СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ ТРАНСФОРМАТОРА ПОД НАГРУЗКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF CONTROLLING TRANSFORMER VOLTAGE UNDER LOAD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к регуляторам коэффициента трансформации трансформаторов (РКТ). Использование РКТ в электрических сетях позволяет обеспечивать поддержание необходимого уровня напряжения в месте их подключения за счет изменения величины коэффициента трансформации силового трансформатора, включенного в линию электропередачи, путем изменения числа витков обмотки высокого напряжения (ВН).
Регуляторы коэффициента трансформации известны и широко применяются в электроэнергетике. Основным элементом РКТ является силовой трансформатор, первичная обмотка которого имеет ответвления. Формирование и регулирование напряжения на вторичной обмотке обеспечивается за счет подключения ответвлений первичной обмотки силового трансформатора к питающей сети посредством коммутационных устройств.
Известен способ управления напряжением трансформатора под нагрузкой путем коммутации ответвлений обмоток силового трансформатора с помощью симисторных электронных ключей [патент RU на полезную модель №158346, опубл. 27.12.2015], по которому задают требуемый уровень напряжения на вторичной обмотке трансформатора, контролируют напряжение на первичной обмотке трансформатора и изменяют коэффициент трансформации трансформатора путем переключения ответвлений первичной обмотки при помощи симисторов, за счет чего реализуют ступенчатое регулирование напряжения на вторичной обмотке трансформатора при наличии напряжения на его первичной обмотке.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы устройств, реализующих данный способ, связанная с отсутствием синхронизации управления симисторами с протекающим через них током, что не исключает возможности возникновения режимов короткого замыкания секций первичной обмотки трансформатора при регулировании его выходного напряжения.
Наиболее близким прототипом заявляемого изобретения является способ управления напряжением трансформатора под нагрузкой путем коммутации ответвлений обмоток трансформатора с помощью двунаправленных тиристорных ключей [патент RU на изобретение №2274945, опубл. 20.04.2006], в соответствии с которым задание коэффициента трансформации устанавливается посредством переключения ответвлений секционированной первичной обмотки ВН при помощи двунаправленных тиристорных ключей с использованием измерений напряжения питающей сети и токов двунаправленных тиристорных ключей, при этом переключения двунаправленных тиристорных ключей производят блоком управления с учетом того, что после перехода тока через нулевое значение измеряют уровень напряжения питающей сети и производят повентильное управление тиристорами двунаправленных тиристорных ключей в зависимости от времени, оставшегося до смены полярности напряжения питающей сети.
Недостатками прототипа являются: высокая мощность тепловых потерь, выделяющихся в установившемся режиме работы на включенных двунаправленных тиристорных ключах, а также повышенные требования к классу двунаправленных тиристорных ключей (они должны быть рассчитаны на полное напряжение питающей сети, которое может быть приложено к ним в случае, если все тиристорные ключи находятся в выключенном состоянии), что негативно влияет на технико-экономические показатели устройства, реализующего способ-прототип.
Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение технико-экономических показателей устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой за счет применения двунаправленных тиристорных ключей с меньшим классом по напряжению (по сравнению с прототипом) и повышения коэффициента полезного действия (КПД) за счет снижения мощности тепловых потерь в двунаправленных тиристорных ключах.
Технический результат заключается в улучшении технико-экономических показателей и повышении КПД устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой.
Технический результат достигается тем, что в способе управления напряжением трансформатора под нагрузкой, включающем задание уровня выходного напряжения трансформатора, контроль напряжения питающей сети, контроль тока, подачу импульсов управления на двунаправленные тиристорные ключи, включенные в цепях ответвлений первичной обмотки трансформатора, каждый из которых содержит по два встречно-параллельно включенных тиристора, по которому на основе информации о заданном уровне выходного напряжения трансформатора и текущем напряжении питающей сети осуществляют выбор коммутируемого к питающей сети ответвления первичной обмотки трансформатора, и, посредством блока управления, управляют двунаправленными тиристорными ключами по информации о мгновенных значениях контролируемого тока и напряжения, управление каждого двунаправленного тиристорного ключа осуществляют совместно с управлением управляемым реле, подключенным параллельно двунаправленному тиристорному ключу, так, что в установившемся режиме работы трансформатора состояние управляемого реле задают аналогично состоянию двунаправленного тиристорного ключа, а в процессе управления напряжением трансформатора, при изменении состояния двунаправленного ключа из выключенного во включенное, изменение состояния управляемого реле из выключенного во включенное осуществляют с задержкой во времени после включения двунаправленного тиристорного ключа, а перед изменением состояния двунаправленного ключа из включенного в выключенное, предварительно переводят управляемого реле из включенного состояние в выключенное, а в устройстве управления напряжением трансформатора под нагрузкой, содержащем, по крайней мере, два двунаправленных тиристорных ключа, каждый из которых содержит два встречно-параллельно соединенных тиристора, включенных последовательно с ответвлением первичной обмотки трансформатора, датчик тока, датчик напряжения, включенные на входе устройства и соединенные с блоком управления, параллельно каждому двунаправленному тиристорному ключу подключено управляемое реле, соединенное с блоком управления.
Сущность предлагаемого способа управления напряжением трансформатора под нагрузкой и устройства для его реализации поясняется чертежом фиг. 1, где изображено устройство управления напряжением трансформатора под нагрузкой. На фиг. 2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процессы управления двунаправленными тиристорными ключами и управляемыми реле устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой при регулировании выходного напряжения трансформатора, при различном характере нагрузки.
Устройство управления 1 напряжением трансформатора 2 под нагрузкой состоит из: двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4, подключенных последовательно с ответвлениями секционированной первичной обмотки 5 трансформатора 2, имеющей две секции 6 и 7, при этом первый вывод двунаправленного тиристорного ключа 3 подключен к первому выводу секции 7 первичной обмотки 5, второй вывод секции 7 первичной обмотки 5 объединен с первым выводом секции 6 первичной обмотки 5 и подключен к первому выводу двунаправленного тиристорного ключа 4, управляемого реле 8, подключенного параллельно двунаправленному тиристорному ключу 3, управляемого реле 9, подключенного параллельно двунаправленному тиристорному ключу 4. Второй вывод двунаправленного тиристорного ключа 3 и второй вывод двунаправленного тиристорного ключа 4 соединены вместе и подключены к первому выводу датчика тока 10, второй вывод которого подключен к первому выводу питающей сети. Свободный от подключения к двунаправленным тиристорным ключам вывод обмотки 5 трансформатора 2 подключен к второму выводу питающей сети. Параллельно выводам питающей сети подключены входы датчика напряжения 11. Первые два входа блока управления 12 соединены соответственно с выходами датчика напряжения 11, датчика тока 10, а выходы блока управления 12 соединены с управляющими входами двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4, а также с управляющими входами управляемых реле 8 и 9. Третий вход блока управления 12 соединен с блоком задания выходного напряжения 14. Вторичная обмотка 13 трансформатора 2 подключена к нагрузке.
Заявляемый способ управления осуществляется следующим образом.
Перед началом управления напряжением трансформатора блок управления 12 обеспечивает замкнутое состояние управляемого реле 8 и соответственно включенное состояние двунаправленного тиристорного ключа 3. Здесь и в дальнейшем при пояснении принципа работы предлагаемого способа и устройства предполагается, что применяемые управляемые реле являются реле с нормально разомкнутыми контактами. Подача управления на управляющие входы реле приводит к замыканию реле.
В режиме регулирования напряжения на выходе трансформатора 2 устройство управления 1 по информации с выхода блока задания выходного напряжения 14, посредством управления состоянием двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4, и управляемых реле 8 и 9, осуществляемым блоком управления 12, обеспечивает подключение к питающей сети различных секций 6 и 7 секционированной обмотки 5 трансформатора 2, что, в свою очередь, определяет величину напряжения на вторичной обмотке 13 трансформатора 2. В установившемся режиме работы трансформатора 2 блок управления 12 задает состояния двунаправленных тиристорных ключей 3, 4 и управляемых реле 8, 9 таким образом, что один из двунаправленных тиристорных ключей находится в включенном, а другой в выключенном состоянии, и управляемые реле 8 и 9, включенные параллельно двунаправленным тиристорным ключам 3 и 4 соответственно, с помощью управления поддерживаются в состояниях аналогичных состояниям параллельных им двунаправленных тиристорных ключей. Таким образом, шунтирование проводящего двунаправленного тиристорного ключа включенным управляемым реле позволяет пропускать ток первичной обмотки 5 трансформатора 2 через управляемое реле при меньшем падении напряжения на зажимах реле, чем у проводящего двунаправленного тиристорного ключа, чем и достигается уменьшение потерь в устройстве управления 1 напряжением трансформатора 2.
Надежная работа устройства управления 1, обеспечивающая отсутствие режимов короткого замыкания секций 6 или 7, и надежное переключение двунаправленных тиристорных ключей 3, 4 и управляемых реле 8, 9, при регулировании напряжения на вторичной обмотке 13 трансформатора 2, обеспечивается блоком управления 12, формирующим управляющие сигналы двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4, а также сигналы управляемых реле 8 и 9, на соответствующих временных интервалах, определяемых из временных диаграмм тока и напряжения питающей сети. При этом, алгоритмы формирования управляющих сигналов двунаправленными тиристорными ключами 3 и 4 зависят как от характера нагрузки трансформатора (активно-индуктивная или активно-емкостная), так и от требований к регулированию напряжения на нагрузке (увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке), а алгоритмы формирования управляющих сигналов управляемыми реле 8 и 9 зависят от моментов переключения двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4.
Для реализации соответствующих алгоритмов блок управления 12 устройства управления 1 на основе временных диаграмм тока и напряжения питающей сети, формируемых датчиком тока 10 и датчиком напряжения 11 соответственно, фиксирует временные интервалы, на которых ток и напряжение питающей сети имеют разные и одинаковые знаки, а также определяет знак фазового сдвига между током и напряжением питающей сети (характер нагрузки: активный, либо активно-индуктивный, либо активно-емкостной). В зависимости от требования изменения напряжения на нагрузке, задаваемого блоком задания выходного напряжения 14 (увеличения, либо уменьшения напряжения) и характера нагрузки, блок управления 12 устройства управления 1 формирует импульсы управления на управляющих входах двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4 на соответствующих временных интервалах. При этом блок управления 12 формирует импульсы управления на управляющих входах управляемых реле 8 и 9 таким образом, что параллельно подключенное к переключаемому двунаправленному тиристорному ключу управляемое реле переводят из включенного состояния в выключенное перед началом изменения состояния двунаправленного тиристорного ключа из включенного в выключенное, а при изменении состояния двунаправленного тиристорного ключа из выключенного во включенное, управляемое реле переводят из выключенного состояния во включенное после включения двунаправленного тиристорного ключа.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс изменения выходного напряжения вторичной обмотки 13 трансформатора 2 при регулировании выходного напряжения трансформатора 2 с учетом различного характера нагрузки. Следует отметить, что алгоритмы управления двунаправленными тиристорными ключами 3, 4 и управляемыми реле 8, 9 при активной нагрузке будут такие же, как и при активно-индуктивной нагрузке. На временных диаграммах отмечены следующие моменты времени:
t1 - снятие импульсов управления с управляемого реле 8.
t2 - снятие импульсов управления с двунаправленного тиристорного ключа 3.
t3 - подача импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ 4, выключение двунаправленного тиристорного ключа 3.
t4 - подача импульсов управления на управляемое реле 9.
t5 - снятие импульсов управления с управляемого реле 9.
t6 - снятие импульсов управления с двунаправленного тиристорного ключа 4.
t7 - подача импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ 3, выключение двунаправленного тиристорного ключа 4.
t8 - подача импульсов управления на управляемое реле 8.
Из приведенных временных диаграмм сигналов управления двунаправленными тиристорными ключами 3, 4 и управляемыми реле 8, 9 видно, что при любых переключениях ответвлений первичной обмотки 5 трансформатора 2, при реализации процесса переключения необходимо сначала снять импульсы управления с проводящего ток управляемого реле, затем снять импульсы управления с проводящего ток выключаемого двунаправленного тиристорного ключа, и после этого подать импульсы управления на вновь включаемый двунаправленный тиристорный ключ, коммутирующий необходимое ответвление вторичной обмотки 5 трансформатора 2 к питающей сети. При этом после включения двунаправленного тиристорного ключа необходимо подать импульсы управления на соответствующее параллельно подключенное этому двунаправленному тиристорному ключу управляемое реле, так, чтобы оно впоследствии также находилось во включенном состоянии до момента следующего переключения ответвлений первичной обмотки 5 трансформатора 2 в процессе регулирования его выходного напряжения.
В случае активно-индуктивной нагрузки и уменьшения напряжения на выходе трансформатора, снятие импульсов управления с проводящего в данный момент времени ток управляемого реле может производиться в любой момент времени. После этого необходимо снять импульсы управления с управляющего входа двунаправленного тиристорного ключа, проводящего в данный момент времени ток, на фиксированном временном интервале, когда знаки напряжения и тока сети совпадают (эти временные интервалы на временных диаграммах тока и напряжения питающей сети отмечены на фиг. 2 меандром с положительным значением, временные интервалы с разными знаками напряжения и тока питающей сети отображаются на временных диаграммах отрицательными значениями меандра). Подача импульсов управления на включение соответствующего управляемого реле должна производиться только после включения соответствующего параллельно подключенного к данному управляемому реле двунаправленного тиристорного ключа. Последнее иллюстрируется на приведенной на фиг.2 временной диаграмме.
В случае активно-емкостной нагрузки и уменьшения напряжения на выходе трансформатора, снятие импульсов управления с проводящего в данный момент времени ток управляемого реле может производиться в любой момент времени, после чего необходимо снять импульсы управления с управляющего входа двунаправленного тиристорного ключа, проводящего в данный момент времени ток, на фиксированном временном интервале, когда знаки напряжения и тока сети имеют разные знаки. На этом же временном интервале по завершению процесса выключения проводящего ток двунаправленного тиристорного ключа инициируют процесс включения другого двунаправленного тиристорного ключа, после чего в любой момент времени подают импульсы управления на управляющий вход управляемого реле, параллельно подключенного к этому двунаправленному тиристорному ключу.
При увеличении напряжения и любом типе нагрузки на выходе трансформатора 2, выключение проводящего ток управляемого реле производится в любой момент времени, перед выключением проводящего ток двунаправленного тиристорного ключа, которое может производится в любой момент времени при одинаковых знаках тока и напряжения питающей сети. При этом, по завершению выключения проводящего ток двунаправленного тиристорного ключа инициируют процесс включения другого двунаправленного тиристорного ключа на тех же временных интервалах. После окончания данного процесса производят включение соответствующего параллельно подключенного к данному тиристорному ключу управляемого реле.
Как видно из приведенных на фиг. 2 временных диаграмм, ток нагрузки при регулировании напряжения на выходе трансформатора не прерывается. В отличие от способа прототипа предлагаемый способ реализуется при поключевом управлении двунаправленными тиристорными ключами и использовании шунтирующих управляемых реле, обеспечивающих снижение напряжения на включенных двунаправленных тиристорных ключах в установившемся режиме работы трансформатора, что ведет к снижению потерь энергии в устройстве и повышению КПД.
Заявляемый способ предполагает, что в любой момент времени первичная обмотка 5 трансформатора 2 всегда будет подключена к сети посредством включенной пары управляемого тиристорного ключа 3 и управляемого реле 8 или пары двунаправленного тиристорного ключа 4 и управляемого реле 9.
Это позволяет фиксировать максимальные значения напряжений, прикладываемых к двунаправленным тиристорным ключам 3 и 4, на уровнях напряжений секций обмотки 5 трансформатора 2, что значительно ниже напряжения питающей сети. Таким образом, применение управляемых реле 8 и 9, и описанных выше алгоритмов их переключения способствует снижению класса используемых тиристоров, входящих в состав двунаправленных тиристорных ключей, что ведет к снижению стоимости устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой. Тем самым достигается заявленная техническая задача улучшения технико-экономических показателей устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой.