СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ОТВЕТВЛЕНИЙ ОБМОТКИ ТРАНСФОРМАТОРА Российский патент 1997 года по МПК H02P13/06 G05F1/20 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения под нагрузкой силовых и преобразовательных трансформаторов.

Известен способ переключения ответвлений обмотки трансформатора путем снятия импульсов управления с тиристорного ключа, выходящего из работы, и одновременной их подачи на тиристорный ключ, вступающий в работу [1] Один тиристорный ключ соединен с ответвлением обмотки повышенного выходного напряжения, а другой пониженного. Указанное переключение осуществляется на интервалах времени между нулями напряжения на обмотке трансформатора и тока в ней с учетом характера нагрузки и регулирования на повышение или понижение напряжения. При регулировании токи в элементах конструкции (тиристорные ключи, ступень регулировочной обмотки) не выходят за допустимые пределы.

Способ не применим в случае малого угла сдвига между напряжением и током, а также при наличии пауз в кривой тока обмотки трансформатора, что характерно, например, для случая питания нагрузки постоянным током от диодного преобразователя, соединенного с трансформатором.

Упомянутые недостатки исключены в другом способе переключения ответвлений, согласно которому начало коммутации тиристорных ключей опережает момент прохождения нуля напряжения на ступени регулировочной обмотки на угол β [2] Угол опережения выбирается таким, чтобы интервал от момента завершения коммутации тиристорных ключей до нуля напряжения на ступени регулировочной обмотки был больше времени выключения тиристора. Если не выполняется указанное условие, то при регулировании на повышение выходного напряжения происходит срыв коммутации тиристорных ключей и короткое замыкание контура, включающего ступень регулировочной обмотки и тиристорные ключи. Ток короткого замыкания представляет опасность для тиристорных ключей и ступени регулировочной обмотки из-за термического и электродинамического воздействия.

Если же упомянутое условие выполняется, то при регулировании на понижение напряжения в контуре, включающем тиристорные ключи и ступень регулировочной обмотки, коммутирующий (циркулирующий) ток достигает недопустимой величины из-за его термического воздействия.

Целью изобретения является повышение надежности путем предотвращения срывов коммутации тиристорных ключей и исключения таких значений токов в элементах конструкции, которые превосходят допустимые значения.

Цель достигается тем, что в способе переключения ответвлений обмотки трансформатора путем снятия импульсов управления с тиристорного ключа, выходящего из работы, и одновременной их подачи на тиристорный ключ, вступающий в работу, в моменты времени, опережающие переход напряжения на ступени регулировочной обмотки через нулевое значение, при регулировании на повышение выходного напряжения трансформатора устанавливают момент опережения b₁, выбранный таким образом, чтобы с момента завершения коммутации тиристорных ключей до нуля напряжения на ступени регулировочной обмотки оставался интервал не менее времени выключения тиристора, а при регулировании на понижение выходного напряжения устанавливают момент опережения β₂, выбранный из условий допустимых значений токов в элементах конструкции, причем β₁ > β₂.

Работа тиристорного ключа, соединенного с ответвлением обмотки пониженного выходного напряжения, обеспечивается наличием непрерывных импульсов управления на обоих тиристорах указанного ключа. Если по условиям работы нагрузки следует повысить выходное напряжение трансформатора, то в момент опережения нуля напряжения на ступени регулировочной обмотки на β₁ снимают импульсы управления с работающего ключа и подают их на вступающий в работу ключ, соединенный с ответвлением обмотки повышенного выходного напряжения.

С момента подачи импульсов управления на тиристорный ключ, вступающий в работу, начинается коммутация тиристорных ключей, продолжительность которой равна γ₁. В течение интервала γ₁ токи текут по обоим ключам. Момент опережения β₁ выбирается таким, чтобы с момента завершения коммутации до нуля напряжения на ступени регулировочной обмотки оставался угол не меньше угла выключения тиристора, т.е.

β₁> γ₁+ ε,
где ε угол выключения тиристора.

Если выполняется неравенство, то при номинальной нагрузке трансформатора токи в элементах конструкции не выходят за амплитуды номинальных токов обмоток.

Если неравенство не выполняется, то после нуля напряжения на ступени регулировочной обмотки включается тиристорный ключ, вышедший из работы, и образуется короткозамкнутый контур, включающий оба тиристорных ключа и ступень регулировочной обмотки. При этом ток в контуре достигает ударного тока короткого замыкания трансформатора, представляющего опасность для элементов конструкции (тиристоров, регулировочной ступени обмотки).

Если по условиям работы следует понизить выходное напряжение трансформатора при работающем тиристорной ключе, который соединен с ответвлением обмотки повышенного выходного напряжения, то в момент опережения нуля напряжения на ступени регулировочной обмотки на b₂ снимают импульсы управления с работающего тиристорного ключа и подают на ключ, вступающий в работу. С этого момента начинается коммутация тиристорных ключей.

Амплитуда коммутирующего (циркулирующего) тока в контуре коммутации определяется вольтсекундным интегралом

где V_mcm амплитуда напряжения на ступени регулировочной обмотки,
L индуктивность контура коммутации,
ω угловая частота напряжения питающей сети.

Из формулы видно, что можно подобрать такое b₂, чтобы токи в элементах конструкции не превышали, например, номинальных токов обмоток трансформатора, что практически достигается при β₂ < β₁, так как индуктивность контура коммутации должна быть небольшой, чтобы не ухудшать энергические характеристики трансформатора.

При регулировании на понижения по способу, изложенному в прототипе, угол опережения нуля напряжения на ступени регулировочной обмотки должен быть равен углу β₁. Поэтому отношение амплитуд коммутирующих токов равно

т. е. в прототипе циркулирующий ток в контуре, содержащем тиристорные ключи и ступень регулировочной обмотки, существенно возрастает.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующая заявляемый способ переключения ответвлений обмотки; на фиг. 2 -диаграммы, поясняющие принцип работы схемы.

Устройство состоит из преобразовательного трансформатора 1 с ответвлением 2 обмотки повышенного выходного напряжения и ответвлением 3 пониженного выходного напряжения, последовательно с которыми включены тиристорные ключи соответственно 4 и 5. Ключ 4 содержит два противопараллельных тиристора 6 и 7. Ключ 5 соответственно содержит тиристоры 8 и 9.

Питание трансформатора осуществляется от источника переменного тока с выводами 10 и 11.

Система управления тиристорными ключами содержит датчики напряжения 12 и 13, подсоединенные к источнику питания с выводами 10 и 11. Выходы датчиков напряжения 12 и 13 соединены соответственно с первыми входами логических элементов И 14 и 15, вторые входы которых соединены цепями управления "выше" 16 и "ниже" 17. Выходы логических элементов И соединены с триггером 18, выходы которого соединены через согласующие цепи 19 и 20 с цепями управления тиристорных ключей 4 и 5. Датчики 12 и 13 выполнены на основе выпрямителя и нуль-органа и имеют выходные сигналы в виде прямоугольных импульсов. Задний фронт этих сигналов опережает переход напряжения через нуль на угол β₁ и β₂ соответственно датчиками 12 и 13. Углы β₁ и β₂ можно регулировать.

На фиг. 2 представлены диаграммы: а) напряжения u питающей сети (в другом масштабе напряжение на ступени регулировочной обмотки) и тока i обмотки трансформатора; токов i₂ и i₃ в тиристорных ключах при регулировании на повышение выходного напряжения; б) выходного сигнала с датчика напряжения 12; в) выходного сигнала с датчика напряжения 13; г) коммутирующего (циркулирующего) тока при регулировании на понижение напряжения.

Устройство работает следующим образом. Если работает тиристорный ключ 5, соединенный с ответвлением 3 пониженного выходного напряжения, то на тиристоры 8 и 9 ключа 5 поступают импульсы управления с согласующей цепи 20 по сигналу триггера 18. Так как напряжение источника питания с выводами 10 и 11 подается на полное число витков обмотки, то на выходе трансформатора пониженное напряжение.

Если по условиям работы нагрузки необходимо повысить выходное напряжение, то по цепи управления "выше" 16 подается сигнал на вход логического элемента 14. На выходе логического элемента 14 появляется сигнал, совпадающий по форме с сигналом на выходе датчика напряжения 12 (фиг. 2, б).

По заднему фронту первого сигнала с логического элемента 14 в момент времени, опережающий нуль напряжения на угол β₁ триггер 18 опрокидывается. При этом снимаются импульсы управления с тиристорного ключа 5 и практически одновременно подаются на ключ 4 с согласующей цепи 19. Начинается коммутации тиристорных ключей, которая продолжается в течение интервала γ₁. Длительность коммутации зависит от напряжения на ступени регулировочной обмотки, заключенной между ответвлениями 2 и 3, тока i обмотки, индуктивности L контура коммутации.

За время коммутации, под действием напряжения ступени регулировочной обмотки, ток i₃ ключа 5 падает до нуля, а ток i₂ ключа 4 принимает значение тока обмотки трансформатора (фиг. 2, а). Токи i₂ и i₃ ключей во время коммутации не превышает амплитуду тока i первичной обмотки трансформатора.

С момента завершения коммутации до нуля напряжение должен оставаться угол не меньше, чем требуется для выключения тиристора. Если упомянутый угол меньше, то образуется короткозамкнутый контур через тиристор, вступивший в работу, ключа 4, и тиристор, вышедший из работы, ключа 5, т.е. происходит срыв коммутации.

Если по условиям работы нагрузки требуется понизить выходное напряжение трансформатора, то по цепи управления "ниже" 17 на вход логического элемента 15 подается сигнал на понижение выходного напряжения. На выходе логического элемента 14 сигнал повторяет форму напряжения на выходе датчика напряжения 13 (фиг. 2, в).

По заднему фронту первого сигнала с логического элемента 15 в момент времени, опережающий нуль напряжения на угол β₂, триггер 18 опрокидывается. При этом одновременно снимаются импульсы управления с тиристорного ключа 4 и подаются на тиристорный ключ 5 с согласующей цепи 20. Начинается коммутация тиристорных ключей 4 и 5, которая через интервал γ₂ = 2β₂ завершается переходом тока первичной обмотки с ответвления 2 на ответвление 3. Например, для конкретной установки в производстве алюминия на основании опыта следует принять β₁= 45^°, β₂= 18^°, т. е отношение коммутирующих токов прототипа и заявляемого способа при регулировании на понижение напряжения равно
.

Токи в элементах конструкции при переключении ответвлений обмотки трансформатора не превышают амплитуды номинальных токов обмоток.

Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить надежность путем предотвращения срывов коммутации тиристорных ключей и исключения токов в элементах конструкции сверх допустимых, что не удается осуществить в прототипе, так как углы опережения при регулировании на повышение выходного напряжения в прототипе равны.

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения под нагрузкой силовых и преобразовательных трансформаторов. Сущность изобретения: изобретение решает задачу повышения надежности работы трансформатора с тиристорным переключающим устройством, содержащим два тиристорных ключа, подключенных к ответвлениям обмотки трансформатора, и систему управления. Система управления содержит два датчика напряжения, два логических элемента И, триггер и согласующие цепи, подключенные к цепям управления ключей. Повышение надежности работы достигается тем, что в способе переключения ответвлений обмотки трансформатора путем снятия импульсов управления с тиристорного ключа, выходящего из работы, и одновременной их подачи на тиристорный ключ, вступающий в работу, в моменты времени, опережающие переход напряжения на ступени регулировочной обмотки через нулевое значение, при регулировании на повышение выходного напряжения трансформатора устанавливают момент опережения β₁, выбранный таким образом, чтобы с момента завершения коммутации тиристорных ключей до нуля напряжения на ступени регулировочной обмотки оставался интервал не менее времени выключения тиристора, а при регулировании на понижение выходного напряжения устанавливают момент опережения β₂, выбранный из условий допустимых токов в элементах конструкции, причем β₁ > β₂. 2 ил.

Способ переключения ответвлений обмотки трансформатора путем снятия импульсов управления с тиристорного ключа, выходящего из работы, и одновременной их подачи на тиристорный ключ, вступающий в работу, в моменты времени, опережающие переход напряжения на ступени регулировочной обмотки через нулевое значение, отличающийся тем, что при регулировании на повышение выходного напряжения трансформатора устанавливают момент опережения β₁, выбранный таким образом, чтобы с момента завершения коммутации тиристорных ключей до нуля напряжения на ступени регулировочной обмотки оставался интервал не менее времени выключения тиристора, а при регулировании на понижение выходного напряжения устанавливают момент опережения β₂, выбранный из условий допустимых значений токов в элементах конструкции, причем β₁>β₂.ь