Способ управления выходным напряжением регулятора переменного синусоидального напряжения
CONTROL METHOD OF OUTPUT VOLTAGE OF AC SINUSOIDAL VOLTAGE CONTROLLER

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к регуляторам переменного синусоидального напряжения (РПСН). Использование РПСН в электрических сетях позволяет обеспечивать регулирование и стабилизацию напряжения в месте их подключения за счет изменения величины напряжения, вводимого последовательно в линию электропередачи.
Известен способ управления РПСН путем поэтапной коммутации тиристорными мостами обмоток шунтового трансформатора (патент РФ на изобретение №2577190, опубл. 10.03.2016, бюл. №7, МПК Н03Н 7/18), по которому задают конечное состояние тиристорного коммутатора, вводят ограничения на поэтапное переключение тиристорного коммутатора из текущего состояния в заданное конечное, выбирают допустимую последовательность поэтапного переключения, удовлетворяющую заданным ограничениям, по меньшей мере на величину выходного напряжения устройства в процессе поэтапной коммутации, измеряют токи тиристорного коммутатора и выполняют его поэтапное переключение в соответствии с выбранной последовательностью, снимают импульсы управления со всех тиристоров тиристорного коммутатора, фиксируют наличие нулевого тока в тиристорном коммутаторе в течение временного интервала, длительность которого превышает время восстановления тиристоров и подают импульсы управления на включение тиристоров в новое, согласно выбранной последовательности, состояние.
Недостатками данного технического решения являются пониженная надежность работы устройства в широком диапазоне изменения величины и характера тока линии электропередачи по причине возникновения значительных перенапряжений на элементах тиристорного коммутатора при изменении уровня выходного напряжения РПСН.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ управления (патент РФ на изобретение №2682852, опубл. 21.03.2019, бюл. №9, МПК Н03Н 7/18), по которому задают конечное состояние тиристорного коммутатора, вводят ограничения на поэтапное переключение тиристорного коммутатора из текущего состояния в заданное конечное, выбирают допустимую последовательность поэтапного переключения, удовлетворяющую заданным ограничениям, по меньшей мере на величину выходного напряжения регулятора переменного синусоидального напряжения в процессе поэтапной коммутации, перед началом переключения тиристорного коммутатора отключают сериесную обмотку трансформатора от источника питания, за счет выключения двунаправленного тиристорного ключа, подключенного последовательно с сериесной обмоткой трансформатора, выдерживают временной интервал для переключения тиристорного коммутатора в новое состояние, переключают тиристорный коммутатор в новое состояние, а затем подключают с помощью управления двунаправленным тиристорным ключом сериесную обмотку трансформатора последовательно с источником питания и нагрузкой. Управление регулятором переменного синусоидального напряжения по прототипу обеспечивает повышенную надежность работы устройства за счет отключения сериесной обмотки трансформатора от источника питания при переключении тиристорного коммутатора в новое состояние.
Недостатком данного технического решения является наличие интервала времени при переключении тиристорного коммутатора в новое состояние, на протяжении которого напряжение на нагрузке равно нулю, что оказывает негативное влияние на качество электроэнергии, поставляемой в нагрузку.
Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение качества электрической энергии, передаваемой в нагрузку регулятора переменного синусоидального напряжения, за счет устранения интервалов времени, при которых напряжения на нагрузке равно нулю.
Технический результат заключается в повышении качества электрической энергии на нагрузке регулятора переменного синусоидального напряжения.
Технический результат достигается тем, что в способе управления выходным напряжением регулятора переменного синусоидального напряжения задают конечное состояние тиристорного коммутатора, вводят ограничения на поэтапное переключение тиристорного коммутатора из текущего состояния в заданное конечное, выбирают допустимую последовательность поэтапного переключения тиристорного коммутатора, удовлетворяющую заданным ограничениям, по меньшей мере, на величину выходного напряжения регулятора переменного синусоидального напряжения в процессе поэтапной коммутации, а перед началом переключения тиристорного коммутатора двунаправленным тиристорным ключом отключают сериесную обмотку трансформатора от источника питания и нагрузки снятием с него импульсов управления, выдерживают временной интервал для переключения тиристорного коммутатора в новое состояние, переключают тиристорный коммутатор в новое состояние, а затем подключают подачей импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ сериесную обмотку трансформатора последовательно с источником питания и нагрузкой, определяют требуемый уровень выходного напряжения регулятора синусоидального переменного напряжения, измеряют мгновенные значения тока и напряжения источника питания и синхронно с выключением и включением двунаправленного тиристорного ключа формируют управляющие воздействия на дополнительный двунаправленный тиристорный ключ, подключающий источник питания непосредственно к нагрузке, в течении интервалов времени, когда двунаправленный тиристорный ключ находится в выключенном состоянии.
Сущность предлагаемого способа управления поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен регулятор переменного синусоидального напряжения и его блок схема управления, реализующая предлагаемый способ управления. На фиг. 2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс изменения выходного напряжения регулятора переменного синусоидального напряжения при различном требуемом уровне выходного напряжения и различном характере нагрузки.
Регулятор переменного синусоидального напряжения 1 содержит трансформатор 2, у которого сериесная обмотка 3 подключена последовательно с источником питания, нагрузкой, двунаправленным тиристорным ключом 4 и датчиком тока 5 двунаправленного тиристорного ключа 4. Шунтовые обмотки 6 трансформатора 2 своими первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым выводами подключены к первому, второму, третьему, четвертому, пятому, шестому выходу тиристорного коммутатора 7 соответственно. Тиристорный коммутатор 7 своими первым и вторым входом подключен параллельно источнику питания. Параллельно последовательному соединению сериесной обмотки 3, двунаправленного тиристорного ключа 4 и датчика тока 5 двунаправленного тиристорного ключа 4 подключено последовательное соединение дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8 и датчика тока 9 дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8.
Датчик напряжения источника питания 10 и датчик выходного напряжения РПСН 11 подключены параллельно источнику питания и нагрузке соответственно. Выходы датчика напряжения источника питания 10 и датчика выходного напряжения РПСН 11 подключены к первому и второму входам блока 12 автоматического управления выходным напряжением РПСН, а также к первому и второму входам блока 13 слежения за токами и напряжениями соответственно. Выходы датчика тока 5 двунаправленного тиристорного ключа 4 и датчика тока 9 дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8 подключены к третьему и четвертому входам блока 13 слежения за токами и напряжениями соответственно. Первый и второй выходы блока 12 автоматического управления выходным напряжением РПСН подключены соответственно к пятому входу блока 13 слежения за токами и напряжениями и к входу блока 14 требований и параметров переключения РПСН. Выход блока 13 слежения за токами и напряжениями и выход блока 14 требований и параметров переключения РПСН подключены к первому и второму входам блока 15 управления тиристорными ключами РПСН. Первый выход блока 15 управления тиристорными ключами РПСН подключен к тиристорным ключам тиристорного коммутатора 7, второй выход - к двунаправленному тиристорному ключу 4, а третий выход - к дополнительному двунаправленному тиристорному ключу 8.
Способ управления выходным напряжением регулятора переменного синусоидального напряжения осуществляется следующим образом.
Управление РПСН обеспечивает его переходы из состояния, называемого начальным, с одними величинами выходного напряжения РПСН, в другое состояние, называемое конечным, с другими величинами выходного напряжения РПСН. Изменение выходного напряжения РПСН обеспечивается изменением состава и полярности включения шунтовых обмоток 6 трансформатора 2, осуществляемого тиристорным коммутатором 7 за счет изменения его состояния посредством управления входящих в его состав тиристорных ключей. Блок 12 автоматического управления выходным напряжением РПСН на основе данных от датчика напряжения источника питания 10 и датчика выходного напряжения РПСН 11 передает информацию в блок 14 требований и параметров переключения РПСН о требуемом состоянии тиристорного коммутатора 7, соответствующему требуемому выходному напряжению РПСН, и формирует дополнительные требования к параметрам процесса изменения состояния тиристорного коммутатора 7. К данным параметрам могут относиться: ограничение величины выходных напряжений РПСН в процессе поэтапной коммутации шунтовых обмоток 6 трансформатора 2, число переключений шунтовых обмоток 6 трансформатора 2, число коммутаций тиристорных ключей, максимальная скорость изменения выходного напряжения изменения состояния РПСН и др. Блок 14 требований и параметров переключения РПСН передает в блок 15 управления тиристорными ключами РПСН информацию о требуемом состоянии тиристорного коммутатора 7, после чего блок 15 управления тиристорными ключами РПСН осуществляет переключение тиристорного коммутатора 7.
Для организации переключения тиристорного коммутатора 7, ведущего к изменению уровня выходного напряжения РПСН, блок 15 управления тиристорными ключами РПСН снимает импульсы управления с двунаправленного тиристорного ключа 4. Блок 12 автоматического управления выходным напряжением РПСН передает блоку 13 слежения за токами и напряжениями информацию о требуемом уровне выходного напряжения РПСН. Блок 13 слежения за токами и напряжениями осуществляет контроль мгновенного значения тока двунаправленного тиристорного ключа 4 по сигналам с выхода датчика тока 5 двунаправленного тиристорного ключа 4 и напряжения источника питания по сигналам с выхода датчика напряжения источника питания 10 и определяет фазовый сдвиг между током двунаправленного тиристорного ключа 4 и напряжением источника питания.
Алгоритмы управления двунаправленным тиристорным ключом 4 и дополнительным двунаправленным тиристорным ключом 8 зависят от характера нагрузки, на которую работает РПСН, а также от требуемого уровня напряжения на нагрузке по отношению к напряжению источника питания.
Управление процессом включения дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8 после снятия импульсов управления с двунаправленного тиристорного ключа 4 производят следующим образом:
В случае, если требуемый уровень выходного напряжения РПСН больше напряжения источника питания и ток двунаправленного тиристорного ключа 4 совпадает, либо отстает по фазе от напряжения источника питания, блок 13 слежения за токами и напряжениями при обнаружении нулевого значения тока в выключаемом двунаправленном тиристорном ключе 4 формирует сигнал на блок 15 управления тиристорными ключами РПСН на подачу импульсов управления на дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 8.
В случае, если требуемый уровень выходного напряжения РПСН больше напряжения источника питания и ток двунаправленного тиристорного ключа 4 опережает по фазе напряжение источника питания, блок 13 слежения за токами и напряжениями формирует сигнал на блок 15 управления тиристорными ключами РПСН на подачу импульсов управления на дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 8 в течении интервала времени, когда напряжение источника питания и ток двунаправленного тиристорного ключа 4 имеют разные знаки.
В случае, если требуемый уровень выходного напряжения РПСН меньше напряжения источника питания, блок 13 слежения за токами и напряжениями формирует сигнал на блок 15 управления тиристорными ключами РПСН на подачу импульсов управления на дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 8 в течении интервалов времени, когда напряжение источника питания и ток двунаправленного тиристорного ключа 4 имеют одинаковые знаки.
Подача импульсов управления на дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 8 инициирует его переключение в проводящее состояние, что создает условия для запирания выключаемого двунаправленного тиристорного ключа 4 и отключения сериесной обмотки 3 трансформатора 2 от источника питания. Включение дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8 обеспечивает подключение источника питания к нагрузке.
При включении дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8 блок 15 управления тиристорными ключами РПСН снимает импульсы управления с тиристорных ключей тиристорного коммутатора 7. После чего блок 15 управления тиристорными ключами РПСН начинает отсчет временной задержки необходимой для выключения тиристорных ключей тиристорного коммутатора 7. По окончании временной задержки блок 15 управления тиристорными ключами РПСН переводит тиристорный коммутатор 7 в новое состояние.
После включения тиристорного коммутатора 7 в новое состояние блок 15 управления тиристорными ключами РПСН снимает импульсы управления с дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8.
Управление включением двунаправленного тиристорного ключа 4 после снятия импульсов управления с дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8 производят следующим образом:
В случае, если требуемый уровень выходного напряжения РПСН больше напряжения источника питания блок 13 слежения за токами и напряжениями подает сигнал на блок 15 управления тиристорными ключами РПСН на подачу импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ 4 в течении интервалов времени, когда напряжение источника питания и ток дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8 имеют одинаковые знаки.
В случае, если требуемый уровень выходного напряжения РПСН меньше напряжения источника питания и ток дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8 совпадает, либо отстает по фазе от напряжения источника питания, блок 13 слежения за токами и напряжениями при обнаружении нулевого значения тока в выключаемом дополнительном двунаправленном тиристорном ключе 8 подает сигнал на блок 15 управления тиристорными ключами РПСН на подачу импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ 4.
В случае, если требуемый уровень выходного напряжения РПСН меньше напряжения источника питания и ток дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8 опережает по фазе напряжение источника питания, блок 13 слежения за токами и напряжениями формирует сигнал на блок 15 управления тиристорными ключами РПСН на подачу импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ 4 в течении интервалов времени, когда ток дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8 и напряжение источника питания имеют разные знаки.
Подача импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ 4 инициирует его переключение в проводящее состояние, что создает условия для запирания выключаемого дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8. После включения двунаправленного тиристорного ключа 4 процесс переключения РПСН в новое состояние, соответствующее новому уровню выходного напряжения РПСН, завершен.
Следует отметить, что переключения двунаправленного тиристорного ключа 4 и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8 не требуют временных задержек и происходят мгновенно. Поэтому, в отличие от прототипа, по такому способу управления интервалы времени с нулевым напряжением на нагрузке отсутствуют.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс изменения выходного напряжения регулятора переменного синусоидального напряжения при различном требуемом уровне выходного напряжения и различном характере нагрузки. На временных диаграммах отмечены моменты времени:
tl - снятие импульсов управления с двунаправленного тиристорного ключа 4.
t2 - подача импульсов управления на дополнительный двунаправленный тиристорный ключ 8, выключение двунаправленного тиристорного ключа 4.
t3 - снятие импульсов управления с тиристорных ключей тиристорного коммутатора 7.
t4 - момент времени при котором тиристорные ключи тиристорного коммутатора 7 гарантированно будут в выключенном состоянии.
t5 - подача импульсов управления на тиристорные ключи тиристорного коммутатора 7 соответствующие требуемому уровню напряжения на выходе РПСН; снятие импульсов управления с дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8.
t6 - подача импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ 4, выключение дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 8.
Как видно из приведенных на фиг. 2 временных диаграмм напряжение на выходе РПСН не имеет интервалов времени с нулевым значением.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения обеспечивает достижение указанного технического результата, а именно, позволяет повысить качество электроэнергии передаваемой в нагрузку регулятора вольтодобавочного переменного напряжения.