Регулятор вольтодобавочного переменного напряжения
ALTERNATING VOLTAGE BOOSTER CONTROLLER

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях для гибкого регулирования и стабилизации напряжения электрической сети за счет изменения величины напряжения, вводимого последовательно в линию электропередачи (ЛЭП).
Известен тиристорный регулятор вольтодобавочного переменного напряжения (патент RU на полезную модель №142160, опубл. 20.06.2014, бюл. №17, МПК Н02М 5/10), содержащий многообмоточный вольтодобавочный трансформатор, сетевая обмотка которого включена между источником питания и нагрузкой, вторичные обмотки которого подключены к ключевому преобразователю, осуществляющему их подключение к источнику питания с помощью тиристоров. За счет изменения количества и направления вторичных обмоток многообмоточного вольтодобавочного трансформатора, подключаемых к источнику питания ключевым преобразователем, изменяется действующее значение синусоидального напряжения, прикладываемого к нагрузке тиристорного регулятора вольтодобавочного переменного напряжения.
Недостатками данного технического решения являются пониженная надежность работы устройства в широком диапазоне изменения нагрузки, в частности в режиме короткого замыкания нагрузки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является регулятор вольтодобавочного переменного напряжения (патент RU на изобретение №2671829, опубл. 07.11.2018, бюл. №31, МПК Н02М 5/00), содержащий многообмоточный вольтодобавочный трансформатор, ключевой преобразователь, последовательный управляемый ключ, датчик напряжения и блок управления. Ключевой преобразователь за счет управления управляемыми ключами, входящих в его состав, обеспечивает подключение вторичных обмоток многообмоточного вольтодобавочного трансформатора к источнику питания. Различные коэффициенты трансформации вторичных обмоток многообмоточного вольтодобавочного трансформатора и соответствующее управление управляемыми ключами ключевого преобразователя обеспечивают формирование на сетевой обмотке многообмоточного вольтодобавочного трансформатора различных уровней синусоидального напряжения, что, в свою очередь, обеспечивает формирование различных уровней синусоидального напряжения на нагрузке регулятора вольтодобавочного переменного напряжения. Применение последовательного управляемого ключа повышает надежность работы регулятора вольтодобавочного переменного напряжения в широком изменении диапазона характера нагрузки.
Недостатком данного технического решения является появление интервала времени при изменении уровня напряжения на нагрузке, в течение которого напряжение на нагрузке равно нулю, что оказывает негативное влияние на качество электроэнергии, поставляемой в нагрузку.
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение интервалов времени, при которых напряжения на нагрузке равно нулю.
Технический результат заключается в повышении качества электрической энергии на нагрузке регулятора вольтодобавочного переменного напряжения.
Это достигается тем, что известный регулятор вольтодобавочного переменного напряжения, содержащий многообмоточный вольтодобавочный трансформатор с сетевой обмоткой и вторичными обмотками, ключевой преобразователь, входы которого подключены к источнику питания, а выходы к соответствующим вторичным обмоткам многообмоточного вольтодобавочного трансформатора, датчик напряжения, подключенный параллельно нагрузке, а своим выходом к блоку управления, ветвь из последовательного соединения последовательного управляемого ключа и сетевой обмотки многообмоточного вольтодобавочного трансформатора, подключенная между первыми входным и выходным зажимами регулятора вольтодобавочного переменного напряжения, при этом вторые входной и выходной зажимы регулятора вольтодобавочного переменного напряжения соединены между собой, а сам регулятор вольтодобавочного переменного напряжения подключен своими первым и вторым входными зажимами к источнику питания, а первым и вторым выходными зажимами к нагрузке, снабжен дополнительным управляемым ключом, включенным параллельно ветви из последовательного соединения последовательного управляемого ключа и сетевой обмотки многообмоточного вольтодобавочного трансформатора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема регулятора вольтодобавочного переменного напряжения, на фиг. 2 приведена таблица состояний управляемых ключей регулятора вольтодобавочного переменного напряжения, определяющих величину синусоидального напряжения, формируемого на нагрузке регулятора вольтодобавочного переменного напряжения, на фиг. 3 показаны временные диаграммы основных электрических величин регулятора вольтодобавочного переменного напряжения, поясняющие работу предлагаемого изобретения.
Регулятор вольтодобавочного переменного напряжения 1, подключенный своими первым 2 и вторым 3 входными зажимами к источнику питания, а первым 4 и вторым 5 выходными зажимами к нагрузке 6, содержит многообмоточный вольтодобавочный трансформатор 7 с сетевой обмоткой 8 и первой 9 и второй 10 вторичными обмотками, а также ключевой преобразователь 11, последовательный управляемый ключ 12 и дополнительный управляемый ключ 13. При этом последовательное соединение сетевой обмотки 8 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 7 с последовательным управляемым ключом 12, а также дополнительный управляемый ключ 13, включены между первым входным зажимом 2 и первым выходным зажимом 4 регулятора вольтодобавочного переменного напряжения 1.
Ключевой преобразователь 11 выполнен в виде первой 14 и второй 15 параллельных ветвей, соединенных в первой 16 и второй 17 общих точках, причем первая общая точка 16 является первым входом ключевого преобразователя 11 и подключена к первому входному зажиму 2 регулятора вольтодобавочного переменного напряжения 1, а вторая общая точка 17 является вторым входом ключевого преобразователя 11 и подключена ко второму входному зажиму 3 регулятора вольтодобавочного переменного напряжения 1 и второму выходному зажиму 5 регулятора вольтодобавочного переменного напряжения 1.
Первая ветвь 14 ключевого преобразователя 11 содержит последовательно соединенные первый 18, второй 19 и третий 20 управляемые ключи, вторая ветвь 15 ключевого преобразователя 11 содержит последовательно соединенные четвертый 21, пятый 22 и шестой 23 управляемые ключи. При этом первая вторичная обмотка 9 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 7 своим началом подключена к первому выходу ключевого преобразователя 11, образованного общей точкой соединения первого 18 и второго 19 управляемых ключей первой ветви 14 ключевого преобразователя 11, а своим концом подключена ко второму выходу ключевого преобразователя 11, образованного общей точкой соединения четвертого 21 и пятого 22 управляемых ключей второй ветви 15 ключевого преобразователя 11. Конец второй вторичной обмотки 10 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 7 подключен к третьему выходу ключевого преобразователя 11, образованного общей точкой соединения второго 19 и третьего 20 управляемых ключей первой ветви 14 ключевого преобразователя 11, а ее начало подключено к четвертому выходу ключевого преобразователя 11, образованного общей точкой соединения пятого 22 и шестого 23 управляемых ключей второй ветви 15 ключевого преобразователя 11. К первому выходному зажиму 4 регулятора вольтодобавочного переменного напряжения 1 подключен первый вход датчика напряжения 24, второй вход которого подключен ко второму выходному зажиму 5, а выход датчика напряжения 24 соединен с блоком управления 25. Имеется управляющая связь выхода блока управления 25 с управляемыми ключами 12, 13, 18, 19, 20, 21, 22, 23.
Регулятор вольтодобавочного переменного напряжения работает следующим образом.
Блок управления 25 по сигналам, поступающим на него от датчика напряжения 24, управляет процессом переключения управляемых ключей 12, 13, 18, 19, 20, 21, 22, 23. Формирование вольтодобавочного напряжения на сетевой обмотке 8 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 7 и, в свою очередь, напряжения на нагрузке 6 осуществляется за счет управления управляемыми ключами 18, 19, 20, 21, 22, 23 в соответствии с таблицей фиг. 2, где индекс «0» соответствует выключенному состоянию управляемого ключа, а индекс «1» соответствует его включенному состоянию. За счет различных коэффициентов трансформации вторичных обмоток 9, 10 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 7 и соответствующего включения управляемых ключей 18, 19, 20, 21, 22, 23 на нагрузке 6 возможно обеспечить семь различных уровней напряжения, три из которых по величине будут больше напряжения источника питания, еще три - меньше напряжения источника питания, оставшийся седьмой уровень равен напряжению источника питания.
С целью обеспечения надежной работы регулятора вольтодобавочного переменного напряжения 1 на этапе изменения величины напряжения, формируемого на сетевой обмотке 8 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 7, и, в свою очередь, формируемого на нагрузке 6, вводится временная пауза, в течение которой последовательный управляемый ключ 12 находятся в выключенном состоянии. Перевод в выключенное состояние последовательного управляемого ключа 12 позволяет предварительно, до этапа смены состояний управляемых ключей 18, 19, 20, 21, 22, 23, отключать сетевую обмотку 8 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 7 от источника питания. Это, в свою очередь, позволяет исключить появление перенапряжения на управляемых ключах 18, 19, 20, 21, 22, 23 и возможность их самопроизвольного неконтролируемого включения на этапе их переключения. Введение временной паузы в работе последовательного управляемого ключа 12 приводит к обесточиванию нагрузки 6, на которой наблюдается нулевое напряжение в течении времени паузы, что негативно сказывается на качестве электроэнергии, поставляемой в нагрузку 6.
Наличие дополнительного управляемого ключа 13 позволяет на этапе времени паузы в работе последовательного управляемого ключа 12 обеспечивать нагрузку 6 напряжением источника питания. Это достигается тем, что в момент отключения сетевой обмотки 8 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 7 от источника питания, наступающий при выключении последовательного управляемого ключа 12, блок управления 25 переводит дополнительный управляемый ключ 13 во включенное состояние, за счет чего нагрузка 6 подключается к источнику питания. При этом, в течении времени паузы в работе последовательного управляемого ключа 12 производится переключение управляемых ключей 18, 19, 20, 21, 22, 23, а по окончании времени паузы последовательный управляемый ключ 12 переводится во включенное состояние, а дополнительный управляемый ключ 13 переводится в выключенное состояние.
Временные диаграммы иллюстрирующие процессы, протекающие в регуляторе вольтодобавочного переменного напряжения 1 при переключении со 2-ого уровня напряжения на нагрузке 6 на 3-ий уровнь напряжения на нагрузке 6 (в соответствии с фиг. 2), где нагрузка 6 представляет собой активное сопротивление, показаны на фиг. 3. При рассмотрении временных диаграмм было учтено, что в качестве управляемых ключей использовано встречно-параллельное включение тиристоров. На временных диаграммах отмечены моменты времени:
t1 - снятие блоком управления 25 импульсов управления с последовательного управляемого ключа 12.
t2 - выключение последовательного управляемого ключа 12, подача импульсов управления на дополнительный управляемый ключ 13 и его включение, снятие блоком управления 25 импульсов управления с управляемых ключей 18, 19, 20, 21, 22, 23.
t3 - снятие блоком управления 25 импульсов управления с дополнительного управляемого ключа 13, выключение управляемых ключей 18, 19, 20, 21, 22, 23.
t4 - подача блоком управления 25 импульсов управления на последовательный управляемый ключ 12 и управляемые ключи 18, 19, 20, 21, 22, 23 в соответствии с новым задаваемым уровнем напряжения на нагрузке 6 по фиг. 2, выключение дополнительного управляемого ключа 13.
В заявляемом изобретении отсутствуют интервалы времени в течении которых напряжение на нагрузке 6 равняется нулю, а на интервале времени t2-t4 нагрузка 6 находится под напряжением источника питания.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения обеспечивает достижение указанного технического результата, а именно, позволяет повысить качество электроэнергии передаваемую в нагрузку регулятора вольтодобавочного переменного напряжения.