Трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности

 

Использование: предлагаемое устройство предназначено для повышения качества электроэнергии и ее экономии. Сущность изобретения: расширение диапазона компенсации реактивной мощности сети и отклонений выходного напряжения, а также улучшение массогабаритных показателей трансформаторного оборудования. Поставленная цель достигается за счет выполнения коммутатора вольтодобавочного трансформатора в виде преобразователя амплитуды и фазы напряжения со звеном постоянного тока и двухсторонним обменом энергии. В режиме вольтодобавки преобразователь получает питание из цепи нагрузки, а в режиме вольтовычета возвращает энергию в сеть. Управление этими режимами осуществляется системой управления фазой инвертора и системой раздельного управления реверсивным выпрямителем совместно с датчиками тока, напряжения и реактивной мощности. 1 ил.

Изобретение используется в установках с плавным регулированием фазы и действующего значения напряжения нагрузки.

Сигнал с датчика отклонения напряжения нагрузки подается на систему управления основным инвертором. Изменяя угол управления тиристорами этого инвертора, осуществляют регулирование действующего значения напряжения на нагрузке. Сигнал с датчика реактивной мощности сети поступает одновременно на систему управления инвертором, ведомым сетью, выходом подключенным к сети, и систему управления выпрямителем, входом подключенным к нагрузке. В режиме вольтоприбавления этот сигнал изменяет угол управления тиристорами выпрямителя, а в режиме вольтовычетания тиристорами инвертора, ведомого сетью, и осуществляет регулирование потребляемой из сети реактивной мощности. Разрешение на управление выпрямителем или инвертором, ведомым сетью, производится узлом раздельного управления при подаче на него сигнала с датчика направления входного тока основного инвертора. Это позволяет осуществлять компенсацию входной реактивной мощности с обеспечением заданного действующего значения выходного напряжения независимо от знака отклонений напряжения относительно заданного уровня, а также от величины и характера нагрузки. При этом достигается расширение диапазона компенсации отклонений напряжения и реактивной мощности, а также улучшение массогабаритных показателей, вследствие подключения входных зажимов выпрямителя к нагрузке, а выходных зажимов инвертора, ведомого сетью, к сети и применения раздельного управления по знаку входного тока основного инвертора.

Изобретение относится к энергетической электронике и предназначено для стабилизации выходного напряжения и компенсации входной реактивной мощности.

Известно трансформаторно-тиристорное регулирующее устройство, содержащее два инвертора с синхронизированными от общего генератора и два двухобмоточных трансформатора, первичные обмотки которых соединены последовательно и включены между сетью и нагрузкой. Входы инверторов подключены к общему источнику питания, а выходы к вторичным обмоткам трансформаторов [1] Устройство обеспечивает регулирование напряжения нагрузки за счет регулирования фазы выходного напряжения одного инвертора относительно выходного напряжения другого инвертора и суммирования этих напряжений при помощи трансформаторов.

К недостаткам устройства следует отнести большой вес и габаритные размеры трансформаторов, а также отсутствие компенсации отклонений напряжения и реактивной мощности.

Наиболее близким к предлагаемому является трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, который содержит выпрямитель, два инвертора с синхронизированными с сетью системой управления и два трехфазных двухобмоточных трансформатора, а также датчик реактивной мощности сети в комплекте с двумя однофазными измерительными трансформаторами тока и датчик отклонения напряжения нагрузки [2] Первичные обмотки трансформаторов соединены последовательно и включены между сетью и нагрузкой, а их вторичные обмотки подключены к выходам инверторов, входы которых объединены и через выпрямитель подключены к нагрузке. Управляющий вход системы управления основным инвертором подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, а управляющий вход системы управления дополнительным инвертором, ведомым сетью, к выходу датчика реактивной мощности сети.

К недостаткам устройства следует отнести большой вес и габариты, вследствие применения двух трансформаторов и к тому же с увеличенной установленной мощностью для предотвращения насыщения их магнитопроводов при быстродействующем регулировании фаз выходных напряжений инверторов, а также ограниченный диапазон компенсации отклонения напряжения и реактивной мощности, вследствие подключения выпрямителя только к нагрузке или только к сети как в режимах повышенных, так и пониженных значений напряжения сети при изменении величины и характера нагрузки.

Цель изобретения улучшение массогабаритных показателей и расширение диапазона компенсации отклонений напряжения и реактивной мощности.

Поставленная цель достигается тем, что другие выводы первичной обмотки трансформатора подключены к сети, к которой присоединен выход инвертора, ведомого сетью, в качестве основного инвертора применен инвертор напряжения, в состав которого входит вентильный блок с прямым тиристорным и обратным диодным мостами и входной фильтр с датчиком направления тока, кроме того, введена синхронизированная с частотой сети и сфазированная с напряжением нагрузки система управления выпрямителем, узел раздельного управления выпрямителем и инвертором, ведомым сетью, при этом управляющие входы систем управления выпрямителем и ведомым сетью инвертором подключены к выходу датчика реактивной мощности сети, вход контроля режима работы узла раздельного управления выпрямителем и инвертором, ведомым сетью, подключен к выходу датчика направления тока, а его первый и второй выходы подключены к разрешающим входам систем управления выпрямителем и инвертором, ведомым сетью, соответственно.

На чертеже приведена функциональная схема устройства до уровня известных элементов.

Устройство содержит трансформатор 1, основной инвертор 2, инвертор напряжения, в состав которого входит вентильный блок 3 с прямым тиристорным и обратным диодным мостами и входной фильтр 4 с датчиком направления тока, синхронизированная с сетью система регулирования 5 фазы выходного напряжения основного инвертора относительно напряжения сети, выпрямитель 6 с синхронизированной с частотой сети и сфазированной с напряжением нагрузки системой управления 7, ведомый сетью инвертор 8 с синхронизированной с частотой сети и сфазированной с напряжением сети системой управления 9, узел 10 раздельного управления выпрямителем и инвертором, ведомым сетью, а также датчик 11 отклонения напряжения нагрузки и датчик 12 реактивной мощности сети.

Трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности работает следующим образом. Выходное напряжение устройства формируется из напряжения сети и регулируемого по величине и фазе напряжения K_т , наводимого на первичной обмотке трансформатора 1, вследствие питания его вторичной обмотки напряжением , формируемом на выходе основного инвертора 2.

Выходное напряжение основного инвертора 2 в режиме вольтоприбавления и вольтовычетания: где ϕ_и1 угол между напряжением и током основного инвертора 2; α_в,α_и1,α_и2 углы управления тиристорами выпрямителя 6, основного инвертора 2 и инвертора, ведомого сетью, 8 соответственно; K_в, K_и1, K_и2 коэффициенты преобразования выпрямителя 6, основного инвертора 2 и инвертора, ведомого сетью, 8 соответственно; F(α_в) и F(α_и2) передаточные функции выпрямителя 6 и инвертора, ведомого сетью, 8 соответственно.

При помощи трансформатора 1 выходное напряжение основного инвертора 2 уменьшается в коэффициент трансформации K_т раз и, вследствие встречного включения его обмоток, вычитается из напряжения сети В результате этого, выражение для напряжения нагрузки для рассматриваемых режимов имеет вид:
где K_п1 K_в·K_и1 и K_п2 K_и1·K_и2 коэффициенты преобразования напряжения тиристорным рекуперативным преобразователем со звеном постоянного тока (при мостовых схемах инверторов и выпрямителя K_п1 ≈ 1 и K_п2 ≈ 1);
полное сопротивление короткого замыкания трансформатора 1;
обобщенный вектор тока нагрузки.

Из выражений (1) и (2) видно, что модуль и аргумент обобщенного вектора напряжения нагрузки можно регулировать изменением угла управления α_и1 тиристорами основного инвертора 2 и углом управления α_в выпрямителя 6 (в режиме вольтоприбавления) или углом управления α_и2 инвертора, ведомого сетью, 4 (в режиме вольтовычетания). В устройстве изменения углов α_в и α_и2 производится в функции отклонений реактивной мощности сети от нулевого уровня, а передача управления с α_в на α_и2 при смене полярности тока на входе основного инвертора 2, при этом изменение угла управления α_и1 основного инвертора 2 независимо от полярности его входного тока производится в функции отклонения напряжения нагрузки от заданного уровня, например, равного номинальному напряжению сети. Возможность регулирования модуля вектора напряжения нагрузки позволяет выравнивать его при отклонениях напряжения в сети, а также при изменениях величины и характера нагрузки, а возможность независимого регулирования при этом аргумента вектора относительно позволяет компенсировать потребляемую из сети реактивную мощность.

Достижение эффекта обусловлено применением в устройстве только одного трансформатора, а также подключением выпрямителя 6 к нагрузке в режиме вольтоприбавления и инвертора, ведомого сетью, к сети в режиме вольтовычетания.

Такое схемное решение позволяет расширить диапазон регулирования или стабилизации выходного напряжения при неизменном и максимально возможном угле опережения напряжения напряжение или расширить диапазон регулирования или компенсации потребляемой из сети реактивной мощности при заданном диапазоне отклонений входного напряжения и полной компенсации этих отклонений напряжения на нагрузке.

Целесообразной областью применения устройства являются промэнергоблоки с наиболее распространенными цеховыми трансформаторными подстанциями мощностью 400, 630 и 1000 кВА.

Литература.

1. Толстов Ю.Г. Автономные инверторы тока. М. Энергия, 1978, с. 52-53. аналог.

2. Патент РФ N 1793514, H 02 3/18 от 15.11.93 прототип.

Формула изобретения

Трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, содержащий датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, трансформатор с первичной и вторичной обмотками и основной инвертор с синхронизированной и сфазированной с сетью системой регулирования фазы выходного напряжения основного инвертора относительно напряжения сети, управляющий вход которой подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, а также инвертор, ведомый сетью, с синхронизированной и сфазированной с сетью системой управления и выпрямитель, причем вход выпрямителя подключен к нагрузке, а его выходные выводы формируют выводы постоянного тока, к которым подключены входы основного инвертора и инвертора, ведомого сетью, вторичная обмотка трансформатора соединена в звезду и подключена к выходу основного инвертора, а одни из выводов его первичной обмотки подключены к нагрузке, отличающийся тем, что другие выводы первичной обмотки трансформатора подключены к сети, к которой присоединен выход инвертора, ведомого сетью, в качестве основного инвертора применен инвертор напряжения, в состав которого входит вентильный блок с прямым тиристорным и обратным диодным мостами и входной фильтр с датчиком направления тока, кроме того, введена синхронизированная с частотой сети и сфазированная с напряжением нагрузки система управления выпрямителем, узел раздельного управления выпрямителем и инвертором, ведомым сетью, при этом управляющие входы систем управления выпрямителем и ведомым сетью инвертором подключены к выходу датчика реактивной мощности сети, вход контроля режима работы узла раздельного управления выпрямителем и инвертором, ведомым сетью, подключен к выходу датчика направления тока, а его первый и второй выходы подключены к разрешающим входам систем управления выпрямителем и инвертором, ведомым сетью, соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1