СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПРЕДПРИЯТИЯ Российский патент 2015 года по МПК H02M5/12 H02J3/14 

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетическим системам, и может быть использовано для стабилизации напряжения питания потребителей трансформаторных подстанций промышленных и агропромышленных предприятий, предусматривающих подключение электронагревателей для дополнительного обогрева помещений, нагрева воды и т.п., а также объектов мясомолочной и пищевой промышленности, в технологических процессах которых требуется непрерывная подача пара.

Известен стабилизатор напряжения трансформаторных подстанций предприятия, который предназначен для включения на стороне высокого напряжения (патент РФ на изобретение №2178232, H02M 5/257, G05F 1/30, 2002, Бюл. №1).

Он содержит силовой и вольтодобавочный трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и подключены к сети, трехфазный ключ, подключающий вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора к выходным зажимам трансформаторной подстанции или к зажимам нагрузки, основной электронагреватель, входящий в состав нагрузки, и дополнительный электронагреватель, шунтированный трехфазным ключом, выполненным, например, в виде трехфазного диодного моста, в диагональ которого включен GTO-тиристор или IGBT-транзистор. При изменении длительности проводящего состояния трехфазного ключа устройство обеспечивает плавное регулирование напряжения на входе трансформаторной подстанции и у потребителей вверх и вниз относительно номинального значения за счет плавного изменения величины и смены знака магнитного потока вольтодобавочного трансформатора, работающего в режиме двойного питания.

К недостатку данного технического решения следует также отнести снижение жесткости внешней характеристики стабилизатора и повышение искажений напряжения и тока при расширении диапазона регулирования, увеличение коэффициента трансформации вольтодобавочного трансформатора и (или) сопротивления дополнительного электронагревателя. Это, в свою очередь, ухудшает энергетические показатели подстанции и динамические свойства стабилизатора при резких изменениях напряжения в сети, величины и характера нагрузки.

Известен также стабилизатор напряжения трансформаторных подстанций предприятия (патент РФ на полезную модель №113436, Н02М 5/10, Н02М 5/257, G05F 1/30, 2012, Бюл. №4), который взят за прототип.

Он содержит такое же трансформаторное и электронное оборудование, как и предыдущий аналог, но включен на входе группы трансформаторных подстанций предприятия и поэтому имеет улучшенные массогабаритные показатели вольтодобавочного оборудования и не вносит искажения тока в силовой трансформатор основной подстанции предприятия, так как вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора с блоком реостатно-импульсного регулирования подключены к выходу другой подстанции предприятия.

Однако и этому стабилизатору свойственны недостатки, к которым следует отнести снижение жесткости внешней характеристики стабилизатора и повышение искажений напряжения потребителей и тока сети при расширении диапазона регулирования, увеличение коэффициента трансформации вольтодобавочного трансформатора и (или) сопротивления дополнительного электронагревателя. Это, в свою очередь, ухудшает энергетические показатели подстанции и динамические свойства стабилизатора при резких изменениях напряжения в сети, величины и характера нагрузки.

Кроме этого, устройство, плавно регулируя напряжение вверх и вниз относительно номинального уровня, создает наибольшие искажения собственно при номинальном напряжении в сети.

Задачей изобретения является улучшение энергетических показателей системы энергоснабжения предприятия за счет полного устранения искажений напряжения и тока при номинальном напряжении в сети и двукратного их уменьшения в процессе стабилизации напряжения у потребителей при отклонениях напряжении в сети вверх и вниз относительно его номинального значения, а также улучшение динамических свойств стабилизатора вследствие повышения жесткости внешней характеристики за счет снижения глубины модуляции добавочного напряжения в два раза.

Технический результат от решения поставленной задачи заключается в рациональном энергопотреблении вследствие улучшения качества напряжения и тока на входе и выходе трансформаторных подстанций и снижения в связи с этим потерь, а также улучшении формы напряжения питания потребителей и повышении точности и быстродействия поддержания его на заданном уровне вследствие существенного уменьшения глубины модуляции добавочного напряжения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что введен второй трехфазный ключ, управляющий вход которого подключен ко второму выходу системы управления, дополнительный электронагреватель выполнен из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, к точкам соединения которых подключен второй трехфазный ключ, а система управления выполнена с возможностью формирования управляющих импульсов на первом и втором выходах и в процессе снижения напряжения поочередного регулирования их длительности от периода коммутации до нуля, причем с начало на первом выходе при изменении сигнала управления на ее входе от максимального положительного значения до нуля, а затем на втором выходе при изменении сигнала управления на ее входе от нуля до максимального отрицательного значения.

Улучшение указанного технического результата от решения поставленной задачи достигается тем, что число последовательно соединенных электронагревательных элементов у дополнительного электронагревателя и равное им число трехфазных ключей и соответствующих выходов системы управления больше двух, при сохранении системой управления принципа поочередного изменения длительности проводящего состояния трехфазных ключей, при этом увеличение числа последовательно соединенных электронагревательных элементов у дополнительного электронагревателя и соответственно числа трехфазных ключей и выходов системы управления производят кратно двум.

Кроме этого, решается задача упрощения реализации устройства. Решение этой дополнительной задачи достигается тем, что в качестве последовательно соединенных электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя используют часть электронагревательных элементов от основного электронагревателя этого или другого предприятия.

Стабилизатор напряжения трансформаторных подстанций предприятия представлен на чертеже.

Он содержит силовой трансформатор 1 основной подстанции, вольтодобавочный трансформатор 2, первый трехфазный ключ 3 и второй трехфазный ключ 4 с общей для них системой управления 5, датчик отклонения напряжения 6 нагрузки, основной электронагреватель 7, дополнительный электронагреватель 8, содержащий два (или большее кратное двум) последовательно соединенных электронагревательных элемента, сеть 9 и нагрузку 10, к которой относятся наиболее критичные к качеству напряжению потребители, а также силовой трансформатор 11 другой наименее загруженной подстанции с нагрузкой 12, имеющей менее критичные к качеству напряжения потребители.

Элементы устройства соединены следующим образом.

Первичные обмотки силовых трансформаторов 1 и 11 подстанций предприятия соединены параллельно и через первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 2 подключены к сети 9. Вторичная обмотка силового трансформатора 1 соединена в звезду с нулевым проводом и подключена к нагрузке 10, в состав которой входят наиболее критичные к качеству напряжения потребители. Вход датчика отклонения напряжения 6 подключен к нагрузке 10, а его выход к управляющему входу системы управления 5 первым и вторым трехфазными ключами 3 и 4. Одни выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 подключены к вторичной обмотке силового трансформатора 11 другой наименее загруженной подстанции, имеющей менее критичные к качеству напряжения потребители, названные нагрузкой 12, в состав которой входит основной электронагреватель 7, а другие выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 подключены к первому трехфазному ключу 3 и к дополнительному электронагревателю 8, выполненному из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, к точкам соединения которых подключен второй трехфазный ключ 4. В зависимости от типа применяемых в устройстве трехфазных ключей 3 и 4 система управления 5 может быть асинхронной или синхронизированной с сетью 9.

Подготовка устройства к работе заключается в изучении системы электроснабжения предприятия и с учетом его особенностей в выборе параметров стабилизатора и настройке следующих уровней напряжения:

- максимальная вольтодобавка задается коэффициентом трансформации вольтодобавочного трансформатора 2 и при минимальном напряжении в сети 9 и номинальной нагрузке 10 и 12 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия. Уровень максимальной вольтодобавки задается при непрерывно включенном первом трехфазном ключе 3;

- промежуточный (номинальный) уровень напряжения устройства задается сопротивлением первого электронагревательного элемента дополнительного электронагревателя 8 и характеризуется тем, что при номинальном напряжении в сети 9 и номинальной нагрузке 10 и 12 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия. Он задается при полностью выключенном первом трехфазном ключе 3 и непрерывно включенном втором трехфазном ключе 4;

- максимальная вольтоотбавка задается суммарным сопротивлением первого и второго электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя 8 и при максимальном напряжении в сети 9 и номинальной нагрузке 10 и 12 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия.

Уровень максимальной вольтоотбавки задается при полностью выключенных первом и втором трехфазных ключах 3 и 4.

Устройство, представленное на чертеже, работает следующим образом.

При максимально пониженном напряжении в сети 9 система управления 5 подает непрерывные управляющие импульсы на первый и второй трехфазные ключи 3 и 4, включается только первый ключ 3 и вольтодобавочный трансформатор 2 повышает напряжение на входе силовых трансформаторов 1, 11 и на их нагрузках 10, 12 до заданного, например номинального, уровня за счет наведения на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 2 ЭДС, синфазную с напряжением нагрузки 12. В этом режиме дополнительный электронагреватель 8, его элементы и второй трехфазный ключ 4 закорочены первым трехфазным ключом 3 и обесточены, т.е. отключены.

При повышении напряжения в сети 9 от максимально пониженного до номинального устройство уменьшает длительность проводящего состояния первого трехфазного ключа 3 от периода коммутации до нуля и на интервалах его бестоковых пауз включается второй трехфазный ключ 4, вводя в цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 сопротивление первого электронагревательного элемента дополнительного электронагревателя 8. При этом реостатно-импульсном регулировании происходит плавное уменьшение напряжения вольтодобавки в первом поддиапазоне от максимального до промежуточного уровня.

При дальнейшем повышении напряжения в сети 9 от номинального до максимально пониженного уровня устройство при выключенном первом трехфазном ключе 3 уменьшает длительность проводящего состояния второго трехфазного ключа 4 от периода коммутации до нуля и на интервалах его бестоковых пауз вводит в цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 суммарное сопротивление первого и второго электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя 8. Таким образом в цепи вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 с частотой коммутации чередуется включение то одного, то двух сопротивлений. При этом происходит плавное уменьшение напряжения вольтодобавки во втором поддиапазоне от промежуточного до минимального уровня.

Дополнительный нагревательный элемент 8 в режиме полной вольтоотбавки устраняет дроссельный режим вольтодобавочного трансформатора 2 и выполняет роль защиты трехфазных тиристорных ключей 3 и 4 от перенапряжений.

Наиболее рациональной областью применения являются молокозаводы, мясокомбинаты с двух- и трехтрансформаторными подстанциями, в производстве которых используются импортные автоматические линии, требующие высокого качества питающего напряжения, а в технологическом процессе используются нагревательные элементы для производства горячей воды и пара. Устройство может также найти применение на птицефабриках, молочнотоварных фермах, в энергосистемах поселков леспромхозов, на предприятиях по производству безалкогольных напитков.

Стабилизатор напряжения трансформаторных подстанций предприятий относится к электротехнике, в частности к электроэнергетическим системам, и может быть использован для стабилизации напряжения питания потребителей трансформаторных подстанций промышленных и агропромышленных предприятий, предусматривающих подключение электронагревателей для дополнительного обогрева помещений, нагрева воды и т.п., а также объектов мясомолочной и пищевой промышленности, в технологических процессах которых требуется непрерывная подача пара. Стабилизатор трехфазного напряжения содержит вольтодобавочный трансформатор и два трехфазных ключа с общей системой управления. Первичные обмотки силовых трансформаторов основной и вспомогательной подстанций предприятия подключены к сети через первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора, вторичные обмотки силовых трансформаторов этих подстанций подключены к потребителям предприятия, а вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора одними выводами подключена к дополнительному электронагревателю и к первому трехфазному ключу, а другими к вторичной обмотке силового трансформатора вспомогательной подстанции, предназначенной для собственных нужд предприятия, к которой также подключен основной электронагреватель. Дополнительный электронагреватель выполнен из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, к точкам соединения которых подключен второй трехфазный ключ, а система управления выполнена с возможностью формирования управляющих импульсов для первого и второго трехфазных ключей и поочередного регулирования их длительности от периода коммутации до нуля, причем сначала у первого ключа при изменении сигнала управления от максимального положительного значения до нуля, а затем у второго ключа при изменении сигнала управления от нуля до максимального отрицательного значения, при этом сигнал управления поступает на систему управления с входа датчика отклонения выходного напряжения основной подстанции, питающей наиболее ответственные потребители предприятия. Технический результат от решения поставленной задачи заключается в рациональном энергопотреблении вследствие улучшения качества напряжения и тока на входе и выходе трансформаторных подстанций и снижения в связи с этим потерь, а также улучшении формы напряжения питания потребителей и повышении точности и быстродействия поддержания его на заданном уровне вследствие существенного уменьшения глубины модуляции добавочного напряжения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Стабилизатор напряжения трансформаторных подстанций предприятия, в состав потребителей которого входит основной электронагреватель, содержащий вольтодобавочный трансформатор, первичная обмотка которого одними выводами подключена к сети, а другими к первичным обмоткам всех силовых трансформаторов подстанций предприятия, вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора одними выводами подключена к дополнительному электронагревателю и к первому трехфазному ключу, а другими к вторичной обмотке силового трансформатора дополнительной подстанции, предназначенной для собственных нужд предприятия, к которой также подключен основной электронагреватель, при этом управляющий вход первого трехфазного ключа подключен к первому выходу системы управления, а вход системы управления через датчик отклонения напряжения подключен к вторичной обмотке силового трансформатора основной подстанции, отличающийся тем, что введен второй трехфазный ключ, управляющий вход которого подключен ко второму выходу системы управления, дополнительный электронагреватель выполнен из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, к точкам соединения которых подключен второй трехфазный ключ, а система управления выполнена с возможностью формирования управляющих импульсов на первом и втором выходах и в процессе снижения напряжения поочередного регулирования их длительности от периода коммутации до нуля, причем сначала на первом выходе при изменении сигнала управления на ее входе от максимального положительного значения до нуля, а затем на втором выходе при изменении сигнала управления на ее входе от нуля до максимального отрицательного значения.

2. Стабилизатор напряжения по п.1, отличающийся тем, что число последовательно соединенных электронагревательных элементов у дополнительного электронагревателя и равное им число трехфазных ключей и соответствующих выходов системы управления больше двух при сохранении системой управления принципа поочередного изменения длительности проводящего состояния трехфазных ключей, при этом увеличение числа последовательно соединенных электронагревательных элементов у дополнительного электронагревателя и соответственно числа трехфазных ключей и выходов системы управления производят кратно двум.

3. Стабилизатор напряжения по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве последовательно соединенных электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя используют часть электронагревательных элементов от основного электронагревателя.

4. Стабилизатор напряжения по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве последовательно соединенных электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя используют часть электронагревательных элементов от электронагревателя другого недалеко расположенного предприятия.