УСТРОЙСТВО ТОКОВОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКА НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G05F1/20 

Изобретение относится к области электротехники и применяется для создания статизма внешней характеристики источника напряжения переменного тока, например синхронного генератора, по реактивному току в различных системах автоматического регулирования напряжения путем воздействия на регулятор напряжения этого источника.

Известно устройство токовой стабилизации, содержащее включенный в одну из фаз источника напряжения трансформатор тока, вторичная обмотка которого подключена к установочному реостату, с помощью которого производится регулирование статизма внешней характеристики источника путем изменения сопротивления этого реостата, что приводит к изменению коэффициента передачи от тока нагрузки источника к напряжению вторичной обмотки трансформатора тока. Устройство подключено своими двумя входными зажимами к выходным зажимам двух других фаз источника напряжения, а двумя выходными - к двум входным зажимам регулятора напряжения этого источника. Один из выводов вторичной обмотки упомянутого трансформатора тока соединен с первым входным зажимом устройства, а второй вывод этой обмотки - с первым выходным зажимом устройства. Второй входной зажим устройства непосредственно соединен с другим его вторым выходным зажимом [1, стр.98-100].

Этому устройству присущи два недостатка. Первый из них обусловлен использованием трансформатора тока и заключается в большой массе и размерах этого трансформатора тока и установочного реостата. Второй недостаток проявляется в том, что устройство имеет только два выходных зажима. При применении регулятора напряжения с двумя входными зажимами возникают следующие отрицательные последствия: во-первых, не учитывается возможная несимметрия токов трехфазного источника, а во-вторых, вносится дополнительное запаздывание сигнала обратной связи по напряжению источника, так как однофазное входное напряжение регулятора напряжения выпрямляют и сглаживают фильтром нижних частот. Это запаздывание приводит к ухудшению качества переходных процессов восстановления напряжения при внезапном изменении нагрузки источника. Если регулятор напряжения имеет трехфазный вход, то необходимо использовать три таких устройства токовой стабилизации, в совокупности имеющих шесть выходных зажимов, и трехфазный трансформатор, вторичная обмотка которого подключается ко входу регулятора напряжения, а первичная обмотка выполнена из трех изолированных однофазных обмоток, подключенных к выходам устройств токовой стабилизации. При этом увеличивается сложность и возрастает масса устройства.

Известно также трехфазное устройство токовой стабилизации источника напряжения, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству и выбранное в качестве прототипа. Оно состоит из катушек, индуктивно связанных с токопроводами тока нагрузки источника напряжения и подключенных к указанным катушкам регулирующих элементов. Причем эти катушки и регулирующие элементы входят в состав электрических цепей, подключенных между первыми и вторыми зажимами устройства, соединенных соответственно с выходными зажимами упомянутого источника напряжения и с входными зажимами регулятора напряжения этого источника. Роль катушек, индуктивно связанных с токопроводами тока нагрузки, выполняют вторичные обмотки трех трансформаторов тока, первичные обмотки которых включены в эти токопроводы. В качестве регулирующих элементов применены три установочных реостата, одни из крайних зажимов которых соединены вместе, при этом эти реостаты образуют звезду, а другие их крайние зажимы подключены по одному к одним из зажимов вторичных обмоток трансформаторов тока, другие зажимы которых соединены вместе. Статизм внешней характеристики источника напряжения по реактивному току изменяется путем изменения сопротивлений плечей реостатов, находящихся между крайними и средними зажимами каждого реостата. В состав упомянутых электрических цепей, включенных между первыми и вторыми зажимами устройства, входят также первый и второй трехфазные трансформаторы напряжения и автотрансформатор. Первичная обмотка первого трансформатора напряжения подключена к первым зажимам устройства, а первичная обмотка второго трансформатора напряжения подключена к средним зажимам установочных реостатов. Вторичные обмотки обоих трансформаторов напряжения включены последовательно друг с другом и образуют звезду, зажимы которой, кроме нулевого, подключены к вторым зажимам устройства. В цепи, образованные вторичными обмотками трансформаторов напряжения, входят также те части обмоток автотрансформаторов, которые включены между первыми крайними и средними зажимами автотрансформаторов, у которых вторые крайние зажимы обмоток соединены в нулевую точку. При изменении у этих обмоток числа витков, включенных между средними и вторыми крайними зажимами автотрансформаторов, изменяется коэффициент обратной связи по напряжению и тем самым напряжение источника. Указанный автотрансформатор может быть включен не между вторичными обмотками первого и второго трансформаторов напряжения, а непосредственно на входе регулятора напряжения. При этом автотрансформатор можно рассматривать как элемент, входящий в состав регулятора напряжения. Первичная обмотка первого трансформатора напряжения включена в треугольник. Такое включение обеспечивает совпадение фаз напряжений вторичных обмоток первого и второго трансформаторов напряжения при чисто индуктивном токе нагрузки [2, стр.426-433, рис.42.14].

Первый недостаток этого устройства такой же, как и у рассмотренного выше, - большая масса и габариты трансформаторов тока и установочных реостатов. Второй недостаток проявляется в увеличении массы и габаритов устройства и связан с включением в его состав первого и второго трансформаторов напряжения, причем первый из них нужен и для устройств токовой стабилизации источников низкого напряжения, чтобы обеспечивать необходимый сдвиг по фазе между напряжениями источника и напряжениями вторичной обмотки второго трансформатора напряжения.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение массы и габаритов устройства токовой стабилизации.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в сокращении общего числа элементов устройства и замене элементов, индуктивно связанных с токопроводами тока нагрузки, на другие, имеющие в десятки и сотни раз меньшую массу.

Для решения поставленной задачи в устройстве токовой стабилизации источника напряжения, содержащем катушки, индуктивно связанные с токопроводами тока нагрузки этого источника напряжения, и подключенные к указанным катушкам регулирующие элементы, причем эти катушки и регулирующие элементы входят в состав электрических цепей, подключенных между первыми и вторыми зажимами устройства, соединенными соответственно с выходными зажимами упомянутого источника напряжения и с входными зажимами регулятора напряжения этого источника, в качестве катушек используют имеющие отводы катушки дифференцирующих индукционных преобразователей тока, а в качестве регулирующих элементов применен переключатель, число входных зажимов полюсов которого равно числу упомянутых катушек, а число выходных зажимов в каждом полюсе переключателя и число его позиций равны числу отводов этих катушек, начало каждой из которых соединено с одним из первых зажимов устройства, а каждый отвод каждой из этих катушек подключен к одному из выходных зажимов одного из полюсов указанного переключателя, каждый из входных зажимов которого соединен с одним из вторых зажимов устройства.

Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:

Признак “...в качестве катушек используют имеющие отводы катушки дифференцирующих индукционных преобразователей тока...” позволяет уменьшить массу и габариты устройства и изменять напряжения между первыми и вторыми зажимами устройства при неизменном токе нагрузки и тем самым изменять статизм внешней характеристики источника по его реактивному току. Дифференцирующие индукционные преобразователи тока работают в режиме, близком к холостому ходу. Ток, проходящий по катушке этого преобразователя в десятки и сотни раз меньше, чем у вторичной обмотки трансформатора тока. Поэтому при одинаковом значении напряжения на вторичной обмотке трансформатора тока и на катушке дифференцирующего индукционного преобразователя тока расчетная мощность и, следовательно, масса последнего в десятки и сотни раз меньше, чем у трансформатора тока.

Признак “...в качестве регулирующих элементов применен переключатель...” позволяет исключить установочные реостаты и тем самым уменьшить массу и габариты устройства.

Совокупность отличительных признаков позволяет исключить трансформаторы напряжения и установочные реостаты и тем самым уменьшить массу и габариты устройства.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию “новизна”.

Предлагаемое решение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена функциональная схема устройства токовой стабилизации в однофазном исполнении, а на фиг.2 - в трехфазном.

Устройство токовой стабилизации содержит дифференцирующие индукционные преобразователи 1 тока, катушки 2 которых выполнены с отводами 3. Последние подсоединены к выходным зажимам 4 полюсов переключателя 5. Начала 6 катушек 2, которые являются первыми зажимами устройства, подсоединены к выходным зажимам 7 источника 8 напряжения. Входные зажимы 9 полюсов переключателя 5, которые одновременно являются вторыми зажимами устройства, подключены ко входу регулятора 10 напряжения, который управляет напряжением источника 8 напряжения. Катушки 2 дифференцирующих индукционных преобразователей 1 тока индуктивно связаны с токопроводами 11 источника 8 напряжения.

Катушки 2 и полюсы переключателя 5 образуют электрические цепи, имеющие в качестве внешних зажимов начала 6 катушек 2 и входные зажимы 9 полюсов переключателя 5.

Устройство токовой стабилизации работает следующим образом. Фазное входное напряжение U_вx регулятора 10 напряжения при синусоидальной форме напряжений и токов источника 8 напряжения определяется выражением

где - фазное напряжение источника напряжения;

ω - круговая частота;

I - фазный ток;

М - взаимная индуктивность между токопроводами 11 тока нагрузки и катушками 2 дифференцирующих индукционных преобразователей 1 тока.

Заменим произведение ω·М на сопротивление Х взаимной индукции дифференцирующего индукционного преобразователя тока, тогда уравнение (1) примет вид

Так как напряжение I·Х между зажимами 6 и 9 много меньше напряжения U источника 8 напряжения, то справедливо следующее выражение

где I_p=I·sinϕ - реактивный ток источника 8 напряжения;

ϕ - угол между напряжением U и током I нагрузки одной и той же фазы источника 8 напряжения.

В связи с тем, что ток устройства I_вх пренебрежимо мал, то ток I источника 8 напряжения практически равен току нагрузки I_наг.

Регулятор 10 напряжения поддерживает напряжение U_вx постоянным, воздействуя для этого на источник 8 напряжения. Следовательно, напряжение источника 8 напряжения зависит от реактивного тока нагрузки I_р:

где U₀ - напряжение холостого хода источника 8 напряжения.

Переключателем 5 изменяют число витков обмоток катушек 2, соединенных с зажимами 9 устройства, и тем самым пропорциональное этому числу витков сопротивление взаимной индукции X. При этом изменяется коэффициент статизма внешней характеристики источника 8 напряжения по реактивному току

где I_н - номинальное значение тока источника 8 напряжения.

При одиночной работе источника 8 напряжения статизм его внешней характеристики не нужен. В этом случае переключатель 5 ставят в положение, при котором замкнуты его верхние контакты. Сопротивление Х и коэффициент статизма к при этом равны нулю.

Для однофазного исполнения устройства токовой стабилизации входящие в уравнение (4) величины являются линейными, а в качестве Х принимается величина .

Источники информации

1. Константинов В.Н. Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок. - Л.: Судостроение, 1988.

2. Электротехнический справочник: Т.З. Кн. 1. Производство и распределение электрической энергии. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для обеспечения статизма внешней характеристики источника напряжения переменного тока по реактивному току в различных системах автоматического регулирования напряжения. Задача: снижение массы и габаритов устройства токовой стабилизации. Сущность изобретения: устройство содержит катушки, индуктивно связанные с токопроводами тока нагрузки источника напряжения, и подключенные к указанным катушкам регулирующие элементы, причем эти катушки и регулирующие элементы входят в состав электрических цепей, подключенных между первыми и вторыми зажимами устройства, соединенными соответственно с выходными зажимами упомянутого источника напряжения и с входными зажимами регулятора напряжения этого источника напряжения. В качестве катушек используют имеющие отводы катушки дифференцирующих индукционных преобразователей тока, а в качестве регулирующих элементов применен переключатель, число входных зажимов полюсов которого равно числу упомянутых катушек. Технический результат: сокращение общего числа элементов устройства и замена трансформаторов тока как элементов, индуктивно связанных с токопроводами тока нагрузки источника напряжения на указанные дифференцирующие индукционные преобразователи тока, имеющие в десятки и сотни раз меньшую массу. 2 ил.

Устройство токовой стабилизации источника напряжения, содержащее катушки, индуктивно связанные с токопроводами тока нагрузки этого источника напряжения, и подключенные к указанным катушкам регулирующие элементы, причем эти катушки и регулирующие элементы входят в состав электрических цепей, подключенных между первыми и вторыми зажимами устройства, соединенными соответственно с выходными зажимами упомянутого источника напряжения и с входными зажимами регулятора напряжения этого источника, отличающееся тем, что в качестве катушек используют имеющие отводы катушки дифференцирующих индукционных преобразователей тока, а в качестве регулирующих элементов применен переключатель, число входных зажимов полюсов которого равно числу упомянутых катушек, а число выходных зажимов в каждом полюсе переключателя и число его позиций равны числу отводов этих катушек, начало каждой из которых соединено с одним из первых зажимов устройства, а каждый отвод каждой из этих катушек подключен к одному из выходных зажимов одного из полюсов указанного переключателя, каждый из входных зажимов которого соединен с одним из вторых зажимов устройства.