Регулятор вольтодобавочного переменного напряжения
REGULATOR OF BOOSTER ALTERNATING-VOLTAGE

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях для гибкого регулирования и стабилизации напряжения в электрической сети за счет изменения величины напряжения, вводимого последовательно в линию электропередачи (ЛЭП).
Известен регулятор вольтодобавочного переменного напряжения (Ю.К. Розанов, П.А. Воронин, С.Е. Рывкин, Е.Е. Чаплыгин, Справочник по силовой электронике, Издательство «МЭИ», 2014, стр. 305), содержащий в своем составе вольтодобавочный трансформатор с сетевой обмоткой, включаемой последовательно с источником питания и нагрузкой, и ключевой преобразователь, выполненный на управляемых ключах с вторичной обмоткой вольтодобавочного трансформатора, включаемой параллельно источнику питания. За счет управления ключевым преобразователем на сетевой обмотке вольтодобавочного трансформатора наводится высокочастотное вольтодобавочное напряжение, добавляемое к напряжению сети. Изменение действующего значения вольтодобавочного напряжения осуществляется методом частотного регулирования.
Основным недостатком настоящего технического решения является наличие высокочастотных составляющих в спектре кривой напряжения на нагрузке.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является тиристорный регулятор вольтодобавочного переменного напряжения (патент RU на полезную модель №142160, публ. 20.06.2014, МПК Н02М 5/10), содержащий многообмоточный вольтодобавочный трансформатор, сетевая обмотка которого включена последовательно с источником питания и нагрузкой, а вторичные обмотки которого подключены к ключевому преобразователю, осуществляющему подключение вторичных обмоток многообмоточного вольтодобавочного трансформатора к источнику питания с помощью управляемых ключей. За счет изменения количества и направления вторичных обмоток многообмоточного вольтодобавочного трансформатора, подключаемых к источнику питания ключевым преобразователем, изменяется действующее значение синусоидального напряжения, наводимого на сетевой обмотке многообмоточного вольтодобавочного трансформатора.
Недостатками данного технического решения являются пониженная надежность работы устройства в широком диапазоне изменения нагрузки, в частности, в режиме короткого замыкания нагрузки, а также высокая стоимость регулятора вольтодобавочного переменного напряжения за счет необходимости применения управляемых ключей повышенного класса напряжения из-за значительных перенапряжений, возникающих при их переключении.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение надежного переключения управляемых ключей преобразователя в широком диапазоне изменения нагрузки и ее характера.
Технический результат заключается в повышении надежности работы регулятора вольтодобавочного переменного напряжения и уменьшении его стоимости.
Это достигается тем, что известный регулятор вольтодобавочного переменного напряжения, подключенный своими первым и вторым входными зажимами к источнику питания, а первым и вторым выходными зажимами к нагрузке, и содержащий многообмоточный вольтодобавочный трансформатор с сетевой обмоткой и вторичными обмотками, ключевой преобразователь, входы которого подключены к источнику питания, датчик напряжения и блок управления, причем сетевая обмотка многообмоточного вольтодобавочного трансформатора подключена последовательно с источником питания, вторичные обмотки многообмоточного вольтодобавочного трансформатора подключены к выходам ключевого преобразователя, первый вход датчика напряжения подключен к первому выходному зажиму, второй вход подключен ко второму выходному зажиму, а его выход соединен с блоком управления, снабжен дополнительным управляемым ключом, включенным последовательно с сетевой обмоткой 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 вольтодобавочного напряжения, формируемого ключевым преобразователем на сетевой обмотке многообмоточного вольтодобавочного трансформатора. В качестве управляемых ключей может быть использовано встречно-параллельное включение тиристоров.
Регулятор вольтодобавочного переменного напряжения, подключенный своими первым 1 и вторым 2 входными зажимами к источнику питания, а первым 3 и вторым 4 выходными зажимами к нагрузке 5, содержит многообмоточный вольтодобавочный трансформатор 6 с сетевой обмоткой 7 и первой 8, второй 9 и третьей 10 вторичными обмотками, а также ключевой преобразователь 11 и дополнительный управляемый ключ 12. При этом сетевая обмотка 7 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6 включена последовательно с дополнительным управляемым ключом 12 между первым входным зажимом 1 и первым выходным зажимом 3 регулятора вольтодобавочного переменного напряжения.
Ключевой преобразователь 11 выполнен в виде первой 13 и второй 14 параллельных ветвей, соединенных в первой 15 и второй 16 общих точках, причем первая общая точка 15 является первым входом ключевого преобразователя 11 и подключена к первому входному зажиму 1 регулятора вольтодобавочного переменного напряжения, а вторая общая точка 16 является вторым входом ключевого преобразователя 11 и подключена ко второму входному зажиму 2 регулятора вольтодобавочного переменного напряжения и второму выходному зажиму 4 регулятора вольтодобавочного переменного напряжения.
Первая ветвь 13 содержит последовательно соединенные первый 17, второй 18, третий 19 и четвертый 20 управляемые ключи, вторая ветвь 14 содержит последовательно соединенные пятый 21, шестой 22, седьмой 23 и восьмой 24 управляемые ключи. При этом первая вторичная обмотка 8 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6 своим началом подключена к первому зажиму первого выхода ключевого преобразователя 11, образованного общей точкой соединения первого 17 и второго 18 управляемых ключей первой ветви 13 ключевого преобразователя 11, а своим концом подключена ко второму зажиму первого выхода ключевого преобразователя 11, образованного общей точкой соединения пятого 21 и шестого 22 управляемых ключей второй ветви 14 ключевого преобразователя 11. Конец второй вторичной обмотки 9 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6 подключен к первому зажиму второго выхода ключевого преобразователя 11, образованного общей точкой соединения второго 18 и третьего 19 управляемых ключей первой ветви 13 ключевого преобразователя 11, а ее начало подключено ко второму зажиму второго выхода ключевого преобразователя 11, образованного общей точкой соединения шестого 22 и седьмого 23 управляемых ключей второй ветви 14 ключевого преобразователя 11. Начало третьей вторичной обмотки 10 многообмоточного трансформатора 6 подключено к первому зажиму третьего выхода ключевого преобразователя 11, образованного общей точкой соединения третьего 19 и четвертого 20 управляемых ключей первой ветви 13 ключевого преобразователя 11, а ее конец подключен ко второму зажиму третьего выхода ключевого преобразователя 11, образованного общей точкой соединения седьмого 23 и восьмого 24 управляемых ключей второй ветви 14 ключевого преобразователя 11. К первому выходному зажиму 3 подключен первый вход датчика напряжения 25, второй вход которого подключен ко второму выходному зажиму 4, а выход соединен с блоком управления 26. Имеется управляющая связь выхода блока управления 26 с управляемыми ключами 12, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24.
В данном случае представлена схема с многообмоточным вольтодобавочным трансформатором 6, содержащим три вторичные обмотки с разным коэффициентом трансформации. При этом в практических случаях может быть выбран многообмоточный вольтодобавочный трансформатор 6 с количеством n вторичных обмоток от 2 до 5 (при этом количество m управляемых ключей ключевого преобразователя 11 равно n+2), что не оказывает влияния на достижение заявленного технического результата.
Регулятор вольтодобавочного переменного напряжения работает следующим образом.
Блок управления 26 по сигналам, поступающем на него с датчика напряжения 25 управляет процессом переключения ключевым преобразователем 11 за счет управления состоянием управляемых ключей 12, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 в соответствии с таблицей фиг. 2, где индекс «0» соответствует выключенному состоянию управляемого ключа, а индекс «1» соответствует его включенному состоянию, для формирования вольтодобавочного напряжения на сетевой обмотке 7 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6.
За счет различных коэффициентов трансформации вторичных обмоток 8, 9, 10 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6 и соответствующего включения управляемых ключей возможно обеспечить на сетевой обмотке 7 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6 тринадцать различных уровней вольтодобавочного напряжения, шесть из которых будут являться положительными величинами вольтодобавочного напряжения по отношению к источнику питания, а другие шесть - отрицательными величинами вольтодобавочного напряжения, при этом одна из комбинаций будет обеспечивать нулевой уровень вольтодобавочного напряжения. При нулевом значении вольтодобавочного напряжения многообмоточный вольтодобавочный трансформатор 6 работает в режиме короткого замыкания со стороны вторичных обмоток 8, 9, 10.
Для обеспечения надежной работы ключевого преобразователя 11 при изменении величины вольтодобавочного напряжения, наводимого на сетевой обмотке 7 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6 необходимо вводить временную паузу при переключении управляемых ключей 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 ключевого преобразователя 11. Обеспечение временной паузы при переключении управляемых ключей 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, при которой все управляемые ключи 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 ключевого преобразователя 11 должны находиться в выключенном состоянии (состоянии «0»), необходимо для устранения режима короткого замыкания как минимум одной из параллельных ветвей ключевого преобразователя 11, приводящего к срыву надежной работы ключевого преобразователя 11 и регулятора вольтодобавочного переменного напряжения в целом. Наличие паузы в работе ключевого преобразователя 11, при которой все управляемые ключи 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 находятся в выключенном состоянии, приводит к тому, что на этом интервале времени напряжение источника питания прикладывается к сетевой обмотке 7 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6 и трансформируется с соответствующими коэффициентами трансформации на его вторичные обмотки 8, 9, 10, прикладываясь к запертым управляемым ключам 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24. Поскольку во многих практических случаях вольтодобавка составляет не более 20% от напряжения источника питания, на интервале паузы в работе ключевого преобразователя 11, наводимое напряжение на вторичных обмотках 8, 9, 10 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6 может превышать в пять и более раз напряжение источника питания. Кроме того, в моменты переключения управляемых ключей существенно увеличивается скорость изменения напряжения на вторичных обмотках 8, 9, 10 вольтодобавочного трансформатора 6 и, соответственно, на управляемых ключах 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24. Для определенных типов управляемых ключей, например, тиристоров, скорость изменения напряжения является фактором, определяющим возможность самопроизвольного неконтролируемого включения таких приборов. Все это в совокупности приводит к необходимости многократно увеличивать класс напряжения управляемых ключей 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 в ключевом преобразователе 11 по отношению к напряжению источника питания. Необходимо подчеркнуть, что величина наведенного напряжения на вторичных обмотках 8, 9, 10 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6 на интервале паузы в работе ключевого преобразователя 11 зависит также от характера нагрузки (активной, активно-индуктивной или активно-емкостной). При этом начало наступления паузы будет, как правило, совпадать с достижением током ключевого преобразователя 11 нулевого уровня.
Наличие дополнительного управляемого ключа 12, управление которым осуществляется блоком управления 26, позволяет предварительно отключать сетевую обмотку 7 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6 от источника питания на этапе смены комбинации включенных управляемых ключей 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 ключевого преобразователя 11. В этом случае, отмеченного ранее появления повышенного напряжения на вторичных обмотках 8, 9, 10 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6 на интервале паузы в работе управляемых ключей 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 ключевого преобразователя 11 не будет в виду того, что на интервале паузы не будет приложено напряжение к сетевой обмотке 7 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6. В результате требования к классу напряжения применяемых управляемых ключей 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 в ключевом преобразователе 11 значительно снижаются, что в свою очередь позволяет снизить стоимость устройства в целом.
Кроме того, включение дополнительного управляемого ключа 12 последовательно с сетевой обмоткой 7 многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 6 позволяет осуществить быстродействующую защиту ключевого преобразователя 11 при коротких замыканиях нагрузки 5 за счет перевода дополнительного управляемого ключа 12 блоком управления 26 в выключенное состояние за время равное не более полупериода изменения напряжения источника питания, приводящих к длительному протеканию в ключевом преобразователе 11 больших токов, что повышает надежность работы управляемых ключей 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 и регулятора вольтодобавочного переменного напряжения в целом.
Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить надежность работы регулятора вольтодобавочного переменного напряжения за счет обеспечения надежного переключения управляемых ключей преобразователя в широком диапазоне изменения нагрузки и ее характера, осуществить быстродействующую защиту ключевого преобразователя при коротких замыканиях за счет переключения дополнительного управляемого ключа в непроводящее состояние за время, равное не более полупериода изменения напряжения источника питания, уменьшить его стоимость за счет возможности применения в составе ключевого преобразователя управляемых ключей с пониженным классом напряжения.