способ переключения ответвлений обмотки трансформатора и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ переключения ответвлений обмотки трансформатора без разрыва цепи тока нагрузки, включающий контроль напряжения, при котором осуществляют подачу импульсов управления на тиристоры тиристорных ключей, каждый из которых содержит по два встречно-параллельно соединенных тиристора, включенных в цепях ответвлений обмотки трансформатора, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют контроль токов, протекающих по тиристорам каждого из тиристорных ключей, в момент перехода тока через нулевое значение фиксируют значение напряжения и переключают ответвления обмотки трансформатора путем подачи импульсов управления на один из тиристоров, входящий в соответствующий ключ, в зависимости от времени, оставшегося до смены полярности напряжения.

2. Устройство для переключения ответвлений обмотки трансформатора, содержащее, по крайней мере, два тиристорных ключа, каждый из которых содержит два встречно-параллельно соединенных тиристора, включенных последовательно с ответвлениями обмотки трансформатора, датчик напряжения, включенный на входе устройства, соединенный с блоком управления тиристорными ключами, отличающееся тем, что последовательно с каждым тиристорным ключом включен датчик тока, соединенный с блоком управления тиристорными ключами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в устройствах для регулирования напряжения под нагрузкой силовых и преобразовательных трансформаторов с помощью тиристоров.

Известно устройство управления тиристорным ключом для переключения трансформаторов под нагрузкой, содержащее датчики тока, датчик напряжения, обеспечивающие подачу импульсов управления на тиристоры тиристорных ключей, каждый из которых содержит по два встречно-параллельно соединенных тиристора, включенных в цепях ответвлений обмотки трансформатора [1].

Способ управления устройством по [1] заключается в поочередном включении последующего и отключении предыдущего тиристорных ключей, обеспечивая протекание тока через эти ключи и соответствующие ответвления обмотки трансформатора в моменты времени, зависящие от фазового сдвига при сохранении неизменного направления тока в нагрузке.

Однако способ управления устройством по [1] характеризуется неустойчивой коммутацией при малом фазовом сдвиге и наличием бестоковой паузы в нагрузке, т.е. разрывом цепи тока нагрузки.

Известен также способ переключения ответвлений обмотки трансформатора, включающий контроль напряжения, при котором осуществляют подачу импульсов управления на тиристоры тиристорных ключей, каждый из которых содержит по два встречно-параллельно включенных тиристора, включенных в цепях ответвлений обмотки трансформатора, и заключающийся в поочередном включении последующего и отключении предыдущего тиристорных ключей в заданные моменты времени, опережающие переход напряжения через нулевое значение на время, равное времени выключения тиристоров ключей [2].

Способ по [2] обеспечивает переключение регулировочных ответвлений трансформатора без разрыва цепи тока нагрузки во всех режимах работы, но характеризуется относительно низкой надежностью по следующим причинам:

- при переключении на ответвление повышенного напряжения опережение момента переключения должно быть достаточным, чтобы выходящий из работы тиристор успел закрыться до смены полярности напряжения ЭДС ступени. В противном случае после смены полярности возникает замыкание ступени через тиристоры;

- при переключении на ответвление пониженного напряжения коммутация тиристоров сопровождается замыканием ступени регулирования, длительность тока которого и величина возрастают с увеличением времени опережения переключения по отношению к нулевому значению напряжения.

Наиболее близким к заявляемому является способ переключения ответвлений обмотки трансформатора без разрыва цепи тока нагрузки, включающий контроль напряжения, при котором осуществляют подачу импульсов управления на тиристоры тиристорных ключей, каждый из которых содержит по два встречно-параллельно включенных тиристора, включенных в цепях ответвлений обмотки трансформатора, и заключающемуся в снятии импульсов управления с тиристорного ключа, выходящего из работы, и одновременной их подачи на тиристорный ключ, вступающий в работу, по которому при регулировании на повышение напряжения устанавливают момент опережения, выбранный таким образом, чтобы с момента завершения коммутации тиристорных ключей до нуля напряжения на ступени регулировочной обмотки оставался интервал не менее времени выключения тиристора, а при регулировании на понижение выходного напряжения устанавливают момент опережения, выбранный из условий допустимых значений токов в элементах конструкции [З].

Однако способу по [З] присущи отмеченные выше недостатки способа по [2]. Кроме того, для реализации обоих этих способов по [2] и [3] требуются сложные схемы управления. Так, для определения момента опережения коммутации по отношению к переходу напряжения через ноль необходимо знать длительность коммутации, которая зависит от напряжения на ступени регулировочной обмотки, тока обмотки, индуктивности контура коммутации [З], параметров самих тиристоров.

Известно также устройство для переключения ответвлений обмотки трансформатора, реализующее способ по [З], содержащее два тиристорных ключа, каждый из которых содержит два встречно-параллельно соединенных тиристора, включенных последовательно с ответвлениями обмотки трансформатора одними концами, а их другие концы объединены и являются входом устройства, два датчика напряжения, включенные на входе устройства, соединенные с блоком управления тиристорными ключами.

Изобретением решается задача создания способа переключения ответвлений обмотки трансформатора, характеризующегося высокой надежностью регулирования вследствие простоты его реализации и плавностью перехода с одного ответвления на другое, исключая возникновение тока короткого замыкания в контуре и разрыва цепи тока нагрузки.

Изобретением решается задача создания устройства для переключения ответвлений обмотки трансформатора, характеризующегося высокой эксплуатационной надежностью вследствие простоты конструкции и реализации, обусловленной плавностью перехода с одного ответвления на другое, исключая возникновение тока короткого замыкания в контуре и разрыва цепи тока нагрузки.

Для решения поставленной задачи в способе переключения ответвлений обмотки трансформатора без разрыва цепи тока нагрузки, включающем контроль напряжения, при котором осуществляют подачу импульсов управления на тиристоры тиристорных ключей, каждый из которых содержит по два встречно-параллельно соединенных тиристора, включенных в цепях ответвлений обмотки трансформатора, предложено согласно настоящему изобретению дополнительно осуществлять контроль токов, протекающих по тиристорам каждого из тиристорных ключей, в момент перехода тока через нулевое значение фиксировать значение напряжения и переключать ответвления обмотки трансформатора путем подачи импульсов управления на один из тиристоров, входящих в соответствующий ключ, в зависимости от времени, оставшегося до смены полярности напряжения.

Для решения поставленной задачи в устройстве для переключения ответвлений обмотки трансформатора, содержащем, по крайней мере, два тиристорных ключа, каждый из которых содержит два встречно-параллельно соединенных тиристора, включенных последовательно с ответвлениями обмотки трансформатора, датчик напряжения, включенный на входе устройства, соединенный с блоком управления тиристорными ключами, предложено согласно настоящему изобретению последовательно с каждым тиристорным ключом включить датчик тока, соединенный с блоком управления тиристорными ключами.

Изобретение поясняется на примере выполнения.

На фиг.1 представлена функциональная схема заявляемого устройства, реализующего заявляемый способ. На фиг.2 приведены диаграммы входного напряжения (U) и тока (I), поясняющие процесс переключения ответвлений обмотки трансформатора в соответствии с заявляемым способом посредством заявляемого устройства.

Трансформатор 1 имеет ответвления 2, 3.

Устройство для переключения ответвления 2, 3 трансформатора 1 содержит тиристорные ключи, образованные встречно-параллельно включенными тиристорами 4-7. Встречно-параллельно соединенные тиристоры 4 и 5, включенные последовательно с ответвлением 2 обмотки трансформатора 1, образуют ключ в цепи ответвления 2 низкого напряжения трансформатора 1, а встречно-параллельно соединенные тиристоры 6 и 7, включенные последовательно с ответвлением 3 обмотки трансформатора 1, образуют ключ в цепи ответвления 3 высокого напряжения трансформатора 1.

Последовательно с каждым тиристорным ключом включен датчик тока: в частности, последовательно с тиристорным ключом, выполненным из тиристоров 4 и 5, включен датчик тока 8; последовательно с тиристорным ключом, выполненным из тиристоров 6 и 7, включен датчик тока 9. На входе устройства включен датчик напряжения 10.

Датчики тока 8 и 9, а также датчик напряжения 10 соединены с блоком управления 11 тиристорными ключами.

Управление работой устройства осуществляется при помощи блока управления 11 тиристорными ключами.

На блок управления 11 тиристорными ключами поступают сигналы с датчиков тока 8 и 9, сигнал с датчика напряжения 10, а также внешний задающий сигнал, подающийся в направлении, обозначенном на фиг.1 стрелкой 12. После обработки входящей информации блок управления 11 тиристорными ключами формирует сигналы управления каждым из тиристоров 4-7.

Сигнал на выходе датчиков тока 8 и 9 определяется направлением тока, протекающего через датчик 8 или 9, а также фиксируется нулевое значение тока.

Сигнал на выходе датчика напряжения 10 определяется полярностью напряжения.

Внешний задающий сигнал, поступающий на блок управления 11, дает команду устройству на повышение или понижение напряжения.

Основные моменты переключения посредством заявляемого способа:

Понижение напряжения

При понижении напряжения ответвление 3 обмотки трансформатора 1 выходит из работы, а ответвление 2 обмотки трансформатора 1 вступает в работу, т.е. ток переводится с ответвления 3 на ответвление 2 обмотки трансформатора 1 (фиг.1).

Понижение напряжения рассмотрим для случая, когда в исходном состоянии работает тиристор 7 (фиг.1).

В момент времени t₁ (фиг.2, а) ток меняет направление с отрицательного на положительное, т.е. переходит через нулевое значение. Момент перехода тока через нулевое значение фиксирует датчик тока 9 (фиг.1). Если в момент времени t₁ (фиг.2, а) напряжение положительно, то импульс управления подается на тиристор 4 (фиг.1) вступающего в работу ответвления 2 обмотки трансформатора 1. При этом полярность напряжения фиксируется датчиком напряжения 10. На этом процесс переключения заканчивается.

Если в момент времени t₁ (фиг.2, б) напряжение отрицательно, но до смены полярности напряжения остается время, не превышающее двойное время включения тиристоров, то импульс управления также подается на тиристор 4 (фиг.1) вступающего в работу ответвления 2 обмотки трансформатора 1.

Если в момент времени t ₁ напряжение отрицательно (фиг.2, в) и до смены полярности напряжения остается время, превышающее двойное время включения тиристоров, то импульс управления сначала подается на тиристор 6 (фиг.1), являющийся вторым в паре с тиристором 7 выходящего из работы ответвления 3 обмотки трансформатора 1. В момент времени t₂ (фиг.2, в) тиристор 6 (фиг.1) открывается. Открытие тиристора 6 фиксируется датчиком тока 9 по появлению тока через этот тиристор. Сразу после открытия тиристора 6 снимается импульс управления с тиристора 6 и подается импульс управления на тиристор 4 вступающего в работу ответвления 2. При этом тиристор 4, входящий в тиристорный ключ с тиристором 5, откроется, а тиристор 6, входящий в тиристорный ключ с тиристором 7, закроется.

Аналогичные процессы происходят при понижении напряжения, когда в исходном состоянии работает тиристор 6.

Повышение напряжения

При повышении напряжения ответвление 2 обмотки трансформатора 1 (фиг.1) выходит из работы, а ее ответвление 3 вступает в работу, т.е. ток переводится с ответвления 2 на ответвление 3 обмотки трансформатора 1.

Понижение напряжения рассмотрим для случая, когда в исходном состоянии работает тиристор 5.

В момент времени t₁ (фиг.2, г) ток меняет направление с отрицательного на положительное, т.е. переходит через нулевое значение. Момент перехода тока через нулевое значение фиксирует датчик тока 8 (фиг.1). Если в момент времени t₁ (фиг.2, г) напряжение положительно, то импульс управления сначала подается на тиристор 4 (фиг.1), являющийся вторым в паре с тиристором 5 выходящего из работы ответвления 2 обмотки трансформатора 1. В момент времени t₂ (фиг.2, г) тиристор 4 (фиг.1) открывается. Открытие тиристора 4 фиксируется датчиком тока 8 по появлению тока через этот тиристор. Сразу же после открытия тиристора 4 снимается импульс управления с этого тиристора и подается импульс управления на тиристор 6 вступающего в работу ответвления 3 обмотки трансформатора 1. При этом тиристор 6 откроется, а тиристор 4 закроется. Полярность напряжения фиксирует датчик напряжения 10. На этом процесс переключения заканчивается.

Если в момент времени t₁ (фиг.2, д) напряжение отрицательно, но до смены полярности напряжения остается время, не превышающее времени закрытия тиристора, то импульс управления также сначала подается на тиристор 4 (фиг.1), являющийся вторым в паре с тиристором 5 выходящего из работы ответвления 2. В момент времени t₂ (фиг.2, д) тиристор 4 (фиг.1) открывается. Сразу же после открытия тиристора 4 снимается импульс управления с тиристора 4 и подается импульс управления на тиристор 6 вступающего в работу ответвления 3 обмотки трансформатора 1. При этом тиристор 6 откроется, а тиристор 4 закроется.

Если в момент времени t₁ (фиг.2, е) напряжение отрицательно и до смены полярности напряжения остается время, превышающее время закрытия тиристора, то импульс управления подается на тиристор 6 (фиг.1) вступающего в работу ответвления 3 обмотки трансформатора 1.

Раздельное управление тиристорами одного ключа позволит при отрицательном значении напряжения в момент времени t₁ (фиг.2, ж), вне зависимости от того, какое время остается до смены полярности напряжения, всегда сначала подавать импульс управления на тиристор 4 (фиг.1). В момент времени t₁ (фиг.2, ж) тиристор 4 (фиг.1) открывается. Сразу же после открытия тиристора 4 импульс управления с тиристора 4 снимается и подается импульс управления на тиристор 6. В этом случае тиристор 6 откроется, а тиристор 4 закроется после смены полярности напряжения, происходящей в момент времени t₃ (фиг.2, ж).

Аналогичные процессы происходят при повышении напряжения, когда в исходном состоянии работает тиристор 4.

Если у трансформатора количество ответвлений превышает два, то переключение ответвлений осуществляется аналогично описанному выше.

Заявляемые способ переключения ответвлений обмотки трансформатора и устройство для его осуществления позволяют выполнить как последовательный переход с одного ответвления на другое (соседнее), так и перейти с любого исходного ответвления на конечное.

Таким образом, заявляемый способ переключения ответвлений обмотки трансформатора и устройство, реализующее этот способ, характеризуются высокой надежностью при относительной простоте конструкции устройства.

В соответствии в заявляемым решением в НПО «Электромаш» разработана техническая документация трансформаторной подстанции КТПОЛ для железных дорог, налажен выпуск этих изделий.

Литература:

1. Авт. свид. СССР №525223, МПК Н 02 Р 13/16, 1976.

2. Авт. свид. СССР №1003039, МПК G 05 F 1/20, 1981.

3. Патент РФ №2086073, МПК Н 02 Р 13/06, G 05 F 1/20, 1995.