Способ регулирования трехфазного синусоидального напряжения
Владельцы патента RU 2510123:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "КнАГТУ") (RU)
Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовой электронике, и может быть использовано в системах электроснабжения промышленных и агропромышленных предприятий, в состав потребителей которых входят электронагревательные установки для регулирования или стабилизации трехфазного напряжения. Способ регулирования трехфазного синусоидального напряжения основан на чередовании подключения обмотки возбуждения вольтодобавочного трансформатора или к источнику трехфазного напряжения, или к трехфазному резистору. Переключения осуществляются трехфазным полупроводниковым ключом. При этом колебательным контуром, образованным последовательной обмоткой вольтодобавочного трансформатора и конденсатором, формируют антиискажения тока и, суммируя их с током первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, обеспечивают синусоидальный ток сети, синусоидальное напряжение у потребителя. Технический результат - уменьшение потерь у потребителей в одном или нескольких силовых трансформаторах и в линии электропередач и полезное использование энергии потерь на производственные нужды. Наиболее целесообразной областью применения являются предприятия агропромышленного комплекса, в состав потребителей которых входят электронагревательные установки. 5 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности, к силовой электронике и может быть использовано в системах электроснабжения промышленных и агропромышленных предприятий, в состав потребителей которых входят электронагревательные установки для регулирования или стабилизации трехфазного напряжения.
Известны способы регулирования трехфазного напряжения, которые основаны на чередовании режимов положительной и отрицательной вольтодобавки с режимом закоротки вольтодобавочного трансформатора при помощи электронного коммутатора (см. книгу Импульсное регулирование переменного напряжения Б.К. Жарский, В.В. Голубев Препринт - 96 ИЭД АК УССР, Киев, 1975 - 60 с). Известен также способ регулирования трехфазного напряжения, который за счет симметричных и асимметричных чередований режимов вольтодобавки, вольтовычета и закоротки, обеспечивает шестидиапазонное регулирование с улучшенным гармоническим составом трехфазного напряжения (Патент 2232078 РФ, МКИ G05F 1/30, 7 Н02М 5/257. Способ регулирования трехфазного напряжения / B.C. Климаш (Россия) // Открытия. Изобретения, 2002, №25, с.573-574).
Недостатком всех этих способов является искажение формы напряжения у потребителей и формы тока в трансформаторном оборудовании и в сети, а также сложность электронного коммутатора и его системы управления.
Наиболее близким к предлагаемому является способ, основанный на чередовании режима вотльтодобавки с дроссельным режимом с частотой превышающей частоту сети и плавным переходом от полной вольтодобавки до полного вольтовычитания с заданной глубиной модуляции, например, ±10%. Причем верхний предел напряжения потребителей, в состав которых входит основной электронагревательный элемент, определяется коэффициентом трансформации вольтодобавочного трансформатора, а нижний предел величиной добавочного сопротивления в качестве, которого используется дополнительный электронагревательный элемент.
Этот способ позволяет, при помощи одного транзистора регулировать или стабилизировать трехфазное напряжение на входе одной или нескольких трансформаторных подстанций и у потребителей. Он реализует регулирование с высоким быстродействием, при помощи простой силовой схемы и системы управления.
Однако и этому способу регулирования присуще существенные недостатки, которые заключается в искажении формы напряжения у питания потребителей и формы тока в силовом трансформаторе подстанции и в сети.
Задачей предлагаемого способа регулирования трехфазного напряжения является сохранение синусоидальной формы напряжения питания потребителей и формы тока в силовом трансформаторе и в сети.
Решение поставленной задачи достигается тем, что формируют антиискажения тока для первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора посредством колебательного контура, созданного на основе этой обмотки, и суммируют ток первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора с антиискажениями.
Техническим результатом является уменьшение потерь у потребителей в одном или нескольких силовых трансформаторах и в линии электропередач и полезное использование энергии потерь на производственные нужды.
Сущность предлагаемого способа поясняется ниже описанием и прилагаемым чертежом, где на фиг.1 представлены физические процессы, иллюстрирующие процесс формирования антиискажения тока первичной цепи, суммирование их с искаженным током первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора посредством колебательного контура и обеспечение синусоидальности тока в силовом трансформаторе подстанции и в сети и напряжения питания потребителей, а на фиг.2 - устройство, реализующее предложенный способ.
На фиг.1 представлены режим вольтодобавки (фиг.1, а), режим вольтовычета (фиг.1, б) и введены следующие обозначения:
IC=I1=Iв+IK - ток сети и через первичную обмотку силового трансформатора (сумма токов через первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора и конденсатор);
UC - напряжение сети;
UH - напряжение нагрузки;
Uд - напряжение вольтодобавки;
I1 - ток через первичную обмотку силового трансформатора;
Iн - ток нагрузки;
Iв - ток первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора;
UK - напряжение на конденсаторе;
IК - ток конденсатора (антиискажения тока в силовом трансформаторе и в сети).
Указанные обозначения физических процессов получены в среде Matlab на модели, приведенной на фиг.3.
На фиг.2 введены следующие обозначения:
Силовой 1 и вольтодобавочный 2 трансформаторы, полупроводниковый ключ 3 с системой управления 4, блок фильтро-компенсирующих конденсаторов 5, электронагреватель 6 с основным 7 и дополнительным 8 элементами, нагрузку 9, к которой относятся наиболее критичные к качеству напряжению потребители, сеть 10.
Способ функционирует следующим образом.
В каждой фазе из тока первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора выделяют первую гармонику путем суммирования тока этой обмотки с антиискажениями, которые получают в колебательном контуре, образованном индуктивностью первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 и конденсатором. Энергия для поддержания генерации антиискажений поступает из вторичной цепи вольтодобавочного трансформатора и импульсным способом при помощи электронного ключа добавляется в колебательный контур. При полностью включенном и полностью выключенном полупроводниковом ключе конденсатор колебательного контура не участвует в работе, вследствие того, что его сопротивление во много раз больше первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора. При данном способе регулирования дополнительная активная энергия при вольтоприбавлении направлена из сети в нагрузку, а при вольтовычитании избыточная энергия нагрузки потребляется добавочным сопротивлением.
При пониженном напряжении в сети 10 полупроводниковый ключ 3 включен, и вольтодобавочный трансформатор повышает напряжение на входе силового трансформатора 1 и на нагрузке 9 до заданного уровня за счет наведения на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 2 ЭДС, синфазной с напряжением сети 10. В режиме полной вольтодобавки дополнительный элемент 8 электронагревателя 6 закорочен открытым полупроводниковым ключом 3 и обесточен, т.е. вспомогательный электронагреватель отключен.
При повышении напряжения в сети 10 устройство уменьшает длительность проводящего состояния полупроводникового ключа 3 внутри каждого периода коммутации напряжения нагрузки. При этом происходит изменение величины и направления основного магнитного потока вольтодобавочного трансформатора и на его первичной обмотке наводится противофазная по отношению к напряжению сети ЭДС, сохраняющая тем самым напряжение на нагрузке 9. При этом на интервалах запертого состояния полупроводникового ключа 3 в работу вступает дополнительный элемент 8 электронагревателя 6.
Величина сопротивления дополнительного нагревательного элемента 8 выбирается из условия обеспечения нижнего предела стабилизации, при котором полупроводниковый ключ 3 полностью выключен. Дополнительный нагревательный элемент 8 в режиме полного вольтовычета выполняет роль защиты трехфазного полупроводникового ключа 3 от перенапряжений.
Проверка функционирования способа выполнена в результате численных экспериментов на блочно-модульной математической модели в среде Matlab.
Схема блочно-модульной математической модели приведена на фиг.3. В ее состав входит трехфазная сеть и нагрузка, силовой (СТ) и вольтодобавочный (ВДТ) трансформаторы, основной (ЭН1) и дополнительный (ЭН2) нагревательные элементы, полупроводниковый ключ, выполненный на IGBT-транзисторе, система управления полупроводниковым ключом (СУ-ТК) включенного в диагональ трехфазного мостового диодного выпрямителя (ДВ), конденсатор (С) колебательного контура.
Результаты экспериментов, которые производились без конденсатора и с ним представлены на фиг.4 и фиг.5. Они показывают единство природы возникновения искажений входного тока (фиг.4) и выходного напряжения (фиг.5) и способа для их устранения. На фиг.4 показаны формы тока сети в одной фазе без колебательного контура (кривая 1) и с колебательным контуром (кривая 2). На фиг.5 - формы напряжений нагрузки одной фазы без колебательного контура (а) и с колебательным контуром (б).
Колебательный контур полностью убирает искажения в кривой входного тока во всем диапазоне регулирования (стабилизации) напряжения у потребителей. При данном способе следствием фильтрации тока является устранение искажений в кривой выходного напряжения.
Предлагаемый способ, как более совершенный, может найти применение для регулирования и стабилизации трехфазного синусоидального напряжения. Наиболее целесообразной областью применения является предприятия агропромышленного комплекса, в состав потребителей которых входят электронагревательные установки.
Способ регулирования трехфазного синусоидального напряжения, основанный на чередовании режима вольтодобавки и дроссельного режима вольтодобавочного трансформатора, путем замыкания и размыкания одних концов вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, к которой также подключено добавочное сопротивление, в то время, как ее другие концы подключены к вторичной обмотке силового трансформатора, а первичные обмотки вольтодобавочного и силового трансформатора соединены последовательно и подключены к сети, при этом размыкание и замыкание вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора осуществляется, например, трехфазным полупроводниковым ключом, и верхний предел регулирования задается коэффициентом трансформации вольтодобавочного трансформатора, а нижний добавочным сопротивлением, отличающийся тем, что формируют антиискажения тока для первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора посредством колебательного контура, созданного на основе этой обмотки, и суммируют ток первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора с антиискажениями.
