РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ
AC VOLTAGE REGULATOR IN THREE-PHASE NETWORK

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 на основе тиристорного регулятора вольтодобавочного переменного напряжения (патент RU на полезную модель №142160, опубл. 20.06.2014, МПК Н02М 5/10), содержащий многообмоточный вольто добавочный трансформатор, сетевая обмотка которого включена последовательно с фазным напряжением сети и нагрузкой, а вторичные обмотки которого подключены к ключевому преобразователю, осуществляющему подключение вторичных обмоток многообмоточного вольтодобавочного трансформатора к фазному напряжению сети 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.
Наиболее близким прототипом к заявляемому решению является регулятор переменного напряжения (патент №2671829 опубл. 07.11.2018 г., МПК Н02М 5/10), содержащий многообмоточный вольтодобавочный трансформатор, сетевая обмотка которого включена последовательно с фазным напряжением сети, управляемым ключом и нагрузкой, а вторичные обмотки которого подключены к выходным зажимам полупроводникового коммутатора, а его входные зажимы подключены к тому же фазному напряжению сети. За счет изменения количества и направления вторичных обмоток многообмоточного вольтодобавочного трансформатора, подключаемых последовательно с фазным напряжением сети полупроводниковым коммутатором, изменяется действующее значение синусоидального напряжения, наводимого на сетевой обмотке многообмоточного вольтодобавочного трансформатора. Недостатком прототипа является ограниченный диапазон регулирования напряжения на нагрузке. Это связано с тем, что при увеличении напряжения вольтодобавки, складываемого с напряжением фазы сети, увеличивается мощность в нагрузке и, соответственно увеличиваются потери в проводах фазы сети, от начала сети до подключения сетевой обмотки регулятора переменного напряжения. В этом случае увеличение напряжения у потребителей с помощью введения вольтодобавки сказывается на уменьшении напряжения у потребителей, подключенных к той же фазе сети до сетевой обмотки регулятора переменного напряжения. Это обстоятельство ограничивает функциональные возможности применения регулятора переменного напряжения в виду ограничений на места установки и диапазон входных рабочих напряжений регулятора переменного напряжения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является реализация регулирования напряжения на нагрузке за счет организации регулируемого обмена мощностями между фазами сети.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей регулятора переменного синусоидального напряжения и повышении качества напряжения в фазах трехфазной сети при несимметрии подключенных к ним электрических нагрузок.
Технический результат достигается тем, что в регуляторе переменного напряжения в трехфазной сети, содержащем многообмоточный вольтодобавочный трансформатор, сетевая обмотка которого включена в одну из фаз сети последовательно с управляемым ключом и нагрузкой, а вторичные обмотки которого подключены к выходным зажимам полупроводникового коммутатора, датчик напряжения и блок управления, входные зажимы полупроводникового коммутатора подключены к выходной обмотке дополнительного трансформатора, входная обмотка которого через последовательное соединение со вторичной обмоткой вспомогательного трансформатора подключена ко второй фазе сети, а первичная обмотка вспомогательного трансформатора подключена к третьей фазе сети.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема регулятора переменного синусоидального напряжения, на фиг. 2 приведена векторная диаграмма напряжений и тока в схеме регулятора, поясняющая принцип ее работы.
Регулятор переменного синусоидального напряжения имеет в своем составе многообмоточный вольтодобавочный трансформатор 1, вспомогательный трансформатор 2, дополнительный трансформатор 3, полупроводниковый коммутатор 4, блок управления 5, датчик напряжения 6 и управляемый ключ 7. При этом сетевая обмотка многообмоточного вольтодобавочного трансформатора 1 включена в фазу А последовательно с управляемым ключом 7 и нагрузкой 8 фазы А. Секции вторичной секционированной обмотки многообмоточного трансформатора 1 подключены к соответствующим выходным зажимам полупроводникового коммутатора 4. Полупроводниковый коммутатор 4 представляет собой две параллельно включенные ветви, каждая из которых состоит из четырех последовательно соединенных управляемых ключей 9, 10, 11, 12 и 13, 14, 15, 16 соответственно. Общие точки соединения ключей 9 и 13, расположенных на разных ветвях, а также 12 и 16, образуют входные зажимы полупроводникового коммутатора 4. Выходные зажимы коммутатора 4 подключены к симметрично расположенным на параллельных ветвях коммутатора точкам соединения управляемых ключей, так что выводы первой секции вторичной секционированной обмотки многообмоточного трансформатора 1 подключены к общим точкам соединения управляемых ключей 9, 10 и 13, 14 соответственно. Выводы второй секции вторичной секционированной обмотки подключены соответственно к общим точкам соединения управляемых ключей 10, 11 и 14, 15 параллельных ветвей полупроводникового коммутатора 4. Выводы третьей секции вторичной секционированной обмотки подключены соответственно к общим точкам соединения управляемых ключей 11, 12 и 15, 16 параллельных ветвей полупроводникового коммутатора 4. Входные зажимы полупроводникового коммутатора 4 соединены с выводами выходной обмотки дополнительного трансформатора 3. Входная обмотка дополнительного трансформатора 3 одним своим выводом подключена к фазе С трехфазной сети, а другим своим выводом - к первому выводу вторичной обмотки вспомогательного трансформатора 2, второй вывод которой подключен к нейтрали трехфазной сети. Первичная обмотка вспомогательного трансформатора 2 подключена одним своим выводом к фазе В трехфазной сети, а вторым своим выводом к нейтрали трехфазной сети. Параллельно нагрузке 8 включен датчик напряжения 6, выход которого соединен с входом блока управления 5. Выход блока управления 5 соединен с управляющими входами управляемых ключей 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16. В рассматриваемом случае, представлена схема построения многообмоточного трансформатора 1 с тремя секциями вторичной секционированной обмотки. На практике, секций вторичной секционированной обмотки у трансформатора 1 может быть любое количество, в зависимости от требований получения необходимого количества регулируемых уровней напряжения на нагрузке.
Регулятор переменного напряжения работает следующим образом. Напряжение на входных зажимах полупроводникового коммутатора 4 формируется с помощью дополнительного 3 и вспомогательного 2 трансформаторов и в случае единичных коэффициентов трансформации трансформаторов 2 и 3 равно векторной сумме двух фазных напряжений В и С. Это напряжение представлено на векторной диаграмме фиг. 2 как (Ebo+Есо). Как видно из фиг. 2 оно противоположно по направлению напряжению фазы А. Блок управления 5 формирует управляющие воздействия на управляемые ключи 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16, формируя различные величины напряжений вольтодобавки на сетевой обмотке многообмоточного трансформатора 1. Коэффициент трансформации К1 многообмоточного трансформатора 1 определяется количеством и направлением включения секций вторичной секционированной обмотки многообмоточного трансформатора 1. Количество последовательно включенных секций вторичной секционированной обмотки трансформатора 1 и ориентация их включения относительно сетевой обмотки определяется состоянием ключей 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16 полупроводникового коммутатора 4 и задается блоком управления 5. Таким образом, регулируется как величина напряжения вольтодобавки, так и его знак. С учетом того, что входное напряжение на полупроводниковом коммутаторе 4 различается относительно напряжения на фазе А на 180 электрических градусов, напряжения вольтодобавки будут иметь ряд дискретных значений, совпадающих или отличающихся по фазе на 180 электрических градусов от напряжения фазы А. Это проиллюстрировано на фиг. 2. При этом дискретные значения коэффициента трансформации К1 трансформатора 1 и определяют конкретные величины напряжения вольтодобавки. Таким образом, за счет суммирования или вычитания регулируемого напряжения вольтодобавки Ebo+Есо) с фазным напряжением Еао осуществляется регулирование напряжения на нагрузке фазы А. При активной нагрузке в фазе А ток Eao будет совпадать с напряжением Еао фазы А и, в отличие от прототипа, изменение активной мощности в нагрузке будет происходить не за счет дополнительного увеличения тока в фазе А, а за счет отбора активных мощностей от фаз В и С. Это видно на фиг. 2. Таким образом, при наличии большого потребления активной мощности в фазе А и малом потреблении активной мощности в фазах В и С регулятор может обеспечить поступление дополнительной активной мощности из фаз В и С, тем самым симметрировать нагрузку по фазам сети и симметрировать напряжения на фазах нагрузки за счет перераспределения падений напряжений на сопротивлениях фаз сети. Использование отрицательного напряжения вольтодобавки по отношению к фазному напряжению сети приводит, наоборот, к передаче части активной мощности из фазы А в фазы В и С. При таком формировании напряжения на входе полупроводникового коммутатора в схеме фиг. 1, регулирование напряжения на нагрузках фазы А, подключенных к фазе А после сетевой обмотки трансформатора 1, не будет сказываться на напряжениях на нагрузках фазы А, подключенных до сетевой обмотки трансформатора 1.
Управляемый ключ 7 используется на этапе регулирования напряжения вольтодобаки для отключения сетевой обмотки от фазного напряжения с целью повышения надежности работы полупроводникового коммутатора 4.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет расширить функциональные возможности регулятора переменного напряжения и повысить качество напряжений при несимметричных нагрузках в трехфазной сети.