Корректор напряжения
Владельцы патента RU 2631862:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волжский государственный университет водного транспорта" (ФГБОУ ВО ВГУВТ) (RU)
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения генераторов трехфазного переменного тока автономных источников электрической энергии. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Схема устройства содержит в каждой фазе вольтодобавочные трансформаторы (1-1, 1-2 и 1-3), фазные блоки (2-1, 2-2 и 2-3) управления трансформаторами, каждый из которых имеет первый выпрямитель (3) однофазный однополупериодный, второй выпрямитель (4) однофазный мостовой, первый (5) и второй (6) ограничитель-формирователь, регистр памяти (7), формирователь (8) коротких импульсов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (9), элемент задержки (10), логический элемент исключающее ИЛИ (11), логический элемент НЕ (12), первый (13), второй (14), третий (15) и четвертый (16) электронные ключи, которые образуют коммутатор (17), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) (18), трехмерный блок памяти (19), вычитатель (20), суммирующий счетчик (21). В каждом блоке управления (2-1, 2-2 и 2-3) к разрядам входа второй координаты блока памяти подключены соответствующие разряды выхода задающего регистра (22), а к счетным входам счетчика (21) - выход генератора (23) импульсов стабильной частоты. Фазные нагрузки (24-1, 24-2 и 24-3) включены последовательно с вторичными обмотками соответствующих трансформаторов (1-1, 1-2 и 1-3). К сетевым зажимам (25-0, 25-1, 25-2 и 25-3) подключены соответствующие фазы трехфазного генератора (26) переменного тока с системой (27) регулирования возбуждения. Устройство имеет расширенные функциональные возможности: одновременно обеспечивает компенсацию искажения кривой переменного напряжения и небаланса фазных напряжений. 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения генераторов трехфазного переменного тока автономных источников электрической энергии.
Известны системы регулирования возбуждения и корректоры напряжения генераторов переменного тока /1, 2/.
Недостатком этих устройств является невозможность сохранения синусоидальной формы кривой напряжения при работе на нелинейную нагрузку, вызывающую высшие гармонические составляющие, и удовлетворительного коэффициента небаланса фазных напряжений при работе на переменную неоднородную несимметричную нагрузку, поскольку регулирование возбуждения производится для генератора в целом, а не для отдельных фаз.
Известен корректор небаланса фазных напряжений, содержащий три измерителя фазных напряжений, вариаторы, построенные на резисторах, включенные в каждую фазу, и схему управления /3/.
Недостатком корректора является потеря энергии на резисторах вариаторов и неспособность коррекции формы кривой напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство коррекции формы кривой напряжения содержащее генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в цепь которого последовательно включены переменная нелинейная нагрузка и вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу коммутатора, образованного с первого по восьмой электронными ключами, первый и второй выпрямители входы которых подключены к зажимам нагрузки, причем выход второго выпрямителя непосредственно связан с входом второго АЦП и через фильтр низких частот - с входом первого АЦП, разряды выхода которого соединены с соответствующими разрядами информационного входа третьего регистра памяти и первого входа числового компаратора, причем выход второго АЦП подключен к входу вычитаемого вычитателя, информационный выход которого подключен к входу ЦАП, а вход уменьшаемого соединен с выходом блока памяти, вход первой координаты которого связан с выходом суммирующего счетчика и входом второго регистра памяти, вход второй координаты - с выходом второго регистра памяти, а вход третьей координаты - с выходом первого регистра памяти, вход которого соединен с выходом третьего регистра памяти и вторым входом числового компаратора, выход БОЛЬШЕ которого через третий формирователь коротких импульсов подключен к входу записи третьего регистра памяти, сбросовый вход которого соединен со сбросовым входом суммирующего счетчика, связанного счетным входом с выходом генератора стабильных импульсов, и выходом элемента задержки, вход которого связан с входами записи первого и второго регистров памяти и выходом элемента ИЛИ, первый вход которого через первый формирователь коротких импульсов подключен к выходу формирователя-ограничителя, соединенному с входом элемента НЕ, выход которого через второй формирователь коротких импульсов связан с вторым входом элемента ИЛИ и сбросовым входом RS-тригтера, единичный вход которого подключен к выходу первого формирователя коротких импульсов, прямой выход - к управляющим электродам пятого и шестого электронных ключей, а инверсный выход - к управляющим электродам седьмого и восьмого электронных ключей, при этом выход последнего объединен с выходом пятого электронного ключа и соединен с первым зажимом первичной обмотки трансформатора, второй зажим которой подключен к выходам шестого и седьмого электронных ключей, вход последнего из которых объединен с входом пятого электронного ключа и подключен к объединенному выходу первого и третьего электронных ключей, причем входы третьего и второго электронного ключа подключены к выходу ЦАП, входы первого и четвертого электронного ключа - к зажиму МАССА, а управляющие электроды первого и второго электронного ключа соединены с выходом признака положительной разности вычитателя, выход признака отрицательной разности которого соединен с управляющими электродами третьего и четвертого ключа, кроме того выходы второго и четвертого электронного ключа объединены и подключены к входам шестого и восьмого электронного ключа /4/.
Недостатком устройства является невозможность сохранения удовлетворительного коэффициента небаланса фазных напряжений при работе на переменную неоднородную несимметричную нагрузку.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.
Цель изобретения достигается тем, что корректор, содержащий трехфазный генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в фазы которого последовательно включены переменная неоднородная нелинейная нагрузка и вторичные обмотки вольтодобавочных трансформатора, первичные обмотки которых подключены к выходам коммутатора соответствующего фазного блока управления, каждый из которых кроме того имеет: формирователь коротких импульсов, логический элемент НЕ, первый и второй выпрямители, входы которых подключены к соответствующим фазам нагрузки, причем выход первого выпрямителя подключен к входу первого ограничителя-формирователя, а выход второго выпрямителя связан с входом АЦП, разряды выхода которого подключены к соответствующим разрядам входа вычитаемого вычитателя, подключенного разрядами выхода к соответствующим разрядам входа ЦАП, а вход уменьшаемого вычитателя соединен с выходом блока памяти, вход третьей координаты которого связан с выходом регистра памяти, а вход первой координаты которого - с выходом суммирующего счетчика, счетный вход которого подключен к выходу генератора импульсов стабильной частоты, а сбросовый вход - с выходом элемента задержки, снабжен задающим регистром и в каждом фазном блоке управления логическим элементом исключающее ИЛИ и вторым ограничителем-формирователем, к входу которого подключен выход второго выпрямителя, а выход через формирователь коротких импульсов соединен с входом элемента задержки и входом записи регистра памяти, причем выход первого ограничителя-формирователя подключен к первому входу логического элемента исключающее ИЛИ, связанного вторым входом с выходом признака положительной разности вычитателя, а выходом - непосредственно с входами управления первого и четвертого электронного ключа коммутатора и через логический элемент НЕ - с входами управления второго и третьего электронного ключа коммутатора, один полюс выхода которого образован объединенными выходами первого и второго электронного ключа, а второй полюс - третьего и четвертого электронного ключа, при этом входы первого и третьего электронного ключа коммутатора подключены к выходу ЦАП, а входы второго и четвертого ключа - к зажиму МАССА, кроме того соответствующие разряды входа второй координаты блоков памяти фазных блоков управления объединены и подключены к соответствующим разрядам выхода задающего регистра, а счетные входы суммирующих счетчиков фазных блоков управления также объединены и подключены к выходу генератора импульсов стабильной частоты.
Задающий регистр и его связи обеспечивают одинаковые уровни всех фазных напряжений. Второй ограничитель-формирователь фазных блоков управления и его связи организуют измерение частоты. Логический элемент исключающее ИЛИ и его связи обеспечивают выбор момента коммутации электронных ключей и определяют полярность напряжения вольтодобавки.
На фиг. 1 представлена схема корректора напряжения, на фиг. 2 - эпюры сигналов на основных элементах схемы.
Схема корректора напряжения (фиг. 1) содержит в каждой фазе воль-тодобавочные трансформаторы 1-1, 1-2 и 1-3, фазные блоки 2-1, 2-2 и 2-3 управления трансформаторами, каждый из которых имеет первый выпрямитель 3 однофазный однополупериодный, второй выпрямитель 4 однофазный мостовой, первый 5 и второй 6 ограничитель-формирователь, регистр памяти 7, формирователь 8 коротких импульсов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, элемент задержки 10, логический элемент исключающее ИЛИ 11, логический элемент НЕ 12, первый 13, второй 14, третий 15 и четвертый 16 электронные ключи, которые образуют коммутатор 17, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 18, трехмерный блок памяти 19, вычитатель 20, суммирующий счетчик 21. В каждом блоке управления 2-1, 2-2 и 2-3 к разрядам входа второй координаты блока памяти подключены соответствующие разряды выхода задающего регистра 22, а к счетным входам счетчика 21 - выход генератора 23 импульсов стабильной частоты. Фазные нагрузки 24-1, 24-2 и 24-3 включены последовательно с вторичными обмотками соответствующих трансформаторов 1-1, 1-2 и 1-3. К сетевым зажимам 25-0, 25-1, 25-2 и 25-3 подключены соответствующие фазы трехфазного генератора 26 переменного тока с системой 27 регулирования возбуждения.
Схема работает следующим образом. На выходе задающего регистра 22 устанавливают код KUm амплитуды Um заданного напряжения, который подается на вход второго адреса регистра памяти 19 и связан с амплитудой Um выражением
где ΔU9 - шаг квантования АЦП 9.
При появлении положительной полуволны напряжения u(t) (фиг. 2) на нагрузке 24-1 первой фазы она подается на измерительный вход первого блока управления 2-1, и проходит через выпрямитель 3, поступая на вход ограничителя-формирователя 5. На выходе ограничителя-формирователя 5 появляется прямоугольный импульс Х5, длительность которого равна полупериоду при положительной полуволне напряжения u(t) на нагрузке 24-1 и напряжения uC(t) на шинах 25 источника. Этот импульс Х5 поступает на первый вход элемента 11 исключающее ИЛИ.
Одновременно напряжение u(t) с нагрузки 24-1 поступает на вход второго выпрямителя 4, и на его выходе появляется пульсирующее напряжение 
, которое поступает на вход АЦП 9. На выходе АЦП 9 появляется код KU мгновенного напряжения u(t), который поступает на вход В (вычитаемого) вычитателя 20. Код KU связан с напряжением u(t) выражением
Кроме того, напряжение с выхода выпрямителя 4 поступает на вход формирователя-ограничителя 6, на выходе которого появляется импульс с длительностью равной полупериоду напряжения u(t). По фронту этого импульса формирователь 8 вырабатывает короткий импульс, проходящий через элемент 10 задержки на сбросовый вход счетчика 21, который обнуляется. На счетный вход счетчика 21 поступают импульсы стабильной частоты с выхода генератора 23. На выходе счетчика 21 появляется код Kt текущего времени t, которое связано с кодом Kt выражением
где ТЭ - период следования импульсов с выхода генератора 23.
Код Kt текущего времени поступает на вход первого адреса (адреса текущего времени) блока 19 памяти. По окончании полупериода с приходом очередной полуволны напряжения u(t) импульсом с выхода формирователя 8 в регистр 7 записывается код КТ полупериода напряжения u(t), который связан с периодом T напряжения u(t) выражением
С выхода регистра 7 код КТ полупериода напряжения u(t), поступает на вход третьего адреса (адреса периода) блока памяти 19.
В ячейках блока памяти 19 записаны коды KUC мгновенных значений эталонного напряжения uЭ(t) с идеально синусоидальной формой, которые связаны выражением
где 
В зависимости от текущего времени, амплитуды и периода напряжения u(t) на выходе блока памяти 19 появляется соответствующий код KUC эталонного напряжения, который поступает на вход А (уменьшаемого) вычитателя 20.
На выходе вычитателя 20 появляется код КД разности или отклонения мгновенного значения напряжения нагрузки от эталонного напряжения
Этот код КД поступает на вход ЦАП 18, и на его выходе появляется напряжение
где ΔU18 - шаг квантования ЦАП 18
КВД - коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора 1
UД - напряжение на вторичной обмотке трансформатора 1.
Мгновенное значение напряжения u18(t) с выхода ЦАП 18, поступает на коммутатор 17, построенный на электронных ключах 13…16 и который задает направление коррекции напряжения, путем изменения полярности напряжения u18(t), следующим образом.
Если напряжение u(t) имеет положительные мгновенные значения (положительная полуволна (интервал времени t1-t6, на фиг. 2), сигнал с выхода формирователя 5 поступает на первый вход элемента исключающее ИЛИ 11, и если одновременно мгновенные значения u(t) меньше мгновенных значений эталонного напряжения uЭ(t), когда присутствует сигнал Х20(1) на выходе признака положительной разности вычитателя 20 (интервал времени t1-t2, фиг. 2), то сигнал X11 на выходе элемента исключающее ИЛИ 11 отсутствует. Поэтому появляется сигнал X12 на выходе элемента НЕ 12, который поступает на управляющие электроды ключей 14 и 15, открывая их. Через открытые ключи 14 и 15 к первичной обмотке трансформатора 1-1 подается напряжение с выхода ЦАП 18 в прямой полярности. В результате на вторичной обмотке трансформатора 1-1 появляется напряжение uД(t), которое складывается с напряжением на нагрузке u(t), и мгновенное значение сетевого напряжения uС(t) возрастает приближаясь к эталонному напряжению uЭ(t). Аналогично протекает процесс на интервалах времени t3-t4 и t5-t6 (фиг. 2).
Если при положительных мгновенных значениях напряжения u(t), оно оказывается больше мгновенных значений эталонного напряжения uЭ(t), когда отсутствует сигнал Х20(1) на выходе признака положительной разности вычитателя 20 (интервал времени t2-t3, фиг. 2), появляется сигнал X11 на выходе элемента исключающее ИЛИ 11, а сигнал на выходе элемента НЕ 12 исчезает. При этом включаются электронные ключи 13 и 16, и на первичную обмотку трансформатора 1-1 подается напряжение с выхода ЦАП 18 с обратной полярностью. На вторичной обмотке трансформатора 1-1 появляется напряжение uД(t), которое вычитается из напряжения u(t), поддерживая мгновенное значение сетевого напряжения uC(t) на уровне эталонного uЭ(t) напряжения. На интервале времени t4-t5 (фиг. 2) корректор работает аналогично.
Если напряжение u(t) имеет отрицательные мгновенные значений (отрицательная полуволна, интервал времени t6-t11, фиг. 2), сигнал на выходе формирователя 5, который поступает на первый вход элемента исключающее ИЛИ 11, отсутствует. При отклонении мгновенного значения напряжения u(t) в меньшую сторону по модулю (интервал времени t6-t7 фиг. 2) относительно эталонного напряжения u(t) код KUC на первом входе А вычитателя 17 больше кода KU на его втором входе В, поэтому присутствует сигнал Х20(1) на выходе признака положительной разности вычитателя 20. Этот сигнал Х20(1) поступает на второй вход элемента исключающее ИЛИ 11, на выходе которого появляется сигнал X11 которым открываются электронные ключи 13 и 16. Через открытые ключи 13 и 16 напряжение с выхода ЦАП 18 поступает на первичную обмотку трансформатора 1-1. При этом на вторичной обмотке трансформатора 1-1 появляется напряжение uд(t), совпадающее по фазе с напряжением u(t), что приводит к коррекции кривой напряжения uC(t) в сторону увеличения по модулю. Аналогично протекает процесс на интервалах времени t8-t9 и t10-t11 (фиг. 2). Если при отрицательных мгновенных значениях напряжения u(t), оно отклоняется в большую сторону по модулю от эталонного (интервал времени t7-t8, фиг. 2), то сигнал Х20(1) на выходе признака положительной разности 20 отсутствует. Поэтому сигнал на выходе элемента исключающее ИЛИ 11 отсутствует, но появляется сигнал X12 на выходе элемента НЕ 12, которым открываются ключи 14 и 15. С выхода ЦАП 18 через ключи 14 и 15 подается напряжение, которые обеспечивает уменьшение по модулю мгновенных значений напряжения uC(t) до эталонного напряжения. Аналогично протекает процесс на интервале времени t9-t10 (фиг. 2).
В результате в любой момент времени на вторичной обмотке трансформатора 1-1 появляется напряжение uД(t), которое корректирует мгновенное значение напряжения сети uC(t), приближая его форму к идеальной синусоиде uЭ(t)
Аналогично происходит коррекция кривой напряжения в других фазах, при этом работают вольтодобавочные трансформаторы 1-2 и 1-3 соответственно с блоками управления 2-2 и 2-3. Причем во всех трех фазах амплитуды напряжения равны и соответствуют уровню заданному регистром 22.
Таким образом, наблюдается расширение функциональных возможностей за счет одновременного приближения формы кривой напряжения к идеальной синусоиде и устранения дисбаланса фазных напряжений.
Погрешность коррекции кривой напряжения зависит от разрядности N цифровых элементов, входящих в схему устройства. При N=10 погрешность не превышает 0,001.
Коэффициент Кнеб небаланса фазных напряжений зависит от шага квантования ΔU18 АЦП 9 и ЦАП 18
где Umax - наибольшее фазное напряжение;
Umin - наименьшее фазное напряжение;
Uном - номинальное фазное напряжение.
При N=10 коэффициент Кнеб небаланса не превышает 0,001.
Источники информации
1. Сугаков В.Г. Системы автоматического регулирования параметров электрической энергии судовых электростанций. Ч. 2. Автоматическое регулирование напряжения судовых источников электрической энергии: учеб. пособие / В.Г. Сугаков, О.С. Хватов. - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2011. 180 с.
2. Патент на изобретение №25233005 по заявке 2013108756 от 27.02.2013, кл. Н02Р 9/14.
3. Патент на изобретение №2580941 по заявке 2014152161/07 от 22.12.2014, кл. Н02Р 9/14.
4. Патент на изобретение №2580944 по заявке 2014143243/07 от 27.10.2014, кл. Н02Р 9/14.
Корректор напряжения, содержащий трехфазный генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в фазы которого последовательно включены переменная неоднородная нелинейная нагрузка и вторичные обмотки вольтодобавочных трансформаторов, первичные обмотки которых подключены к выходам коммутатора соответствующего фазного блока управления, каждый из которых, кроме того, имеет: формирователь коротких импульсов, логический элемент НЕ, первый и второй выпрямители, входы которых подключены к соответствующим фазам нагрузки, причем выход первого выпрямителя подключен к входу первого ограничителя-формирователя, а выход второго выпрямителя связан с входом АЦП, разряды выхода которого подключены к соответствующим разрядам входа вычитаемого вычитателя, подключенного разрядами выхода к соответствующим разрядам входа ЦАП, а вход уменьшаемого вычитателя соединен с выходом блока памяти, вход третьей координаты которого связан с выходом регистра памяти, а вход первой координаты которого - с выходом суммирующего счетчика, счетный вход которого подключен к выходу генератора импульсов стабильной частоты, а сбросовый вход - с выходом элемента задержки, отличающийся тем, что с целью расширения функциональных возможностей снабжен задающим регистром, и в каждом фазном блоке управления логическим элементом исключающее ИЛИ и вторым ограничителем-формирователем, к входу которого подключен выход второго выпрямителя, а выход через формирователь коротких импульсов соединен с входом элемента задержки и входом записи регистра памяти, причем выход первого ограничителя-формирователя подключен к первому входу логического элемента исключающее ИЛИ, связанного вторым входом с выходом признака положительной разности вычитателя, а выходом - непосредственно с входами управления первого и четвертого электронного ключа коммутатора и через логический элемент НЕ - с входами управления второго и третьего электронного ключа коммутатора, один полюс выхода которого образован объединенными выходами первого и второго электронного ключа, а второй полюс - третьего и четвертого электронного ключа, при этом входы первого и третьего электронного ключа коммутатора подключены к выходу ЦАП, а входы второго и четвертого ключа - к зажиму МАССА, кроме того, соответствующие разряды входа второй координаты блоков памяти фазных блоков управления объединены и подключены к соответствующим разрядам выхода задающего регистра, а счетные входы суммирующих счетчиков фазных блоков управления также объединены и подключены к выходу генератора импульсов стабильной частоты.
