УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования или стабилизации напряжения силовых и преобразовательных трансформаторов, в частности для питания индивидуальных потребителей в сетях с нестабильными параметрами.
Известен способ двухзонного управления регулятором напряжения трансформатора, содержащего тиристорные коммутаторы переменного тока высшей и низшей ступеней регулирования, подключенные к регулировочным отводам обмотки трансформатора, в котором регулирование напряжения выполняется путем импульсно-фазового управления тиристорами в соответствии со знаками тока и напряжения (патент США №3619765 кл.324-43.5, опубл. 1971.). При этом переключения на повышение напряжения выполняются в интервалах совпадения знаков тока и напряжения, а переключения на понижение напряжения выполняются в интервалах несовпадения знаков тока и напряжения.
Недостатком данного способа является низкая надежность при работе трансформатора на холостом ходу или на многофазный выпрямитель. В режиме холостого хода нагрузочная составляющая тока тиристоров равна нулю. При работе на многофазный выпрямитель, потребляемый из сети ток имеет прерывистую форму и точное определение знака тока также представляет существенные трудности, обусловленные ограниченной чувствительностью датчика тока нагрузки. Это приводит к нарушению алгоритма формирования импульсов управления тиристорами и нарушению работоспособности регулятора.
к
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство управления регулятором напряжения трансформатора, содержащим тиристорные коммутаторы переменного тока высшей и низшей ступеней регулирования. Устройство управления формирует синхроимпульсы, опережающие момент перехода сетевого напряжения через нуль на угол θ необходимый для нормальной коммутации тиристоров. В зависимости от величины напряжения управления осуществляют фазовую задержку угла переключения тиристоров на повышение напряжения относительно синхроимпульсов на каждом полупериоде сетевого напряжения. Изменяя напряжение управления, меняют значение угла переключения тиристоров на повышение напряжения и таким образом регулируют выходное напряжение трансформатора. Переключения на понижение напряжения фиксированы и совпадают с моментами начала формирования синхроимпульсов. Причем сигналы управления тиристорами высшей ступени формируют на интервалах между моментом переключения на повышение напряжения одного полупериода и синхроимпульсом следующего полупериода, а сигналы управления тиристорами низшей ступени - инверсные сигналам управления тиристорами высшей ступени (авторское свидетельство СССР №1132336, мки Н02Р 13/06 опубл. 30.12.83 г.).
Недостатком данного устройства управления является сокращение диапазона регулирования при активно-индуктивной, активно-емкостной и рекуперативной нагрузках, а также на холостом ходу трансформатора. Это обусловлено тем, что регулирование выходного напряжения выполняется только изменением угла переключения на повышение напряжения, а значение угла переключения на понижение напряжения во всем диапазоне неизменно. Такое регулирование эффективно только в зонах совпадения знаков напряжения и тока и рекомендуется при работе на активную или выпрямительную нагрузки. Регулирование напряжения в зонах несовпадения знаков напряжения и тока путем изменения угла переключения на повышение напряжения невозможно. Поэтому при активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузках сокращается диапазон регулирования на величину, пропорциональную длительности интервалов несовпадения знаков тока и напряжения. При рекуперативной нагрузке регулирование напряжения невозможно ввиду отсутствия интервалов совпадения знаков тока и напряжения.
Решаемая задача - повышение показателей качества электроэнергии.
Технический результат - расширение диапазона регулирования при активно-индуктивной, активно-емкостной и рекуперативной нагрузках, а также на холостом ходу трансформатора.
Этот технический результат достигается тем, что в устройстве управления тиристорным регулятором напряжения, содержащим формирователь синхроимпульсов, вход которого соединен с питающей сетью, а выходы - с двумя входами независимого фазосмещающего устройства, состоящего из генератора пилообразного напряжения и компаратора, дополненном двумя элементами "И", включенными на выходах формирователя импульсов управления тиристорами высшей ступени регулирования, и снабженным зависимым фазосмещающим устройством, содержащим усилитель и компаратор, инверсный вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения независимого фазосмещающего устройства, а выход соединен со входами обоих элементов "И", регулирование напряжения выполняется поочередно в зонах совпадения и зонах несовпадения знаков напряжения и тока.
Для уменьшения выходного напряжения в первую очередь с помощью независимого фазосмещающего устройства увеличивают угол переключения на повышение напряжения от 0 до π при значении угла переключения на понижение напряжения, равном π. В этом случае выполняется эффективное регулирование напряжения в интервалах совпадения знаков напряжения и тока. Во вторую очередь с помощью зависимого фазосмещающего устройства уменьшают значение угла переключения на понижение напряжения от π до 0 при значении угла переключения на повышение напряжения, равном π. В этом случае выполняется эффективное регулирование напряжения в интервалах несовпадения знаков напряжения и тока. Увеличение выходного напряжения регулятора выполняется в обратной последовательности. При таком двухзонном поочередном регулировании диапазон изменения выходного напряжения независимо от характера нагрузки определяется напряжением регулировочной обмотки трансформатора. Для реализации устройства управления не требуется применения датчика тока нагрузки. Следовательно, регулировочные свойства сохраняются и в режиме холостого хода трансформатора.
Функциональная схема устройства управления регулятором напряжения трансформатора показана на фиг.1. Она включает силовую часть тиристорного регулятора и систему управления. Силовая часть содержит:
- тиристорный коммутатор переменного тока низшей ступени регулирования, выполненный из двух встречно-параллельно включенных тиристоров 1 и 2;
- тиристорный коммутатор высшей ступени регулирования, выполненный на тиристорах 3 и 4;
- автотрансформатор 5 с регулировочной 6 и сетевой 7 обмотками;
- нагрузку 8.
Система управления содержит:
- формирователь синхроимпульсов 9, соединенный входом с питающей сетью и состоящий из датчика 10 нулевых значений напряжения и RS-триггера 11;
- независимое фазосмещающее устройство (НФСУ) 12, два входа которого соединены с выходами датчика 10 формирователя синхроимпульсов 9, и содержащее генератор пилообразного напряжения (ГПН) 13 с компаратором 14;
- зависимое фазосмещающее устройство (ЗФСУ) 15, содержащее инвертирующий усилитель 16 и компаратор 17, инверсный вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения 13 независимого фазосмещающего устройства 12;
- формирователь импульсов 18 управления тиристорами высшей ступени регулирования, выполненный на двух логических элементах И-НЕ 19, 20 и двух элементах И 21, 22, объединенные входы которых соединены с выходом компаратора 17 ЗФСУ;
- инверторы 23, 24 для формирования импульсов управления тиристорами низшей ступени регулирования.
к
Рассмотрим работу устройства управления в режиме уменьшения величины выходного напряжения регулятора. Диаграммы сигналов элементов системы управления в данном режиме показаны на фиг.2 и фиг.3. Номера диаграмм соответствуют номерам выходов элементов системы управления (фиг.1). Диаграммы, представленные на фиг.2, иллюстрируют работу устройства управления при регулировании в зонах совпадения знаков напряжения и тока сети путем увеличения угла регулирования на повышение напряжения. Диаграммы, представленные на фиг.3, иллюстрируют работу устройства управления при регулировании в зонах несовпадения знаков напряжения и тока сети путем уменьшения угла регулирования на понижение напряжения. На диаграммах за начало отсчета времени принят момент начала формирования синхроимпульса, опережающего на угол θ нулевое значение напряжения сети при его переходе из области отрицательных значений в область положительных значений.
y
mПН
Рассмотрим работу устройства управления в режиме увеличения угла переключения на повышение напряжения (фиг.2). Данный режим реализуется путем увеличения значения напряжения управления U от 0 до амплитудного значения пилообразного напряжения U.
Формирователь синхроимпульсов 9 (фиг.1) подключен к зажимам сети и вырабатывает на выходе 25 датчика 10 импульсный сигнал при переходе напряжения сети от отрицательного к положительному значению. На выходе 26 датчика формируется синхроимпульс при переходе напряжения сети от положительного к отрицательному значению. Сигналы выходов 25, 26 синхронизируют работу RS-триггера 11 и ГПН 13 независимого фазосмещающего устройства.
к
RS-триггер имеет прямой 27 и инверсный 28 выходы. Сигнал на выходе 27 опережает положительный полупериод напряжения сети на угол θ. Сигнал выхода 28 опережает отрицательную полуволну напряжения сети на такой же угол.
y
к
в
в
y
mПН
в
Синхроимпульсами, поступающими с выходов 25, 26 датчика 10, производится обнуление выходного сигнала в генераторе пилообразного напряжения. Поэтому на его выходе 29 формируется линейно возрастающий сигнал на каждом полупериоде сетевого напряжения. Данный сигнал поступает на инверсные входы компараторов 14 и 17 фазосмещающих устройств. На прямой вход компаратора 14 НФСУ поступает напряжение управления U. В интервалах времени, соответствующих превышению пилообразным напряжением напряжения управления, на выходе 30 компаратора 14 формируется сигнал логического нуля - инверсный сигналу для переключения на повышение напряжения. Передний фронт сигнала на выходе 30 компаратора 14 совпадает с моментом начала формирования синхроимпульса и поэтому опережает переход напряжения сети на угол θ. Задний фронт этого сигнала определяет значение угла переключения на повышение напряжения (α). Угол α равен углу сдвига заднего фронта данного сигнала относительно начала формирования синхроимпульса. Его величина зависит от значения напряжения управления. Меняя величину напряжения управления в интервале 0≤U≤U, можно регулировать значение угла переключения на повышение напряжения в пределах 0≤α≤π соответственно.
oп
mПН
у
ун
mПH
y
y
mПН
mПН
ун
mПH
Напряжение управления также поступает на вход инвертирующего усилителя 16 ЗФСУ. На прямой вход данного усилителя подается опорное напряжение, равное удвоенной амплитуде пилообразного напряжения U=2U. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя устанавливается равным К=1 и поэтому на его выходе формируется напряжение рассогласования U, равное разности опорного напряжения и напряжения управления Uyн=2U-U. В указанном выше интервале регулирования напряжения управления 0≤U≤U, напряжение рассогласования на выходе усилителя 16 меняется в пределах 2U≥U≥U. Данное напряжение поступает на прямой вход компаратора 17 ЗФСУ. На инверсный вход этого компаратора подается пилообразное напряжение с выхода 29 ГПН. Поскольку в рассматриваемом режиме напряжение рассогласования превышает пилообразное напряжение, на выходе 31 компаратора 17 ЗФСУ формируется сигнал логической единицы.
в
Сигналы с выхода 30 компаратора НФСУ и выходов 27, 28 RS-триггера поступают на входы элементов 19, 20 формирователя импульсов управления тиристорами высшей ступени регулирования. На выходах 32, 33 данных элементов формируются сигналы в соответствии с логической операцией "И-НЕ". Формирование переднего фронта сигнала логической единицы на выходе 32 элемента 19 определяется значением угла переключения α в положительном полупериоде напряжения сети, а заднего фронта - началом формирования синхроимпульса в следующем полупериоде. Сигнал на выходе 33 элемента 20 аналогичен по длительности сигналу выхода 32 и сдвинут относительно него на полпериода напряжения сети. Сигналы выходов 32, 33 поступают на входы элементов И (21, 22). В рассматриваемом режиме на вторые входы данных элементов подается сигнал логической единицы с выхода 31 компаратора 17 и ЗФСУ не влияет на формирование их выходных сигналов. Поэтому выходные сигналы V3, V4 элементов 21, 22 аналогичны сигналам выходов 32, 33 элементов 19, 20, соответственно. Сигналы V3, V4 подаются на управляющие электроды тиристоров 3, 4 высшей ступени регулирования и поступают на входы инверторов 23, 24. Выходные сигналы VI, V2 инверторов 23, 24 подаются на управляющие электроды тиристоров 1, 2 низшей ступени регулирования.
mПН
Таким образом, увеличение напряжения управления от 0 до амплитудного значения пилообразного напряжения U позволяет с помощью НФСУ изменять угол переключения тиристоров на повышение напряжения от 0 до π и обеспечить эффективное регулирование напряжения трансформатора в интервалах совпадения знаков напряжения и тока сети. Алгоритм управления тиристорами в рассматриваемом режиме идентичен описанному в прототипе. Основные отличия в работе устройства управления имеют место при регулировании напряжения трансформатора в зонах несовпадения знаков напряжения и тока сети путем изменения угла переключения на понижение напряжения.
y
mПН
mПН
mПН
y
mПH
ун
mПН
ун
к
н
н
mПН
y
mПН
н
Рассмотрим работу устройства управления в режиме уменьшения угла переключения на понижение напряжения (фиг.3). Этот режим реализуется путем увеличения напряжения управления U от амплитудного значения пилообразного напряжения U до удвоенного значения 2U. Формирование сигналов на выходах 25-28 элементов формирователя синхроимпульсов 9 и сигнала на выходе 29 ГПН 13 не зависит от величины напряжения управления и выполняется аналогично предыдущему режиму. В рассматриваемом режиме напряжение управления превышает пилообразное напряжение и на выходе 30 компаратора 14 независимого фазосмещающего устройства формируется сигнал логической единицы. В соответствии с логической операцией "И-НЕ" на выходах 32, 33 элементов 19, 20 формируются сигналы - инверсные сигналам выходов 27, 28 RS-триггера, соответственно. В указанном интервале изменения напряжения управления U≤U≤2U напряжение рассогласования U на выходе инвертирующего усилителя 16 снижается от амплитудного значения пилообразного напряжения U до 0. Поэтому на выходе 31 компаратора 17 зависимого фазосмещающего устройства 15 в интервалах времени, соответствующих превышению пилообразным напряжением напряжения рассогласования U, формируется сигнал логического нуля - инверсный сигналу для переключения на понижение напряжения. При этом передний фронт сигнала на выходе 31 компаратора 17 опережает переход напряжения сети на угол θ. Задний фронт этого сигнала определяет значение угла переключения на понижение напряжения (α). Угол α равен углу сдвига заднего фронта данного сигнала относительно начала формирования синхроимпульса. Его величина определяется напряжением рассогласования и, следовательно, зависит от значения напряжения управления. Меняя величину напряжения управления в интервале U≤U≤2U, можно регулировать значение угла переключения на понижение напряжения в пределах π≥α≥0 соответственно.
н
Сигнал с выхода 31 компаратора 17 подается на входы элементов "И" 21, 22. На вторые входы данных элементов поступают сигналы выходов 32, 33 элементов 19, 20. В соответствии с логической операцией "И" на выходах элементов 21, 22 формируются сигналы V3, V4. Формирование переднего фронта сигнала V3 определяется моментом начала формирования синхроимпульса в положительном полупериоде напряжения сети, а заднего фронта углом переключения на понижение напряжения α следующего полупериода. Сигнал V4 аналогичен по длительности сигналу V3 и сдвинут относительно него на полпериода напряжения сети. Сигналы V3, V4 подаются на управляющие электроды тиристоров 3, 4 высшей ступени регулирования и поступают на входы инверторов 23, 24. Выходные сигналы V1, V2 инверторов 23, 24 подаются на управляющие электроды тиристоров 1, 2 низшей ступени регулирования.
mПН
y
mПН
Таким образом, увеличение напряжения управления в диапазоне U≤U≤2U позволяет с помощью ЗФСУ изменять угол переключения тиристоров на понижение напряжения от π до 0 и обеспечить эффективное регулирование напряжения трансформатора в интервалах несовпадения знаков напряжения и тока сети.
y
mПН
mПН
y
mПН
Из представленного описания работы устройства управления следует, что при изменении величины напряжения управления в пределах 0<U<U выполняется регулирование угла переключения на повышение напряжения с помощью НФСУ, а при изменении величины напряжения управления в пределах U<U<2U выполняется регулирование угла переключения на понижение напряжения с помощью ЗФСУ.
Сравнение заявленного изобретения с прототипом позволило установить, что оно отличается от последнего возможностью регулирования напряжения в интервалах несовпадения знаков тока и напряжения нагрузки и, следовательно, соответствует критерию "новизна".
Сравнение заявленного изобретения с другими известными решениями в данной области техники показало, что идентичные признаки по признакам, отличающим заявленное изобретение от прототипа, обеспечивают получение нового технического результата, заключающегося в расширении диапазона регулирования до величины напряжения регулировочной ступени, и поэтому оно соответствует критерию "изобретательский уровень".
Применение заявленного изобретения в энергетике для регулирования или стабилизации напряжения силовых и преобразовательных трансформаторов, в частности для питания индивидуальных потребителей в сетях с нестабильными параметрами обеспечивает соответствие критерию "промышленная применимость".