Регулятор переменного напряжения
AC VOLTAGE REGULATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для регулирования напряжения и реактивной мощности в электрических сетях, а также для ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях.
Известен регулятор переменного напряжения - патент №2612621 С2 РФ, В.Н. Крысанов, Ю.В. Шарапов; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет» - 2014145372; 11.11.2014; 09.03.2017, Бюл. №7 - содержащий основной и вольтодобавочный трансформаторы, первый и второй тиристорные ключи, фазочувствительный блок, выполненный в виде двух измерительных трансформаторов, двух нуль-органов, логического элемента «И», блок сравнения, выполненного в виде нуль-органа, логических элементов «ИЛИ» и «И», усилитель, выход которого соединен с управляющими электродами первого тиристорного ключа, элемент задержки, вход которого подключен к измерительному трансформатору напряжения через вспомогательный нуль-орган, усилитель, выход которого соединен с управляющими электродами второго тиристорного ключа, измерительный трансформатор напряжения, вспомогательный нуль-орган, вход которого подключен параллельно выходу измерительного трансформатора напряжения, а его выход через элемент задержки соединен с одними из входов вспомогательного логического элемента «И», второй вход которого соединен непосредственно с выходом блока сравнения, а его выход - с управляющими электродами второго тиристорного ключа через усилитель, логический элемент «И», один из входов которого соединен с выходом блока сравнения через логический элемент «НЕ», а второй вход логического элемента «И» через элемент задержки и вспомогательный нуль-орган подключен параллельно выходу измерительного трансформатора напряжения, выход логического элемента «И» соединен со входом вспомогательного логического элемента «ИЛИ», второй вход которого непосредственно соединен с выходом фазочувствительного блока, а выход вспомогательного логического элемента «ИЛИ» соединен через усилитель с управляющими электродами первого тиристорного ключа, дополнительный регулируемый элемент задержки, вход которого подключен к выходу усилителя и одному из управляющих электродов второго тисторного ключа, а выход соединен с другим управляющим электродом второго тиристорного ключа.
Недостатком такого устройства является отсутствие возможности работы в дополнительном режиме ограничения тока короткого замыкания в электрических сетях.
Изобретение направлено на получение нового качества, а именно, дополнительного режима ограничения тока короткого замыкания в электрических сетях.
Это достигается тем, что в фазочувствительный блок введен логический элемента «И» с тремя входами, третий вход которого соединен с выходом дополнительного логического элемента «НЕ», переводящего регулятор переменного напряжения в режим ограничения токов короткого замыкания.
Техническая сущность изобретения поясняется общей схемой на фиг. 1.
Регулятор содержит основной трансформатор 1 и вольтодобавочный трансформатор 2, тиристорные ключи 3 и 4, фазочувствительный блок 5, выполненный в виде измерительных трансформаторов 6 и 7, нуль-органов 8 и 9, логического элемента «И» 10, третий вход которого соединен с выходом логического элемента «НЕ» 26, блок сравнения 11, выполненного в виде нуль-органа 12, логических элементов «ИЛИ» 13 и «И» 14, усилитель 15, выход которого соединен с управляющими электродами тиристорного ключа 3, элемент задержки 16, вход которого подключен к измерительному трансформатору напряжения 18 через вспомогательный нуль-орган 19, усилитель 17, выход которого соединен с управляющими электродами тиристорного ключа 4, измерительный трансформатор напряжения 18, вспомогательный нуль-орган 19, вход которого подключен параллельно выходу измерительного трансформатора напряжения 18, а его выход через элемент задержки 16 соединен с одними из входов вспомогательного логического элемента «И» 20, второй вход которого соединен непосредственно с выходом блока сравнения 11, а его выход - с управляющими электродами тиристорного ключа 4 через усилитель 17, логический элемент «И» 23, один из входов которого соединен с выходом блока сравнения 11 через логический элемент «НЕ» 21, а второй вход логического элемента «И» 23 через элемент задержки 22 и вспомогательный нуль-орган 19 подключен параллельно выходу измерительного трансформатора напряжения 18, выход логического элемента «И» 23 соединен со входом вспомогательного логического элемента «ИЛИ» 24, второй вход которого непосредственно соединен с выходом фазочувствительного блока 5, а выход вспомогательного логического элемента «ИЛИ» 24 соединен через усилитель 15 с управляющими электродами тиристорного ключа 3, дополнительный регулируемый элемент задержки 25, вход которого подключен к выходу усилителя 17 и одному из управляющих электродов тисторного ключа 4, а выход соединен с другим управляющим электродом тисторного ключа 4.
Устройство работает следующим образом. В режиме регулирования напряжения, в момент времени, когда подается питающее напряжение на основной трансформатор 1, появляется напряжение на тиристорах 3 и 4, которое подается через измерительные трансформаторы 6 и 7 фазочувствительного блока 5, и нуль-органы 8 и 9 на два входа логического элемента «И» 10, на его третьем входе есть сигнал разрешения с выхода логического элемента «НЕ» 26. Далее напряжение подается через измерительный трансформатор напряжения 18 и нуль-орган 12 на вход логического элемента «И» 14 блока сравнения 11 и элемент задержки 16 через вспомогательный нуль-орган 19. Сформированный сигнал с выхода фазочувствительного блока 5, через логический элемент «ИЛИ» 24 подается на вход усилителя 15, который отрабатывает сигнал на своем выходе, и на вход логического элемента «ИЛИ» 13, в результате чего на выходе блока сравнения 11 появляется напряжение, которое сохраняется до момента прохождения напряжения сети через нулевое значение.
С выхода блока сравнения 11 сигнал подается на один из входов логического элемента «И» 20, на другой вход которого поступает сигнал с выхода элемента задержки 16, который запускается в момент прохождения напряжения через нулевое значение.
Далее по сигналу, появившемуся на выходе усилителя 15, открывается тиристорный ключ 3, что приводит к снятию сигнала на выходе фазочувствительного блока 5.
В свою очередь, в соответствии с заданным углом регулирования, на выходе элемента задержки 16 вырабатывается импульс, который через логический элемент «И» 20 и усилитель 17 подается на регулируемый элемент задержки 25, подключенного к одному из управляющих электродов тиристорного ключа 4, выход которого соединен с другим управляющим электродом тиристорного ключа 4. В данном режиме регулирования напряжения, задержка регулируемого элемента 25 имеет нулевое значение.
Включение тиристорного ключа 4 приводит к выключению тиристорного ключа 3, так как последний оказывается под обратным напряжением, т.е. введением вольтодобавочной ЭДС от первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 в цепь питания основного трансформатора 1.
Открытие тиристорного ключа 4 приводит к снятию напряжения на выходе вспомогательного нуль-органа 19 и появлению его на выходе нуль-органа 8.
Такое состояние схемы сохраняется до момента времени, когда напряжение сети проходит через нулевое значение, и кратковременно, вследствие этого, исчезает напряжение на выходах нуль-органа 12 и вспомогательного нуль-органа 19, что приводит к снятию сигнала на выходе элемента задержки 16 и выходе блока сравнения 11.
При этом состояние тиристорных ключей 3 и 4 не изменяется, тиристорный ключ 3 закрыт, а тиристорный ключ 4 проводит ток до момента времени, когда ток нагрузки проходит через нулевое значение, после чего происходит естественное выключение тиристорного ключа 4 и появление напряжения на выходе вспомогательного нуль-органа 19.
Таким образом, осуществляется ввод вольтодобавочной ЭДС в течение времени от момента прохождения тока через нулевое значение до момента прохождения напряжения через нуль.
Для осуществления ввода вольтодобавочной ЭДС в течение времени от момента прохождения напряжения через нулевое значение до момента прохождения тока через нуль необходимо управлять моментом включения тиристорного ключа 3, что осуществляется с помощью элемента задержки 22, логического элемента «И» 23, логического элемента «НЕ» 21, вспомогательного логического элемента «ИЛИ» 24.
Логический элемент «НЕ» 21 осуществляет инвертирование сигнала с выхода блока сравнения 11, создавая тем самым на выходе логического элемента «И» 23 условие для прохождения управляющего сигнала с выхода элемента задержки 22 на вход вспомогательного логического элемента «ИЛИ» 24 и далее на вход усилителя 15, только в течение времени от момента прохождения напряжения через нулевое значение до момента прохождения тока через нуль.
Подача сигнала с выхода вспомогательного нуль-органа 19 обеспечивает запуск элемента задержки 22 и последующее снятие сигнала с его выхода в моменты прохождения напряжения сети через нулевое значение.
В случае подачи сигнала с выхода элемента задержки 22 в течение времени от момента прохождения тока через нулевое значение до момента прохождения напряжения через нуль, прохождение сигнала на вспомогательный логический элемент «ИЛИ» 24 блокируется отсутствием разрешающего сигнала на выходе логического элемента «НЕ» 21.
В случае подачи сигнала с выхода элемента задержки 22 в течение времени от момента прохождения напряжения через нулевое значение до момента прохождения тока через нуль, осуществляется включение тиристорного ключа 3.
Включение тиристорного ключа 3 приводит к выключению тиристорного ключа 4, так как последний оказывается под обратным напряжением.
Такое состояние схемы сохраняется до момента времени, когда ток проходит через нулевое значение. В этот момент происходит естественное выключение ключа 3 и появление напряжения на выходе нуль-органа 9 фазочувствительного блока 5.
Далее процессы протекают аналогично описанным выше в режиме регулирования напряжения.
В режиме регулирования реактивной мощности алгоритм работы системы управления коммутацией тиристорных ключей 3 и 4 остается прежним (возможность изменения уровня вводимой вольтодобавочной ЭДС), лишь с той разницей, что благодаря регулируемому элементу задержки 25, реализуются различные моменты включения тиристоров ключа 4 (изменяя время открытого состояния тиристоров ключа 4). При этом, формируется, управляемая элементом задержки 25, постоянная составляющая в гармоническом составе напряжения на вольтодобавочном трансформаторе 2, которая изменяет потребляемую трансформаторами 1 и 2 реактивную мощность.
В дополнительном режиме ограничения тока короткого замыкания в электрических сетях (в случае, когда в электрической сети происходит короткое замыкание) появляется сигнал на входе логического элемента «НЕ» 26. На его выходе исчезает сигнал разрешения, поступающий на третий вход логического элемента «И» 10, снимаются сигналы управления на усилители 15, 17, что приводит к отключению управляющей обмотки вольтодобавочного трансформатора от третичной обмотки основного трансформатора. В таком режиме вольтодобавочный трансформатор будет работать как дроссель (его индуктивное сопротивление резко возрастет, при этом ток короткого замыкания, протекающий через трансформатор 1 и вольтодобавочный трансформатор 2, значительно снизится).
Таким образом, за счет реализации дополнительного «дроссельного» режима (с разомкнутой вторичной обмоткой вольтодобавочного трансформатора), путем введения в фазочувствительный блок логического элемента «И» с тремя входами, третий вход которого соединен с выходом дополнительного логического элемента «НЕ», переводящего регулятор переменного напряжения в режим ограничения токов короткого замыкания, данное устройство позволяет устранить такие недостатки как, отсутствие возможности работы в дополнительном режиме ограничения тока короткого замыкания в электрических сетях.
Пример осуществления устройства
Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для регулирования напряжения и реактивной мощности в электрических сетях, а также для ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит основной и вольтодобавочный трансформаторы, первый и второй тиристорные ключи, фазочувствительный блок, элементы логики, обеспечивающие работу в нескольких режимах: режиме регулируемой вольтодобавки (основной режим), режиме регулирования реактивной мощности (дополнительный режим), а также в аварийном «дроссельном» режиме (с разомкнутой вторичной обмоткой вольтодобавочного трансформатора). В аварийном режиме (в случае, когда в электрической сети происходит короткое замыкание), используя сигнал о возникновении короткого замыкания, система управления устройства блокирует импульсы на открытие тиристорных ключей, что приводит к отключению управляющей обмотки вольтодобавочного трансформатора от третичной обмотки основного трансформатора. В таком режиме вольтодобавочный трансформатор будет работать как дроссель (его индуктивное сопротивление резко возрастет, при этом ток короткого замыкания, протекающий через основной и вольтодобавочный трансформаторы, значительно снизится).
Преимуществом подобного решения является возможность создания многофункционального силового трансформаторного устройства, позволяющего осуществлять как регулирование напряжения и реактивной мощности в электроэнергетических системах различных уровней напряжения, так и ограничение токов короткого замыкания при аварийных режимах в них.
Область применения - высоковольтные электроэнергетические системы.
Данное устройство характеризуется высокой степенью новизны. Во второй тиристорный ключ с целью ограничения тока короткого замыкания в электрических сетях, в него введен в фазочувствительном блоке, вместо логического элемента «И» с двумя входами, логический элемент «И» с тремя входами, третий вход которого соединен с выходом дополнительно введенного логического элемента «НЕ», переводящего регулятор переменного напряжения в режим ограничения токов короткого замыкания. В ходе исследований проводилась разработка оптимальной структуры системы управления данного устройства для различных по уровню напряжения, электроэнергетических систем. При внедрении данного устройства в производство ожидается значительный эффект от реализации.
Одним из возможных путей коммерческой реализации данного устройства является его внедрение в современные системы энергоснабжения, что позволит обеспечить стабильный уровень напряжения, оптимальный баланс реактивной мощности в электроэнергетических системах с учетом различных режимов потребления, и защиту от токов короткого замыкания.
В учебных целях данная программа может быть дополнена лабораторным стендом, моделирующим либо целую электроэнергетическую систему, в состав которой будут включены регуляторы переменного напряжения, либо отдельный регулятор переменного напряжения (в виде линейного регулятора), который будет иметь возможность поддерживать постоянный требуемый уровень напряжения и компенсацию реактивной мощности, осуществлять эффективную защиту от короткого замыкания отдельного потребителя электрической энергии (на напряжения от 0,4 кВ до 10 кВ). Данный лабораторный стенд будет на практике представлять современные технологии регулирования переменного напряжения и компенсации реактивной мощности, совмещенные с защитой от короткого замыкания в сети. Описанное устройство может быть использовано в курсе лабораторных работ по дисциплине «Общая энергетика», «Электроснабжение», «Преобразовательная техника».