Патент на изобретение №2172054

(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОД НАГРУЗКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано для широкодиапазонного и мелкоступенчатого бесконтактного регулирования напряжения под нагрузкой с использованием только одного питающего двухобмоточного трансформатора для группы электроприемников, у которых при регулировании напряжения величины потребляемой мощности или тока должны оставаться неизменными. В характеристике предложенного способа регулирования напряжения за счет перекоммутации вторичных обмоток трансформаторно-тиристорных модулей оговорены новые условия выбора средних значений диапазонов регулирования напряжения на зажимах отдельных электроприемников группы и приемы изменения величин самих диапазонов регулирования напряжения между максимальными и минимальными их значениями. Устройство, реализующее предложенный способ, обеспечивает регулирование напряжения одновременно на зажимах групп электроприемников по индивидуальным законам для каждого электроприемника группы за счет различных вариантов перекоммутации вторичных обмоток трансформаторов трансформаторно-тиристорных модулей и учета сигналов управления, вырабатываемых функциональными блоками, которые несут информацию о величинах фазового угла нагрузки, напряжения, тока и активной мощности. Технический результат – сокращение расхода активных материалов, а также уменьшаются потери электроэнергии в элементах схемы питания. 2 с.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к силовой электронике и электротехнике и может быть использовано для широкодиапазонного и мелкоступенчатого 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 (см. Порудоминский В.В. Трансформаторное и реакторное оборудование для регулирования напряжения и реактивной мощности. – M.: ВИНИТИ, 1984, с. 10-12).

Известный способ характеризуется высокими затратами активных материалов и большими эксплуатационными издержками в связи с повышенным электроизносом механических контактов, необходимостью периодической ревизии механических устройств из-за смены изношенных контактов, загрязненного масла, а также низким быстродействием.

Для регулирования напряжения под нагрузкой известен способ бесконтактного регулирования напряжения на основе использования трансформаторно-тиристорных преобразователей (см. Шидловский А.К. и др. Стабилизация параметров электрической энергии в распределительных сетях. – Киев: Наукова думка, 1989, с. 198-200).

Известный способ требует повышенных затрат активных материалов на изготовление трансформаторов и большого количества используемых тиристорных ключей в связи с соединением первичной обмотки трансформаторов по сложной схеме “встречный зигзаг”.

Известен способ регулирования напряжения под нагрузкой, согласно которому на участке цепи между зажимами вторичной обмотки питающего трансформатора и зажимами электроприемников формируют добавочные напряжения путем переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения обмоток трансформаторов последовательно соединенных трансформаторно-тиристорных модулей, при этом напряжение на зажимах вторичной обмотки питающего трансформатора выбирают равным середине диапазона регулирования напряжения на зажимах электроприемников, а сумму максимальных уровней напряжения на выходах всех трансформаторно-тиристорных модулей выбирают равной половине упомянутого диапазона (см. патент России N 2119229, кл H 02 М 5/12,0 05 F 1/253, 1998 – /прототип/).

Известно устройство для регулирования напряжения под нагрузкой, содержащее согласующий (питающий) двухобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, а между выходными зажимами его вторичной обмотки и соответствующими зажимами электроприемников включена цепь, содержащая последовательное соединение “n” первичных обмоток (где, n=1, 2, . ..) трансформаторов соответственно “n” трансформаторно-тиристорных модулей с блоками тиристорных ключей и функциональный блок, вырабатывающий сигналы о величине напряжения и фазовом угле нагрузки и входящий в систему программного управления устройством, выходные зажимы которой через блоки выходных каскадов подключены к управляющим электродам тиристорных ключей трансформаторно-тиристорных модулей (см. патент России N 2119229, кл H 02 М 5/12, G 05 F 1/253, 1998 – /прототип/).

Известные способ и устройство не обеспечивают широких функциональных возможностей по сохранению на заданном уровне электрической мощности, снимаемой с выходных зажимов устройства при регулировании напряжения в сторону его уменьшения, требуют больших затрат активных материалов для изготовления устройства и приводят к повышенным потерям электроэнергии в элементах устройства при его эксплуатации. Это объясняется действием трех основных причин. Одной из них является то, что у известного устройства при уменьшении напряжения на его выходных зажимах необходимо пропорционально этому уменьшать электрическую мощность нагрузки, которая передается электроприемникам. В противном случае увеличивается ток по обмоткам питающего двухобмоточного трансформатора выше номинальной величины и последний выходит из строя. Другая причина заключается в том, что у известного устройства питающий двухобмоточный трансформатор используется для электроснабжения только одного или ограниченного числа электроприемников, которые могут быть соединены параллельно. Следовательно, удельный расход активных материалов на изготовление трансформатора и потери электроэнергии в его обмотках при эксплуатации увеличиваются. Третья причина состоит в отсутствии у известного устройства по сравнению с заявляемым техническим решением возможности оптимального управления величинами уровней напряжения на зажимах отдельных электроприемников в пределах группы их на различных интервалах времени работы. Это не позволяет обеспечить минимум потерь электроэнергии в элементах устройства и минимум затрат активных материалов на изготовление трансформаторного оборудования устройства в целом. Кроме того, у известного устройства зажимы вторичных обмоток трансформаторов всех трансформаторно-тиристорных модулей подключены непосредственно к зажимам питающей сети. Уровень напряжения питающей сети составляет 10 кВ и выше. Без использования понижающего трансформатора выполнить тиристорные ключи на такой высокий уровень напряжения не представляется возможным. Поэтому затраты активных материалов на изготовление известного устройства, а следовательно, и потери электроэнергии в его элементах существенно возрастают. Например, использование известного устройства для регулирования напряжения в диапазоне 0-100% от его номинальной величины и при сохранении на неизменном номинальном уровне величины получаемой с зажимов устройства электрической мощности, хотя бы для диапазона 25-100% регулирования напряжения, приводит к увеличению габаритной мощности трансформаторного оборудования известного устройства по сравнению с упомянутой выше электрической мощностью более чем в пять раз. Другой пример использования известного устройства (для регулирования напряжения в диапазоне 0-100% от номинальной величины и при сохранении на неизменном номинальном уровне потребляемого электроприемниками тока) дает увеличение габаритной мощности трансформаторного оборудования известного устройства по сравнению с наибольшей потребляемой электрической мощностью более чем в 1,5 раза.

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 использовать один и тот же питающий двухобмоточный трансформатор для электроснабжения и регулирования напряжения одновременно на зажимах группы электроприемников по индивидуальным законам для каждого электроприемника группы. Более чем в полтора раза уменьшаются расход активных материалов и затраты на изготовление трансформаторного оборудования устройства, а также эксплуатационные издержки при его использовании.

Этот технический результат достигается тем, что в способе регулирования напряжения под нагрузкой, в соответствии с которым на участке цепи между зажимами вторичной обмотки питающего трансформатора и зажимами электроприемников формируют добавочные напряжения путем переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения обмоток трансформаторов последовательно соединенных трансформаторно-тиристорных модулей, при этом напряжение на зажимах вторичной обмотки питающего трансформатора выбирают равным середине диапазона регулирования напряжения на зажимах электроприемников, а сумму максимальных уровней напряжения на выходах всех трансформаторно-тиристорных модулей выбирают равной половине упомянутого диапазона, согласно изобретению для группы электроприемников середины диапазонов регулирования напряжения на зажимах отдельных электроприемников группы выбирают на одинаковом уровне, равном напряжению на зажимах вторичной обмотки питающего трансформатора, меняют величины самих диапазонов регулирования напряжения на зажимах отдельных электроприемников между максимальными и минимальными значениями этих напряжений путем изменения суммы максимальных уровней напряжения на выходах всех трансформаторно-тиристорных модулей, включаемых последовательно в цепь данного электроприемника группы, для той части группы электроприемников, у которых при регулировании напряжения величина потребляемого тока остается на неизменном уровне, изменяют величину напряжения на зажимах электроприемников этой части группы таким образом, чтобы в любой момент времени отношение суммы напряжений на их зажимах к количеству одновременно работающих электроприемников этой части группы было равно или близко к величине выбранного уровня напряжения, равного середине диапазонов его регулирования, а для другой части группы электроприемников, у которых при регулировании напряжения величина потребляемой ими мощности должна оставаться на неизменном уровне, обеспечивают уменьшение токов по обмоткам питающего трансформатора путем перекоммутации тиристорными ключами обмоток трансформаторов последовательно соединенных трансформаторно-тиристорных модулей с согласного включения на встречное или наоборот.

Этот технический результат достигается также тем, что в известном устройстве для регулирования напряжения под нагрузкой, содержащем питающий двухобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, а между выходными зажимами его вторичной обмотки и соответствующими зажимами электроприемников включена цепь, содержащая последовательное соединение “n” первичных обмоток (где n=1,2, …) трансформаторов соответственно “n” с блоками тиристорных ключей и функциональный блок (Блок 15 фиг. 1 схемы устройства прототипа), вырабатывающий сигналы о величине напряжения и фазовом угле нагрузки и входящий в имеющую процессор систему программного управления устройством, выход которой через блоки выходных каскадов подключены к управляющим электродам тиристорных ключей трансформаторно-тиристорных модулей, согласно изобретению при создании схемы одновременного питания группы электроприемников с помощью дополнительных цепей, аналогичных упомянутой выше, зажимы вторичной обмотки питающего двухобмоточного трансформатора соединены с соответствующими зажимами каждого из электроприемников группы, а зажимы и отводы вторичных обмоток трансформаторов всех трансформаторно-тиристорных модулей через тиристорные ключи соединены с возможностью их коммутации между собой, или встречно-согласного по отношению к соответствующим первичным обмоткам этих трансформаторов и параллельного их подключения к выходным зажимам вторичной обмотки питающего двухобмоточного трансформатора, а функциональный блок системы программного управления выполнен с возможностью выработки для процессора дополнительных сигналов, несущих информацию как о величине фазового угла нагрузки, так и о величинах напряжения, тока и активной мощности, при этом число функциональных блоков увеличено до числа подключенных к схеме питания электроприемников, а количество выходных каскадов системы программного управления выбрано соответствующим числу трансформаторно-тиристорных модулей.

Заявленный способ группового питания одновременно нескольких электроприемников от выходных зажимов одного и того же двухобмоточного трансформатора при сохранении возможности широкодиапазонного и мелкоступенчатого регулирования напряжения на зажимах каждого электроприемника группы по индивидуальным законам, а также заявленная схема подключения зажимов и отводов вторичных обмоток трансформаторов всех трансформаторно-тиристорных модулей к выходным зажимам упомянутого питающего двухобмоточного трансформатора способствуют решению проблемы ресурсо- и энергосбережения при организации регулирования напряжения под нагрузкой, так как при его реализации более чем в полтора раза уменьшается расход активных материалов и затраты на изготовление трансформаторного оборудования устройства, а также в два раза уменьшаются потери электроэнергии в его элементах при эксплуатации и тем самым достигаются 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 группу электроприемников, которые получают электроэнергию от данного устройства; для осуществления способа регулирования напряжения под нагрузкой в качестве примера на фиг. 1 показана группа, содержащая в своем составе два электроприемника; на фиг. 2 – вариант принципиальной схемы одного из трансформаторно-тиристорных модулей устройства в соответствии с предлагаемым способом; на фиг. 3 – векторно-топографические диаграммы, поясняющие процесс регулирования напряжения на нагрузке согласно предлагаемому способу; на фиг. 4 – временная диаграмма изменения напряжения на зажимах отдельных электроприемников группы, поясняющая процесс оптимального управления работой устройства в соответствии с одним из вариантов предлагаемого способа. На фиг 5-8 показаны схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов и графики временных зон естественной коммутации тиристорных ключей для различных этапов алгоритма работы системы программного управления согласно предлагаемому способу.

Устройство (фиг. 1) содержит питающий двухобмоточный трансформатор 1 с первичной 2 и вторичной 3 обмотками, между выходными зажимами a₁, b₁, c₁ вторичной обмотки 3 питающего трансформатора 1 и входными зажимами каждого из электроприемников 4 и 5 последовательно между собой включены первичные обмотки соответственно 6, 7 и 8, 9 трансформаторов 10, 11 и 12, 13 соответствующих трансформаторно-тиристорных модулей. Вариант полного схемотехнического исполнения трансформаторно-тиристорного модуля на фиг. 1 ограничен пунктирной линией 1 и изображен на фиг. 2. Зажимы и отводы вторичных обмоток 14, 15 и 16, 17 соответственно трансформаторов 10, 11 и 12, 13 этих модулей через тиристорные ключи соответствующих блоков 18, 19 и 20, 21 подключены к выходным зажимам a₁, b₁, c₁ вторичной обмотки 3 питающего трансформатора 1. Принципиальные схемы всех тиристорных ключей устройства одинаковы, и в качестве примера на фиг. 2 пунктирной линией выделена принципиальная схема одного из вариантов исполнения тиристорного ключа блока 18 (позиция 18.1). В качестве активных элементов (тиристорных ключей) могут быть использованы вместо тиристоров другие технически эквивалентные по выполняемым функциям сильноточные элементы (например, симисторы, механические контакты с гашением дуги в вакууме и т. д. ) Система программного управления устройства 22 (выделена пунктиром) содержит блок постоянного запоминающего устройства 22.1, блок процессора 22.2, блоки 23, 24 (функциональные), выполняющие функции датчиков фазы, напряжения, тока и мощности, блок управления 25 и блоки выходных каскадов 26, 27, 28, 29, по числу используемых трансформаторно-тиристорных модулей. Для подключения питающей сети к устройству используются клеммы А, В, С. Блоки 23, 24 вырабатывают сигналы, несущие информацию о фазовых углах нагрузки электроприемников, а также о величинах напряжения, тока и мощности на их зажимах. Блоки 26, 27 и 28, 29 вырабатывают импульсы управления, с помощью которых замыкаются и размыкаются определенные тиристорные ключи для изменения схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов 6, 7 и 8, 9. Алгоритм работы системы программного управления поясняется в процессе описания принципа действия устройства.

На фиг. 2 приведен вариант принципиальной схемы одного из трансформаторно-тиристорных модулей, который поясняет коммутацию обмоток трансформаторов 10, 11 и 12, 13. Фиг. 2 представляет собой фрагмент фиг. 1, который выделен пунктирной линией 1. Путем включения определенных тиристорных ключей блоков 18, 19 и 20, 21 зажимы и отводы соответствующей вторичной обмотки подключают различными вариантами как между собой, так и к зажимам вторичной обмотки 3 питающего трансформатора 1. Для этих целей в составе каждого блока тиристорных ключей используют несколько их групп. Определенные тиристорные ключи 18.1, 18.3, 18.5, 18.8, 18.10, 18.12 блока 18 из первой группы включают тогда, когда необходимо уменьшить на некоторую дискретную величину напряжение на выходных зажимах a₂, b₂, c₂ по сравнению с его величиной на входных зажимах a₁, b₁, c₁ трансформаторно-тиристорного модуля. Когда требуется увеличить напряжение на упомянутых зажимах a₂, b₂, c₂, то включают тиристорные ключи, например 18.2, 18.4, 18.6, 18.7, 18.9, 18.11 блока 18 из состава второй их группы. Тиристорные ключи 18.13, 18.14, 18.15, 18.16, 18.17, 18.18 третьей группы используют для соединения между собой зажимов и отводов вторичной обмотки с целью получения различных вариантов схемы ее соединения. В частном случае, когда нет необходимости менять напряжение на выходных зажимах a₂, b₂, c₂ трансформаторно-тиристорного модуля относительно такового на входных зажимах a₁, b₁, c₁ его, то включают определенные тиристорные ключи исключительно из состава третьей их группы. Принципиальная схема одного из вариантов выполнения тиристорных ключей показана пунктирной линией (позиция 18.1). Входные зажимы каждого из электроприемников 4 и 5 обозначены на фиг. 1 соответственно a₃, b₃, c₃ и a₄, b₄, с₄.

Фиг. 3 содержит векторно-топографические диаграммы, которые соответствуют различным полнофазным режимам работы трансформаторно-тиристорных модулей. Согласно фиг. 3 возможно 9 полнофазных режимов работы, которые имеют на фиг. 3 условные названия “Режим 1, Режим 2, … , Режим 9”. Для обеспечения этих режимов работы в соответствии с фиг. 2 включены определенные тиристорные ключи из различных их групп. Например, режим работы с условным названием “Режим 1” получают путем включения тиристорных ключей 18.13, 18.14, 18.17, 18.18 исключительно из третьей группы. Такие режимы, как “Режим 2, Режим 3, . .. , Режим 5” обеспечены за счет использования части тиристорных ключей из первой и третьей групп. Другие режимы работы “Режим 6, Режим 7, … , Режим 9” получены путем включения некоторых тиристорных ключей из состава второй и третьей их групп. Конкретные номера тиристорных ключей для обеспечения упомянутых выше полнофазных режимов работы трансформаторно-тиристорных модулей указаны на фиг. 3. Анализ диаграмм различных режимов работы показывает на уменьшение или увеличение выходного напряжения, например линейного напряжения U_a2b2 относительно соответствующего входного линейного напряжения U_a1b1 практически равными ступенями. Согласно фиг. 1 между входными зажимами a₃, b₃, c₃ конкретного электроприемника 4 и выходными зажимами a₁, b₁, c₁ обмотки 3 питающего трансформатора 1 включено последовательно два трансформаторно-тиристорных модуля. Поэтому устройство позволяет получить 99=81 уровень трехфазного напряжения на зажимах каждого электроприемника из их группы. Регулируют напряжение в пределах 0-100% от номинальной величины мелкими ступенями величиной около 1,25%. Если электроприемник, например электролизер для получения цветного металла, требует электроэнергию постоянного тока, то количество уровней напряжения постоянного тока на его зажимах в несколько раз увеличивают. Для этой цели на входные зажимы выпрямительных мостов, от которых получают электроэнергию упомянутые электролизеры, подают регулируемое по величине переменное напряжение не только за счет использования вышеуказанных полнофазных режимов работы. Кроме того, используют большое количество (установлено 63 таких режима) неполнофазных режимов работы трансформаторно-тиристорных модулей. Последние реализуют путем выбора различных вариантов (63 штуки) неполнофазного подключения вторичных обмоток 14 или 15, 16 или 17 трансформаторов 10 или 11, 12 или 13 соответственно, к выходным зажимам обмотки 3 питающего трансформатора 1.

На фиг. 4 в качестве примера даны графики изменения напряжения (кривые I, II, III, и IV) от времени на зажимах четырех отдельных электроприемников, которые в составе их группы получают электроэнергию одновременно от зажимов a₁, b₁, c₁ предлагаемого технического решения. Изменение напряжения на зажимах каждого электроприемника за время цикла (t_ц) принято по одинаковому линейному закону в пределах 0-100% от номинальной величины (0-U_max – фиг. 4). На фиг. 4 графические зависимости I, II, III, и IV приведены на интервале изменения времени немного более чем два t_ц. Анализ фиг. 4 показывает, что сдвиг временных моментов начала и конца одинаковых циклов изменения напряжения на зажимах отдельных электроприемников группы на один и тот же промежуток времени обеспечивает для любого момента времени (t₁ – фиг. 4) равенство отношения суммы напряжений (U_I+U_II+U_III+U_IV – фиг.4) на их зажимах к числу одновременно работающих электроприемников группы величине уровня напряжения (U₀ – фиг. 4), соответствующего середине диапазона его регулирования.

На фиг. 5-8 приведены поясняющие алгоритм работы системы программного управления принципиальные схемы фиг. 5 и фиг. 7 вторичных обмоток 14,15-17 трансформаторов соответственно 10,11-13, а также соответствующие им временные графики фиг. 6 и фиг. 8 зон естественной коммутации (Q_ЕК) выключаемых тиристорных ключей. Именно в эти зоны следует создавать упомянутые выше схемы вторичных обмоток путем включения определенных тиристорных ключей. В качестве примера рассмотрен один из вариантов двухэтапного алгоритма переключения во времени тиристорных ключей, который позволяет перевести устройство из режима работы с условным названием “Режим 1” в другой стационарный режим с условным названием “Режим 2” (фиг. 3). Принципиальная схема на фиг. 5 и график на фиг. 6 соответствуют первому этапу алгоритма, а схема на фиг. 7 и график на фиг. 8 – второму этапу алгоритма переключения. Анализ графиков фиг. 6 и фиг. 8 позволяет сделать вывод о том, что ширина временных зон естественной коммутации выключаемых тиристорных ключей, а также их расположение во времени весьма существенно зависят от сдвига по фазе _н – эл.гр.) между током и напряжением на зажимах электроприемников. Так например, для электроприемников чисто активного характера _н = 0 эл.гр.) зона естественной коммутации выключаемого тиристорного ключа 18.18 (фиг. 5) на первом этапе лежит в пределах от 60 эл.гр. до 150 эл.гр. в положительный и отрицательный полупериоды изменения напряжения фазы А, которое принято в качестве базового при построении системы программного управления. Для второго этапа, когда выключается тиристорный ключ 18.17 (фиг. 7), эта зона изменяется и находится в пределах от 0 эл.гр. до 90 эл.гр. и от 120 эл.гр. до 180 эл.гр. Полностью алгоритм переключения для вышеуказанного примера реализуется системой программного управления устройством по следующей методике. При _н равном или близком нулю электрических градусов (-15 эл.гр. _н +15 эл.гр.) в момент времени спустя 90 эл.гр. (Q_ЕК=90 эл.гр.) после очередного перехода напряжения фазы А на зажимах соответствующего электроприемника через нулевое значение блок процессора 22.2 снимает импульсы управления с тиристорного ключа 18.18. Одновременно с этим он подает импульсы управления на два других тиристорных ключа 18.10 и 18.12. В течение нескольких микросекунд происходит быстрое уменьшение тока i_c в цепи тиристорного ключа 18.18 до нулевого значения и он выключается. При этом перегрузки по току и напряжению элементов устройства не происходит и на этом первый этап алгоритма переключения заканчивается. Далее, спустя еще 60 эл.гр. после начала первого этапа (Q_ЕК=150 эл. гр.) начинается второй этап алгоритма. Аналогично снимаются импульсы управления с тиристорного ключа 18.17 и одновременно с этим подаются импульсы управления на тиристорный ключ 18.18. Происходит быстрое уменьшение тока _а в цепи тиристорного ключа 18.17 до нулевого значения и он выключается. При этом устройство оказывается в новом стационарном режиме работы с условным названием “Режим 2” (фиг. 3). Возможное изменение характера нагрузки электроприемников в диапазоне -90 эл.гр. _н +90 эл.гр. приводит к необходимости представления алгоритма в виде таблиц и хранения его в постоянном запоминающем устройстве 22.1 системы программного управления 22.

На фиг. 9 приведен вариант схемы функционального блока 23, которая поясняет его устройство и выполняемые им функции. Фиг. 4 представляет собой фрагменты фиг. 1, которые выделены пунктирными линиями (позиции 23, 24). Путем последовательного включения между соответствующими входными а’₃, b’₃, с’₃ и выходными a₃, b₃, c₃ зажимами блока 23 первичной обмотки трансформатора тока 23.1 получают сигнал о величине мгновенного значения потребляемого электроприемником 4 тока i. Этот сигнал снимается с зажимов вторичной обмотки трансформатора тока 23.1 и поступает на вход преобразователя 23.3. Кроме того, на входные зажимы преобразователя 23.3 подается сигнал со вторичной обмотки измерительного трансформатора напряжения 23.2. Этот сигнал соответствует величине мгновенного значения напряжения и на входных зажимах электроприемника 4. Преобразователь 23.3, используя в качестве входных данных мгновенные значения тока и напряжения (i и u), вырабатывает сигналы в соответствии со следующими функциональными зависимостями F:
F{U=F1(u); _н=F2(u,i); I=F3(i): P=F4(U,I,)}.

Сигналы о величинах действующих значений напряжения U и тока I, а также о величинах фазового угла _н и потребляемой активной мощности P необходимы для организации работы системы программного управления 22.

Их назначение поясняется при описании принципа действия устройства. Необходимость ресурсо- и энергосбережения при организации широкодиапазонного и мелкоступенчатого регулирования напряжения под нагрузкой на зажимах отдельных электроприемников приводит к необходимости организации групповой схемы питания от одного и того же питающего трансформатора 1 одновременно нескольких электроприемников 4 и 5 (фиг. 1). При регулировании напряжения в пределах времени цикла его изменения (t_ц – фиг. 4) с любым, даже самым широким диапазоном 0-100% регулирования сдвигают моменты начала организации циклов регулирования напряжения на зажимах отдельных электроприемников группы таким образом, чтобы в любой момент времени отношение суммы напряжений на их зажимах к количеству одновременно работающих электроприемников группы было близко к величине выбранного уровня напряжения, соответствующего середине диапазона регулирования его (U₀ – фиг. 4). В заявленном техническом решении это реализуют с помощью системы программного управления 22 путем воздействия на определенные тиристорные ключи блоков 18, 19 и 20, 21 в цепях различных электроприемников 4 и 5. В известном устройстве реализовать последнее не представляется возможным. Поэтому функциональные возможности предлагаемого технического решения существенно шире, чем у известного устройства.

Способ осуществляют следующим образом. Пусть в исходном режиме работы, после включения устройства в питающую сеть уровень напряжения на выходных зажимах обмотки 3 питающего трансформатора 1 составляет определенную величину U₀ (фиг. 4). Это напряжение одинаково и равно середине диапазонов регулирования его на зажимах отдельных электроприемников 4 и 5 их группы. При этом, в составе тиристорных ключей блоков 18 и 19 включены тиристорные ключи с одинаковыми номерами соответственно 18.2, 18.4, 18.6, 18.15, 18.16 (фиг. 2) и т.п. – для ключей блока 19. А в составе тиристорных ключей блоков 20 и 21 включены другие тиристорные ключи с соответствующими номерами. Трансформаторно-тиристорные модули, которые включены последовательно в цепь электроприемника 4, находятся в режиме работы с условным названием “Режим 9” (фиг. 3). Модули, включенные последовательно в цепь электроприемника 5, работают в режиме с условным названием “Режим 5” (фиг. 3). Исходный уровень напряжения на входных зажимах электроприемника 4 равен максимальному его значению, так как суммарный максимальный уровень напряжения на зажимах первичных обмоток 6 и 7 (U_6,7max) обоих модулей составляет половину диапазона регулирования напряжения на зажимах электроприемника 4 и находится в фазе с напряжением U₀ обмотки 3 питающего трансформатора 1. На входных зажимах электроприемника 5 исходный уровень напряжения принят равным минимальному его значению, так как суммарный максимальный уровень напряжения на зажимах первичных обмоток 8 и 9 (U_8,9max) обоих модулей составляет половину диапазона регулирования напряжения на зажимах электроприемника 5 и находится в противофазе с напряжением U₀ обмотки 3 питающего трансформатора 1. Диапазоны регулирования напряжения на зажимах отдельных электроприемников 4 и 5 соответственно равны U₀U_6,7max и U₀U_8,9max. Последние могут быть одинаковыми или различными как по величине, так и по временному закону изменения напряжения внутри диапазона его регулирования. После реализации перевода системой программного управления трансформаторно-тиристорных модулей в режимы работы, которые отличны от вышеупомянутых, устройство оказывается в новом стационарном режиме работы. Этот режим отличается от предыдущего по уровню напряжения в большую или меньшую сторону на зажимах одного (или нескольких) электроприемника(ов) их группы, или одновременно на зажимах всех электроприемников группы на одну (несколько) ступень(ей) регулирования напряжения. Величина одной ступени регулирования согласно (см. патент России N 2119229, кл H 02 М 5/12, G 05 F 1/253, 1998 – /прототип/) составляет 1/80 часть полных диапазонов регулирования U₀+U_6,7max на зажимах электроприемника 4 и U₀+U_8,9max на зажимах электроприемника 5 соответственно. Например, в новом стационарном режиме по сравнению с исходным режимом произошли изменения в составе включенных тиристорных ключей в блоках 19 и 21. Соответствующие этим блокам трансформаторно-тиристорные модули перешли в режимы работы с условными названиями соответственно “Режим 8” и “Режим 4” (фиг. 3). Напряжение на зажимах электроприемника 4 уменьшилось на одну, определенную выше, ступень регулирования, а на зажимах электроприемника 5 оно увеличилось также на одну определенную выше ступень. Алгоритм работы системы программного управления по переводу устройства в различные стационарные режимы рассмотрим на примере динамического процесса переключения во времени тиристорных ключей 18.13, 18.14, 18.17, 18.18 – “Режим 1” (фиг. 3) на тиристорные ключи 18.13, 18.14, 18.8, 18.10, 18.12 – “Режим 2” (фиг. 3). По команде блока управления 25 начинается процесс переключения тиристорных ключей. Предварительно оператором в блок управления 25 помещается в виде таблиц информация о временных законах изменения напряжения на зажимах отдельных электроприемников группы, а также табличные данные в соответствии с фиг. 5-8 по алгоритмам переключения тиристорных ключей. Периодически эта информация из блока управления 25 переписывается в процессор, а именно, в его постоянное запоминающее устройство – блок 22.1. Блок процессора 22.2 считывает из блока 22.1 необходимую цифровую информацию о моментах времени, в которые следует менять схемы соединения вторичных обмоток 14, 15 и (или) 16, 17 трансформаторов трансформаторно-тиристорных модулей. Последние включены последовательно в цепь соответствующих электроприемников 4 и 5. Блок 22.2 следит за значением текущего времени и при его совпадении с разрешенными моментами времени начинает реализовывать поэтапное переключение тиристорных ключей определенных трансформаторно-тиристорных модулей. Для этого он предварительно определяет текущие значения фазовых углов _н тока нагрузки, величины которых поступают в блок 22.2 от блоков датчиков 23 и 24 по его команде. Затем процессор 22.2 из определенных ячеек памяти блока 22.1, соответствующих указанным значениям _н, считывает информацию о этапах алгоритма переключения тиристорных ключей для требуемого перевода устройства из исходного режима работы в другой стационарный режим. Далее, в соответствии с методикой, приведенной при описании данных фиг. 5-8, процессор 22.2 снимает с помощью блоков выходных каскадов 26, 27 и (или) 28, 29 импульсы, управления с выключаемых тиристорных ключей блоков 18, 19 и (или) 20, 21 исходного режима работы устройства. Одновременно с этим он подает импульсы управления на те тиристорные ключи, которые должны быть включены в новом стационарном режиме работы определенных трансформаторно-тиристорных модулей и устройства в целом (см. патент России N 2113753, кл Н 02 J 3/12, Н 02 М 5/257, 1998).

Рассмотрим один из примеров осуществления способа. Согласно фиг. 4 для группы из четырех электроприемников, например для момента времени t₁, выполняется равенство (U_I+U_II+U_III+U_IV)/4=U₀. Выполнение последнего равенства обеспечивают путем сдвига по времени в сторону запаздывания моментов начала и конца циклов изменения напряжения на зажимах отдельных электроприемников группы друг относительно друга на величину, которая равна отношению времени цикла к количеству одновременно работающих электроприемников группы. Примем, что регулирование напряжения в пределах времени цикла t_ц его изменения на зажимах всех четырех электроприемников выполняется при неизменной величине потребляемого ими тока, равной номинальному значению. Графикам I, II, III и IV изменения величин напряжений (фиг. 4) для времени t=t₁ поставим в соответствие согласно фиг. 3 режимы работы трансформаторно-тиристорных модулей с условными названиями, соответственно “Режим 2”, “Режим 4”, “Режим 8” и “Режим 6”. Токи вторичных обмоток трансформаторов трансформаторно-тиристорных модулей, которые находятся в режимах работы с условными названиями “Режим 2” и “Режим 4” уменьшают на определенную величину ток, который потребляют электроприемники от обмотки 3 питающего двухобмоточного трансформатора 1. Наоборот, токи вторичных обмоток трансформаторов трансформаторно-тиристорных модулей, которые находятся в режимах работы с условными названиями “Режим 6” и “Режим 8”, увеличивают на такую же упомянутую выше величину ток, который потребляют электроприемники от обмотки 3 питающего двухобмоточного трансформатора 1. В связи с этим электрическая мощность питающего двухобмоточного трансформатора 1 составляет половину от суммы электрических мощностей всей группы электроприемников, которые получают электроэнергию от трансформатора 1. Электрическая мощность каждого электроприемника группы определена по режиму работы с максимальным напряжением на его зажимах и упомянутым выше номинальным потребляемым током. Электрическая мощность трансформаторно-тиристорных модулей, включенных последовательно в цепь каждого электроприемника группы, составляет половину от мощности данного электроприемника группы в случае максимального диапазона регулирования напряжения на его зажимах в пределах 0-100% согласно графикам I, II, III и IV (фиг. 4).

В качестве другого примера осуществления способа примем, что регулирование напряжения на зажимах группы электроприемников выполняют при неизменной величине потребляемой отдельными электроприемниками электрической мощности, например одинаковой и равной номинальному значению (P_н). Напряжение на зажимах отдельных электроприемников 4 и 5 группы их (фиг. 1) также регулируют соответственно в диапазонах U₀U_6,7max и U₀U_8,9max. При максимальной величине напряжения ток по первичным обмоткам 6, 7 и 8, 9 трансформаторов 11 и 13 соответствующих электроприемников 4 и 5 имеет минимальную величину, которая равна
I_6,7min=P_н/(U₀+U_6,7max); I_8,9min=P_н/(U₀+U_8,9max).

Электрическая мощность трансформаторов 10, 11 и 12, 13 трансформаторно-тиристорных модулей, которые включены последовательно с электроприемниками 4 и 5, при этом также минимальна по величине, зависит от диапазона регулирования напряжения и соответственно равна
P_10,11min=[U_6,7max/(U₀+U_6,7max)]P_н;
P_12,13min=[U_8,9max/(U₀+U_8,9max)]P_н.

Уменьшение напряжения на зажимах электроприемников 4 и 5 приводит к росту тока по соответствующим обмоткам трансформаторов, а следовательно, к увеличению мощности их пропорционально отношению (U₀+U_max)/(U₀-U_max). Электрические мощности трансформаторов 10, 11 и 12, 13 трансформаторно-тиристорных модулей, которые включены последовательно с электроприемниками соответственно 4 и 5, зависят от номинальной мощности этих электроприемников P_н, диапазона регулирования напряжения на их зажимах и равны
P_10,11max=[U_6,7max/(U₀-U_6,7max)]P_н;
P_12,13max=[U_8,9max/(U₀-U_8,9max)]P_н.

По обмоткам 2 и 3 двухобмоточного трансформатора 1, питающего электроприемники 4 и 5, величина тока не меняется в процессе регулирования напряжения на их зажимах. Следовательно, электрическую мощность питающего трансформатора 1 оставляют без изменения. Связано это с тем, что увеличение токов I_6,7 и I_8,9 по первичным обмоткам трансформаторов 10, 11 и 12, 13 при уменьшении напряжения на зажимах электроприемников соответственно 4 и 5 компенсируется равновеликим уменьшением токов по вторичным обмоткам 14, 15 и 16, 17 этих трансформаторов. Например, при уменьшении напряжения на зажимах электроприемников 4 и 5 соответственно от величин U₀+U_6,7max до U₀ и от U₀+U_8,9max также до U₀ токи по первичным обмоткам 6, 7 и 8, 9 трансформаторов увеличиваются в два раза. Они составляют по величине соответственно 2I_6,7min и 2I_8,9min если принять, что U₀=U_6,7max=U_8,9max. При этом токи по вторичным обмоткам 14, 15 и 16, 17 уменьшаются соответственно от I_14,15= I_6,7min до нуля и от I_16,17=I_8,9min до нуля. Ток по обмотке 3 питающего трансформатора 1 при максимальном напряжении на зажимах электроприемников 4 и 5 равен 2I_6,7min+2I_8,9min. Величина этого тока не изменяется на примере уменьшения в два раза напряжения на зажимах электроприемников и составляет также 2l_6,7min+2l_8,9min. Аналогично, при дальнейшем уменьшении напряжения на зажимах электроприемников вплоть до нулевой величины, величина тока по обмотке 3 питающего трансформатора 1 остается без изменения.

Предложенное решение позволяет расширить функциональные возможности способа регулирования напряжения под нагрузкой, сократить расходы активных материалов на изготовление устройства и издержки при его эксплуатации для реализации способа.

Формула изобретения

1. Способ регулирования напряжения под нагрузкой, в соответствии с которым на участке цепи между зажимами вторичной обмотки питающего трансформатора и зажимами электроприемников формируют добавочные напряжения путем переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения обмоток трансформаторов последовательно соединенных трансформаторно-тиристорных модулей, при этом напряжение на зажимах вторичной обмотки питающего трансформатора выбирают равным середине диапазона регулирования напряжения на зажимах электроприемников, а сумму максимальных уровней напряжения на выходах всех трансформаторно-тиристорных модулей выбирают равной половине упомянутого диапазона, отличающийся тем, что для группы электроприемников середины диапазонов регулирования напряжения на зажимах отдельных электроприемников выбирают на одинаковом уровне, равном напряжению на зажимах вторичной обмотки питающего трансформатора, меняют величины диапазонов регулирования напряжения на зажимах отдельных электроприемников путем изменения суммы максимальных уровней напряжения на выходах всех трансформаторно-тиристорных модулей, включаемых последовательно в цепь данного электроприемника группы, для той части группы электроприемников, у которых при регулировании напряжения величина потребляемого тока должна оставаться на неизменном уровне, изменяют величину напряжения на зажимах электроприемников таким образом, чтобы в любой момент времени отношение суммы напряжений на их зажимах к количеству одновременно работающих электроприемников было равно или близко к величине выбранного уровня напряжения, равного середине диапазонов регулирования на зажимах отдельных электроприемников, а для другой части группы электроприемников, у которых при регулировании напряжения величина потребляемой мощности должна оставаться на неизменном уровне, обеспечивают коммутацию тиристорными ключами обмоток трансформаторов последовательно соединенных трансформаторно-тиристорных модулей с согласного включения на встречное или наоборот.

2. Устройство для регулирования напряжения под нагрузкой, содержащее питающий двухобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, а между выходными зажимами его вторичной обмотки и соответствующими зажимами электроприемников включены последовательно соединенные первичные обмотки n трансформаторов соответственно n трансформаторно-тиристорных модулей с блоками тиристорных ключей, где n=1,2, …, и функциональный блок, вырабатывающий сигналы о величине фазового угла нагрузки и входящий в имеющую процессор систему программного управления устройством, выход которой через блоки выходных каскадов подключены к управляющим электродам тиристорных ключей трансформаторно-тиристорных модулей отличающееся тем, что при создании схемы одновременного питания группы электроприемников зажимы вторичной обмотки питающего двухобмоточного трансформатора соединены с соответствующими зажимами каждого из электроприемников через последовательно соединенные первичные обмотки n трансформаторов соответственно n трансформаторно-тиристорных модулей с блоками тиристорных ключей, где n=1,2, .. . , а зажимы и отводы вторичных обмоток трансформаторов всех трансформаторно-тиристорных модулей через тиристорные ключи подключены к выходным зажимам вторичной обмотки питающего двухобмоточного трансформатора с возможностью коммутации указанных обмоток между собой с согласного их включения на встречное или наоборот, а функциональный блок системы программного управления выполнен с возможностью выработки для процессора дополнительных сигналов, несущих информацию о величинах напряжения, тока и активной мощности нагрузки, при этом число функциональных блоков соответствует числу подключенных электроприемников, а количество выходных каскадов системы программного управления выбрано соответствующим числу трансформаторно-тиристорных модулей.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 15.12.2004

Извещение опубликовано: 20.01.2006 БИ: 02/2006