СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H02M5/12 G05F1/24 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для узкодиапазонного регулирования или стабилизации трехфазного напряжения с улучшенным гармоническим составом и повышенным быстродействием.

Известен способ регулирования трехзначного напряжения (Трансформаторно-ключевые исполнительные структуры преобразователей переменного напряжения/Липковский К.А. - Киев: Наук. Думка, 1983, с.155, рис.68), основанный на чередовании симметричных режимов работы трехфазного вольтодобавочного трансформатора.

При этом способе режим "трехфазной закоротки" чередуется в первой зоне с режимом "трехфазной вольтодобавки", а во второй - с режимом "трехфазной вольтоотбавки". Плавное регулирование трехфазного напряжения в обеих зонах производится за счет изменения относительной длительности режима "трехфазной закоротки" внутри периода высокочастотного переключения вторичных фазных обмоток вольтодобавочного трансформатора при включении его первичных обмоток в цепь нагрузки.

Известный способ предусматривает также разделение каждой зоны регулирования на два поддиапазона путем введения в цепь коммутируемой вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора дополнительного источника переменного напряжения.

К недостаткам этого способа регулирования трехфазного напряжения следует отнести ограниченные возможности по улучшению гармонического состава выходного напряжения ввиду сложности реализации разделения указанных зон регулирования на поддиапазоны.

К ним также следует отнести противоречивость выполнения требований одновременного повышения быстродействия и снижения коммутационных потерь вследствие равенства частот модуляции выходного напряжения и коммутации ключей.

За прототип выбран способ регулирования трехфазного напряжения (патент RU №2042176, МКИ 6 G 05 F 1/24, опубл. 20.08.95, Б.И. №23), основанный на чередовании в каждом поддиапазоне двух режимов работы трехфазного вольтодобавочного трансформатора, обеспечивающих формирование соответствующих двух смежных уровней выходного напряжения и взаимном изменении относительной длительности этих режимов путем переключения вторичных фазных обмоток этого трансформатора синхронно с частотой сети при включении его фазных первичных обмоток между сетью и нагрузкой.

В регулировании участвуют три симметричных режима работы вольтодобавочного трансформатора с соответствующими им уровнями выходного напряжения U_Н. Это режимы "трехфазной вольтодобавки", "трехфазной закоротки" и "трехфазной вольтоотбавки", которым соответствуют три уровня выходного напряжения: (1+Kт)U_С, U_С, (l-Kт)U_С при питании вторичной обмотки от напряжения сети U_С или уровни U_c/(1-Kт), U_С, U_С/(1+Кт) при питании вторичной обмотки от напряжения нагрузки (Кт - коэффициент трансформации).

К недостаткам способа-прототипа прежде всего следует отнести большие искажения формы выходного напряжения из-за большой глубины модуляции (разницы между смежными уровнями выходного напряжения) при заданном диапазоне регулирования.

Кроме того, при данном способе регулирования ввиду равенства частот модуляции напряжения и коммутации ключей стремление повысить быстродействие и улучшить форму напряжения на выходе регулятора за счет повышения частоты модуляции сдерживается ростом коммутационных потерь.

Задачей изобретения является улучшение качества выходного напряжения и повышения быстродействия без дополнительных потерь.

В результате решения поставленной задачи достигнуто улучшение гармонического состава выходного напряжения в 2 раза. Это обусловлено увеличением числа поддиапазонов регулирования в 3 раза по сравнению со способом-прототипом и возрастанием частоты модуляции выходного трехфазного напряжения в 6 раз по отношению к частоте коммутации соответствующих фазных вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора.

Повышение частоты модуляции выходного напряжения без увеличения частоты коммутации ключей и, следовательно, без дополнительных коммутационных потерь позволяет повысить быстродействие регулирования переменного напряжения трехфазной сети.

Технический результата достигается тем, что вводятся четыре дополнительных режима работы трехфазного вольтодобавочного трансформатора и соответствующие им и их нумерации четыре дополнительных уровня, которые занимают промежуточное место между уровнями регулируемого напряжения, созданными симметричными режимами трехфазного трансформатора тока и трехфазного автотрансформатора, и создаются путем переключения фазных вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора с шестикратной частотой сети и представляют собой второй режим "пофазно переключающихся однофазной закоротки с двухфазной вольтодобавкой" и шестой режим "пофазно переключающихся однофазной закоротки с двухфазной вольтоотбавкой", когда соответственно при согласном и встречном включении первичных и вторичных фазных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора поочередно каждая из его фазных вторичных обмоток два раза за период закорочена, в то время как две другие подключены к источнику постоянного напряжения или соответствующим фазам источника переменного напряжения, а также третий режим "пофазно переключающихся однофазной вольтодобавки с двухфазной закороткой" и пятый режим "пофазно переключающихся однофазной вольтоотбавки с двухфазной закороткой", когда, соответственно, при согласном и встречном включении первичных и вторичных фазных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора поочередно каждая из его фазных вторичных обмоток два раза за период подключается к источнику постоянного напряжения или соответствующей фазе источника переменного напряжения, в то время как две другие закорочены, причем прохождение смежных уровней выходного напряжения в процессе его плавного шестиподдиапазонного регулирования от максимального до минимального значения происходит в порядке нумерации вышеупомянутых режимов работы трехфазного вольтодобавочного трансформатора.

Сущность предлагаемого способа поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами, где на фиг.1 и 2 приведены диаграммы, иллюстрирующие форму выходного напряжения в различных поддиапазонах и в соответствии с операциями способа алгоритм переключения ключей при пофазном подключении вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора к источнику переменного напряжения, а на фиг.3 и 4 - аналогичные диаграммы при их подключении к источнику постоянного напряжения.

Временные диаграммы (фиг.1-4) представлены для случая регулирования выходного напряжения без сдвига первой гармоники относительно напряжения сети. В таком варианте способ предназначается для стабилизаторов трехфазного напряжения.

Способ предусматривает также регулирование напряжения с опережающей или отстающей фазой первой гармоники. В этих случаях при сохранении тех же операций следует смещать алгоритмы переключения ключей соответственно влево или вправо относительно напряжения сети. Это позволяет без изменения чередования режимов трехфазного вольтодобавочного трансформатора производить независимое регулирование выходного напряжения и входной реактивной мощности. В таком варианте способ предназначается для систем автоматической компенсации отклонения напряжения и реактивной мощности.

На фиг.5 представлена схема, реализующая операции предлагаемого способа регулирования трехфазного напряжения. На этой схеме совмещены два варианта устройства, реализующих предложенный способ, которые отличаются родом тока источника, питающего фазные вторичные обмотки трехфазного вольтодобавочного трансформатора.

Устройство (фиг.5) содержит следующие элементы: 1 - трехфазный вольтодобавочный трансформатор, выполненный на трехстержневом магнитопроводе или в виде группы трех однофазных трансформаторов; 2 - сеть с зажимами Ас, Вс и Сс; 3 - соединенная в звезду без нулевого провода нагрузка (обмотки двигателей переменного тока, трансформаторов, мостовые преобразователи) с зажимами Aн, Вн и Сн; 4 - коммутатор, содержащий четыре трехфазные группы полностью управляемых клячей с двухсторонней проводимостью (Al, B1, C1), (А2, В2, С2), (A3, В3, С3) и (А4, В4, С4); 5 - источник постоянного напряжения Ud; 6 - источник переменного напряжения с зажимами А, В, С, 0; 7 - межфазная перемычка.

На схеме (фиг.5) подключение фазных вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора 1 к источнику постоянного напряжения 5 показано сплошными линиями (источник переменного напряжения 6 отключен, междуфазная перемычка 7 замкнута), а к источнику переменного напряжения 6 - пунктирными линиями (источник постоянного напряжения 5 отключен, междуфазная перемычка 7 разомкнута).

В случае подключения фазных вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора к источнику постоянного напряжения 5 в качестве ключа с двухсторонней проводимостью можно использовать встречно-параллельно включенные запираемый тиристор и диод, а при подключении к источнику переменного напряжения 6 ключ представляет собой, например, два встречно-параллельно включенных запираемых тиристора.

В табл.1 приведены наименования и номера режимов работы трехфазного вольтодобавочного трансформатора, при которых формируются семь соответствующих уровней выходного напряжения, а в табл.2 представлены номера шести поддиапазонов регулирования трехфазного напряжения при чередовании соответствующих режимов работы трехфазного вольтодобавочного трансформатора в указанных пределах изменения утла управления.

В соответствии с табл.1, 2 и фиг.1-4 операции способа регулирования трехфазного напряжения осуществляется следующим образом.

В поддиапазоне регулирования I чередуется режим 1 (все фазные вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора подключены к источнику постоянного или переменного напряжения и включены согласно с первичными) с режимом 2 (две чередующиеся фазные вторичные обмотки подключены к источнику постоянного или переменного напряжения и включены согласно с первичными, в то время как третья фазная вторичная обмотка закорочена).

Чередование этих режимов в каждый полупериод выходного напряжения происходит три раза, формируя в результате указанного несимметричного включения фазных вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора квазисимметричную модулированную вольтодобавку с частотой, в шесть раз превышающей частоту коммутации ключей.

Формирование квазисимметричного модулированного напряжения в других поддиапазонах производится аналогично, с той лишь разницей, что в них чередуются следующие в порядке нумерации режимы (см. табл.2) и регулирование выходного напряжения производится между следующими смежными уровнями.

При чередовании режимов происходит смена наименований и числа фазных вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора, подключенных к источнику постоянного напряжения или к соответствующим фазам источника переменного напряжения.

Плавное регулирование трехфазного напряжения во всех поддиапазонах производится за счет увеличения относительной длительности одного из этих режимов и соответствующего уменьшения относительной длительности другого режима. Это выполняется изменением угла α.

Аналитические выражения зависимостей степени регулирования εн=Uн/Uс действующего значения выходного напряжения и его первой гармоники ε_н1=U_н1/Uc от угла регулирования α на каждом 30-градусном интервале (в каждом поддиапазоне) и для двух вариантов устройства (фиг.5) представлены ниже.

Вариант 1. Применен источник переменного напряжения.

а) α=0-30° и α=180-150°

б) α=30-60° и α=150-120°

в) α=60-90° и α=120-90°

г) α=0-180°

Вариант 2. Применен источник постоянного напряжения.

а) α=0-30° и α=180-150°

б) α=30-60° и α=150-120°

в) α=60-90° и α=120-90°

г) α=0-180°

В выше приведенных выражениях К_т2=2К_т1 - коэффициенты трансформации трехфазного вольтодобавочного трансформатора 1 для двух вариантов реализации способа, а знаки "+" и "-" соответственно относятся к согласному и встречному включению его первичных и вторичных фазных обмоток.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для узкодиапазонного регулирования или стабилизации трехфазного напряжения. Техническим результатом является улучшение качества выходного напряжения и повышение быстродействия без дополнительных потерь. В способ регулирования трехфазного напряжения вводят четыре дополнительных режима работы трехфазного вольтодобавочного трансформатора, обеспечивающие четыре дополнительных уровня регулируемого напряжения, расположенных между уровнями регулируемого напряжения, созданными симметричными режимами трехфазного вальтодобавочного трансформатора тока и трехфазного автотрансформатора. Переключение разных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора осуществляют с шестикратной частотой сети. 5 ил., 2 табл.

Способ регулирования трехфазного напряжения, основанный на чередовании в каждом поддиапазоне двух режимов работы трехфазного вольтодобавочного трансформатора, обеспечивающих формирование соответствующих двух смежных уровней выходного напряжения, и взаимном изменении длительности этих режимов внутри каждого полупериода сетевого напряжения при переходе от одного смежного уровня к другому путем переключения синхронно с сетью вторичных фазных обмоток этого трансформатора при пофазном включении его первичных обмоток между сетью и соединенной в звезду без нулевого провода нагрузкой, при этом в регулировании участвуют три симметричных режима работы трехфазного вольтодобавочного трансформатора и соответствующие им и их нумерации три уровня, среди которых четвертый режим “трехфазной закоротки”, подобный рабочему режиму трехфазного трансформатора тока, когда все фазные вторичные обмотки закорочены, а также первый режим “трехфазной вольтодобавки” и седьмой режим “трехфазной вольтоотбавки”, подобные соответственно рабочим режимам повышающего и понижающего трехфазного автотрансформатора, при которых фазные вторичные обмотки включены соответственно согласно и встречно фазным первичным обмоткам и пофазно подключены к источнику постоянного напряжения или к соответствующим фазам источника переменного напряжения, причем в случае подключения фазных вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора к источнику переменного напряжения каждый ключ с двухсторонней проводимостью представляет собой, например, два встречно параллельно включенных запираемых тиристора, а при подключении к источнику постоянного напряжения - встречно параллельно включенные запираемый тиристор и диод, отличающийся тем, что вводятся четыре дополнительных режима работы трехфазного вольтодобавочного трансформатора и соответствующие им и их нумерации четыре дополнительных уровня, которые, занимая промежуточное место между уровнями регулируемого выходного напряжения, созданными симметричными режимами трехфазного трансформатора тока и трехфазного автотрансформатора, образованы путем переключения фазных вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора с шестикратной частотой сети и представляют собой второй режим “пофазно переключающихся однофазной закоротки с двухфазной вольтодобавкой” и шестой режим “пофазно переключающихся однофазной закоротки с двухфазной вольтоотбавкой”, когда соответственно при согласном и встречном включении первичных и вторичных фазных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора поочередно каждая из его фазных вторичных обмоток два раза за период закорочена, в то время как две другие пофазно подключены к источнику постоянного напряжения или соответствующим фазам источника переменного напряжения, а также третий режим “пофазно переключающихся однофазной вольтодобавки с двухфазной закороткой” и пятый режим “пофазно переключающихся однофазной волътоотбавки с двухфазной закороткой”, когда соответственно при согласном и встречном включении первичных и вторичных фазных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора поочередно каждая из его фазных вторичных обмоток два раза за период подключается к источнику постоянного напряжения или соответствующей фазе источника переменного напряжения, в то время как две другие закорочены, причем в каждый полупериод выходного напряжения чередование вышеупомянутых режимов происходит три раза, формируя в результате указанного несимметричного включения фазных вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора квазисимметричную модулированную вольтодобавку с частотой, в шесть раз превышающей частоту коммутации ключей и, кроме того, прохождение уровней выходного напряжения в процессе его плавного шестиподдиапазонного регулирования от максимального до минимального значения происходит в порядке нумерации вышеупомянутых режимов работы трехфазного вольтодобавочного трансформатора.