СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ НА ВЫХОДЕ ТРАНСФОРМАТОРА
METHOD OF CONTROLLING VOLTAGE AT TRANSFORMER OUTPUT

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в электрических сетях для гибкого регулирования и стабилизации напряжения электрической сети.
Известен способ регулирования выходного напряжения трансформатора использующий многообмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сети, а вторичные обмотки, выполненные с разным числом витков, с помощью управляемого коммутатора, подключают к его выходным зажимам, формируя его выходное напряжение (Электротехнический справочник, изд. 4-е, переработ., под ред. П.Г. Грудинского, М.Г. Чиликина и др. T.1, М., «Энергия», 1971. 880 с, с ил., стр. 347). Установленная мощность такого трансформатора определяется максимальной мощностью нагрузки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ регулирования напряжения на выходе трансформатора (Миловзоров В.П., Мусолин А.К. «Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения», М. Энергоатомиздат, 1986, рис. 1.2, стр. 8), использующий автотрансформатор с отпайками (РПН), первичная обмотка которого включена последовательно с сетью, а вторичная обмотка выполнена секционированной и включена последовательно с первичной обмоткой. При этом выводы вторичной секционированной обмотки подключены ко входам управляемого коммутатора, на выходе которого под действием управляющего сигнала, задающего величину выходного напряжения трансформатора, формируют его выходное напряжение. Согласно способу прототипа регулирование напряжения на выходе трансформатора осуществляют с помощью управляемого коммутатора, подключающего к своему выходу соответствующее количество последовательно включенных секций вторичной секционированной обмотки трансформатора. К достоинству такого способа регулирования выходного напряжения трансформатора относится тот факт, что установленная мощность трансформатора, необходимая для передачи мощности в нагрузку, составляет лишь часть мощности, передаваемой с выхода трансформатора в нагрузку. Недостатком настоящего технического решения являются малая дискретность регулирования уровней напряжения на нагрузке, связанная с ограниченным количеством секций вторичной обмотки, низкое быстродействие, связанное с длительным временем переключения выводов вторичной секционированной обмотки трансформатора, а также низкая надежность управляемого коммутатора, связанная с тем, что его работа основана на электромеханическом переключении выводов вторичной секционированной обмотки трансформатора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей регулирования выходного напряжения трансформатора за счет увеличения количества дискретных уровней регулируемого выходного напряжения трансформатора при одинаковом количестве секций вторичной секционированной обмотки трансформатора, увеличение быстродействия, повышение надежности работы устройства в целом, а также уменьшение его стоимости.
Технический результат заключается в расширении диапазона регулирования выходного напряжения трансформатора, расширении областей применения способа, связанных с повышением быстродействия регулирования выходного напряжения трансформатора, а также с повышением надежности и уменьшением стоимости устройства в целом.
Это достигается тем, что в способе управления напряжением на выходе трансформатора, питающегося от сети переменного напряжения, и использующего двухобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно с сетью, а вторичная обмотка секционирована и своими выводами подключена к входным зажимам управляемого коммутатора, на выходных зажимах которого формируют выходное напряжение трансформатора, задают требуемую величину напряжения на выходе трансформатора, посредством управляемого коммутатора осуществляют изменение количества последовательно включенных секций вторичной секционированной обмотки трансформатора, подключенных к выходным зажимам управляемого коммутатора, для чего, в соответствии с заданной величиной напряжения на выходе трансформатора, формируют сигнал управления, подаваемый на управляемый коммутатор, а выходные зажимы управляемого коммутатора включают последовательно с первичной обмоткой трансформатора, а напряжение на выходе трансформатора формируют путем реализации различных комбинаций секций вторичной секционированной обмотки трансформатора, задействованных в формировании выходного напряжения трансформатора, определяемых по заданной величине выходного напряжения трансформатора, при этом секции вторичной секционированной обмотки трансформатора выполняют с разным числом витков, потенциально не связанными друг с другом и первичной обмоткой трансформатора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структура устройства для регулирования выходного напряжения трансформатора, реализующая предлагаемый способ, а на фиг. 2 приведена схема устройства, реализующего регулирование выходного напряжения трансформатора. На фиг. 3 приведена таблица значений эквивалентных коэффициентов трансформации трансформатора и относительные на его выходе. На фиг. 4 приведены состояния управляемых ключей коммутатора, соответствующие реализации различных эквивалентных коэффициентов трансформации трансформатора.
Структура устройства регулирования выходного напряжения трансформатора, представленная на фиг. 1, содержит источник питания 1, отображающий питающую сеть, двухобмоточный трансформатор 2 с первичной обмоткой 3, включенной последовательно с источником питания 1, и вторичной секционированной обмоткой, состоящей из трех потенциально не связанных секций 4, 5, и 6 соответственно. Управляемый коммутатор 7 имеет входные зажимы Вх. 1, Вх. 2, Вх. 3, Вх. 4, Вх. 5 и Вх. 6, к которым подключаются соответственно выводы секций 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора. Выходы Вых. 1 и Вых. 2 управляемого коммутатора 7 соединены последовательно с источником питания 1 и первичной обмоткой 3 трансформатора 2 и являются выходом трансформатора 2. На вход Вх. 7 управляемого коммутатора 7 подают управляющее воздействие с блока системы управления 8, задающее требуемое значение выходного напряжения трансформатора.
Устройство, реализующее предлагаемый способ управления выходным напряжением трансформатора, изображенное на фиг. 2, содержит источник питания 1, двухобмоточный трансформатор 2 с первичной обмоткой 3, включенной последовательно с источником питания 1, вторичную секционированную обмотку, состоящую из трех потенциально не связанных секций 4, 5, и 6 соответственно. Управляемый коммутатор 7 содержит две параллельно соединенные ветви, каждая из которых состоит из последовательно соединенных четырех управляемых ключей: 9, 10, 11, 12 и 13, 14, 15, 16 соответственно. Входные зажимы Вх. 1, Вх. 2, Вх. 3, Вх. 4, Вх. 5, Вх. 6 коммутатора 7 расположены симметрично на противоположных параллельных ветвях управляемого коммутатора 7 и являются общими точками соединения управляемых ключей в каждой из ветвей управляемого коммутатора 7. Таким образом, Вх. 1, Вх. 3, Вх. 5 управляемого коммутатора 7 расположены на одной из параллельных ветвей управляемого коммутатора 7 и подключены соответственно к общим точкам соединения управляемых ключей 13 и 14, 14 и 15, 15 и 16 одной из параллельных ветвей управляемого коммутатора 7, а Вх. 2, Вх. 4 и Вх. 6 расположены на другой параллельной ветви управляемого коммутатора 7 и подключены соответственно к общим точкам соединения управляемых ключей 9 и 10, 10 и 11, 11 и 12 другой параллельной ветви управляемого коммутатора 7. Между Вх. 4 и Вх. 1 управляемого коммутатора 7 включен управляемый ключ 17, а между Вх. 4 и Вх. 5 включен управляемый ключ 18. Общие точки соединения параллельных ветвей управляемого коммутатора 7 подключены соответственно к выходным зажимам Вых. 1 и Вых. 2 управляемого коммутатора 7. Выходные зажимы Вых. 1 и Вых. 2 управляемого коммутаторы 7 включены последовательно с источником питания 1 и первичной обмоткой 3 трансформатора 2. Управляющие входы всех управляемых ключей управляемого коммутатора 7 подключены к выходу блока системы управления 8. Начала секций 4, 5, 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора, обозначенные на фиг. 2 точками, подключены соответственно к входным зажимам Вх. 6, Вх. 3, Вх. 2 управляемого коммутатора 7. Концы секций 4, 5, 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора подключены соответственно к входным зажимам Вх. 5, Вх. 4, Вх. 1 управляемого коммутатора 7.
Реализация, предлагаемого способа управления выходным напряжением трансформатора осуществляется следующим образом.
1
4
5
6
4
1
4
5
1
5
6
1
6
Обозначим число витков первичной обмотки трансформатора - W, а числа витков секций 4, 5, 6 вторичной секционированной обмотки как - W, W и W соответственно. Коэффициенты трансформации для каждой из секций вторичной секционированной обмотки по отношению к первичной обмотке 3 трансформатора 2 определяются выражениями: W/W=K; W/W=K; W/W=K.
Управляемый коммутатор 7, под управлением сигнала с выхода системы управления 8, обеспечивает реализацию последовательного включения различных комбинаций секций 4, 5, 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора к своим выходным зажимам Вых. 1 и Вых. 2. При этом, в зависимости от взаимного расположения секций вторичной секционированной обмотки трансформатора 2 и первичной обмотки 3 трансформатора 2, секции могут включаться согласно или встречно с по отношению к первичной обмотке 3 трансформатора 2. Для последовательного соединения первичной обмотки 3 с последовательным соединением секций вторичной секционированной обмотки трансформатора 2 введем с соотношение:
вых
1
э
1
э
U/U=W/W=K,
вых
Где U - выходное напряжение трансформатора, являющееся напряжением между выходными зажимами Вых. 1 и Вых. 2 управляемого коммутатора 7,
1
U - Напряжение на первичной обмотке 3 трансформатора 2,
э
э
э
W - эквивалентное число витков последовательно соединенных секций вторичной секционированной обмотки трансформатора 2, подключаемых управляемым коммутатором 7 к своим выходным зажимам Вых. 1 и Вых. 2. При этом можно считать, что к выходным зажимам Вых. 1 и Вых. 2 управляемого коммутатора 7 подключается эквивалентная вторичная обмотка трансформатора, полученная из различных комбинаций последовательного соединения секций вторичной секционированной обмотки трансформатора 2 с эквивалентным числом витков W. В зависимости от согласного или встречного расположения секций 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора 2 в их последовательном включении, при определении эквивалентного числа витков, последовательно включенных секций вторичной обмотки трансформатора 2, количества витков секций вторичной секционированной обмотки трансформатора 2 могут складываться или вычитаться. С учетом возможного согласного или встречного соединения секций вторичной секционированной обмотки трансформатора 2, эквивалентное число витков W эквивалентной вторичной обмотки трансформатора 2, подключаемой управляемым коммутатором 7 последовательно с первичной обмоткой 3 трансформатора 2, будет определяться как алгебраическая сумма чисел витков секций 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки, участвующих в формировании выходного напряжения трансформатора 2. При вычислении алгебраической суммы чисел витков секций вторичной обмотки, участвующих в формировании выходного напряжения трансформатора 2, у соответствующей секции вторичной обмотки знак «плюс» будет в том случае, если секция включена согласно с первичной обмоткой 3 трансформатора 2, в противном случае у соответствующей секции вторичной обмотки будет знак «минус».
При согласном включении первичной обмотки 3 трансформатора 2 с эквивалентной вторичной обмоткой трансформатора 2 соотношение между выходным напряжением трансформатора 2 и напряжением сети определяется выражением:
вых[
c
э
э
U=U*К/(1+К)
э
c
э
Отметим, что при изменении К в диапазоне от 0 до бесконечности выходное напряжение трансформатора изменяется от 0 до U. Эта зависимость и используется в предлагаемом способе управления выходным напряжением трансформатора. Коммутатор 7, при реализации предлагаемого способа управления, под действием сигнала системы управления 8, должен обеспечивать реализацию различных комбинаций последовательного включения секций вторичной обмотки трансформатора 2 и их согласное последовательное включение с первичной обмоткой 3 трансформатора 2. Под комбинацией последовательного включения секций вторичной обмотки понимается как согласное, так и встречное включение различного числа секций 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора 2. Таким образом, управляя различными комбинациями в последовательном включении секций 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора 2, управляемый коммутатор 7 изменяет К и, соответственно, управляет выходным напряжением трансформатора 2.
Для эффективного управления выходным напряжением трансформатора 2, в этом случае, секции 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки должны быть потенциально не связаны друг с другом, иметь различное число витков, а коммутатор 7 обеспечивать получение максимального количества комбинаций последовательно включенных секций 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора 2. При этом, за счет выбора величин коэффициентов трансформации секций 4, 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 2 возможно обеспечивать относительно равномерное распределение уровней регулируемых выходных напряжений трансформатора 2.
4
5
6
4
5
6
В таблице на фиг. 3 приведены выражения для вычисления эквивалентных значений коэффициентов трансформации трансформатора, относительных уровней напряжений на выходе трансформатора при различной комбинации последовательного соединения секций 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора при условии W>W>W. Относительные уровни напряжения на выходе трансформатора 2 нормированы по отношению к напряжению сети 1. При этом, в качестве примера, значения коэффициентов трансформации секций 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора 2 заданы соответственно величинами: К=5,5; К=2,5; К=2,0.
Из таблицы фиг. 3 видно, что при трех секциях 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора 2 и реализации различных комбинаций их последовательного включения можно получить 11 различных уровней регулирования выходного напряжения трансформатора 2. При этом за счет выбора значений коэффициентов трансформации секций 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора 2 можно обеспечивать относительно равномерное распределение уровней регулируемого выходного напряжения.
Очевидно, что увеличение количества секций вторичной секционированной обмотки трансформатора 2 будет позволять существенно увеличивать дискретность уровней регулируемого напряжения на выходе трансформатора 2.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет расширить функциональные возможности регулирования выходного напряжения трансформатора 2 за счет увеличения количества уровней регулируемого выходного напряжения, при ограниченном количестве секций вторичной обмотки трансформатора 2, а использование предложенного способа управления коммутатором 7 трансформатора 2 повышает быстродействие и надежность работы устройства в целом.
Устройство управления выходным напряжением трансформатора фиг. 2 работает следующим образом.
Блок системы управления 8 управляет состояниями управляемых ключей 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18. В зависимости от требуемого уровня выходного напряжения трансформатора 2 блок системы управления 8 замыкает или размыкает соответствующие управляемые ключи коммутатора 7 так, чтобы обеспечить реализацию необходимой комбинации последовательного включения секций 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора 2 и ее подключения последовательно с первичной обмоткой 3 трансформатора 2. В таблице фиг. 4 приведены состояния управляемых ключей 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 управляемого коммутатора 7, соответствующие формированию эквивалентных коэффициентов трансформации трансформатора 2. Где «ON» обозначает включенное состояние ключа, a «OFF» выключенное. Следует отметить, что в приведенном примере при любой комбинации секций 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора 2 и при выбранных их коэффициентах трансформации, эквивалентная вторичная обмотка трансформатора по отношению к первичной обмотке 3 трансформатора 2 всегда включена согласно.
Применение в качестве управляемых ключей 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 встречно-параллельно включенных тиристоров позволяет реализовать быстродействующий управляемый ключ. При этом переключение секций 4, 5 и 6 вторичной секционированной обмотки трансформатора 2 может быть осуществлено на одном периоде изменения напряжения сети. По сравнению с электромеханическим коммутатором это существенно повышает быстродействие и надежность работы управляемого коммутатора 7.