Устройство для коммутации трехфазной конденсаторной батареи

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкции аппаратов коммутации трехфазных батарей конденсаторов. Техническим результатом является обеспечение норм качества электроэнергии в системах электроснабжения переменного тока, за счет снижения уровня коммутационных перенапряжений, вызванных бросками тока при переключении трехфазной батареи конденсаторов, и расширение функциональных возможностей ее применения в электрических сетях. Для этого устройство содержит три конденсатора, соединенные треугольником, средняя вершина которого непосредственно, а крайние вершины через два силовых электронных ключа, выполненных на биполярной паре тиристоров, подключены соответственно к фазе В и фазам А и С, нуль-орган, датчик напряжения, пороговый элемент, четыре элемента "И", элемент задержки, источник управляющего напряжения, элемент "НЕ" и, состоящий из последовательно включенного сопротивления и тиристора, зарядный модуль, при этом элемент задержки может быть выполнен с фиксированным фазовым сдвигом на 180 эл. град. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкции аппаратов коммутации трехфазных батарей конденсаторов, используемых в системах электроснабжения переменного тока.

Известно устройство для подключения трехфазной конденсаторной батареи, соединенной в треугольник [Авторское свидетельство СССР №1288819, кл. H 02 J 3/18, 07.02.1987], содержащее три тиристора, один из которых зашунтирован встречно включенным диодом, зажимы для подключения фазовых конденсаторов конденсаторной батареи, первый и третий из которых подсоединены через зашунтированный диодом тиристор и два встречно включенных тиристора, а второй - непосредственно к соответствующим клеммам для подключения фаз питающей сети, два нуль-органа, включенных параллельно тиристорам, четыре элемента "И", датчик напряжения, пороговый элемент, элемент задержки и элемент "ИЛИ", причем вход третьего, зашунтированного диодом тиристора, соединен с выходом первого элемента "И", а вход первого и второго встречно включенных тиристоров - с выходом второго элемента "И", при этом первый вход первого и второго элемента "И" соединен с выходом соответствующих нуль-органов и, одновременно, первый вход первого элемента "И" соединен со вторым входом четвертого элемента "И", а первый вход второго элемента "И" - через элемент задержки со вторым входом элемента "ИЛИ", первый вход которого соединен с выходом третьего элемента "И", первый вход которого через пороговый элемент соединен с выходом датчика напряжения, включенного между первым и вторым зажимами для подключения фазовых конденсаторов, второй вход - с источником управляющего напряжения, выход элемента "ИЛИ" соединен со вторым входом первого элемента "И", а выход четвертого элемента "И" - со вторым входом второго элемента "И".

Основным недостатком данного устройства является отсутствие гальванической развязки цепи заряда конденсаторов трехфазной конденсаторной батареи, так как диод, шунтирующий третий тиристор, постоянно подключен к фазе питающей сети. Поэтому, в случае искажения синусоидальности кривой питающего напряжения, конденсаторы будут длительно, даже при отключенном положении тиристоров (отсутствии сигнала от источника управляющего напряжения), подвержены воздействию протекающих через диод импульсов тока гармонических составляющих, что может привести к нарушению их допустимого температурного режима, и, как следствие, преждевременному выходу из строя трехфазной конденсаторной батареи. Кроме того, схема управления тиристорами осуществляет только симметричное подключение конденсаторов трехфазной конденсаторной батареи, не позволяющее использовать ее в качестве элемента симметрирования нагрузки электрической сети.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение норм качества электроэнергии в системах электроснабжения переменного тока, за счет снижения уровня коммутационных перенапряжений, вызванных бросками тока при переключении трехфазной батареи конденсаторов и расширение функциональных возможностей ее применения для электрических сетей.

Такой технический результат достигается тем, что в устройство для коммутации трехфазной конденсаторной батареи, содержащее три конденсатора, соединенные треугольником, средняя вершина которого непосредственно, а крайние вершины через два силовых электронных ключа, выполненных на биполярной паре тиристоров, подключены соответственно к фазе В и фазам А и С, нуль-орган, включенный параллельно одному из силовых электронных ключей, датчик напряжения, подключенный к средней и, одноименной с фазой включения нуль-органа, крайней вершине треугольника соединения конденсаторов, пороговый элемент, вход которого соединен с выходом датчика напряжения, четыре элемента "И", причем выход нуль-органа подключен к первому входу первого элемента "И", выход которого соединен с управляющим электродом тиристоров силового электронного ключа, включенного параллельно нуль-органу, и через элемент задержки - с первым входом второго элемента "И", выход которого связан с управляющим электродом тиристоров второго силового электронного ключа, а второй вход - со вторым входом первого элемента "И" и выходом третьего элемента "И", на первый вход которого поступает сигнал с выхода порогового элемента, а на второй вход - от источника управляющего напряжения, введен элемент "НЕ" и, состоящий из последовательно включенного сопротивления и тиристора, зарядный модуль, включенный параллельно силовому электронному ключу, соединенному с нуль-органом, при этом управляющий электрод тиристора подключен к выходу четвертого элемента "И", на первый вход которого поступает сигнал от источника управляющего напряжения, а второй, через элемент "НЕ", соединен с выходом порогового элемента и первым входом третьего элемента, на второй вход четвертого и третий вход первого и второго элементов "И" поступает сигнал от источника управляющего напряжения, а элемент задержки выполнен с фиксированным фазовым сдвигом на 180 эл. град.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг.2 - диаграмма напряжений на конденсаторах трехфазной батареи, поясняющая работу устройства.

Устройство (фиг.1) содержит конденсаторы 1-3, соединенные треугольником в трехфазную батарею 4. При этом средняя вершина треугольника трехфазной батареи 4 (зажим вывода конденсаторов 1, 2) непосредственно, а две крайние вершины (зажимы вывода конденсаторов 1, 3 и 2, 3), через силовые электронные ключи 5 и 12, выполненные на биполярной паре однооперационных (SCR) тиристоров 6, 7 и 13, 14, подключены соответственно к фазе L2(В) и фазам L1(А) и L3(C). Кроме того, к средней и, одноименной с фазой включения нуль-органа 11, крайней вершине (двум зажимам выводов конденсатора 1) трехфазной батареи 4 подключен датчик напряжения 20, выход которого через пороговый элемент 19, предназначенный для задания уставки датчика напряжения 20, напрямую связан с первым входом элемента "И" 15 (третий элемент "И"), а через элемент "НЕ" 21 с первым входом элемента "И" 22 (четвертый элемент "И"). На второй вход элементов "И" 15, "И" 22 и третий вход элементов "И" 16 (первый элемент "И"), "И" 18 (второй элемент "И") поступает управляющий сигнал - U_y от источника управляющего напряжения (внешнего регулятора). Все логические элементы устройства - "И" 15, 16, 18, 22 и "НЕ" 21 реализуют потенциальный способ представления сигнала. Параллельно одному из силовых электронных ключей 5 или 12, например силовому электронному ключу 5, установлены нуль-орган 11 и зарядный модуль 8, состоящий из последовательно включенного сопротивления 9 и тиристора 10, управляющий электрод которого соединен с выходом элемента "И" 22. В свою очередь, управляющие электроды тиристоров 6, 7 силового электронного ключа 5 подключены к выходу элемента "И" 16, а управляющие электроды тиристоров 13, 14 силового электронного ключа 12 - к выходу элемента "И" 18. Выход элемента "И" 16 через элемент задержки 17, осуществляющий фиксированный фазовый сдвиг сигнала на 180 эл. град., соединен с первым входом элемента "И" 18, второй вход которого подключен к выходу элемента "И" 15 и второму входу элемента "И" 16, а первый вход элемента "И" 16 связан с выходом нуль-органа 11.

Устройство работает следующим образом. На первом этапе коммутации конденсаторы 1-3 трехфазной батареи 4 полностью разряжены, датчик напряжения 20, пороговый элемент 19 и элементы "И" 15, 22 выдают на выходе сигнал "0", тиристоры 6, 7, 10, 13, 14 выключены. Поскольку на первый вход элемента "И" 22 с выхода порогового элемента 21 элементом "НЕ" 21 инвертируется сигнал "1", после подачи источником управляющего напряжения на второй вход элемента "И" 22 управляющего сигнала U_y, равного "1" (точка 1, фиг.2), элемент "И" 22, произведя операцию конъюнкции, включит тиристор 10 зарядного модуля 8, который через сопротивление 9 предварительно зарядит положительной полуволной линейного напряжения АВ конденсатор 1 до максимального амплитудного значения напряжения сети - U_макс, (точка 2, фиг.2), а конденсаторы 2, 3 до вдвое меньшего значения напряжения (точка 3, фиг.2). По мере заряда конденсатора 1 напряжение на выходе датчика напряжения 20 повышается и при достижении заданной на пороговом элементе 19 уставки, равной величине U_макс., сформированный на выходе порогового элемента 19, сигнал "1" будет подан на вход элемента "НЕ" 21, выполняющего операцию отрицания - изменение значения сигнала на первом входе и, соответственно, на выходе элемента "И" 22 с "1" на "0", что приведет к закрытию тиристора 10 зарядного модуля 8 и прекращению заряда конденсаторов 1-3. Одновременно, сформированный на выходе порогового элемента 19, сигнал "1" будет подан на второй вход элемента "И" 15 и, при наличии сигнала U_y - "1" на его первом входе, пройдет на второй вход элемента "И" 16. Затем, на втором этапе коммутации трехфазной конденсаторной батареи 4, происходит поочередное подключение к сети конденсаторов 1 и 2, 3 с минимальным броском пускового тока. Для этого, генерируемый нуль-органом 11 при равнозначных потенциалах между точками его включения - фазой L1(А) и соответствующей крайней вершиной трехфазной батареи 4, в момент, когда первая после окончания заряда конденсатора 1 положительная полуволна напряжения АВ достигнет значения U_макс. (точка 4, фиг.2), сигнал "1" поступает на первый вход элемента "И" 16, на третьем входе которого должен присутствовать сигнал U_y - "1", логически умножается, и с выхода элемента "И" 16, одноименным сигналом "1", активируются тиристоры 6, 7 силового электронного ключа 5, подключая конденсатор 1 к фазам L1(A)-L2(В). Далее, по истечении выдержки времени элемента задержки 17, эквивалентной фиксированному фазовому сдвигу на 180 эл. град., сигнал 1, в момент, соответствующий равенству амплитуд линейных напряжений ВС и СА (точка 5, фиг.2), поступает на первый вход элемента "И" 18, с выхода которого, при наличии сигнала U_y - "1" на его третьем входе, активируются тиристоры 13, 14 силового электронного ключа 12, подключая конденсаторы 2, 3 трехфазной батареи 4 к фазам L2(B)-L3(C). Симметрирование двух и трехфазных нагрузок в сети подключения трехфазной батареи 4 обеспечивается за счет подачи источником управляющего напряжения разноименных сигналов U_y ("0" и "1") на третий вход элементов "И" 16, "И" 18, блокирующих работу одного из силовых электронных ключей 5, 12. Используя ограниченную управляемость SCR-тиристоров (невозможность выключения по управляющему электроду), отключение трехфазной батареи 4 от сети осуществляется одновременным снятием сигнала с управляющих электродов тиристоров 6, 7 и 13, 14 обоих электронных ключей 5, 12. Это приведет к закрытию тиристоров 6, 7 и 13, 14 при переходе протекающего в каждом из них тока через нулевое значение.

Предлагаемое устройство обеспечивает гальваническую развязку трехфазной конденсаторной батареи с сетью, позволяет осуществлять как симметричное, так и несимметричное подключение конденсаторов к сети питания без коммутационных бросков тока, имеет более простую, по сравнению с прототипом, схемотехнику выполнения.

1. Устройство для коммутации трехфазной конденсаторной батареи, содержащее три конденсатора, соединенные треугольником, средняя вершина которого непосредственно, а крайние вершины через два силовых электронных ключа, выполненных на биполярной паре тиристоров, подключены соответственно к фазе В и фазам А и С, нуль-орган, включенный параллельно одному из силовых электронных ключей, датчик напряжения, подключенный к средней и одноименной с фазой включения нуль-органа крайней вершине треугольника соединения конденсаторов, пороговый элемент, вход которого соединен с выходом датчика напряжения, четыре элемента И, причем выход нуль-органа подключен к первому входу первого элемента И, выход которого соединен с управляющим электродом тиристоров силового электронного ключа, включенного параллельно нуль-органу, и через элемент задержки - с первым входом второго элемента И, выход которого связан с управляющим электродом тиристоров второго силового электронного ключа, а второй вход - со вторым входом первого элемента И и выходом третьего элемента И, на первый вход которого поступает сигнал с выхода порогового элемента, а на второй вход - от источника управляющего напряжения, отличающееся тем, что в него введены элемент НЕ и состоящий из последовательно включенного сопротивления и тиристора зарядный модуль, включенный параллельно силовому электронному ключу, соединенному с нуль-органом, при этом управляющий электрод тиристора подключен к выходу четвертого элемента И, первый вход которого через элемент НЕ соединен с выходом порогового элемента и первым входом третьего элемента И, а на второй вход поступает сигнал от источника управляющего напряжения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на второй вход четвертого и третий вход первого и второго элементов И поступает сигнал от источника управляющего напряжения, а элемент задержки выполнен с фиксированным фазовым сдвигом на 180 эл. град.