УСТРОЙСТВО ДИНАМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ОТВЕТСТВЕННОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области электротехнике и может быть использована для электроснабжения ответственных потребителей, например, высоковольтных преобразователей частоты, не допускающих в аварийном режиме как кратковременных, так и длительных провалов питающего напряжения, вызванных однофазным или двухфазным коротким замыканием, запуском мощного двигателя, подключением мощных потребителей с резкопеременной нагрузкой.
Известно устройство для электроснабжения нагрузки, содержащее шины, к которым подключен источник питания, средства для быстродействующего изменения напряжения в аварийных режимах, включающие в себя коммутационные аппараты, шины для питания нагрузки, два трансформатора, включенных последовательно, один из которых является понижающим, а другой - повышающим, причем понижающий трансформатор подключен к шинам, к которым подключен источник питания, повышающий трансформатор подключен к шинам питания нагрузки, а указанный коммутационный аппарат включен параллельно понижающему трансформатору (см. а.с. СССР №1775793, H02J 9/06).
Недостатком известного устройства является то, что при провалах напряжения, вызванных, например, подключением мощных потребителей с резкопеременной нагрузкой, оно не обеспечивает раздельного регулирования фазных напряжений ответственного потребителя электрической энергии. Кроме того, известное устройство имеет низкую надежность и низкий коэффициент полезного действия, обусловленные двойным преобразованием электрической энергии для нормального режима работы устройства. Высокая ресурсоемкость устройства в виде двух трансформаторов, узкий диапазон восстановления провалов напряжения - два допустимых уровней снижения напряжения источника питания, также являются его недостатками.
a
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является устройство динамического восстановления провалов напряжения для ответственного потребителя электрической энергии, содержащее три датчика фазных напряжений, входы которых подключены соответственно к зажимам фаз А, В и С трехфазного источника питания, а выходы - к блоку управления, первый, второй и третий выходы которого соединены с управляющими входами соответственно первого, второго и третьего двунаправленных тиристорных ключей, силовые входы указанных ключей подключены соответственно к зажимам фаз А, В и С трехфазного источника питания, а силовые выходы двунаправленных тиристорных ключей - к соответствующим зажимам фаз , b и c ответственного потребителя электрической энергии, и трехфазный вольтодобавочный трансформатор (см. а.с. СССР №1807545, H02J 9/06).
Недостатком известного устройства является то, что при провалах напряжения, вызванных, например, однофазным или двухфазным коротким замыканием, оно не обеспечивает раздельного регулирования фазных напряжений ответственного потребителя электрической энергии. Кроме того, известное устройство имеет низкую надежность и низкий коэффициент полезного действия, обусловленные параллельной работой дополнительных n трансформаторов с разными коэффициентами трансформации в режиме холостого хода для нормального режима работы устройства. Высокая ресурсоемкость устройства в виде n дополнительных трансформаторов и 6·n тиристорных ключей также являются его недостатками.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в поддержании допустимого диапазона снижения фазных напряжений ответственного потребителя электрической энергии при кратковременных и длительных, симметричных и несимметричных провалах напряжения источника питания.
Технический результат полезной модели заключается в создании условий раздельного регулировании фазных напряжений ответственного потребителя электрической энергии с учетом несимметрии провалов фазных напряжений трехфазного источника питания.
a
Поставленная задача решается тем, что в устройстве динамического восстановления провалов напряжения для ответственного потребителя электрической энергии, содержащем три датчика фазных напряжений, входы которых подключены соответственно к зажимам фаз А, В и С трехфазного источника питания, а выходы - к блоку управления, первый, второй и третий выходы которого соединены с управляющими входами соответственно первого, второго и третьего двунаправленных тиристорных ключей, силовые входы указанных ключей подключены соответственно к зажимам фаз А, В и С трехфазного источника питания, а силовые выходы двунаправленных тиристорных ключей - к соответствующим зажимам фаз , b и c ответственного потребителя электрической энергии, и трехфазный вольтодобавочный трансформатор, согласно изменению, первичные обмотки трехфазного вольтодобавочного трансформатора соединены в звезду, причем начала обмоток подключены к соответствующим зажимам фаз А, В и С трехфазного источника питания, а каждая из трех вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора содержит последовательно соединенные первую, вторую, третью и четвертую секции, которые снабжены соответственно четвертым, пятым, шестым и седьмым двунаправленными тиристорными ключами, силовые выходы указанных ключей соединены в общую точку, которая для ключей фазы А подключена к силовому выходу первого двунаправленного тиристорного ключа, а для ключей фаз В и С - к силовым выходам соответственно второго и третьего двунаправленных тиристорных ключей, при этом силовой вход четвертого двунаправленного тиристорного ключа подключен к точке соединения первой и второй секций, силовой вход пятого - к точке соединения второй и третий секций, силовой вход шестого - к точке соединения третий и четвертой секций, силовой вход седьмого двунаправленного тиристорного ключа подключен к началу четвертой секции, конец первой секции фазы А подключен к силовому входу первого двунаправленного тиристорного ключа, а концы первых секций фаз В и С подключены соответственно к силовым входам второго и третьего двунаправленных тиристорных ключей, управляющие входы четвертого, пятого, шестого и седьмого двунаправленных тиристорных ключей фазы А подключены соответственно к четвертому, пятому, шестому и седьмому выходам блока управления, управляющие входы четырех ключей фазы В подключены к восьмому, девятому, десятому и одиннадцатому выходам блока управления, а управляющие входы четырех ключей фазы С подключены к двенадцатому, тринадцатому, четырнадцатому и пятнадцатому выходам блока управления.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства динамического восстановления провалов напряжения для ответственного потребителя электрической энергии.
а
Заявляемое устройство динамического восстановления провалов напряжения для ответственного потребителя электрической энергии 1, содержит три датчика фазных напряжений 2, входы которых подключены соответственно к зажимам фаз А, В и С трехфазного источника питания 3, а выходы - к блоку управления 4. Первый (I), второй (II) и третий (III) выходы блока управления 4 соединены с управляющими входами соответственно первого 5, второго 6 и третьего 7 двунаправленных тиристорных ключей. При этом силовые входы указанных ключей 5, 6 и 7 подключены соответственно к зажимам фаз А, В и С трехфазного источника питания 3, а силовые выходы двунаправленных тиристорных ключей 5, 6 и 7 подключены к соответствующим зажимам фаз , b и c ответственного потребителя электрической энергии 1. Устройство также содержит трехфазный вольтодобавочный трансформатор 8, первичные обмотки которого соединены в звезду. Причем начала обмоток подключены к соответствующим зажимам фаз А, В и С трехфазного источника питания 3. Каждая из трех вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 8 содержит последовательно соединенные первую 9, вторую 10, третью 11 и четвертую 12 секции, которые снабжены соответственно четвертым 13, пятым 14, шестым 15 и седьмым 16 двунаправленными тиристорными ключами. Силовые выходы указанных ключей 13, 14, 15 и 16 соединены в общую точку, которая для ключей фазы А подключена к силовому выходу первого двунаправленного тиристорного ключа 5, а для ключей фаз В и С - к силовым выходам соответственно второго 6 и третьего 7 двунаправленных тиристорных ключей. При этом силовой вход четвертого двунаправленного тиристорного ключа 13 подключен к точке соединения первой 9 и второй 10 секций, силовой вход пятого 14 - к точке соединения второй 10 и третий 11 секций, силовой вход шестого 15 - к точке соединения третий 11 и четвертой 12 секций. Силовой вход седьмого двунаправленного тиристорного ключа 16 подключен к началу четвертой секции 12. Конец первой секции 9 фазы А подключен к силовому входу первого двунаправленного тиристорного ключа 5, а концы первых секций фаз В и С подключены соответственно к силовым входам второго 6 и третьего 7 двунаправленных тиристорных ключей. Управляющие входы четвертого 13, пятого 14, шестого 15 и седьмого 16 двунаправленных тиристорных ключей фазы А подключены соответственно к четвертому (IV), пятому (V), шестому (VI) и седьмому (VII) выходам блока управления 4. Управляющие входы четырех ключей 13, 14, 15 и 16 фазы В подключены к восьмому (VIII), девятому (IX), десятому (X) и одиннадцатому (XI) выходам блока управления 4. Управляющие входы четырех ключей 13, 14, 15 и 16 фазы С подключены к двенадцатому (XII), тринадцатому (XIII), четырнадцатому (XIV) и пятнадцатому (XV) выходам блока управления 4.
Коэффициенты трансформации первой 9, второй 10, третьей 11 и четвертой 12 секций вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 8 равны соответственно: 9,0; 8,1; 7,29 и 5,56.
Отличительная особенность заявляемого устройства заключается в поддержании допустимого диапазона снижения фазных напряжений ответственного потребителя электрической энергии 1 для широкого диапазона провалов фазных напряжений трехфазного источника питания 3. Применение трехфазного вольтодобавочного трансформатора 8, вторичные обмотки которого содержат по четыре секции 9, 10, 11, 12 и по четыре двунаправленных тиристорных ключа 13, 14, 15, 16 обеспечивает раздельную вольтодобавку для фазных напряжений ответственного потребителя электрической энергии 1. В результате суммирования фазного напряжения трехфазного источника питания 3 и напряжения одной или одновременно нескольких секций 9-12 поддерживается допустимый диапазон снижения фазных напряжений ответственного потребителя электрической энергии 1. При этом формирование напряжения одной или одновременно нескольких секций 9-12 осуществляется замкнутым состоянием одного из ключей 13-16 по команде с блока управления 4. Кроме того, применение одного трехфазного вольтодобавочного трансформатора 8 и включение только одного двунаправленного тиристорного ключа в каждой фазе в рабочем и аварийном режимах позволяют снизить ресурсоемкость заявляемого устройства, повысить его надежность и коэффициент полезного действия.
Устройство динамического восстановления провалов напряжения для ответственного потребителя электрической энергии 1 работает следующим образом.
Датчики напряжения 2 измеряют значения фазных напряжений трехфазного источника питания 3 и передают их на входы блока управления 4.
a
Для нормального режима работы устройства снижение фазных напряжений не должно превышать 10% его номинального значения Uн≥Uф>0,9Uн. При этом блок управления 4 формирует следующие сигналы: замкнуть первый 5, второй 6 и третий 7 двунаправленные тиристорные ключи; разомкнуть четвертый 13, пятый 14, шестой 16 и седьмой 16 двунаправленные тиристорные ключи для всех фаз вторичных обмоток трехфазный вольтодобавочный трансформатор 8. При этом фазы , b и c ответственного потребителя электрической энергии 1 через замкнутые первый 5, второй 6 и третий 7 двунаправленные тиристорные ключи соединены с фазами А, В и С трехфазного источника питания 3. Фазные напряжения ответственного потребителя электрической энергии 1 равны фазным напряжениям трехфазного источника питания 3. При этом снижение фазных напряжений ответственного потребителя электрической энергии 1 не выходит за допустимые пределы Uн≥Uф>0,9Uн. В рассматриваемом режиме, трехфазный вольтодобавочный трансформатор 8 в работе ответственного потребителя электрической энергии 1 не участвует.
а
а
а
В первом аварийном режиме 0,9Uн≥Uф>0,81Uн снижение фазного напряжения трехфазного источника питания 3, например фазы А, равно или превышает 10% его номинального значения, но не превышает 19%. Снижения фазных напряжений фаз В и С при этом находится в диапазоне Uн≥Uф>0,9Uн, т.е. не превышает 10% его номинального значения. Блок управления 4 формирует следующие сигналы: замкнуть четвертый 13 и разомкнуть первый 5 двунаправленные тиристорные ключи для фазы А. Состояния остальных двунаправленных тиристорных ключей сохраняются неизменными, т.е. ключи 6 и 7 замкнуты, а ключи 14, 15, 16 для фазы А и ключи 13, 14, 15, 16 для каждой из фаз В и С разомкнуты. При этом между фазой  ответственного потребителя электрической энергии 1 и фазой А трехфазного источника питания 3 включена первая секция 9 вторичной обмотки трехфазного вольтодобавочного трансформатора 8. Напряжение фазы  ответственного потребителя электрической энергии 1 равно сумме напряжения фазы А трехфазного источника питания 3 и напряжения первой секции 9. При снижении напряжения фазы А трехфазного источника питания 3 до 0,9Uн напряжение первой секции 9 равно 0,1 Uн, так как коэффициент трансформации первой секции 9 равен 9. При этом напряжение фазы а ответственного потребителя электрической энергии 1 равно 1,0Uн. При снижении напряжения фазы А трехфазного источника питания 3 до 0,81 Uн напряжение первой секции 9 равно 0,09 Uн, а напряжение фазы  ответственного потребителя электрической энергии 1 равно 0,9 Uн. Таким образом в первом аварийном режиме, когда фазное напряжение фазы А трехфазного источника питания 3 изменяется в диапазоне 0,9Uн≥Uф>0,81Uн фазное напряжение ответственного потребителя электрической энергии 1 изменяется в диапазоне Uн≥Uф>0,9Uн, т.е. не выходит за допустимые пределы 10%. Аналогичные результаты сохраняются для каждой из фаз В и С при их работе в первом аварийном режиме.
а
Во втором аварийном режиме 0,81Uн≥Uф>0,73Uн снижение фазного напряжения трехфазного источника питания 3, например фазы А, равно или превышает 19% его номинального значения, но не превышает 27%. Снижения фазных напряжений фаз В и С при этом находится в диапазоне Uн≥Uф>0,9Uн, т.е. не превышает 10% его номинального значения. Блок управления 4 формирует следующие сигналы: замкнуть пятый 14 и разомкнуть четвертый 13 двунаправленные тиристорные ключи фазы А. Состояния остальных двунаправленных тиристорных ключей сохраняются неизменными: 5 - разомкнут; 6 и 7 - замкнуты; ключи 15, 16 для фазы А и ключи 13, 14, 15, 16 для фаз В и С разомкнуты. При этом между фазой а ответственного потребителя электрической энергии 1 и фазой А трехфазного источника питания 3 включены первая 9 и вторая 10 секции вторичной обмотки трехфазного вольтодобавочного трансформатора 8. Напряжение фазы а ответственного потребителя электрической энергии 1 равно сумме напряжения фазы А трехфазного источника питания 3 и напряжений первой 9 и второй 10 секций. При снижении напряжения фазы А трехфазного источника питания 3 до 0,81 Uн напряжения первой 9 и второй 10 секций равны соответственно 0,09 Uн и 0,1 Uн, так как, коэффициенты трансформации указанных секций 9 и 10 равны соответственно 9 и 8,1. При этом напряжение фазы  ответственного потребителя электрической энергии 1 равно 1,0Uн. При снижении напряжения фазы А трехфазного источника питания 3 до 0,73 Uн напряжения первой 9 и второй 10 секций равны соответственно 0,08 Uн и 0,09 Uн, а напряжение фазы а ответственного потребителя электрической энергии 1 равно 0,9 Uн. Таким образом, во втором аварийном режиме, когда фазное напряжение фазы А трехфазного источника питания 3 изменяется в диапазоне 0,8Uн≥Uф>0,73Uн фазное напряжение ответственного потребителя электрической энергии 1 изменяется в диапазоне Uн≥Uф>0,9Uн, т.е. не выходит за допустимые пределы 10%. Аналогичные результаты сохраняются для каждой из фаз В и С при их работе во втором аварийном режиме.
а
а
В третьем аварийном режиме 0,73 Uн≥Uф>0,66Uн снижение фазного напряжения трехфазного источника питания 3, например фазы А, равно или превышает 27% его номинального значения, но не превышает 34%. Снижения фазных напряжений фаз В и С при этом находится в диапазоне Uн≥Uф>0,9Uн, т.е. не превышает 10% его номинального значения. Блок управления 4 формирует следующие сигналы: замкнуть шестой 15 и разомкнуть пятый 14 двунаправленные тиристорные ключи фазы А. Состояния остальных двунаправленных тиристорных ключей сохраняются неизменными: 5 - разомкнут; 6 и 7 - замкнуты; ключи 13, 16 для фазы A и ключи 13, 14, 15, 16 для фаз В и С разомкнуты. При этом между фазой  ответственного потребителя электрической энергии 1 и фазой А трехфазного источника питания 3 включены первая 9, вторая 10 и третья 11 секции вторичной обмотки трехфазного вольтодобавочного трансформатора 8. Напряжение фазы  ответственного потребителя электрической энергии 1 равно сумме напряжения фазы А трехфазного источника питания 3 и напряжений первой 9, второй 10 и третьей 11 секций. При снижении напряжения фазы А трехфазного источника питания 3 до 0,73 Uн напряжения первой 9, второй 10 и третьей 11 секций равны соответственно 0,08 Uн, 0,09 Uн и 0,1 Uн, так как, коэффициенты трансформации указанных секций 9, 10 и 11 равны соответственно 9, 8,1 и 7,29. При этом напряжение фазы а ответственного потребителя электрической энергии 1 равно 1,0 Uн. При снижении напряжения фазы A трехфазного источника питания 3 до 0,66 Uн напряжения первой 9, второй 10 и третьей 11 секций равны соответственно 0,073 Uн, 0,08 Uн и 0,09 Uн, а напряжение фазы а ответственного потребителя электрической энергии 1 равно 0,9 Uн. Таким образом, в третьем аварийном режиме, когда фазное напряжение фазы А трехфазного источника питания 3 изменяется в диапазоне 0,73Uн≥Uф>0,66Uн фазное напряжение ответственного потребителя электрической энергии 1 изменяется в диапазоне Uн≥Uф>0,9Uн, т.е. не выходит за допустимые пределы 10%. Аналогичные результаты сохраняются для каждой из фаз В и С при их работе в третьем аварийном режиме.
а
а
а
В четвертом аварийном режиме 0,66Uн≥Uф>0,59Uн снижение фазного напряжения трехфазного источника питания 3, например фазы А, равно или превышает 34% его номинального значения, но не превышает 41%. Снижения фазных напряжений фаз В и С при этом находится в диапазоне Uн≥Uф>0,9Uн, т.е. не превышает 10% его номинального значения. Блок управления 4 формирует следующие сигналы: замкнуть шестой 16 и разомкнуть пятый 15 двунаправленные тиристорные ключи фазы А. Состояния остальных двунаправленных тиристорных ключей сохраняются неизменными: 5 - разомкнут; 6 и 7 - замкнуты; ключи 13, 14 для фазы А и ключи 13, 14, 15, 16 для фаз В и С разомкнуты. При этом между фазой а ответственного потребителя электрической энергии 1 и фазой А трехфазного источника питания 3 включены первая 9, вторая 10, третья 11 и четвертая 12 секции вторичной обмотки трехфазного вольтодобавочного трансформатора 8. Напряжение фазы  ответственного потребителя электрической энергии 1 равно сумме напряжения фазы А трехфазного источника питания 3 и напряжений первой 9, второй 10, третьей 11 и четвертой 12 секций. При снижении напряжения фазы А трехфазного источника питания 3 до 0,66 Uн напряжения первой 9, второй 10, третьей 11 и четвертой 12 секций равны соответственно 0,073 Uн, 0,081 Uн, 0,09 Uн и 0,1 Uн, так как, коэффициенты трансформации указанных секций 9, 10, 11 и 12 равны соответственно 9, 8,1, 7,29 и 6,56. При этом напряжение фазы  ответственного потребителя электрической энергии 1 равно 0,1 Uн. При снижении напряжения фазы А трехфазного источника питания 3 до 0,59 Uн напряжения первой 9, второй 10, третьей 11 и четвертой 12 секций равны соответственно 0,066 Uн, 0,073 Uн, 0,08l Uн и 0,09 Uн, а напряжение фазы  ответственного потребителя электрической энергии 1 равно 0,9 Uн. Таким образом, в четвертом аварийном режиме, когда фазное напряжение фазы А трехфазного источника питания 3 изменяется в диапазоне 0,66 Uн≥Uф>0,59Uн фазное напряжение ответственного потребителя электрической энергии 1 изменяется в диапазоне Uн≥Uф>0,9Uн, т.е. не выходит за допустимые пределы 10%. Аналогичные результаты сохраняются для каждой из фаз В и С при их работе в четвертом аварийном режиме.
а
При несимметричном провале фазных напряжений трехфазного источника питания 3, когда фазные напряжения существенно отличаются друг от друга, заявляемое устройство позволяет раздельно для каждой фазы , в и с ответственного потребителя электрической энергии 1 обеспечить регулирование фазного напряжения в заданном диапазоне Uн≥Uф>0,9Uн.
После исчезновения провала фазных напряжений трехфазного источника питания 3, вызванный кратковременным однофазным или двухфазным коротким замыканием, запуском мощного двигателя или подключением мощного потребителя электрической энергии с резкопеременной нагрузкой заявляемое устройство динамического восстановления провалов напряжения переходит в нормальный режим работы.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет поддержать допустимый диапазон снижения фазных напряжений ответственного потребителя электрической энергии при кратковременных и длительных, симметричных и несимметричных провалах напряжения источника питания. Применение трехфазного вольтодобавочного трансформатора, вторичные обмотки которого содержат четыре секции, снабженные двунаправленными тиристорными ключами обеспечивает раздельную вольтодобавку для фазных напряжений ответственного потребителя электрической энергии. Кроме того, наличие одного трехфазного вольтодобавочного трансформатора, включение одного ключа в фазе, как в рабочем, так и аварийном режимах позволяют снизить ресурсоемкость устройства, повысить его надежность и коэффициент полезного действия.