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, обмотка высокого напряжения которого имеет ответвления. Формирование и регулирование напряжения на обмотке низкого напряжения (НН) обеспечивается за счет подключения различных ответвлений обмоток ВН силового трансформатора к питающей сети посредством коммутационных устройств.
Известен способ управления напряжением трансформатора под нагрузкой путем коммутации ответвлений обмоток силового трансформатора с помощью двунаправленных симисторных электронных ключей [патент RU на полезную модель №158346, опубл. 27.12.2015], по которому задают коэффициент трансформации силового трансформатора, осуществляют переключение ответвлений обмотки ВН, подключенной к питающей сети, при помощи симисторных электронных ключей, что дает возможность ступенчатого изменения коэффициента трансформации и, следовательно, изменения напряжения на вторичной обмотке НН. С целью синхронизации управления симисторными электронными ключами осуществляют контроль входного напряжения.
Недостатками прототипа являются использование для синхронизации управления симисторными электронными ключами только информации о входном напряжении и отсутствие мониторинга тока трансформатора, что приводит к снижению надежности, т.к. отсутствие контроля тока в трансформаторе может приводить к несанкционированным включениям симисторных электронных ключей и, следовательно, к коротким замыканиям трансформатора при переключении ответвлений его обмоток при различном характере нагрузок трансформатора.
Наиболее близким прототипом заявляемого изобретения является способ управления напряжением трансформатора под нагрузкой путем коммутации ответвлений обмоток силового 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 обмотки ВН при помощи двунаправленных тиристорных ключей с использованием измерений напряжения питающей сети и токов тиристорных ключей, при этом переключения тиристорных ключей производят блоком управления с учетом того, что после перехода тока через нулевое значение измеряют уровень входного напряжения и производят повентильное управление тиристорами в зависимости от времени, оставшегося до смены полярности напряжения.
Недостатками прототипа являются: необходимость использования датчиков тока в каждой ветви двунаправленных тиристорных ключей, а также использование повентильного управления двунаправленными тиристорными ключами (в отличие от поключевого), что в совокупности снижает надежность работы и усложняет устройство, реализующее способ-прототип.
Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение и повышение надежности работы устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой за счет уменьшения количества используемых датчиков тока и обеспечения поключевого управления двунаправленными тиристорным ключами, состоящими, как минимум, из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров.
Технический результат заключается в упрощении и повышении надежности устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой за счет использования минимального набора датчиков тока и напряжения, слежения за током и напряжением питающей сети и реализации поключевого управления двунаправленными тиристорными ключами на определенных временных интервалах в зависимости от характера нагрузки трансформатора и требований к управлению напряжением на обмотке НН трансформатора.
Технический результат достигается тем, что в способе управления напряжением трансформатора под нагрузкой, включающем контроль напряжения питающей сети, при котором с помощью блока управления осуществляют подачу импульсов управления на двунаправленные тиристорные ключи, каждый из которых содержит по два встречно-параллельно соединенных тиристора, включенные в цепях ответвлений обмоток трансформатора, использующем контроль тока, осуществляют контроль тока в питающей сети и фиксируют временные интервалы, на которых напряжение и ток питающей сети имеют одинаковые и разные знаки, измеряют фазовый сдвиг между током и напряжением питающей сети и, в зависимости от требований по управлению напряжением на выходе трансформатора и сдвига фаз между током и напряжением питающей сети, осуществляют управление соответствующими двунаправленными тиристорными ключами на соответствующих фиксированных временных интервалах, 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 обмотки трансформатора, датчик тока, датчик напряжения, включенный на входе устройства, соединенный с блоком управления двунаправленными тиристорными ключами, датчик тока включен последовательно с питающей сетью и соединен с блоком управления двунаправленными тиристорными ключами.
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 устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой при регулировании выходного напряжения трансформатора, в зависимости от характера нагрузки.
Устройство 1 управления напряжением трансформатора под нагрузкой осуществляет управление напряжением трансформатора 2 и состоит из двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4, подключенных последовательно с ответвлениями секционированной обмотки 5 трансформатора 2, имеющей две секции 6 и 7, а также датчика 8 тока и датчика 9 напряжения питающей сети. При этом свободные от подключения к ответвлениям секционированной обмотки 5 трансформатора 2 выводы двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4 соединены вместе и подключены к первому датчика тока 8, а второй вывод датчика тока 8 подключен к первому выводу питающей сети. Свободный от подключения к двунаправленным тиристорным ключам 3 и 4 вывод обмотки 5 трансформатора 2 подключен к второму выводу питающей сети. Параллельно выводам питающей сети подключен датчик напряжения 9. Выводы вторичной обмотки 10 трансформатора 2 подключены к нагрузке. Входы блока управления 11 соединены с выходами датчика напряжения 9 и датчика тока 8 питающей сети, а выходы блока 11 соединены с управляющими входами двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4.
Заявляемый способ управления осуществляется следующим образом.
Устройство 1 управления напряжением трансформатора под нагрузкой, в зависимости от состояния двунаправленных ключей 3 и 4, обеспечивает подключение к питающей сети различных секций 6 и 7 секционированной обмотки 5 трансформатора 2, что в свою очередь определяет значения напряжений на обмотке 10 трансформатора 2 и, соответственно, величины напряжений на нагрузке. В установившемся режиме работы трансформатора 2 блок управления 11 задает состояния двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4 таким образом, что один из них находится во включенном, а другой - в выключенном состоянии.
Надежная работа устройства управления 1, обеспечивающая отсутствие режимов короткого замыкания секций 6 или 7 трансформатора 2, и надежное переключение двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4, при регулировании напряжения на обмотке 10 трансформатора 2, обеспечивается блоком управления 11, формирующим управляющие сигналы двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4 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 2 (активная, либо активно-индуктивная, либо активно-емкостная), так и от требований к регулированию напряжения на нагрузке (увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке).
Для реализации соответствующих алгоритмов блок управления 11 устройства 1 управления напряжением трансформатора под нагрузкой на основе временных диаграмм тока и напряжения питающей сети, контролируемых датчиками тока 8 и напряжения 9 соответственно, фиксирует временные интервалы, на которых ток и напряжение питающей сети имеют разные и одинаковые знаки, а также определяет знак угла фазового сдвига между током и напряжением питающей сети. В зависимости от требования изменения напряжения на нагрузке (увеличения, либо уменьшения напряжения) и характера нагрузки, блок управления 11 формирует импульсы управления на управляющие входы двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4 на соответствующих временных интервалах.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс изменения выходного напряжения вторичной обмотки 10 трансформатора 2 при регулировании выходного напряжения трансформатора с учетом различного характера нагрузки. Следует отметить, что алгоритмы управления двунаправленными тиристорными ключами 3 и 4 при активной нагрузке будут такие же, как и при активно-индуктивной нагрузке. На временных диаграммах отмечены следующие моменты времени:
t1 - снятие импульсов управления с двунаправленного тиристорного ключа 3.
t2 - подача импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ 4, выключение двунаправленного тиристорного ключа 3.
t3 - снятие импульсов управления с двунаправленного тиристорного ключа 4.
t4 - подача импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ 3, выключение двунаправленного тиристорного ключа 4.
На приведенных временных диаграммах в первоначальный момент времени первоначально включенным является двунаправленный тиристорный ключ 3. Из приведенных временных диаграмм сигналов управления двунаправленными тиристорными ключами 3 и 4 видно, что при любых переключениях перед включением соответствующего двунаправленного тиристорного ключа в начале инициализации процесса переключения необходимо снять импульсы управления с проводящего ток двунаправленного тиристорного ключа, а затем подавать импульсы управления на включаемый двунаправленный тиристорный ключ.
При этом, в случае активно-индуктивной нагрузки и увеличения напряжения на выходе трансформатора 2, снятие импульсов управления с проводящего в данный момент времени ток двунаправленного тиристорного ключа может производиться в любой момент времени, а подача импульсов управления на включение соответствующего двунаправленного тиристорного ключа должна производиться только на фиксированных интервалах времени, когда знаки тока и напряжения питающей сети совпадают. Эти временные интервалы на временных диаграммах тока и напряжения сети отмечены меандром с положительным значением. Временные интервалы с разными знаками напряжения и тока сети отображаются на временных диаграммах отрицательными значениями меандра. При уменьшении напряжения на выходе трансформатора 2 включение двунаправленного тиристорного ключа 3 должно осуществляться после спада тока питающей сети к нулю. При увеличении напряжения на нагрузке, включение двунаправленного тиристорного ключа 4 может происходить как после достижения током питающей сети нулевого уровня, так и до его достижения. Последнее иллюстрируется на приведенной на фиг. 2 временной диаграмме.
В случае активно-емкостной нагрузки и уменьшения напряжения на выходе трансформатора 2, снятие импульсов управления с проводящего двунаправленного тиристорного ключа 4 и последующая подача импульсов управления на включаемый двунаправленный тиристорный ключ 3 должна осуществляться блоком управления 11 на фиксированном временном интервале, когда напряжение и ток питающей сети имеют разные знаки. При увеличении напряжения на нагрузке включение двунаправленного тиристорного ключа 4 после снятия импульсов управления с двунаправленного тиристорного ключа 3 должно осуществляться на фиксированном временном интервале, когда напряжение и ток питающей сети имеют одинаковые знаки. Это проиллюстрировано на временных диаграммах работы устройства при активно-емкостной нагрузке.
Как видно из приведенных на фиг. 2 временных диаграмм, ток нагрузки при регулировании напряжения на выходе трансформатора 2 не прерывается. В отличие от способа прототипа предлагаемый способ реализуется при поключевом управлении двунаправленными тиристорными ключами и использовании только одного датчика тока питающей сети. Таким образом, заявленная техническая задача упрощения и повышения надежности устройства управления напряжением трансформатора 2 достигается в предлагаемом способе и устройстве для его реализации.