испытания подтверждают соответствие критерию "Промышленная применимость".

На фиг. 1 приведена схема одного из вариантов устройства, содержащего в своем составе два трансформаторно-тиристорных модуля, для осуществления способа регулирования напряжения под нагрузкой; на фиг. 2 - диаграмма уровней напряжения на нагрузке, поясняющая процесс широкодиапазонного и мелкоступенчатого регулирования напряжения на нагрузке в соответствии с предлагаемым способом; на фиг. 3-6 - принципиальные схемы вторичных обмоток трансформаторов устройства в соответствии с одним из вариантов предлагаемого способа.

Устройство (фиг. 1) содержит согласующий двухобмоточный трансформатор 1 с обмотками 2 и 3, к зажимам выходной обмотки 3 которого последовательно с нагрузкой и между собой подключены первичные обмотки 4 и 5 трансформаторов 6 и 7 двух трансформаторно-тиристорных модулей. Зажимы вторичных обмоток 8 и 9 трансформаторов этих модулей и отводы 10, 11 вторичных обмоток их через соответствующие тиристорные ключи блоков 12 и 13 подключены к питающей сети. Система программного управления устройством содержит блок центрального процессора 14 с постоянным запоминающим устройством, снабженный двумя парами входных и выходных зажимов, одна пара подключена к датчику фазы нагрузки 15, входной зажим второй пары - к блоку управления 16, а выходной зажим связан с входами двух блоков выходных каскадов 17 и 18 по числу используемых трансформаторно-тиристорных модулей. Выходные зажимы каждого из этих блоков подключены к управляющим электродам тиристорных ключей блоков 12 и 13 соответствующего модуля. Датчик фазы 15 выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя и подключен с помощью входных a₁, b₁, c₁ и выходных зажимов a₂, b₂, c₂ в питающую сеть последовательно с нагрузкой устройства. Кроме того, устройство содержит выводы A, B, C для подключения питающей сети и выходные выводы устройства A", B", C".

На фиг. 2 изображена диаграмма уровней напряжения на нагрузке, если устройство, согласно фиг. 1, содержит два трансформаторно-тиристорных модуля одинакового схемотехнического исполнения, каждый из которых имеет девять уровней напряжения на своих выходных зажимах; согласно фиг. 2, устройство с двумя модулями позволяет получить 81 уровень напряжения на нагрузке и регулировать напряжение в диапазоне 0-100% от номинальной величины.

На фиг. 3, 5, 4, 6 изображены соответственно принципиальные схемы 19 и 21 вторичных обмоток трансформатора первого модуля в режимах его работы с условными названиями соответственно "отбавить 4" и "отбавить 3". Принципиальные схемы 20 и 22 вторичных обмоток трансформатора второго модуля изображены для режимов его работы с условными названиями соответственно "добавить 4" и "отбавить 4".

Необходимость широкодиапазонного и мелкоступенчатого регулирования напряжения под нагрузкой приводит к необходимости изменения напряжения трансформаторов 6 и 7 трансформаторно-тиристорных модулей как по величине, так и по фазе. Для этого с помощью блоков 12 и 13 меняют схемы подключения вторичных обмоток 8 и 9 этих трансформаторов к входным зажимам питающей сети. Если напряжение на входе устройства соответствует середине заданного диапазона регулирования напряжения на нагрузке, то согласующий трансформатор 1 с обмотками 2 и 3 (фиг. 1) исключают из схемы устройства. В противном случае используют согласующий трансформатор, мощность которого, например при диапазоне регулирования напряжения в пределах 0-100%, составляет 50% от мощности, потребляемой нагрузкой. При этом суммарная мощность используемых для регулирования напряжения трансформаторно-тиристорных модулей также составляет 50% от мощности, потребляемой нагрузкой.

Способ осуществляют следующим образом. Пусть в исходном режиме работы, после включения устройства в питающую сеть, оба трансформаторно-тиристорных модуля находятся в режиме работы с условным названием "отбавить 4". От напряжения на входе последовательно соединенных трансформаторно-тиристорных модулей (U_с), которое равно середине диапазона регулирования напряжения на нагрузке (U_c = U_min + 40U₂, фиг. 2), отнимается по 4 ступени выходного напряжения первого и второго трансформаторно-тиртисторных модулей. Ступень выходного напряжения второго модуля в 9 раз меньше ступени выходного напряжения первого модуля. Поэтому напряжение на выходных зажимах устройства будет равно U_н = U_min + 40U₂ - 4 9 U₂ - 4U₂ = U_min. Исходный уровень напряжения на выходных зажимах устройства равен минимальному значению его, так как суммарный максимальный уровень напряжения на выходных зажимах обоих модулей составляет половину диапазона регулирования напряжения на нагрузке и находится в противофазе с напряжением питающей сети. Исходный уровень напряжения может быть равен нулевому значению его, если регулирование напряжения осуществляют в диапазоне 0-100% от номинальной величины. По команде блока управления 16 на повышение напряжения на нагрузке устройства центральный процессор 14 считывает из постоянного запоминающего устройства необходимую цифровую информацию о требуемом изменении схем соединения вторичных обмоток 8 и 9 трансформаторов обоих модулей, о моментах времени организации алгоритма переключения определенных тиристорных ключей в блоках 12 и 13, соответствующих новым схемам соединения вторичных обмоток трансформаторов этих модулей. Центральный процессор обрабатывает эту цифровую информацию с учетом текущего значения фазового угла нагрузки и помещают ее в свою оперативную память. Далее, центральный процессор 14 следит за значением текущего времени и при совпадении его с разрешенными моментами времени организации алгоритма переключения тиристорных ключей определенных модулей, путем воздействия на соответствующие блоки выходных каскадов 17 или 18, снимает импульсы управления с выключаемых тиристорных ключей и подает импульсы управления на те тиристорные ключи, которые должны быть включены в новом стационарном режиме работы определенного модуля и устройства в целом. После реализации алгоритма переключения тиристорных ключей устройство оказывается в новом стационарном режиме работы, который отличается от предыдущего по уровню напряжения на одну мелкую ступень. Одна ступень регулирования напряжения с помощью предлагаемого способа составляет 1/80 часть полного диапазона регулирования напряжения на нагрузке рассматриваемого устройства.

Рассмотрим один из вариантов осуществления способа. Согласно фиг. 2 при переводе устройства в стационарные режимы с уровнями напряжения на выходных зажимах в пределах от U_min - (U_min + 8U₂), (U_min + 9U₂) - (U_min +17U₂), (U_min + 18U₂) - (U_min + 26U₂), (U_min + 27U₂) - (U_min + 35U₂), (U_min + 36U₂) - (U_min + 44U₂), (U_min + 45U₂) - (U_min + 53U₂), (U_min + 54U₂) - (U_min + 62U₂), (U_min + 63U₂) - (U_min + 71U₂), (U_min + 72U₂) - (U_min + 80U₂) меняют схему соединения вторичной обмотки только у второго модуля. При переводе устройства в режимы с уровнями напряжения в пределах (U_min + 8U₂) - (U_min + 9U₂), (U_min + 17U₂) - (U_min + 18U₂), (U_min + 26U₂) - (U_min + 27U₂), (U_min + 35U₂) - (U_min + 36U₂), (U_min + 44U₂) - (U_min + 45U₂), (U_min + 53U₂) - (U_min + 54U₂), (U_min + 62U₂) - (U_min + 63U₂), (U_min + 71U₂) - (U_min + 72U₂) меняют схемы соединения вторичных обмоток обоих модулей. Если в качестве минимальной величины напряжения (U_min) принять его нулевое значение, то автоматически получают диапазон регулирования напряжения на выходных зажимах устройства от нуля до 100% номинальной величины (U_min + 80U₂ = U_max).

В качестве примера выберем перевод устройства из стационарного режима с уровнем напряжения на нагрузке (U_min + 8U₂) - в режим с уровнем напряжения (U_min + 9U₂). В исходном режиме трансформатор 6 первого модуля находится в режиме работы с условным названием "отбавить 4", а трансформатор 7 второго модуля - в режиме с условным названием "добавить 4". Напряжение на нагрузке соответствует U_н = U_c - 4U₁ + 4U₂ = U_min + 40U₂ - 4 9U₂ + 4U₂ = U_min + 8U₂. Для этого режима на фиг. 3, 4 показаны схемы соединения 19 и 20 вторичных обмоток 8 и 9 соответственно первого и второго модулей, которые получены с помощью соответствующих тиристорных ключей 12₁ - 12₅ и 13₄ - 13₈, находящихся во включенном состоянии. По команде блока управления 16 на повышение напряжения центральный процессор путем воздействия на блоки 12 и 13 по определенному алгоритму одновременно меняет схемы соединения вторичных обмоток 8 и 9 обоих модулей. Трансформатор 6 первого модуля переходит в режим работы с условным названием "отбавить 3", а трансформатор 7 второго модуля - в режим с условным названием "отбавить 4". Напряжение на нагрузке соответствует U_н = U_с - 3U₁ - 4U₂ = U_min + 40U₂ - 39U₂ - 4U₂ = U_min + 9U₂. На фиг. 5, 6 показаны схемы соединения 21 и 22 вторичных обмоток 8 и 9 соответственно первого и второго модулей, которые получены с помощью соответствующих тиристорных ключей 12₁ - 12₃, 12₉ - 12₁₁ и 13₁ - 13₅, находящихся во включенном состоянии. После перевода трансформаторов 6 и 7 в новые режимы работы напряжение на нагрузке увеличивается на одну мелкую ступень. Аналогично выполняют изменение напряжения во всем диапазоне регулирования его от U_min до U_max с шагом регулирования в одну мелкую ступень.

Предложенное решение позволяет сократить расход активных материалов и расширить функциональные возможности способа регулирования напряжения под нагрузкой и устройства для его реализации.

Источники информации:

1. Порудоминский В.В. Трансформаторное и реакторное оборудование для регулирования напряжения и реактивной мощности. - М.: ВИНИТИ, 1984.

2. Авторское свидетельство СССР N 1534686, кл. H 02 M 5/257, 1990. - прототип.