Устройство управления напряжением трансформатора под нагрузкой
APPARATUS FOR CONTROLLING THE VOLTAGE OF A TRANSFORMER UNDER LOAD

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к регуляторам коэффициента трансформации трансформаторов (РКТ), и может быть использовано в электрических сетях для поддержания необходимого уровня напряжения.
Известно устройство регулирования напряжения под нагрузкой, содержащее две трехфазные вентильно-тиристорные группы с взаимно противоположными направлениями электропроводности, позволяющие осуществлять управление выходного напряжения силового трехфазного трансформатора с первичными обмотками, каждая из которых состоит из двух гальванически изолированных секций, имеющих выводы регулировочных ответвлений [патент RU на полезную модель №88863, МПК H02J 3/00, опубл. 20.11.2009, бюл. №32].
Недостатком данного технического решения является высокая установленная мощность трансформатора, связанная с тем, что в каждой гальванически изолированной секции трансформатора потребляемый ток протекает лишь на одном полупериоде.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство управления напряжением трансформатора под нагрузкой, первичная обмотка которого состоит из двух гальванически изолированных секций с выводами регулировочных ответвлений. При этом управление выходным напряжением трансформатора осуществляется с помощью двунаправленных тиристорных ключей, подключенных к выводам регулировочных ответвлений гальванически изолированных секций первичной обмотки трансформатора [патент RU на изобретение №2741335, МПК Н02М 5/12, опубл. 25.01.2021, бюл. №3].
Недостатком данного технического решения является большое количество двунаправленных тиристорных ключей, определяемых количеством выводов регулировочных ответвлений первичной обмотки трансформатора, а также высокий класс по напряжению тиристоров, образующих двунаправленные тиристорные ключи. При этом класс по напряжению тиристоров определяется напряжением питающей сети.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение требований к классу по напряжению применяемых тиристоров и снижение их количества.
Технический результат заключается в упрощении устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой и повышении его надежности.
Это достигается тем, что устройство управления напряжением трансформатора, первичная обмотка которого разделена на две гальванически изолированные секции с выводами регулировочных ответвлений, своими входными зажимами подключаемое к питающей сети, а выходными зажимами к выводам первичной обмотки трансформатора так, что первичная обмотка трансформатора подключена к входным зажимам устройства, содержащего в себе датчик тока, датчик напряжения, блок управления, ветвь из двух последовательно включенных двунаправленных тиристорных ключей, соединяющей выводы регулировочных ответвлений гальванически изолированных секций первичной обмотки трансформатора, расположенные соответственно ближе к началу первой и концу второй гальванически изолированных секций, согласно изобретению между концом первой и началом второй гальванически изолированных секций первичной обмотки трансформатора включены параллельно дополнительный двунаправленный тиристорный ключ и ветвь, состоящая из последовательного соединения двух встречно включенных однонаправленных тиристорных ключей, а выводы регулировочных ответвлений первой и второй гальванически изолированных секций первичной обмотки трансформатора, свободные от подключения к двунаправленным тиристорным ключам, соединены соответствующими ветвями, состоящими из последовательного соединения двух встречно включенных однонаправленных тиристорных ключей, при этом, точки соединения двунаправленных тиристорных ключей и однонаправленных тиристорных ключей всех ветвей объединены между собой в общую точку, а одноименные выводы однонаправленных тиристорных ключей ветви, соединяющей конец первой и начало второй гальванически изолированных секций, подключены соответственно к концу первой и началу второй гальванически изолированных секций, а аналогичные одноименные выводы других однонаправленных тиристорных ключей подключены к общей точке.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана схема подключения устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой к трансформатору и питающей сети.
Устройство 1 управления напряжением трансформатора 2 под нагрузкой имеет два входных зажима «Вх.1» и «Вх.2», подключенных к выводам питающей сети так, что один входной зажим «Вх.1» устройства 1 подключен к одному выводу питающей сети, а другой входной зажим «Вх.2» устройства 1 подключен к другому выводу питающей сети. Первичная обмотка 3 трансформатора 2 состоит из двух гальванически изолированных секций 4 и 5 с выводами регулировочных ответвлений. При этом, гальванически изолированные секции 4 и 5 имеют одинаковое количество витков. Гальванически изолированная секция 4 имеет начало, конец и еще три вывода регулировочных ответвлений, при этом, ее конец является также выводом регулировочного ответвления, а ее начало является началом первичной обмотки 3. Гальванически изолированная секция 5 имеет начало, конец и еще три вывода регулировочных ответвлений, при этом, ее начало является также выводом регулировочного ответвления, а ее конец является концом первичной обмотки 3. Количество витков между соседними регулировочными ответвлениями каждой из гальванически изолированных обмоток 4 и 5 также является одинаковым. Кроме того, устройство 1 включает в себя двунаправленные тиристорные ключи 6, 7, каждый из которых состоит из двух встречно параллельно соединенных тиристоров. По одному выводу двунаправленных тиристорных ключей 6 и 7 подключено в общую точку, образуя последовательную ветвь из двунаправленных тиристорных ключей 6 и 7. Вывод двунаправленного тиристорного ключа 6, свободный от подключения к общей точке, является выходным зажимом «Вых.1» устройства 1 и подключен к выводу регулировочного ответвления, следующему за началом гальванически изолированной секции 4. Вывод двунаправленного тиристорного ключа 7, свободный от подключения к общей точке, является выходным зажимом «Вых.2» устройства 1 и подключен к выводу регулировочного ответвления, следующему перед концом гальванически изолированной секции 5. Аноды однонаправленных тиристорных ключей 8, 9, 10, 11 и катоды однонаправленных тиристорных ключей 12, 13, также входящих в состав устройства 1, подключены к общей точке двунаправленных тиристорных ключей 6 и 7. Катод однонаправленного тиристорного ключа 8 является выходным зажимом «Вых.3» устройства 1 и подключен к выводу регулировочного ответвления гальванически изолированной секции 4, расположенному сразу за выводом регулировочного ответвления, подключенному к выводу двунаправленного тиристорного ключа 6. Катод однонаправленного тиристорного ключа 9 является выходным зажимом «Вых.4» устройства 1 и подключен к выводу регулировочного ответвления, расположенному перед концом гальванически изолированной секции 4. Анод однонаправленного тиристорного ключа 12 является выходным зажимом «Вых.5» устройства 1 и подключен к концу гальванически изолированной секции 4. Анод однонаправленного тиристорного ключа 13 является выходным зажимом «Вых.6» устройства 1 и подключен к началу гальванически изолированной секции 5. Катод однонаправленного тиристорного ключа 10 является выходным зажимом «Вых.7» устройства 1 и подключен к выводу регулировочного ответвления, следующему за началом гальванически изолированной секции 5. Катод однонаправленного тиристорного ключа 11 является выходным зажимом «Вых.8» устройства 1 и подключен к выводу регулировочного ответвления гальванически изолированной секции 5, расположенному сразу перед выводом регулировочного ответвления, подключенному к выводу двунаправленного тиристорного ключа 7. Дополнительный двунаправленный ключ 14 также входит в состав устройства 1 управления напряжением трансформатора 2 под нагрузкой. Один вывод дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 14 подключен к концу гальванически изолированной секции 4, а другой вывод дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 14 подключен к началу гальванически изолированной секции 5. Датчик тока 15 также входит в состав устройства 1. Один вывод датчика тока 15 подключен к началу гальванически изолированной секции 4 и является выходным зажимом «Вых.9» устройства 1. Другой вывод датчика тока 15 подключен к выводу питающей сети и является входным зажимом «Вх.1» устройства 1. Датчик напряжения 16, также входящий в состав устройства 1, подключен параллельно выводам питающей сети. Выходной зажим «Вых. 10» устройства 1 подключен к концу гальванически изолированной секции 5 и ко входному зажиму «Вх.2» устройства 1, свободному от подключения к датчику тока 15. Информационные входы блока управления 17, также входящему в состав устройства 1, подключены к выходам датчика тока 15, датчика напряжения 16 и блока задания выходного напряжения 18. Выходы блока управления 17 связаны с управляющими входами двунаправленных тиристорных ключей 6, 7, однонаправленных тиристорных ключей 8, 9, 10, 11, 12, 13 и с управляющим входом дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 14. Вторичная обмотка 19 трансформатора 2 подключена к нагрузке.
Устройство 1 управления напряжением трансформатора 2 под нагрузкой работает следующим образом.
В режиме регулирования напряжения на вторичной обмотке 19 трансформатора 2 устройство 1 по информационному сигналу с выхода блока задания выходного напряжения 18, посредством управления состоянием двунаправленных тиристорных ключей 6, 7, однонаправленных тиристорных ключей 8, 9, 10, 11, 12, 13 и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 14, осуществляемым блоком управления 17, обеспечивает соединение различных выводов регулировочных ответвлений гальванически изолированной секции 4, с различными выводами регулировочных ответвлений гальванически изолированной секции 5. В установившемся режиме работы трансформатора 2, на каждом полупериоде тока первичной обмотки 3, один из выводов регулировочных ответвлений гальванически изолированной секции 4 соединяется с одним из выводов регулировочных ответвлений гальванически изолированной секции 5 с помощью соответствующей комбинации проводящих тиристорных ключей. При этом, обеспечивается максимальное количество уровней регулирования (7 шт.) выходного напряжения трансформатора 2 при одинаковом количестве витков между соседними выводами регулировочных ответвлений гальванически изолированных секций 4 и 5 соответственно:
- №1 - проводит ток дополнительный тиристорный ключ 14 на обоих полупериодах потребляемого тока питающей сети;
- №2 - проводят ток двунаправленные тиристорные ключи 6 и 7 на обоих полупериодах потребляемого тока питающей сети;
- №3 - проводят ток однонаправленные тиристорных ключи 12 и 10 на одном полупериоде потребляемого тока, а на другом полупериоде проводят однонаправленные тиристорных ключи 13 и 9;
- №4 - проводят ток однонаправленные тиристорных ключи 12 и 11 на одном полупериоде потребляемого тока, а на другом полупериоде проводят однонаправленные тиристорных ключи 13 и 8;
- №5 - проводят ток однонаправленный тиристорный ключ 12 и двунаправленный тиристорный ключ 7 на одном полупериоде потребляемого тока, а на другом полупериоде проводят однонаправленный тиристорный ключ 13 и двунаправленный тиристорный ключ 6;
- №6 - проводят ток однонаправленный тиристорный ключ 8 и двунаправленный тиристорный ключ 7 на одном полупериоде потребляемого тока, а на другом полупериоде проводят однонаправленный тиристорный ключ 11 и двунаправленный тиристорный ключ 6;
- №7 - проводят ток однонаправленный тиристорный ключ 9 и двунаправленный тиристорный ключ 7 на одном полупериоде потребляемого тока, а на другом полупериоде проводят однонаправленный тиристорный ключ 10 и двунаправленный тиристорный ключ 6.
Количество уровней напряжения на выходе трансформатора 2 с применением заявляемого устройства 1 может быть увеличено за счет увеличения количества выводов регулировочных ответвлений гальванически изолированных секций 4 и 5 первичной обмотки 3 трансформатора 2.
Также следует отметить, что обратные прикладываемые напряжения к тиристорам двунаправленных тиристорных ключей 6, 7, однонаправленных тиристорных ключей 8, 9, 10, 11, 12, 13 и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 14 соизмеримы с напряжениями между выводами регулировочных ответвлений гальванически изолированных секций 4, 5 и являются существенно меньшими, чем напряжение питающей сети. Это позволяет снизить класс применяемых тиристоров при работе в режиме регулирования напряжения на вторичной обмотке 19 трансформатора 2.
В случае сбоя подачи управляющих сигналов от блока управления 17 к двунаправленным тиристорным ключам 6, 7 и однонаправленным тиристорным ключам 8, 9, 10, 11, 12, 13, либо при появлении короткого замыкания нагрузки во вторичной обмотке 19 трансформатора 2, а также при отсутствии необходимости регулирования напряжения на вторичной обмотке 19 трансформатора 2, блок управления 17 посредством управляющего сигнала, включает дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 14 и одновременно снимает сигналы управления двунаправленными тиристорными ключами 6, 7 и однонаправленными тиристорными ключами 8, 9, 10, 11, 12, 13. Включенное состояние дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 14 обеспечивает подключение последовательного соединения гальванически изолированных секций 4 и 5 к питающей сети, что приводит к тому, что обратные прикладываемые напряжения к тиристорам двунаправленных тиристорных ключей 6, 7, однонаправленных тиристорных ключей 8, 9, 10, 11, 12, 13 определяются напряжениями между выводами регулировочных ответвлений первичной обмотки 3 трансформатора 2, и эти напряжения являются существенно меньшими, чем напряжение питающей сети. При этом, устройство 1 выходит из режима регулирования напряжения на выходе трансформатора 2.
Использование устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой позволяет снизить требования к классу по напряжению применяемых тиристоров и уменьшить их количество, а также упростить устройство управления напряжением трансформатора под нагрузкой и повысить его надежность.