СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ТРЕХФАЗНОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ
SYSTEM FOR AUTOMATIC STABILISATION OF THREE-PHASE SINUSOIDAL VOLTAGE OF TRANSFORMER SUBSTATIONS

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетическим системам, и может быть использовано для стабилизации напряжения питания потребителей трансформаторных подстанций промышленных и агропромышленных предприятий, предусматривающих подключение электронагревателей для дополнительного обогрева помещений, нагрева воды и т.п., а также объектов мясомолочной и пищевой промышленности, в технологических процессах которых требуется непрерывная подача пара.
Известна система автоматической стабилизации трехфазного синусоидального напряжения трансформаторных подстанций (патент РФ №2178232, Н02М 5/257, G05F 1/30, 2002, Бюл. №1.).
Она предназначена индивидуально для каждой подстанции и содержит силовой и вольтодобавочный трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и подключены к сети, трехфазный ключ, подключающий вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора к выходным зажимам трансформаторной подстанции или к зажимам нагрузки, основной электронагреватель, входящий в состав нагрузки, и дополнительный электронагреватель, шунтированный трехфазным ключом, выполненным, например, в виде трехфазного диодного моста, в диагональ которого включен GTO-тиристор или IGBT-транзистор. При полностью включенном и при полностью выключенном трехфазном ключе устройство, работая в режимах полной вольтодобавки и полной вольтоотбавки, обеспечивает на входе подстанции и у потребителей синусоидальное напряжение. При изменении длительности проводящего состояния трехфазного ключа устройство обеспечивает плавное регулирование напряжения на входе трансформаторной подстанции и у потребителей вверх и вниз относительно номинального значения за счет плавного изменения величины и смены знака магнитного потока вольтодобавочного трансформатора, работающего в режиме двойного питания. Такое реостатно-импульсное регулирование между двумя уровнями синусоидального напряжения сопровождается искажениями напряжения и тока, причем наибольшие искажения возникают при номинальных значениях напряжения сети и тока нагрузки.
К недостаткам устройства следует отнести низкую энергетическую эффективность системы энергоснабжения (на подстанциях, в сети и у потребителей предприятия), характеризуемую произведением коэффициентов мощности и полезного действия. Это вызвано сравнительно большими искажениями напряжения на входе подстанций и у потребителей, искажениями тока в трансформаторном оборудовании и в сети.
Известна система автоматической стабилизации трехфазного синусоидального напряжения трансформаторных подстанций (заявка на изобретение RU 2013124566 А от 08.05.13, дата публ. 10.12.2014, БИ №34, патент РФ №2540421, Н02М 5/25), которая взята за прототип.
Она в отличие от предыдущего аналога включается на входе группы трансформаторных подстанций предприятия, содержит два трехфазных ключа, каждый из которых выполнен в виде трехфазного диодного моста, в диагональ которого включен GTO-тиристор или IGBT-транзистор и систему управления. Такое устройство при двухподдиапазонном реостатно-импульсном регулировании обеспечивает три уровня синусоидального напряжения на входе подстанции и их потребителей электроэнергии и по сравнению с предыдущим аналогом снижает в два раза искажения выходного напряжения и входного тока. Искажения на промежуточном уровне при номинальном напряжении сети и номинальном токе нагрузки отсутствуют вследствие того, что один ключ полностью выключен, а другой полностью включен.
Однако и этой автоматической системе свойственны недостатки, среди которых, прежде всего, следует выделить возникновение искажений выходного напряжения и входного тока при отклонениях напряжения от номинального уровня, что снижает энергетическую эффективность системы энергоснабжения. Кроме этого к недостаткам следует отнести сложность системы управления и ее настройки для поочередного регулирования напряжения первым и вторым ключами.
Задачей изобретения является улучшение энергетических показателей системы энергоснабжения предприятия за счет полного устранения искажений напряжения и тока в режимах вольтодобавки и вольтоотбавки, повышение коэффициентов мощности и полезного действия силовых трансформаторов подстанций предприятия, рациональное использование энергии потерь вольтодобавочного трансформатора, сохранение синусоидальности форм напряжения и тока у потребителей и в сети в процессе импульсного регулирования добавочного напряжения на входе трансформаторных подстанций при помощи простой в эксплуатации и настройке системы управления.
Технический результат от решения поставленной задачи заключается в рациональном энергопотреблении вследствие улучшения качества напряжения на входе трансформаторных подстанций и у потребителей, устранения искажений и уменьшения величины токов в трансформаторах и тока, потребляемого системой из сети, а также реализации двухподдиапазонного регулирования простой системой управления.
Решение поставленной задачи достигается тем, что введен блок конденсаторов фильтра, подключенных пофазно параллельно к первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора, блок фильтро-компенсирующих конденсаторов, подключенных к нагрузке силового трансформатора дополнительной подстанции и блок компенсирующих конденсаторов, подключенных к сети, а в состав системы управления введены два компаратора и два сумматора, одни входы первого и второго сумматоров соответственно подключены к положительному и отрицательному выходам двухполярного источника напряжения смещения, а другие входы сумматоров объединены и подключены к выходу высокочастотного генератора треугольного напряжения, при этом величина напряжения смещения двухполярного источника задается не меньше амплитуды треугольного напряжения высокочастотного генератора, одни входы первого и второго компараторов соответственно подключены к выходам первого и второго сумматоров, а другие входы компараторов объединены и через интегратор подключены к выходу датчика отклонения напряжения и кроме этого выходы первого и второго компараторов соответственно подключены к входам первого и второго выходных каскадов системы управления.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемому к нему чертежом, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства. Она содержит силовой трансформатор 1 основной подстанции, силовой трансформатор 2 дополнительной подстанции, предназначенной для собственных нужд предприятия, первый 3 и второй 4 трехфазные ключи с системой управления 5, в состав которой входит высокочастотный генератор треугольного напряжения 6, первый и второй сумматоры 7 и 8, первый и второй компараторы 9 и 10, двухполярный источник напряжения смещения 11, интегратор 12, первый и второй выходные каскады 13 и 14 системы управления. Также в состав устройства входит датчик отклонения напряжения 15 нагрузки, вольтодобавочный трансформатор 16, основной 17 и дополнительный 18 электронагреватели, сеть 19, нагрузка 20 основной подстанции, к которой относятся наиболее критичные к качеству напряжению потребители, нагрузка 21 дополнительной подстанции, имеющая менее критичные к качеству напряжения потребители, блок конденсаторов фильтра 22, блок компенсирующих конденсаторов 23 и блок фильтро-компенсирующих конденсаторов 24.
Элементы устройства соединены следующим образом.
Первичные обмотки силовых трансформаторов 1 и 2 соединены параллельно и через первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 16 подключены к сети 19. Вторичные обмотки силовых трансформаторов 1 и 2 соединены в звезду с нулевым проводом и подключены к нагрузкам 20 и 21. В системе управления 5 входы первого и второго сумматоров 7 и 8 соответственно подключены к положительному и отрицательному выходам двухполярного источника напряжения смещения 11, а другие входы сумматоров объединены и подключены к выходу высокочастотного генератора треугольного напряжения 6, одни входы первого и второго компараторов 9 и 10 соответственно подключены к выходам первого и второго сумматоров 7 и 8, а другие входы компараторов объединены и через интегратор 12 подключены к выходу датчика отклонения напряжения 15, вход которого подключен к нагрузке 20 основной подстанции. Выходы первого и второго компараторов 9 и 10 через первый и второй выходные каскады 13 и 14 подключены к первому 3 и второму 4 трехфазным ключам.
Одни выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 16 подключены к вторичной обмотке силового трансформатора 2 дополнительной подстанции с нагрузкой 21, в состав которой входит основной электронагреватель 17, а другие выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 16 подключены к первому трехфазному ключу 3 и к дополнительному электронагревателю 18, выполненному из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, к точкам соединения которых подключен второй трехфазный ключ 4. В зависимости от типа применяемых в устройстве трехфазных ключей 3 и 4, а также частоты их коммутации, система управления 5 может быть асинхронной или синхронизированной с сетью. Блок конденсаторов фильтра 22 пофазно параллельно подключен к первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 16, блок компенсирующих конденсаторов 23 подключен к сети, а блок фильтро-компенсирующих конденсаторов 24 подключен к нагрузке силового трансформатора 2 дополнительной подстанции.
Подготовка устройства к работе заключается в изучении системы электроснабжения предприятия и, с учетом его особенностей, в выборе параметров стабилизатора и настройке следующих уровней напряжения:
- Максимальная вольтодобавка задается коэффициентом трансформации вольтодобавочного трансформатора 16 и при минимальном напряжении в сети 19 и номинальной нагрузке 20 и 21 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия. Уровень максимальной вольтодобавки задается при непрерывно включенном первом трехфазном ключе 3.
- Промежуточный (номинальный) уровень напряжения или область допустимого отклонения напряжения системы задается сопротивлением первого электронагревательного элемента дополнительного электронагревателя 18 и характеризуется тем, что при номинальном напряжении в сети 19 и номинальной нагрузке 20 и 21 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия. Он задается при полностью выключенном первом трехфазном ключе 3 и непрерывно включенном втором трехфазном ключе 4 при напряжении смещения в системе управления не меньше амплитуды треугольного напряжения. Задавая напряжение смещения больше амплитуды треугольного напряжения, создается зона нечувствительности системы автоматической стабилизации трехфазного синусоидального напряжения, которая настраивается на допустимые пределы отклонения напряжения.
- Максимальная вольтоотбавка задается суммарным сопротивлением первого и второго электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя 18 и при максимальном напряжении в сети 19 и номинальной нагрузке 20 и 21 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия.
Уровень максимальной вольтоотбавки задается при полностью выключенных первом и втором трехфазных ключах 3 и 4.
Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.
Положительное и отрицательное напряжение смещения U см с двухполярного источника напряжения смещения 11 складывается с высокочастотным треугольным напряжением при помощи сумматоров 7 и 8, при этом величина напряжения смещения задается не меньше амплитуды переменного треугольного напряжения высокочастотного генератора, создавая тем самым два треугольных напряжения - положительное и отрицательное.
На первом компараторе 9 положительное треугольное напряжение, а на втором компараторе 10 отрицательное треугольное напряжение сравниваются с общим напряжением управления Uупр, которое через интегратор 12 подается с выхода датчика отклонения напряжения 15. На выходах первого и второго однополярных компараторов 9 и 10 формируются широкие однополярные импульсы управления, которые через выходные каскады с усилителями мощности и элементами гальванической развязки подаются соответственно на первый и второй трехфазные ключи 3 и 4.
При максимально пониженном напряжении в сети 19 с выхода датчика отклонения напряжения 15 подается через интегратор 12 максимальное положительное напряжение управления, и система управления 5 подает непрерывные управляющие импульсы на первый и второй трехфазные ключи 3 и 4, включается только первый ключ 3 и вольтодобавочный трансформатор 16 повышает напряжение на входе силовых трансформаторов 1, 2 и на нагрузках 20, 21 до заданного, например номинального, уровня за счет наведения на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 16 ЭДС, синфазную с напряжением нагрузки 21. В этом режиме дополнительный электронагреватель 18, его элементы и второй трехфазный ключ 4 закорочены первым трехфазным ключом 3 и обесточены, т.е. отключены.
При повышении напряжения в сети 19 от максимально пониженного до номинального устройство уменьшает длительность проводящего состояния первого трехфазного ключа 3 от периода коммутации до нуля и на интервалах его бестоковых пауз включается второй трехфазный ключ 4, вводя в цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 16 сопротивление первого электронагревательного элемента дополнительного электронагревателя 18. При этом реостатно-импульсном регулировании происходит плавное уменьшение напряжения вольтодобавки в первом поддиапазоне от максимального до промежуточного уровня при напряжении смещения, равном амплитуде треугольного напряжения или до области допустимых отклонений напряжения, при напряжении смещения больше амплитуды треугольного напряжения.
При дальнейшем повышении напряжения в сети 19 от номинального до максимально повышенного уровня, напряжение управления Uупр, подаваемое на компараторы, изменяется от нуля до максимально отрицательного значения, и устройство, при выключенном первом трехфазном ключе 3, уменьшает длительность проводящего состояния второго трехфазного ключа 4 от периода коммутации до нуля и на интервалах его бестоковых пауз вводит в цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 16 суммарное сопротивление первого и второго электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя 18. Таким образом, в цепи вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 16 с частотой коммутации чередуется включение то одного, то двух сопротивлений. При этом происходит плавное уменьшение напряжения на нагрузке от максимального до номинального уровня.
Дополнительный нагревательный элемент 18 в режиме полной вольто-отбавки устраняет дроссельный режим вольтодобавочного трансформатора 16 и выполняет роль защиты трехфазных ключей 3 и 4 от перенапряжений.
Следует также отметить, что снижение токов в трансформаторах, тока потребления системой и улучшение жесткости внешней характеристики устройства достигается за счет совместного действия блока компенсирующих конденсаторов 23 и блока фильтро-компенсирующих конденсаторов 24. Кроме этого устранение искажений токов в трансформаторах и искажений тока потребляемого из сети достигается за счет совместного действия блока фильтро-компенсирующих конденсаторов 24 и блока конденсаторов фильтра 22. И, наконец, сохранение синусоидальности формы напряжения во всем диапазоне автоматической стабилизации трехфазного напряжения трансформаторных подстанций достигается за счет действия блока конденсаторов фильтра 22, а разделение в устройстве этого диапазона на два поддиапазона, расположенных между тремя уровнями синусоидального напряжения, позволяет облегчить ему выполнение этой функции.
Наиболее рациональной областью применения являются молокозаводы, мясокомбинаты с двух- и трехтрансформаторными подстанциями, в производстве которых используются импортные автоматические линии, требующие высокого качества питающего напряжения, а в технологическом процессе используются нагревательные элементы для производства горячей воды и пара.
Устройство может также найти применение на птицефабриках, молочно-товарных фермах, в энергосистемах поселков леспромхозов, на предприятиях по производству безалкогольных напитков.