СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОСЕТЯХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H02M5/12 H02M5/257 

Изобретение относится к силовой электронике и электротехнике и может быть использовано для экономии электроэнергии и повышения качества ее при электропитании цехов предприятий и жилых микрорайонов.

Для стабилизации и регулирования под нагрузкой параметров электроэнергии известен способ механического переключения отводов регулировочной обмотки трансформатора с разрывом дуги тока в масле или вакууме (см. Порудоминский В.В. Трансформаторное и реакторное оборудование для регулирования напряжения и реактивной мощности. - М.: ВИНИТИ, 1984, с.10-12).

Известный способ характеризуется высокими затратами активных материалов и большими эксплуатационными издержками в связи с повышенным электроизносом механических контактов, необходимостью периодической ревизии механических устройств из-за смены изношенных контактов, загрязненностью масла, а также низким быстродействием.

Для стабилизации и регулирования под нагрузкой параметров электроэнергии известен способ бесконтактной коммутации на основе использования трансформаторно-тиристорных преобразователей (см. Шидловский А.К. и др. Стабилизация параметров электрической энергии в распределительных сетях. - Киев: Наукова думка, 1989, с.198-200).

Известный способ требует повышенных затрат активных материалов на изготовление трансформаторов и большого количества используемых тиристорных ключей в связи с соединением первичной обмотки трансформаторов по схеме "встречный зигзаг".

Известен способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях, в соответствии с которым на участке цепи между зажимами питающей сети и зажимами электроприемников, трансформируют напряжение с помощью сетевого трансформатора и формируют различные по величине и фазе добавочные напряжения путем переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения обмоток трансформаторов последовательно соединенных трансформаторно-тиристорных модулей (см. патент России 2119229, кл. Н 02 М 5/12, G 05 F 1/253, 1998 - прототип).

Известно устройство для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях, содержащее сетевой двухобмоточный трансформатор, группу из "n" трансформаторно-тиристорных модулей (где n=1, 2, 3,...), первичные обмотки соответственно "n" трансформаторов которых соединены последовательно, а также блоки тиристорных ключей по числу "n" трансформаторно-тиристорных модулей и функциональный блок, вырабатывающий сигналы о величине напряжения и фазовом угле нагрузки и входящий в систему программного управления устройством, выходные зажимы которой через блоки выходных каскадов подключены к управляющим электродам тиристорных ключей трансформаторно-тиристорных модулей (см. патент России 2119229, кл. Н 02 М 5/12, G 05 F 1/253, 1998 - прототип).

Известные способ и устройство не обеспечивают широких функциональных возможностей по сохранению на заданном уровне отдельных параметров электрической энергии и регулирования других в необходимых пределах. Поэтому требуют больших затрат активных материалов для изготовления устройства и приводят к повышенным потерям электроэнергии в элементах питающей сети и устройства при ее транспорте до зажимов электроприемников. А в самих электроприемниках при работе наблюдается повышенный расход электроэнергии в силу недостаточного качества питающей электроэнергии. Это объясняется действием нескольких основных причин. Одной из них является то, что известные способ и устройство не позволяют автоматически компенсировать потребляемую электроприемниками реактивную мощность. Последняя проходит по обмоткам сетевого трансформатора и фазам питающей сети, увеличивая примерно в раз величину потребляемого тока, а также в 2 раза потери электроэнергии при ее транспорте. Другая причина заключается в том, что известные способ и устройства не симметрируют потребляемую электроприемниками активную мощность по фазам питающей сети. Следовательно, дополнительно увеличиваются потери электроэнергии, а на зажимах электроприемников наблюдается "перекос" питающих напряжений по фазам. Последнее приводит к повышенному нагреву электродвигателей в процессе работы и преждевременному выходу их из строя. Третья причина состоит в отсутствии у известного устройства возможности регулирования напряжения по заданной программе (в том числе и в сторону его понижения) на входных зажимах сетевого трансформатора в ночные часы и праздничные дни (нерабочее время). Это не позволяет существенно сократить пережог электроэнергии в самом сетевом трансформаторе и электроприемниках, которые в нерабочее время остаются под нагрузкой.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях и сокращение расхода активных материалов на изготовление устройства для его реализации.

Технический результат заключается в том, что появляется возможность создать ресурсо- и энергосберегающий сетевой трансформатор, который в узле электрической сети обеспечивает автоматическое и бесконтактное регулирование напряжения по заданной программе или стабилизацию его. Кроме того, он обеспечивает компенсацию реактивной мощности и симметрирование по фазам потребляемой ими активной мощности. Все это в комплексе позволяет более чем в полтора раза уменьшить расход активных материалов на изготовление трансформаторного оборудования устройства, а также на 30% сократить потребление электроэнергии на единицу получаемого полезного продукта.

Этот технический результат достигается тем, что в способе стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях, в соответствии с которым на участке цепи между зажимами питающей сети и зажимами электроприемников трансформируют напряжение с помощью сетевого трансформатора и формируют различные по величине и фазе добавочные напряжения путем переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения обмоток трансформаторов последовательно соединенных трансформаторно-тиристорных модулей, при создании ресурсе- и энергосберегающего сетевого трансформатора аналогичные добавочные напряжения формируют на участке цепи между зажимами питающей сети и соответствующими входными зажимами различных фаз первичной обмотки сетевого трансформатора путем использования части упомянутых выше трансформаторно-тиристорных модулей, а с помощью другой их части формируют добавочные напряжения в цепях, которые включены параллельно электроприемникам нагрузки между выходными зажимами различных фаз вторичной обмотки сетевого трансформатора и содержат последовательно соединенные конденсаторную батарею и первичные обмотки трансформаторов другой части трансформаторно-тиристорных модулей.

Этот технический результат достигается также тем, что в устройстве для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях, содержащем сетевой двухобмоточный трансформатор, группу из "n" трансформаторно-тиристорных модулей (где n=1, 2,...), первичные обмотки соответственно "n" трансформаторов которых соединены последовательно, а также блоки тиристорных ключей по числу "n" трансформаторно-тиристорных модулей и функциональный блок, вырабатывающий сигналы о величине напряжения и фазовом угле нагрузки и входящий в систему программного управления устройством, выходные зажимы которой через блоки выходных каскадов подключены к управляющим электродам тиристорных ключей трансформаторно-тиристорных модулей, при создании ресурсо- и энергосберегающего сетевого трансформатора зажимы различных фаз питающей сети соединены с соответствующими входными зажимами цепей, содержащих одноименные фазы первичных обмоток трансформаторов первой части группы трансформаторно-тиристорных модулей, выходные зажимы этих цепей подключены к входным зажимам соответствующих фаз первичной обмотки сетевого трансформатора, к выходным зажимам разных фаз вторичной обмотки сетевого трансформатора подключены цепи, каждая из которых содержит последовательное соединение конденсаторной батареи и соответствующих фаз первичных обмоток второй части группы трансформаторно-тиристорных модулей, концы упомянутых цепей соединены между собой и образуют один узел цепи, а зажимы и отводы вторичных обмоток трансформаторов первой и второй частей группы трансформаторно-тиристорных модулей через тиристорные ключи соединены с возможностью их коммутации между собой или встречно-согласного по отношению к соответствующим первичным обмоткам этих трансформаторов и параллельного их подключения к зажимам питающей сети для первой части группы трансформаторно-тиристорных модулей и к выходным зажимам вторичной обмотки сетевого трансформатора для второй части группы этих модулей, а функциональный блок системы программного управления включен между выходными зажимами различных фаз вторичной обмотки сетевого трансформатора последовательно со входными зажимами одноименных фаз электроприемников нагрузки и дополнительно снабжен датчиками тока и мощности, число выходных каскадов системы программного управления выбрано соответственно числу трансформаторно-тиристорных модулей в устройстве.

Заявленный способ стабилизации и регулирования одновременно нескольких параметров электроэнергии, который реализуется на базе использования двух групп трансформаторно-тиристорных модулей, сетевого трансформатора и конденсаторных батарей, а также заявленная схема подключения упомянутых выше элементов между собой, к питающей сети и к электроприемникам нагрузки, способствует решению проблемы ресурсо- и энергосбережения при организации электроснабжения цехов предприятий и жилых микрорайонов. При его реализации более чем в полтора раза уменьшается расход активных материалов и затраты на изготовление трансформаторного оборудования устройства, а также на 30% сокращается потребление энергии на единицу получаемого полезного продукта. Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают соответствие критерию "изобретательский уровень". Проведенные испытания подтверждают соответствие критерию "промышленная применимость".

На фиг. 1 приведена схема одного из вариантов устройства, содержащего в своем составе две группы трансформаторно-тиристорных модулей; для осуществления способа стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в качестве примера на фиг.1 обе группы модулей содержат в своем составе по одному трансформаторно-тиристорному модулю; на фиг.2 - вариант принципиальной схемы одного из трансформаторно-тиристорных модулей устройства в соответствии с предлагаемым способом; на фиг.3 - векторно-топографические диаграммы, поясняющие процесс стабилизации и регулирования параметров электроэнергии согласно предлагаемого способа; на фиг.4 - вариант схемы функционального блока системы программного управления устройством, который поясняет выполняемые им функции; на фиг.5,а-г показаны примерные гистограммы изменения в течение суток отдельных параметров электроэнергии для существующей схемы электропитания и измененной в соответствии с предложенным способом стабилизации и регулирования параметров электроэнергии; на фиг.6 приведена векторная диаграмма напряжений и токов, поясняющая способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии; на фиг.7-10 показаны схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов и графики временных зон естественной коммутации тиристорных ключей для различных этапов алгоритма работы системы программного управления согласно предлагаемому способу.

Устройство (фиг. 1) содержит входные зажимы a₁, b₁, c₁ для подключения различных фаз питающей сети, которая включает в себя источники фазовых напряжений и комплексные сопротивления отдельных фаз линий электропередачи. Между входными зажимами a₁, b₁, c₁ и входными зажимами a₂, b₂, c₂ первичной обмотки 1 сетевого трансформатора 2 включена первичная обмотка 3 трансформатора 4 модуля из первой части группы трансформаторно-тиристорных модулей. На фиг.1 из состава первой части группы трансформаторно-тиристорных модулей изображен только один модуль. Вариант полного схемотехнического исполнения трансформаторно-тиристорного модуля на фиг.1 ограничен пунктирной линией I и изображен на фиг.2. Зажимы и отводы вторичной обмотки 5 упомянутого трансформаторно-тиристорного модуля через тиристорные ключи блока 6 подключены к зажимам a₁, b₁, c₁ питающей сети.

Принципиальные схемы всех тиристорных ключей устройства одинаковые. В качестве примера на фиг.2 пунктирной линией выделена принципиальная схема одного из вариантов исполнения тиристорного ключа блока 6 (позиция 6.1). В качестве активных элементов (тиристорных ключей) могут быть использованы вместо тиристоров другие технически эквивалентные по выполняемым функциям сильноточные элементы (например, симисторы, механические контакты с гашением дуги в вакууме, механический коммутатор с ограниченным числом тиристорных ключей, используемых исключительно для устранения электроизноса контактов коммутатора и переходных процессов при коммутации контактов и т.д.). К выходным зажимам a₃, b₃, c₃ вторичной обмотки 7 сетевого трансформатора 2 подключены цепи, каждая из которых содержит последовательное соединение конденсаторной батареи 8 и соответствующей фазы первичной обмотки 9 трансформатора 10 модуля из второй части группы трансформаторно-тиристорных модулей.

На фиг. 1 из состава трансформаторно-тиристорных модулей второй части группы их изображен только один модуль. Концы упомянутых цепей соединены между собой и образуют узел цепи. Зажимы и отводы вторичной обмотки 11 трансформатора 10 данного трансформаторно-тиристорного модуля через тиристорные ключи блока 12 подключены к выходным зажимам a₃, b₃, c₃ вторичной обмотки 7 сетевого трансформатора 2. Система программного управления устройством (выделена на фиг.1 пунктирной линией II) содержит блок постоянного запоминающего устройства 13, блок процессора 14, функциональный блок 15 (на фиг.1 выделен пунктирной линией), а также блок управления 16 и блоки выходных каскадов 17 и 18 по числу используемых в устройстве трансформаторно-тиристорных модулей. Для подключения к устройству трехфазной нагрузки (электроприемников 19) используются клеммы a₄, b₄, c₄ и o₄. Функциональный блок 15 включен последовательно с электроприемниками нагрузки 19 между зажимами a₃, b₃, c₃ вторичной обмотки 7 сетевого трансформатора 2 и выходными клеммами a₄, b₄, c₄ устройства. Он вырабатывает сигналы, несущие информацию о фазовых углах тока нагрузки электроприемников, а также о величинах напряжения, тока и мощности на их зажимах. Содержит датчики мгновенных значений потребляемого тока i, напряжения u на зажимах отдельных фаз электроприемников нагрузки, а также полупроводниковый преобразователь F. С выхода последнего в систему программного управления устройством по ее команде поступают упомянутые выше сигналы. Устройство функционального блока поясняется с помощью фиг. 4, где он так же, как и на фиг.1, выделен пунктирной линией (позиция 15). Блоки 17, 18 вырабатывают импульсы управления, с помощью которых в заданные моменты времени включаются и отключаются определенные тиристорные ключи блоков 6, 12 с целью изменения схем соединения вторичных обмоток трансформаторов 4, 10. Алгоритм работы системы программного управления поясняется в процессе описания принципа действия устройства.

На фиг. 2 приведен вариант принципиальной схемы одного из трансформаторно-тиристорных модулей, который поясняет коммутацию обмоток трансформаторов 4 и 10. Фиг. 2 представляет собой фрагмент фиг.1, который выделен пунктирной линией I. Путем включения определенных тиристорных ключей блоков 6 и 12 зажимы и отводы соответствующей вторичной обмотки подключают различными более чем 150 вариантами как между собой, так и к зажимам соответственно a₁, b₁, c₁ питающей сети и к вторичной обмотке 7 сетевого трансформатора 2. Для этих целей в составе каждого блока тиристорных ключей используют несколько их групп. Определенные тиристорные ключи 6.1, 6.3, 6.5, 6.8, 6.10, 6.12 блока 6 из первой группы включают тогда, когда необходимо уменьшить на некоторую дискретную величину напряжение на входных зажимах a₂, b₂, c₂ сетевого трансформатора 2 по сравнению с его величиной на зажимах a₁, b₁, c₁ питающей сети. Когда требуется увеличить напряжение на упомянутых зажимах a₂, b₂, c₂, то включают тиристорные ключи, например, 6.2, 6.4, 6.6, 6.7, 6.9, 6.11 блока 6 из состава второй их группы. Тиристорные ключи 6.13, 6.14, 6.15, 6.16, 6.17, 6.18 третьей группы используют для соединения между собой зажимов и отводов вторичной обмотки с целью получения различных вариантов схемы ее соединения. В частном случае, когда нет необходимости менять напряжение на входных зажимах a₂, b₂, c₂ сетевого трансформатора относительно такового на зажимах a₁, b₁, c₁ питающей сети, то включают определенные тиристорные ключи исключительно из состава третьей их группы. Принципиальная схема одного из вариантов выполнения тиристорных ключей показана пунктирной линией (позиция 6.1). Общее количество различных стационарных режимов работы трансформаторно-тиристорного модуля составляет более 150.

Фиг.3 содержит примеры векторно-топографических диаграмм, которые соответствуют различным режимам работы трансформаторно-тиристорных модулей. В качестве примера даны диаграммы девяти режимов работы, которые имеют на фиг.3 условные названия "Режим 1", "Режим 2",.... "Режим 9". Для обеспечения этих режимов работы в соответствии с фиг.2 включены определенные тиристорные ключи из различных их групп. Например, режим работы с условным названием "Режим 1" получают путем включения тиристорных ключей 6.13, 6.14, 6.17, 6.18 исключительно из третьей группы. Такие режимы, как "Режим 2", "Режим 3",..., "Режим 5" обеспечены за счет использования части тиристорных ключей из первой и третьей групп. Другие режимы работы "Режим 6", "Режим 7",..., "Режим 9" получены путем включения некоторых тиристорных ключей из состава второй и третьей их групп. Конкретные номера тиристорных ключей для обеспечения упомянутых выше режимов работы трансформаторно-тиристорных модулей указаны на фиг. 3. Анализ диаграмм различных режимов работы показывает на уменьшение или увеличение выходного напряжения, например линейного напряжения U_a2b2 относительно входного линейного напряжения U_a1b1 практически равными ступенями. Между входными зажимами a₂, b₂, c₂ сетевого трансформатора 2 и зажимами a₁, b₁, c₁ питающей сети может быть включено последовательно два и более трансформаторно-тиристорных модуля. Поэтому устройство позволяет получить соответственно 150•150=22500 и более уровней трехфазного напряжения на входных зажимах сетевого трансформатора.

На фиг. 4 приведен вариант схемы функционального блока 15, которая поясняет его устройство и выполняемые им функции. Фиг.4 представляет собой фрагмент фиг. 1, который выделен пунктирной линией (позиция 15). Путем последовательного включения между соответствующими входными a₃, b₃, c₃ и выходными a₄, b₄, c₄ зажимами блока 15 первичной обмотки трансформатора тока 15.1 получают сигнал о величине мгновенного значения потребляемого электроприемником 19 тока i. Этот сигнал снимается с зажимов вторичной обмотки трансформатора тока 15.1 и поступает на вход полупроводникового преобразователя 15.3. Кроме того, на входные зажимы полупроводникового преобразователя 15.3 подается сигнал со вторичной обмотки измерительного трансформатора напряжения 15.2. Этот сигнал соответствует величине мгновенного значения напряжения u на входных зажимах электроприемника 19. Полупроводниковый преобразователь 15.3, используя в качестве входных данных мгновенные значения тока и напряжения (i и u), вырабатывает сигналы в соответствии со следующими функциональными зависимостями F:
F{U=F₁(u); ϕ_H=F₂(u, i); I=F₃(i); P=F₄(U, I, ϕ_H); Q=F₅(U, I, ϕ_H)}.

Сигналы о величинах действующих значений напряжения U и тока l, а также о величинах фазового угла нагрузки ϕ_H и потребляемых активной Р и реактивной Q мощностей необходимы для организации работы системы программного управления. Их назначение поясняется при описании способа стабилизации и регулирования, а также принципа действия устройства по его реализации.

На фиг. 5 показаны примерные гистограммы изменения в течение суток напряжения на зажимах электроприемников цеха (кривая К' - фиг.5,а), потребляемого тока (кривая L' - фиг.5,б) и потребляемых активной и реактивной мощностей (кривые М' и N'- соответственно фиг.5,в и фиг.5,г). Эти гистограммы соответствуют электроснабжению цеха от типового трансформатора ТМ 1000-10/0.4кВ и приведены к низкой стороне (0.4 кВ) его. Средняя нагрузка сетевого трансформатора 2 в течение суток не превышает 75% от номинальной, а трансформаторы 4 и 10 трансформаторно-тиристорных модулей устройства и конденсаторные батареи 8 из схемы электроснабжения исключены. Поэтому гистограммы, отмеченные штрихом, на фиг.5 соответствуют существующей в настоящее время схеме электропитания электроприемников цеха.

Анализ гистограмм показывает, что высокие значения потребляемых активной и реактивной мощности наблюдаются в основном в рабочие часы цеха (от 7 до 23 часов). В нерабочие часы (от 23 до 24 часов и далее от 0 до 7 часов утра) нагрузка существенно снижается. Величина напряжения в рабочие часы цеха наоборот в среднем значительно ниже, чем в нерабочие. Кроме того, на фиг.5,а-г представлены суточные гистограммы изменения величин (К, L, M, N), которые аналогичны вышеупомянутым (К', L', М', N'). Разница состоит в том, что гистограммы К, L, M, N соответствуют работе сетевого трансформатора 4 в составе регулирующего органа предлагаемого изобретения, а управление силовыми элементами его выполняется в соответствии с предложенным способом регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях. Сравнительный анализ гистограмм фиг.5 позволяет отметить существенные изменения параметров электроэнергии. Напряжение на зажимах электроприемников в рабочие часы цеха от 7 до 23 часов (график К на фиг.5,а) практически стабилизировано на уровне уставки 380 В и изменяется от этого уровня всего в диапазоне ±1.5%. Напряжение в нерабочие часы (23-7 часов утра) существенно уменьшено по сравнению с данными графика К' путем перевода трансформатора и трансформаторно-тиристорного модуля в режим регулирования (уменьшения) напряжения. Уменьшение напряжения в нерабочие часы привело к значительному (на 40%) снижению потребляемых цехом в эти часы активной и реактивной мощности. Это можно проследить путем сравнения данных графиков М и N (фиг.5,в,г) с аналогичными данными графиков М' и N'. Потребляемый ток (график L на фиг.5,б) по обмоткам сетевого трансформатора 2 и элементам (фиг.1) питающей сети резко сократился. Это можно проследить на основе сравнения графика L и L' нa фиг.5,б. Последнее полностью подтверждает векторная диаграмма на фиг.6. Такое целенаправленное изменение параметров электроэнергии приводит к сокращению потерь электроэнергии (в разы) при транспортировке ее, сокращению перерасхода ее электроприемниками в рабочее и особенно в нерабочее время (ночные часы и праздничные дни). Кроме того, сокращается пережог электроэнергии непосредственно самими сетевыми трансформаторами, а их установленная мощность снижается не менее чем на 40%.

На фиг. 6 приведена векторная диаграмма напряжений и токов для одного и того же момента времени суток (17 часов) при работе сетевого трансформатора ТМ-1000-10/4кВ в составе предлагаемого устройства и без него. При работе сетевого трансформатора 2 без предлагаемого устройства величины фазовых напряжений и токов по фазам его обмоток показаны на фиг.6 с наличием штрихов Для случая работы сетевого трансформатора в составе предлагаемого изобретения аналогичные упомянутым величины изображены без штрихов - фиг.1). Кроме того, к токам нагрузки отдельных фаз прибавлены соответствующие симметро-компенсирующие токи (фиг.1), которые протекают по обмоткам трансформатора 10 трансформаторно-тиристорного модуля. Полученные в результате суммирования симметро-компенсированные токи более чем в полтора раза меньше по величине, чем токи которые протекали по обмоткам сетевого трансформатора 2 при работе его по обычной схеме электропитания без использования предлагаемого изобретения. Сдвиг по фазе между фазовыми напряжениями и токами уменьшился с 45 эл. градусов до 2-3 эл. градусов, что указывает на почти полное исключение прохождения реактивной мощности, а также токов обратной и нулевой последовательностей по обмоткам сетевого трансформатора.

На фиг. 7-10 приведены поясняющие алгоритм работы системы программного управления принципиальные схемы вторичных обмоток 5, 11 трансформаторов соответственно 4, 10 (фиг.7, 9), а также соответствующие им временные графики на фиг.8 и фиг.10 зон естественной коммутации (Q_ЕК) выключаемых тиристорных ключей. Именно в эти зоны следует создавать упомянутые выше схемы вторичных обмоток путем включения определенных тиристорных ключей. В качестве примера рассмотрен один из вариантов двухэтапного алгоритма переключения во времени тиристорных ключей, который позволяет перевести устройство из режима с условным названием "Режим 1" в другой стационарный режим с условным названием "Режим 2" (фиг. 3). Принципиальная схема на фиг.7 и график на фиг.8 соответствуют первому этапу алгоритма, а схема на фиг.9 и график на фиг.10 - второму этапу алгоритма переключения. Анализ графиков фиг.8 и фиг.10 позволяет сделать вывод о том, что ширина зон естественной коммутации выключаемых тиристорных ключей, а также их расположение во времени существенно зависят от сдвига по фазе (ϕ_H - эл.гр.) между током и напряжением на зажимах электроприемников. Так, например, для электроприемников чисто активного характера (ϕ_H= 0 эл. гр.) зона естественной коммутации выключаемого тиристорного ключа 6.18 (фиг.7) на первом этапе лежит в пределах от 90 до 180 эл. гр. в положительный и отрицательный полупериоды изменения линейного напряжения U_a1b1, которое принято в качестве базового при построении системы программного управления. Для второго этапа, когда выключается тиристорный ключ 6.17 (фиг.9), эта зона изменяется и находится в пределах от 0 до 120 эл.гр. и от 150 до 180 эл.гр. Полностью алгоритм переключения для вышеуказанного примера реализуется системой программного управления по следующей методике. При ϕ_H равном или близком к нулю электрических градусов (-15 эл.гр.≤ϕ_H≤+15 эл.гр.) в момент времени спустя 120 эл.гр. (Q_EK=120 эл.гр.) после очередного перехода напряжения U_a1b1 через нулевое значение блок процессора 14 снимает импульсы управления с тиристорного ключа 6.18. Одновременно с этим он подает импульсы управления на два других тиристорных ключа 6.10 и 6.12. В течение нескольких микросекунд происходит быстрое уменьшение тока i_с в цепи тиристорного ключа 6.18 до нулевого значения, и он выключается. При этом перегрузки по току и напряжению элементов устройства не происходит и на этом первый этап алгоритма переключения заканчивается. Далее, спустя еще 60 эл.гр. после начала первого этапа (Q_EK=180 эл.гр.), начинается второй этап алгоритма. Аналогично снимаются импульсы управления с тиристорного ключа 6.17 и одновременно подаются импульсы управления на тиристорный ключ 6.8. Происходит быстрое уменьшение тока i_A в цепи тиристорного ключа 6.17 до нулевого значения, и он выключается. При этом устройство оказывается в новом стационарном режиме работы с условным названием "Режим 2" (фиг.3). Возможное изменение характера нагрузки в диапазоне -90 эл.гр.≤ϕ_H≤+90 эл.гр. приводит к необходимости представления алгоритма в виде таблиц и хранения его в постоянном запоминающем устройстве 13 системы программного управления.

Необходимость ресурсо- и энергосбережения при организации электроснабжения цехов предприятий, жилых микрорайонов и т.д. приводит к необходимости стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в узлах трехфазных электрических сетей. В рабочее время цехов предприятий стабилизируют напряжение на зажимах электроприемников цеха 19 (фиг.1) с одновременной компенсацией потребляемой ими реактивной мощности и симметрированием тока нагрузки по фазам питающей сети. В нерабочее время (праздничные дни и ночное время) регулируют напряжение на входных зажимах сетевого трансформатора и электроприемников цеха в сторону его понижения с одновременной компенсацией потребляемой оставшимися в работе электроприемниками реактивной мощности и симметрированием тока нагрузки их по фазам сетевого трансформатора. В заявленном техническом решении это реализуют с помощью системы программного управления II путем переключения определенных тиристорных ключей блоков 6 и 12 в цепях трансформаторно-тиристорных модулей. Последние определенным образом воздействуют на работу сетевого трансформатора, стабилизируя и регулируя параметры электроэнергии на его выходных зажимах а₃, b₃, c₃ в соответствии с наперед заданной программой. В известном устройстве реализовать стабилизацию и регулирование упомянутых выше параметров электроэнергии в полном объеме не представляется возможным. Например, отсутствуют возможности регулирования и стабилизации напряжения на входных зажимах сетевого трансформатора, а также нет компенсации реактивной мощности и симметрирования токов нагрузки по фазам его обмоток и питающей сети. Поэтому функциональные возможности предлагаемого технического решения существенно шире, чем у известного устройства.

Способ осуществляют следующим образом. Пусть в исходном режиме работы, когда электроприемники цеха 19 потребляют значительные активную и реактивную мощности (рабочее время), параметры электроэнергии на выходных зажимах а₃, b₃, c₃ сетевого трансформатора являются оптимальными. При этом трансформаторы 4 и 10 трансформаторно-тиристорных модулей находятся каждый в определенном стационарном режиме работы. Пусть для определенности в составе тиристорных ключей блока 6 включены тиристорные ключи с номерами 6.13, 6.14, 6.17, 6.18 (фиг. 2), что соответствует режиму работы с условным названием "Режим 1" (фиг.3). А в составе тиристорных ключей блока 12 включены другие тиристорные ключи, которые соответствуют режиму работы трансформаторно-тиристорного модуля, например с условным названием "Режим 9" (фиг.3). Как было отмечено выше, каждый из трансформаторно-тиристорных модулей может находиться в одном из 150 возможных режимов работы. Эти режимы имеют отличные друг от друга данные по стабилизации и регулированию параметров электроэнергии. Система программного управления периодически с интервалом в одну или несколько десятых секунды проверяет соответствие режимов работы трансформаторно-тиристорных модулей оптимальным по соответствующей методике. Первоначально процессор 14 опрашивает функциональный блок 15 и получает данные (U= F₁(u) - фиг.4) о линейных напряжениях Uⁱ _АВ, Uⁱ _ВС, Uⁱ _СА на зажимах а₄, b₄, c₄ электроприемников 19 в текущем (i-ом) режиме работы трансформаторно-тиристорного(ых) модуля(ей) первой части их группы. Процессор 14 вычисляет среднее по фазам напряжение (Uⁱ _АВ + Uⁱ _ВС + Uⁱ _СА)/3 сравнивает его с уставкой U₀, определяет знак и величину невязки на предмет превышения ею половины ступени регулирования напряжения ΔUⁱ/2.

Если невязка больше нуля (верхнее неравенство в системе неравенств (1)) и не превышает по величине половину ступени регулирования напряжения при переводе модуля(ей) из режима работы "i" в режим "i-1" (ΔU^i,i-1), то трансформаторно-тиристорный(ые) модуль(ли) первой части группы находится(ятся) в оптимальном режиме работы. То же самое наблюдается, если невязка меньше нуля (нижнее неравенство в системе неравенств (1)), но не превышает по абсолютной величине половины ступени увеличения напряжения при переводе модуля(ей) из режима "i" в режим "i+1" (ΔU^i,i+1). При выполнении обоих неравенств (1) процессор 14 сохраняет старый режим работы "i" модуля(ей) первой части группы их и не дает команды на переключение тиристорных ключей блока 6. В противном случае, например, когда нарушено условие верхнего неравенства (1), тогда в зависимости от полученной величины невязки процессор 14 предварительно определяет на какое число ступеней следует уменьшить напряжение на зажимах электроприемников 19, чтобы невязка снова удовлетворяла условиям неравенства (1). Для этого он обращается к постоянному запоминающему устройству 13 и считывает информацию о величинах ступеней уменьшения напряжения (ΔU^i,i-1, ΔU^i,i-2, ..., ΔU^i,i-k), соответствующих уменьшению номера режима работы от "i" до "i-1, от "i" до "i-2",..., от "i" до "i-k". Процессор выбирает тот номер режима "i-k, переключение в который обеспечивает в данный момент минимальную величину невязки [(U^i-k _AB+U^i-k _BC+U^i-k _CA)/3 - U_o]=min.

Аналогично работает система программного управления, если будет нарушено нижнее неравенство системы (1). Разница заключается в том, что она определяет число ступеней k, на которое следует увеличить текущий номер режима работы модуля(ей) первой части группы, а не уменьшить, как в предыдущем случае. Предположим, что при очередном обращении процессора 14 к функциональному блоку 15 обнаружено нарушение верхнего неравенства (1) и установлена величина k=1. Следовательно, следует уменьшить напряжение на зажимах электроприемников 19 на одну ступень регулирования. Для этого необходимо из режима работы с условным названием "Режим 1" выполнить перевод модуля(ей) первой части группы в режим работы с условным названием "Режим 2" (фиг.3). В связи с этим, алгоритм работы системы программного управления по переводу устройства в различные стационарные режимы работы рассмотрим на примере динамического процесса переключения во времени тиристорных ключей 6.13, 6.14, 6.17, 6.18 - "Режим 1" на тиристорные ключи 6.8, 6.10, 6.12, 6.13, 6.14 - "Режим 2" (фиг.3). Для этого процессор 14 считывает из постоянного запоминающего устройства 13 табличные данные в соответствии с фиг.7-10 по алгоритмам переключения тиристорных ключей, а также необходимую цифровую информацию о моментах времени, в которые следует менять схемы соединения вторичной(ых) обмотки(ок) 5 трансформатора(ов) 4 первой части группы трансформаторно-тиристорных модулей. Процессор 14 следит за значением текущего времени и при его совпадении с разрешенными моментами времени начинает реализовывать переключение тиристорных ключей во вторичной(ых) обмотке(ах) 5 трансформаторов 4. Для этого он предварительно определяет текущие значения фазовых углов (ϕ_H= F₂(u, i) - фиг.4) тока нагрузки, величины которых поступают в процессор 14 по его команде от функционального блока 15. Из определенных ячеек памяти блока постоянного запоминающего устройства 13, соответствующих указанным значениям ϕ_H, процессор считывает информацию о этапах алгоритма переключения тиристорных ключей для требуемого перевода устройства из исходного режима в другой стационарный режим.

Далее в соответствии с методикой, приведенной при описании фиг.7-10, процессор снимает с помощью блока 17 выходных каскадов импульсы управления с выключаемых тиристорных ключей блока 6 исходного режима работы устройства. Одновременно с этим он подает импульсы управления на те тиристорные ключи, которые должны быть включены в новом стационарном режиме работы трансформаторно-тиристорного(ых) модуля(ей) первой части группы их. После завершения системой программного управления перевода модуля в новый i±k оптимальный режим работы или старого (i-го) режима работы, если получено подтверждение его оптимальности на данный момент времени, начинается процесс проверки оптимальности существующего режима работы (m) модуля(ей) второй части группы трансформаторно-тиристорных модулей. При этом процессор 14 опрашивает функциональный блок 15 и получает дополнительные данные о фазовых углах нагрузки и величинах токов различных фаз (ϕ_H=F₂(u, i), I=F₃(i) - фиг.4). Действующие значения этих токов с учетом их сдвига по фазе относительно фазовых напряжений на зажимах а₃, b₃, c₃ вторичной обмотки 7 сетевого трансформатора 2 показаны на фиг.1 в виде символов комплексных токов На основе полученных числовых значений (I_A, ϕ_A; I_B, ϕ_B; I_C, ϕ_C) для различных фаз процессор 14 определяет комплексные токи прямой и обратной последовательностей нагрузки, приведенные к фазе А, по формуле (2).

Далее он по известным вычисляет отрицательный трехмерный вектор числовых данных нагрузки с координатами B, С, D по аналитическим выражениям (3).

Затем процессор 14 переходит к вычислению положительного трехмерного вектора параметров симметро-компенсирующих токов (фиг.1). Для этого процессор 14 предварительно формирует массив данных (150 элементов), каждый из которых содержит значения токов соответствующих одному из возможных режимов работы модуля(ей) второй части группы их. Все элементы массива вычисляются по общим аналитическим выражениям (4), но для вычисления каждого элемента массива в формулы (4) подставляются определенные числовые значения коэффициентов, соответствующие только данному режиму работы.

В качестве упомянутых коэффициентов в формулах (4) использовано 4 скалярных коэффициента λ₁₁, λ₁₂, λ₂₁, λ₂₂, а также два комплексных коэффициента Числовые значения упомянутых коэффициентов хранятся в блоке 13 системы программного управления устройством. Для сокращения записи аналитических выражений (4) введен символ значение которого вычисляется по формуле (5).

где комплексные сопротивления конденсаторных батарей 8, подключенных соответственно к зажимам а₃, b₃, c₃ (фиг.1);
комплексное сопротивление одной фазы питающей сети (фиг.1).

Полученные элементы массива комплексных токов используются процессором для вычисления массива элементов токов прямой и обратной последовательностей в соответствии с аналитическими выражениями (6).

где симметро-компенсирующие токи текущего (m-го) режима работы модуля(ей) второй части группы их;
m - текущее целочисленное значение номера режима работы модуля(ей); величина m меняется в пределах -75≤m≤75.

Далее процессор 14 по известным I_1,m и I_2,m вычисляет массив положительных трехмерных векторов числовых данных симметро-компенсирующих токов с координатами B(m), С(m), D(m).

Проверку оптимальности существующего в данный момент времени режима работы модуля(ей) второй части группы их процессор 14 определяет на основе вычисления минимальной невязки по следующему выражению.

Если ΔL(m)= min для режима работы m=9, который был до начала проверки оптимальности, то процессор сохраняет старый режим работы модуля(ей) второй части группы их. В противном случае он в соответствии с алгоритмом, который аналогичен вышерассмотренному при переключении тиристорных ключей блока 6 модуля первой части группы, выполняет перевод трансформаторно-тиристорного модуля(ей) второй части группы в новый режим работы путем переключения тиристорных ключей блока 12 модуля второй части группы их.

Рассмотрим один из примеров осуществления способа, когда электроприемники 19 потребляют активную и реактивную мощность менее определенной величины при наступлении нерабочего времени (ночное время, выходные и праздничные дни). Наступление нерабочего времени система программного управления распознает различными путями. Например, по команде оператора с блока управления 16 информация о начале и продолжительности нерабочего времени поступает в определенные ячейки памяти блока постоянного запоминающего устройства 13. При очередном обращении процессора 14 к блоку 13 он считывает эту информацию и в момент наступления нерабочего времени изменяет режим работы трансформаторно-тиристорного(ых) модуля(ей) первой части группы их. Момент наступления нерабочего времени система управления распознает также программно, путем вычисления потребляемых нагрузкой активной и реактивной мощности. В момент очередной проверки оптимальности существующего режима работы "m" модуля(ей) второй части группы трансформаторно-тиристорных модулей процессор 14 получает от функционального блока 15 данные о величинах активной и реактивной мощностей, потребляемых электроприемниками нагрузки 19 (P=F₄(u, i, ϕ_H); Q=F₅(u, i, ϕ_H) - фиг.4). На основе этих данных процессор определяет полную мощность и сравнивает ее с величиной уставки S_min. Если S≤S_min, то система программного управления устройством воспринимает это как наступление нерабочего времени и дает команду на перевод модуля(ей) первой части группы их в новый определенный стационарный режим работы. Этот новый стационарный режим работы характеризуется минимально возможным напряжением на входных зажимах а₂, b₂, c₂ первичной обмотки сетевого трансформатора (режим работы с номером i= -75). Перевод трансформаторно-тиристорного(ых) модуля(ей) первой части группы их в новый стационарный режим работы система программного управления выполняет аналогично вышерассмотренному алгоритму, который поясняется данными на фиг.7-10. Так как практически повсеместно в ночные часы наблюдается в распределительных электросетях увеличение напряжения выше номинальной величины, то такая работа системы программного управления несомненно сокращает пережог электроэнергии в сетевом трансформаторе 2 и электроприемниках 19. Например, если в ночные часы система программного управления снижает уровень напряжения на зажимах а₂, b₂, c₂ с 1.1.U_ном до 0.9U_ном (U_ном - номинальное значение напряжения), то потребление электроэнергии снижается более чем на 40%.

В качестве другого примера осуществления способа примем, что потребление электроэнергии электроприемниками 19 носит резко переменный характер. Интервалы времени практически неизменного потребления электроэнергии сочетаются со скачкообразным его изменением. Кроме того, возмущение по параметрам электроэнергии может наблюдаться и со стороны питающей сети, когда величина напряжения на входных зажимах а₁, b₁, c₁ устройства также может претерпевать резкие изменения по величине. В этом случае при осуществлении способа у системы программного управления в своей работе имеются некоторые отличия. Одним из них является то, что при резких возмущениях по питающей сети или со стороны электроприемников нагрузки функциональный блок 15, не дожидаясь очередного обращения процессора 14, сам выдает определенные управляющие сигналы для запуска процессора 14. Последний незамедлительно должен начать проверку соответствия оптимальным режимов работы трансформаторно-тиристорного(ых) модуля(ей) либо первой части их группы, либо второй части, либо и тех и других. Для этого функциональный блок 15 один раз за период питающей сети (0.02 с) определяет данные по всем пяти функциональным зависимостям (U= F₁(u), ϕ_H= F₂(u, i), I= F₃(i), P=F₄(u, i, ϕ_H), Q=F₅(u, i, ϕ_H) - фиг.4). В своей оперативной памяти функциональный блок 15 удерживает результаты вычислений не только за текущий период изменения напряжения питающей сети, но и за несколько предыдущих периодов его изменения (например, два-три периода).

После вычисления данных в конце очередного периода блок 15 организует сравнение полученных величин напряжения (U), активной и реактивной мощностей (Р и Q) с аналогичными величинами, которые были вычислены ранее за 2-3 периода питающего напряжения (за 0.04-0.06 с). Если отклонения упомянутых величин в ту или иную сторону не превышают наперед заданных значений, то блок 15 не выдает управляющих сигналов. В противном случае, например, при резком изменении величины напряжения U (даже в какой-либо одной из фаз) функциональный блок 15 выдает процессору 14 сигнал о необходимости смены текущего режима работы трансформаторно-тиристорного(ых) модуля(ей) первой части их группы. Если же отклонение активной и реактивной мощностей превысило заданные значения, то в блок 14 поступает сигнал о необходимости смены режима работы трансформаторно-тиристорного(ых) модуля(ей) второй части их группы.

Вторым отличием являются некоторые изменения в работе системы программного управления устройством в части поиска оптимального режима работы модуля(ей) второй части их группы на интервалах времени практически неизменного энергопотребления и при резко переменной нагрузке. При практически неизменном энергопотреблении система программного управления при вычислении положительного трехмерного вектора параметров симметро-компенсирующих токов допускает сканирующий режим работы. Для него характерно вычисление не полного массива данных в 150 элементов, а лишь части его. Причем эта часть элементов должна включать в себя упомянутый вектор, который соответствует текущему "m" режиму работы модуля(ей) и симметрично расположенных с ним режимов с номерами в большую и меньшую стороны "m±p". Величина "р" при этом составляет не менее 10 режимов работы трансформаторно-тиристорного(ых) модуля(ей) второй части их группы. В случае резко переменного характера нагрузки, о чем свидетельствует наличие упомянутых выше управляющих сигналов от функционального блока 15 к процессору 14, последний вычисляет весь массив (150 элементов) положительных трехмерных векторов параметров симметро-компенсирующих токов В свою очередь, величины и фазы симметро-компенсирующих токов определяются значением номера режима работы (-75≤m≤75) трансформаторно-тиристорного(ых) модуля(ей) второй части их группы.

Предложенное решение позволяет расширить функциональные возможности способа стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных сетях. Способ и устройство решают задачи автоматического симметрирования потребляемого тока нагрузки по фазам сетевого трансформатора и питающей сети, автоматической компенсации потребляемой электроприемниками реактивной мощности и не допускают прохождения ее по обмоткам сетевого трансформатора и фазам питающей сети, они обеспечивают автоматическую стабилизацию напряжения на выходных зажимах его в рабочее время, а также регулирование напряжения по заданной программе (в том числе и в сторону его понижения) на входных зажимах сетевого трансформатора в ночные часы и в праздничные дни (нерабочее время). Сокращается материалоемкость устройства путем уменьшения расхода активных материалов на его изготовление, уменьшаются потери электроэнергии в элементах питающей сети, сетевом трансформаторе, а также сокращается расход электроэнергии электроприемниками цехов в связи с повышенным качеством ее за счет снижения процента брака продукции, уменьшения числа отказов в работе электроприемников и т.д.

Изобретение относится к силовой электронике и электротехнике и может быть использовано для экономии электроэнергии и повышения качества ее при электропитании цехов предприятий и жилых микрорайонов. Предложен способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях, в том числе для схемы одновременного электропитания всех электроприемников цехов предприятий и жилых микрорайонов. Для реализации способа разработано устройство, одной из составляющих частей которого является сетевой трансформатор. Описана схема включения всех элементов устройства. Все элементы устройства помещаются вместе с сетевым трансформатором в одном баке. Использование трансформаторно-тиристорных модулей в устройстве позволяет обеспечить широкие функциональные возможности его. Способ и устройство решают задачи автоматического симметрирования потребляемого тока нагрузки по фазам сетевого трансформатора и питающей сети, автоматической компенсации потребляемой электроприемниками реактивной мощности и не допускают прохождения ее по обмоткам сетевого трансформатора и фазам питающей сети. Кроме того, способ и устройство обеспечивают автоматическую стабилизацию напряжения на выходных зажимах его в рабочее время, а также регулирование напряжения по заданной программе в том числе и в сторону его понижения на входных зажимах сетевого трансформатора в ночные часы и праздничные дни. Технический результат: сокращается материалоемкость устройства путем уменьшения расхода активных материалов на его изготовление, уменьшаются потери электроэнергии в элементах питающей сети, сетевом трансформаторе, а также сокращается расход электроэнергии электроприемниками цехов в связи с повышенным качеством ее за счет снижения процента брака продукции, уменьшения числа отказов в работе электроприемников и т.д. 2 с.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях, в соответствии с которым на участке цепи между зажимами питающей сети и зажимами электроприемников трансформируют напряжение с помощью сетевого трансформатора и формируют различные по величине и фазе добавочные напряжения путем переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения обмоток трансформаторов последовательно соединенных трансформаторно-тиристорных модулей, отличающийся тем, что при создании ресурсо- и энергосберегающего сетевого трансформатора аналогичные добавочные напряжения формируют на участке цепи между зажимами питающей сети и соответствующими входными зажимами различных фаз первичной обмотки сетевого трансформатора путем использования части упомянутых выше трансформаторно-тиристорных модулей, а с помощью другой их части формируют добавочные напряжения в цепях, которые включены параллельно электроприемникам нагрузки между выходными зажимами различных фаз вторичной обмотки сетевого трансформатора и содержат последовательно соединенные конденсаторную батарею и первичные обмотки трансформаторов другой части трансформаторно-тиристорных модулей. 2. Устройство для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях, содержащее сетевой двухобмоточный трансформатор, группу из n трансформаторно-тиристорных модулей (где n=1, 2,...), первичные обмотки соответственно n трансформаторов которых соединены последовательно, а также блоки тиристорных ключей по числу n трансформаторно-тиристорных модулей и функциональный блок, вырабатывающий сигналы о величине напряжения и фазовом угле нагрузки и входящий в систему программного управления устройством, выходные зажимы которой через блоки выходных каскадов подключены к управляющим электродам тиристорных ключей трансформаторно-тиристорных модулей, отличающееся тем, что при создании ресурсо- и энергосберегающего трансформатора зажимы различных фаз питающей сети соединены с соответствующими входными зажимами цепей, содержащих одноименные фазы первичных обмоток трансформаторов первой части группы трансформаторно-тиристорных модулей, выходные зажимы этих цепей подключены к входным зажимам соответствующих фаз первичной обмотки сетевого трансформатора, к выходным зажимам разных фаз вторичной обмотки сетевого трансформатора подключены цепи, каждая из которых содержит последовательно соединенные конденсаторные батареи и соответствующии фазы первичных обмоток второй части группы трансформаторно-тиристорных модулей, концы упомянутых цепей соединены между собой и образуют один узел цепи, а зажимы и отводы вторичных обмоток трансформаторов первой и второй частей группы трансформаторно-тиристорных модулей через тиристорные ключи соединены с возможностью их коммутации между собой или встречно-согласного по отношению к соответствующим первичным обмоткам этих трансформаторов и параллельного их подключения к зажимам питающей сети для первой части группы трансформаторно-тиристорных модулей и к выходным зажимам вторичной обмотки сетевого трансформатора для второй части группы этих модулей, а функциональный блок системы программного управления включен между выходными зажимами различных фаз вторичной обмотки сетевого трансформатора последовательно со входными зажимами одноименных фаз электроприемников нагрузки и дополнительно снабжен датчиками тока и мощности, число выходных каскадов системы программного управления выбирают соответственно числу трансформаторно-тиристорных модулей в устройстве.