Устройство управления напряжением трансформатора под нагрузкой
DEVICE TO CONTROL TRANSFORMER VOLTAGE UNDER LOAD

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к регуляторам коэффициента трансформации трансформаторов (РКТ), и может быть использовано в электрических сетях для поддержания необходимого уровня напряжения.
Известно устройство регулирования напряжения под нагрузкой, содержащее две трехфазные вентильно-тиристорные группы с взаимно противоположными направлениями электропроводности, позволяющие осуществлять управление выходного напряжения силового трехфазного трансформатора с первичными секционированными обмотками, каждая из которых состоит из двух гальванически изолированных полуобмоток, имеющих регулировочные ответвления [патент RU на полезную модель №88863, МПК H02J 3/00, опубл. 20.11.2009, бюл. №32].
Недостатком данного технического решения является высокая установленная мощность трансформатора, связанная с тем, что в каждой гальванически изолированной секционированной полуобмотке потребляемый ток протекает лишь на одном полупериоде, что определяется направлением электропроводности подключаемых к первичным гальванически изолированным полуобмоткам управляемых вентилей, не способных проводить ток в противоположную сторону на другом полупериоде.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство управления напряжением трансформатора под нагрузкой, состоящее из вентильных групп, включающих двунаправленные тиристорные ключи, содержащие по крайней мере два встречно-параллельно подключенных тиристора, датчик тока питающей сети, датчик напряжения питающей сети и блок управления, осуществляющий управление двунаправленными тиристорными ключами. Одни выводы двунаправленных тиристорных ключей подключены к регулировочным ответвлениям первичной секционированной обмотки трансформатора, а другие выводы двунаправленных тиристорных ключей соединены в единый узел. Датчик тока питающей сети в свою очередь подключен одним выводом к началу первичной секционированной обмотки трансформатора, а другим выводом к одному выводу питающей сети. Другой вывод питающей сети напрямую подключен к концу первичной секционированной обмотки трансформатора [патент RU на изобретение №2741335, МПК Н02М 5/12, опубл. 25.01.2021, бюл. №3]
Недостатком данного технического решения является необходимость использования двунаправленных тиристорных ключей, построенных на основе тиристоров с высоким классом обратных напряжений, что связано с отсутствием напряжения на вторичной обмотке трансформатора при отсутствии управления вентильными группами. Такой режим может наступить при снятии импульсов управления с двунаправленных тиристорных ключей вентильных групп. Это может наступить при сбое в работе системы управления или в режиме короткого замыкания нагрузки, когда для предотвращения выхода из строя соответствующих проводящих двунаправленных тиристорных ключей из-за большого тока короткого замыкания, система управления снимает импульсы управления со всех двунаправленных тиристорных ключей вентильных групп. Следует также указать, что при снятом управлении вентильными группами к двунаправленным тиристорным ключам вентильных групп будет приложено большое по величине обратное напряжение, определяемое величиной напряжения питающей сети.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение требований к классу напряжений двунаправленных тиристорных ключей, применяемых в вентильных группах устройства управления в различных режимах его работы.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и увеличении надежности устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой в различных режимах его работы.
Это достигается тем, что устройство управления напряжением трансформатора под нагрузкой, содержащее вентильные группы, включающие в себя двунаправленные тиристорные ключи, состоящие из встречно-параллельно соединенных тиристоров, одни из выводов которых соединены с регулировочными ответвлениями первичной секционированной обмотки трансформатора, датчики тока и напряжения питающей сети, своими выходами соединенные с блоком управления двунаправленными тиристорными ключами, при этом первичная секционированная обмотка трансформатора выполнена в виде двух отдельных гальванически изолированных полуобмоток с регулировочными ответвлениями и подключена к питающей сети, а выводы двунаправленных тиристорных ключей вентильных групп, свободные от подключения к регулировочным ответвлениям гальванически изолированных полуобмоток, соединены друг с другом, снабжено быстродействующим реле, построенным, например, на основе дополнительного двунаправленного тиристорного ключа с параллельно подключенными к нему выводами контактора с нормально замкнутыми контактами, один вывод которого подключен к одному из регулировочных ответвлений одной гальванически изолированной полуобмотки, а другой его вывод подключен к одному из регулировочных ответвлений другой гальванически изолированной полуобмотки первичной секционированной обмотки трансформатора.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана схема подключения устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой к трансформатору с первичной секционированной обмоткой и питающей сети.
Устройство управления 1 напряжением трансформатора 2 под нагрузкой содержит две вентильные группы 3 и 4. Вентильная группа 3 включает в себя двунаправленные тиристорные ключи 5, 6, 7, одни выводы которых соединены вместе. Вентильная группа 4 включает в себя двунаправленные тиристорные ключи 8, 9, 10, одни выводы которых также соединены вместе. Общие точки двунаправленных тиристорных ключей 5, 6, 7 вентильной группы 3 и двунаправленных тиристорных ключей 8, 9, 10 вентильной группы 4 соединены вместе и образуют единый узел. Первичная секционированная обмотка 11 трансформатора 2 состоит из двух гальванически изолированных полуобмоток 12 и 13 с регулировочными ответвлениями. Гальванически изолированная полуобмотка 12 имеет начало и три регулировочных ответвления, одно из которых является ее концом, а ее начало является также началом первичной секционированной обмотки 11. Гальванически изолированная полуобмотка 13 имеет конец и три регулировочных ответвления, одно из которых является ее началом, а ее конец является также концом первичной секционированной обмотки 11. Вывод двунаправленного тиристорного ключа 5, свободный от подключения к двунаправленным тиристорным ключам 6 и 7 вентильной группы 3, подключен к выводу регулировочного ответвления, следующего сразу за началом гальванически изолированной полу обмотки 12. Вывод двунаправленного тиристорного ключа 6, свободный от подключения к двунаправленным тиристорным ключам 5 и 7 вентильной группы 3, подключен к выводу следующего регулировочного ответвления, расположенного перед концом гальванически изолированной полуобмотки 12. Вывод двунаправленного тиристорного ключа 7, свободный от подключения к двунаправленным тиристорным ключам 5 и 6 вентильной группы 3, подключен к выводу регулировочного ответвления, являющимся концом гальванически изолированной полуобмотки 12. Вывод двунаправленного тиристорного ключа 8, свободный от подключения к двунаправленным тиристорным ключам 9 и 10 вентильной группы 4, подключен к выводу регулировочного ответвления, являющимся началом гальванически изолированной полуобмотки 13. Вывод двунаправленного тиристорного ключа 9, свободный от подключения к двунаправленным тиристорным ключам 8 и 10 вентильной группы 4, подключен к выводу регулировочного ответвления, расположенного сразу за началом гальванически изолированной полуобмотки 13. Вывод двунаправленного тиристорного ключа 10, свободный от подключения к двунаправленным тиристорным ключам 8 и 9 вентильной группы 4, подключен к выводу другого регулировочного ответвления, расположенного ближе к концу гальванически изолированной полуобмотки 13. Быстродействующее реле 14, входящее в состав устройства управления 1 напряжением трансформатора 2 под нагрузкой, включает в себя параллельно подключенные дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 15 и контактор 16 с нормально замкнутыми контактами, и имеет два вывода. Один вывод быстродействующего реле 14 подключен к концу гальванически изолированной полуобмотки 12, а другой вывод быстродействующего реле 14 подключен к началу гальванически изолированной полуобмотки 13. Датчик тока 17 одним выводом подключен к началу гальванически изолированной полуобмотки 12, а другим выводом подключен к выводу питающей сети и входит в состав устройства управления 1 напряжением трансформатора 2 под нагрузкой. Датчик напряжения 18, подключен параллельно к выводам питающей сети и также входит в состав устройства управления 1 напряжением трансформатора 2 под нагрузкой. Конец гальванически изолированной полуобмотки 13 подключен к другому выводу питающей сети, свободному от подключения к выводам датчика тока 17. Информационные входы блока управления 19 подключены к выходам датчика тока 17, датчика напряжения 18 и блока задания выходного напряжения 20. Выходы блока управления 19 связаны с управляющими входами двунаправленных тиристорных ключей 5, 6, 7, 8, 9, 10 и с управляющими входами дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 15 и контактора 16 с нормально замкнутыми контактами быстродействующего реле 14. Вторичная обмотка 21 трансформатора 2 подключена к нагрузке.
Устройство управления 1 напряжением трансформатора 2 под нагрузкой работает следующим образом.
При неработающем блоке управления 19 сигналы управления двунаправленными тиристорными ключами не формируются. Контакты контактора 16 с нормально замкнутыми контактами соединяют конец гальванически изолированной полуобмотки 12 первичной секционированной обмотки 11 трансформатора 2 с началом гальванически изолированной полу обмотки 13 первичной секционированной обмотки 11 трансформатора 2. При этом первичная секционированная обмотка 11 трансформатора 2 подключена к питающей сети и на вторичной обмотке 21 трансформатора 2 присутствует напряжение, подаваемое на нагрузку. В этом режиме устройство управления 1 напряжением трансформатора 2 под нагрузкой не регулирует напряжение на нагрузке и к выключенным двунаправленным тиристорным ключам 5, 6, 7, 8, 9, 10 прикладываются обратные напряжения, определяемые напряжениями между соответствующими выводами регулировочных ответвлений гальванически изолированных полуобмоток 12 и 13. Эти напряжения являются существенно меньшими по сравнению с напряжением питающей сети, что позволяет снизить класс по напряжению применяемых тиристоров.
В процессе подготовки к режиму регулирования напряжения на выходе трансформатора 2 блок управления 19 включает дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 15, размыкает контакты контактора 16 с нормально замкнутыми контактами, включает двунаправленный тиристорный ключ 7 и двунаправленный тиристорный ключ 8. После размыкания контактов контактора 16 с нормально замкнутыми контактами, блок управления 19 выключает дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 15. После чего устройство управления 1 напряжением трансформатора 2 под нагрузкой готово к режиму регулирования напряжения на выходе трансформатора 2.
В режиме регулирования напряжения на выходе трансформатора 2 устройство управления 1 посредством подачи управляющих сигналов с выхода блока задания выходного напряжения 20 на соответствующие входы двунаправленных тиристорных ключей 5, 6, 7, 8, 9 и 10, обеспечивает соединение различных выводов регулировочных ответвлений гальванически изолированной полуобмотки 12, и выводов регулировочных ответвлений гальванически изолированной полуобмотки 13 таким образом, что всегда соединены только один вывод регулировочного ответвления гальванически изолированной полуобмотки 12 и один вывод регулировочного ответвления гальванически изолированной полуобмотки 13. Соединение двунаправленных тиристорных ключей 5, 6, 7, 8, 9 и 10, обеспечивает максимально возможное количество комбинаций соединения различных секций полу обмоток 12 и 13, что в свою очередь реализует максимальное количество уровней регулирования выходного напряжения трансформатора 2. При этом количество уровней регулирования напряжения для данного устройства будет равно девяти:
№1 - проводят только двунаправленные тиристорные ключи 5 и 8;
№2 - проводят только двунаправленные тиристорные ключи 5 и 9;
№3 - проводят только двунаправленные тиристорные ключи 5 и 10;
№4 - проводят только двунаправленные тиристорные ключи 6 и 8;
№5 - проводят только двунаправленные тиристорные ключи 6 и 9;
№6 - проводят только двунаправленные тиристорные ключи 6 и 10;
№7 - проводят только двунаправленные тиристорные ключи 7 и 8;
№8 - проводят только двунаправленные тиристорные ключи 7 и 9;
№9 - проводят только двунаправленные тиристорные ключи 7 и 10.
При выходе из режима регулирования напряжения на выходе трансформатора 2 устройство управления 1 напряжением трансформатора 2 под нагрузкой посредством управляющих сигналов с выходов блока управления 19, обеспечивает включение двунаправленного тиристорного ключа 7 вентильной группы 3 и двунаправленного тиристорного ключа 8 вентильной группы 4, выводы которых подключены к выводам быстродействующего реле 14. Затем, блоком управления 19 включают дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 15 и замыкают контакты контактора 16 с нормально замкнутыми контактами. После этого, блок управления 19 выключает двунаправленные тиристорные ключи 5, 6, 7, 8, 9 и 10 вентильных групп 3 и 4, а затем, после замыкания контактов контактора 16 с нормально замкнутыми контактами, выключает дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 15. Устройство управления 1 напряжением трансформатора 2 под нагрузкой выходит из режима регулирования напряжением трансформатора 2 и напряжение на нагрузке формируется за счет подключения последовательного соединения двух гальванически изолированных полуобмоток 12 и 13 к питающей сети с помощью замкнутых контактов контактора 16 с нормально замкнутыми контактами.
При сбое подачи управляющих сигналов от блока управления 19 к двунаправленными тиристорными ключами 5, 6, 7, 8, 9 и 10 вентильных групп 3 и 4, блок управления 19 посредством управляющих сигналов, включает дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 15 и одновременно подает сигнал на замыкание контактов контактора 16 с нормально замкнутыми контактами. Включение дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 15 обеспечивает подключение последовательного соединения гальванически изолированных полуобмоток 12 и 13 к питающей сети, что приводит к тому, что обратное прикладываемое напряжение к тиристорам двунаправленных тиристорных ключей остается соизмеримо с напряжениями между выводами регулировочных ответвлений первичной секционированной обмотки 11 трансформатора 2, и эти напряжения являются существенно меньшими, чем напряжение питающей сети. Замыкание контактов контактора 16 с нормально замкнутыми контактами происходит более медленно по сравнению с включением дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 15. После замыкания контактов контактора 16 с нормально замкнутыми контактами блок управления 19 выключает дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 15.
При появлении режима короткого замыкания нагрузки во вторичной обмотке 21 трансформатора 2 блок управления 19 снимает сигналы управления с соответствующих двунаправленных тиристорных ключей 5, 6, 7, 8, 9, 10 вентильных групп 3 и 4 и одновременно включает дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 15 и замыкает контакты контактора 16 с нормально замкнутыми контактами. После замыкания контактов контактора 16 с нормально замкнутыми контактами блок управления 19 выключает дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 15 и все двунаправленные тиристорные ключи устройства управления 1 находятся в выключенном состоянии.
Использование устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой позволяет снизить требования к классу применяемых двунаправленных тиристорных ключей вентильных групп устройства, расширить функциональные возможности и повысить надежность устройства в различных режимах его работы.