Регулировочные характеристики тиристорного регулятора переменного напряжения с вольтодобавочным трансформатором при поочередном двухзонном управлении

УДК 621. 316.722

1 2 А.А. Асабин , С.Я. Верховский

РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИРИСТОРНОГО РЕГУЛЯТОРА

ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ВОЛЬТОДОБАВОЧНЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ ПРИ ПООЧЕРЕДНОМ ДВУХЗОННОМ УПРАВЛЕНИИ

Институт прикладной физики Российской академии наук1,

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева2

Описан способ двухзонного поочередного управления трансформаторно-тиристорным регулятором переменного напряжения с синхронизацией моментами перехода напряжения сети через нулевое значение. Данный способ позволяет реализовать автоматическую систему плавного регулирования и стабилизации напряжения нагрузки при глубоком изменении величины тока нагрузки на интервалах положительного и отрицательного направления потока мощности. Получены теоретические и экспериментальные выходные характеристики регулятора в различных рабочих режимах.

Ключевые слова: алгоритм управления, направление потока мощности, однозонное управление, интервал коммутации, стабилизация выходного напряжения.

Известные алгоритмы управления трансформаторно-тиристорных регуляторов переменного напряжения (ТТРН) при импульсно-фазовом методе регулирования подразделяются на две группы:

1. Алгоритмы, основанные на выделении знака потока мощности.

2. Алгоритмы, основанные на синхронизации моментами перехода напряжения сети через нулевое значение.

Алгоритмы, основанные на выделении знака мощности, строятся следующим образом

[1]. По сигналам датчика тока нагрузки и сигналам датчика напряжения сети выделяются интервалы совпадения знаков тока и напряжения. Данные интервалы принято называть интервалами положительного направления мощности, так как в течение их энергия передается из сети в нагрузку. В интервалах с противоположными знаками тока нагрузки и напряжения сети энергия рекуперируется из нагрузки в сеть. Данные интервалы принято называть интервалами отрицательного направления мощности. В интервалах положительного направления мощности с задержкой, равной углу регулирования а1, выполняют переключение на повышение напряжения. В интервалах отрицательного направления мощности с задержкой, равной углу регулирования а2, выполняют переключение на понижение напряжения. Изменяя значения углов а1 и а2, регулируют выходное напряжение в пределах регулировочной ступени. Данный алгоритм, при совместном изменении углов регулирования на повышение и понижение напряжения, известен как алгоритм с одновременным двухзонным регулированием

[2]. Он не обеспечивает устойчивой работы ТТРН при глубоком изменении тока нагрузки, например, при отключении нагрузки ток равен нулю и выделение интервалов направления мощности невозможно. В этом случае нарушаются регулировочные свойства ТТРН.

Известные алгоритмы [3], основанные на синхронизации моментами перехода напряжения сети через нулевые значения, предназначены в основном для регулирования напряжения в интервалах положительного направления мощности. В этом случае угол регулирования определяет только момент переключения на уровень повышенного напряжения. Переключения на понижение напряжения фиксированы и либо совпадают с моментом перехода напряжения сети через нулевое значение, либо происходят в момент смены знака тока нагрузки. Такое однозонное регулирование при смешанной нагрузке (активно-индуктивной или активно-емкостной) сопровождается появлением нерегулируемых интервалов в выходном напряжении регулятора. Длительность нерегулируемых интервалов совпадает с интервалами от-

© Асабин А.А., Верховский С.Я., 2013.

рицательного направления мощности. Это приводит к ограничениям регулировочной характеристики и может стать причиной возникновения колебательных процессов в системе автоматической стабилизации выходного напряжения, поэтому рассматриваемые алгоритмы распространены в ТТРН, предназначенных для работы на выпрямительную нагрузку или нагрузку с высоким значением коэффициента мощности (активную).

На кафедре «Промышленная электроника» НГТУ разработан способ двухзонного поочередного управления ТТРН с синхронизацией моментами перехода напряжения сети через нулевое значение [4]. Данный способ не требует применения датчика тока, поэтому регулировочные свойства ТТРН сохраняются при глубоком изменении величины тока нагрузки. Он обеспечивает двухзонное регулирование, реализуемое в интервалах положительного и отрицательного направления мощности.

Следовательно, ограничения регулировочной характеристики отсутствуют и устраняются причины возникновения колебательных процессов в системе автоматической стабилизации напряжения нагрузки. Теоретические и экспериментальные исследования ТТРН с двухзонным поочередным управлением выполнялись при финансовой поддержке министерства образования и науки РФ (ГК № 16.526.12.6016 от 11.10.11 г.).

Схема исполнительного органа ТТРН с двухзонным регулированием напряжения вольтодобавочного трансформатора Т¥1 приведена на рис. 1. Применяемый способ обеспечивает двухзонное поочередное регулирование выходного напряжения в интервалах положительного и отрицательного направления мощности. При этом используются три основных режима работы вольтодобавочного трансформатора (ВДТ): "вольтоотбавка" - включены тиристоры ¥3,¥4 и ¥5,¥6; "закоротка" - включены тиристоры ¥1,¥2 и ¥5,¥6; "вольтодобавка" -включены тиристоры ¥1,¥2 и ¥7, ¥8. В режиме "вольтоотбавка" ВДТ включается по схеме понижающего автотрансформатора и напряжение нагрузки (ин) ниже напряжения сети (иС) на величину э.д.с. регулировочной ступени иН=иС-еСТ. В режиме "закоротка" ВДТ находится в режиме короткого замыкания (к.з.) и включен последовательно с нагрузкой ^н). В этом случае практически все напряжение сети приложено к сопротивлению нагрузки иН=иС, поскольку сопротивление к.з. трансформатора мало. В режиме "вольтодобавка" ВДТ включается по схеме повышающего автотрансформатора и напряжение нагрузки больше напряжения сети на величину э.д.с. регулировочной ступени иН=иС+еСТ.

еСТ

Рис. 1. ТТРН с двухзонным регулированием напряжения вольтодобавочного трансформатора

Переход из режима "вольтоотбавка" в режим "закоротка", согласно предложенному в [4] способу, начинается с увеличения угла регулирования на понижение напряжения а2 от 0

до п при фиксированном значении угла регулирования на повышение напряжения а1=п. Такое изменение а2 позволяет реализовать регулирование выходного напряжения в интервалах отрицательного направления мощности. Далее реализуется регулирование в интервалах положительного направления мощности путем уменьшения значения угла регулирования а1 от п до 0 при фиксированном значении а2=п. Такое же поочередное двухзонное регулирование применяется и для плавного перехода из режима "закоротка" в режим "вольтодобавка". Плавный переход из режима "вольтодобавка" в режим "вольтоотбавка" производится в обратной последовательности.

Диаграммы изменения напряжения (иН) и тока (/Н) нагрузки при поочередном изменении углов регулирования а1 и а2 показаны на рис. 2. Моменты переключения тиристоров не всегда определяются значениями углов регулирования, поскольку они также зависят от фазового угла нагрузки (фН). Совпадение значений моментов переключения тиристоров на повышение напряжения с углом регулирования а1 имеет место только в интервалах положительного направления мощности (фН<а1<п). Моменты переключения тиристоров на понижение напряжения в данном режиме совпадают с моментом перехода тока нагрузки через ноль, т.е. определяются фазовым углом нагрузки фН.

Следовательно эффективное изменение угла а1 в целях регулирования напряжения нагрузки находится в интервале фН<а1< п (рис. 2, а). Совпадение значений моментов переключения тиристоров на понижение напряжения с углом регулирования а2 имеет место только в интервалах отрицательного направления мощности (0°<а2<фН). Моменты переключения тиристоров на повышение напряжения в данных режимах соответствуют заданному значению угла а1= п. Поэтому эффективное изменение угла а2 в целях регулирования напряжения нагрузки находится в интервале 0°<а2<фН (рис. 2, б).

Анализ проводим с использованием метода припасовывания при идеализации вольт-амперных и динамических характеристик тиристоров. Пренебрегаем сопротивлениями магнитной цепи и обмоток ВДТ. При анализе принимаем, что нагрузка линейна и имеет активно-индуктивный характер как наиболее распространенная.

В процессе регулирования изменяется гармонический состав напряжения и тока нагрузки. Это может сместить момент перехода тока нагрузки через ноль относительно значения фазового угла нагрузки на дополнительный угол Др. Данное обстоятельство может привести к смещению интервалов эффективного регулирования выходного напряжения ТТРН изменением углов а1 и а2. Как показали результаты исследований, при рекомендуемом

а)

б)

Рис. 2. Напряжение (иН) и ток (¡Н) нагрузки в интервалах:

а - эффективного изменения угла регулирования а! на повышение напряжения; б - эффективного изменения угла регулирования а2 на понижение напряжения

в [5] значении коэффициента трансформации вольтодобавочного трансформатора К2=еСТ/еСО=0.1 во всем диапазоне регулирования дополнительный угол ДР < 30. Ввиду малости значений дополнительного угла ДР в дальнейшем считаем, что моменты перехода тока нагрузки через ноль и интервалы эффективного регулирования определяются лишь фазовым углом нагрузки фН.

Регулировочные характеристики удобно выражать в относительных единицах. В качестве базисной величины примем номинальное действующее значение напряжения сети (6б=6ы.ном). Относительные значения действующих и средних величин напряжений будем обозначать в дальнейшем символами со звездочкой, например UH . В режиме "закоротка" все токи и напряжения ТТРН имеют синусоидальный характер, поэтому относительные значения действующих, амплитудных и средних величин напряжений нагрузки в этом режиме равны соответственно:

U*H=1, U*Hm=V2, U*H.CF=2V2/rc .

Мгновенные значения напряжения нагрузки в относительных единицах, согласно рис. 1 и рис. 2, для перехода ВДТ из режима "вольтоотбавка" в режим "закоротка" можно записать в следующем виде:

• в интервале эффективного изменения а2

42 .

-sin roí а9 < roí < п

2

u

Н

*=11+К

л/2 sin roí

п < roí < п +а

2

в интервале эффективного изменения а1

42

UH * = <

1 + к

42s

-sin roí

jH < roí <а1

^т юí а^ юí < п +фН

Мгновенные значения напряжения нагрузки в относительных единицах для перехода ВДТ из режима "закоротка" в режим "вольтодобавка":

• в интервале эффективного изменения а2'

-\Z2sin юí

ин * = '

а 2 < roí < п

42(1 + К2)sin roí п < roí < п +а

в интервале эффективного изменения а1'

42 sin roí jH < roí <ai

42(1 + K2)sinroí rn < roí < п +jH.

Так как кривые напряжений симметричны относительно оси абсцисс, действующие значения напряжения нагрузки определяем, используя выражение

uH * =

U„ * =

2 2 T

2

— J(uH *)2 dí .

Для перехода ВДТ из режима "вольтоотбавка" в режим "закоротка " получим: • в интервале эффективного изменения а2

U„ * =

2ж +

2^(1 + К 2)2

в интервале эффективного изменения а1

T

и * =

и Н

1

л

Для перехода ВДТ из режима " закоротка" в режим "вольтодобавка": • в интервале эффективного изменения а'2

и„ * =

(2К2 + К2)(2а?2-в1п2а?2) .

'Н = 1 1 +-1- ;

2л

в интервале эффективного изменения а']

ии * =

Н V 2 л

Среднее относительное значение выходного напряжения определяется так же интегрированием выражений (2)-(5) для напряжения нагрузки ин на интервале, равном полупериоду напряжения сети.

Для перехода ВДТ из режима "вольтоотбавка" в режим "закоротка" получим: • в интервале эффективного изменения а2

и * = ^

и НСР

л

К

2--

1 + К,

^2

в интервале эффективного изменения а1

и * = ^

и НСР

л

2 —

1 + К2 Н 1

Для перехода ВДТ из режима "закоротка" в режим "вольтодобавка": • в интервале эффективного изменения а'2 /2

иНСР* = — [2 + К2

л

в интервале эффективного изменения а'

42

ин с Р * = — [2 + К

л

Анализируя полученные выражения (6)—(13), можно заметить, что при поочередном двухзонном управлении величины действующего и среднего значений выходного напряжения ТТРН зависят от фазового угла нагрузки фН, значений углов переключения на понижение а2 и повышение а1 напряжения, а также от величины коэффициента трансформации К2 вольтодобавочного трансформатора.

Регулировочные характеристики, рассчитанные по аналитическим выражениям (6)—(13) при переводе ВДТ с рекомендуемым коэффициентом трансформации К2=0.1 из режима "вольтоотбавка" в режим "вольтодобавка" и значении фазового угла нагрузки фН =90°, приведены на рис. 3. На регулировочных характеристиках совмещены интервалы эффективного изменения углов а2, а1, а'2, а'1. На рис. 3 штриховой линией показана регулировочная характеристика при однозонном регулировании. Из анализа характеристик видно, что при поочередном двухзонном управлении существует плавный переход напряжений из режима "вольтоотбавка - закоротка " ВДТ в режим "закоротка - вольтодобавка", а при однозонном регулировании - скачкообразный.

В связи с этим, диапазон стабилизации при однозонном регулировании сокращается. Анализ регулировочных характеристик также показывает, что из-за наличия скачкообразного перехода с режима "вольтоотбавка - закоротка ВДТ" на режим "закоротка ВДТ - вольто-добавка" при однозонном регулировании практически невозможна стабилизация выходного напряжения. Стабилизацию напряжения при однозонном регулировании можно осуществлять только при работе ТТРН отдельно в каждом из рассматриваемых режимов или при ча-

1

стичном совмещении этих режимов. В этих случаях искажение кривой выходного напряжения значительно выше, чем при двухзонном управлении.

Аналитические исследования подтверждены результатами моделирования ТТРН в пакете Ма^аЬ^тиНпк и экспериментальными испытаниями макета ТТРН мощностью 3,5 кВА. Экспериментальная зависимость действующего значения напряжения нагрузки, совмещенная в одной системе координат с рассчитанной по аналитическим выражениям и полученной на виртуальной модели ТТРН, приведена на рис. 4.

и* 1.1

1.0

0.9

0.8 0.7

0о 30о 60о 90о а2

-2-Н

180о 150о 120о 90о _а_^^

0о 30о 60о 90о а2'

-2-

180о 150о 120о 90о _а1_^^

«Вольтоотбавка ВДТ»

«Закоротка ВДТ»

«Вольтодобавка ВДТ»

Рис. 3. Регулировочные характеристики при переводе ВДТ из режима "вольтоотбавка"

в режим "вольтодобавка"

ин* 1.1

1.0 0.9 0.8 0.7

1 3

\2

0° 30° а2 180° 150° 120° 90° 60° 30° а: 0° 30° а2' 180° 150° 120° 90° 60° 30° а/

г 1 и

«Вольтоотбавка ВДТ»

«Закоротка ВДТ»

«Вольтодобавка ВДТ»

Рис. 4. Зависимость действующего значения напряжения нагрузки при переводе ВДТ из режима «вольтоотбавка» в режим «вольтодобавка»

Сопоставление экспериментальной зависимости действующего значения напряжения нагрузки (3) с рассчитанной по аналитическим выражениям (1) и полученной на виртуальной модели (2) позволяет сделать следующие выводы.

1. Форма и характер экспериментальной зависимости совпадает с формой и характером зависимостей, построенной по аналитическим выражениям и полученной на виртуальной модели.

2. Экспериментальная и уточненная зависимость, полученная на виртуальной модели, располагаются ниже, чем зависимость, рассчитанная методом припасовывания. Это объясняется учётом падений напряжений в линии питающей сети и на силовых элементах виртуальной модели ТТРН, а также учётом коммутационных интервалов, в течение которых напряжение нагрузки практически равно нулю.

3. Неполное совпадение экспериментальной и уточненной зависимостей объясняется тем, что при моделировании питающей сети принято максимально допустимое значение сопротивления короткого замыкания линии питающей сети. Это обусловило завышенные значения падений напряжения в линии питающей сети при моделировании, не соответствующие условиям эксперимента.

4. Наибольшее отклонение зависимости действующего значения напряжения нагрузки, рассчитанной по полученным аналитическим выражениям, от экспериментальной зависимости составляет 3%.

Библиографический список

1. Пат. 3621374 ( США ), МКИ G 05 F 1/30. Voltage regulator with zero static switching between taps for a regulator transformer/ General Electric Co.// Kestler Clarence J. 1971.

2. Петров, Ю.Н. Двухзонные трансформаторно-тиристорные стабилизаторы напряжения для электроустановок с активно-индуктивным сопротивлением: дисс. ...канд. техн. наук. - Горький, 1975. - 239 С..

3. А.с. 1003294 СССР, МКИ G 05 F 1/24. Способ управления регулятором напряжения и устройство для его осуществления/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Асабин, Л.А. Зубов, Л.А., Соловьев, В.С. Шлентов// Опубл. в Б. И., 1983. №9.

4. Пат. на изобретение RU №2398342 С1, МПК H02M5/12. Способ управления тиристорным регулятором напряжения трансформатора/ Асабин А.А.; Опубл. 27.08.2010.

5. Асабин, А.А. Энергетические характеристики плавноступенчатого трансформаторно-тиристорного стабилизатора переменного напряжения с поочередным двухзонным регулированием / А.А. Асабин, К.А. Журин // Тезисы докладов VI Международной молодежной научно-технической конференции; НГТУ. - Н. Новгород, 2007.

Дата поступления в редакцию 19.04.2013

1 2 A.A. Asabin , S.Y. Verkhovskiy

REGULATION CHARACTERISTICS IN THE TWO-ZONE CONTROL OF THE THYRISTOR AC VOLTAGE REGULATOR WITH BOOSTER TRANSFORMER

Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences 1, Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.Y. Alexeev

Purpose: Research and comparative analysis of the output characteristics of the thyristor AC voltage regulators in the two-zone control.

Design/methodology/approach: Implementation of a two-zone control alternating control algorithm for thyristor AC with transformer allows to create an automated system continuously stabilize the load voltage for deep change in the value of the load current at intervals of positive and negative direction of power flow.

Findings: The shape and character of the experimental output voltage dependence regulator coincide with the form and character of the relationships obtained by analytical expressions and the virtual model.

Research limitations/implications: Research limitations - electric power industry. Control algorithm is proposed and analyzed for the thyristor AC voltage regulator.

Originality/value: As a result, research has shown the effectiveness of the proposed method of alternating two-zone control thyristor AC regulator of power line voltage.

Key words: control algorithm, power flow direction, one-zone control, switching interval, output voltage stabilization.