СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПРЕДПРИЯТИЯ С УТИЛИЗАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ ПОТЕРЬ Российский патент 2015 года по МПК H02J3/14 G05F1/30 

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 с утилизацией энергии потерь, который включен на стороне высокого напряжения силовых трансформаторов (патент РФ на изобретение №2178232, Н02М 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, включенный в рассечку звезды вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, другие выводы которой подключены 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 регулирования на 180 град фазы магнитного потока и вместе с ним ЭДС вольтодобавочного трансформатора, работающего в режиме двойного питания. При этом потери, которые могли бы возникнуть от нестабильного (повышенного) напряжения в силовом трансформаторе и у потребителей, выносятся на дополнительный электронагреватель (утилизируются).

К недостатку данного технического решения следует отнести снижение жесткости внешней характеристики стабилизатора и повышение искажений напряжения и тока при расширении диапазона регулирования за счет увеличения 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 с утилизацией энергии потерь (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 подключена 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 за счет увеличения 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 верх 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 у потребителей, в силовых трансформаторах и в сети, а также улучшение формы напряжения питания потребителей и повышение точности и быстродействия поддержания его на заданном уровне вследствие существенного уменьшения глубины модуляции добавочного напряжения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что введен дополнительный электронагреватель, подключенный к диагонали трехфазного диодного моста, и второй ключ, управляющий вход которого подключен ко второму выходу системы управления, при этом дополнительный электронагреватель выполнен из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, параллельно одному из которых подключен второй 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 нуля до периода коммутации, причем сначала на втором выходе при изменении сигнала управления на ее входе от максимального отрицательного значения до нуля, а затем на первом выходе при изменении сигнала управления на ее входе от нуля до максимального положительного значения.

Кроме этого, решается задача упрощения реализации устройства.

Решение этой дополнительной задачи достигается тем, в качестве последовательно соединенных электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя используют часть электронагревательных элементов от электронагревателя другого вблизи расположенного предприятия.

Стабилизатор напряжения трансформаторных подстанций предприятия представлен на фиг.1. Он содержит силовой трансформатор 1 основной подстанции, вольтодобавочный трансформатор 2, первый ключ 3 и второй ключ 4 с общей для них системой управления 5, датчик отклонения напряжения нагрузки 6, основной электронагреватель 7, дополнительный электронагреватель 8, содержащий два последовательно соединенных электронагревательных элемента, сеть 9 и нагрузку 10, к которой относятся наиболее критичные к качеству напряжению потребители, трехфазный диодный мост 11, а также силовой трансформатор 12 другой наименее загруженной подстанции с нагрузкой 13, имеющей менее критичные к качеству напряжения потребители.

Элементы устройства соединены следующим образом.

Первичные обмотки силовых трансформаторов 1 и 12 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 ключами 3 и 4. Одни выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 подключены к вторичной обмотке силового трансформатора 12 другой наименее загруженной подстанции, имеющей менее критичные к качеству напряжения потребители, названные нагрузкой 13, в состав которой входит основной электронагреватель 7, а другие выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 подключены к трехфазному диодному мосту 11, в диагональ которого включен первый трехфазный ключ 3 и дополнительный электронагреватель 8, выполненный из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, к одному из которых, например второму, подключен второй трехфазный ключ 4. В предлагаемом устройстве система управления 5 ключами 3 и 4 может быть выполнена как асинхронной, так и 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 13 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия. Уровень максимальной вольтодобавки задается при непрерывно включенном первом 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 13 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия. Он задается при полностью выключенном первом ключе 3 и непрерывно включенном втором 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 13 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия.

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

Устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом.

При максимально пониженном напряжении в сети 9 система управления 5 подает непрерывные управляющие импульсы на первый и второй ключи 3 и 4, включается только первый ключ 3, который через трехфазный диодный мост 11 соединяет вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 2 в звезду. Вольтодобавочный трансформатор 2 повышает напряжение на входе силовых трансформаторов 1, 12 и на их нагрузках 10, 13 до заданного, например номинального, уровня за счет наведения на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 2 ЭДС, синфазной с напряжением нагрузки 13. В этом режиме дополнительный электронагреватель 8, его элементы и второй ключ 4 закорочены первым ключам 3 и, следовательно, обесточены, т.е. отключены.

При повышении напряжения в сети 9 от максимально пониженного до номинального устройство уменьшает длительность проводящего состояния первого ключа 3 от периода коммутации до нуля, и на интервалах его бестоковых пауз включается второй 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 ограничивает дроссельный режим вольтодобавочного трансформатора 2 и исполняет роль защиты полупроводниковых 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, молочно-товарных и животноводческих фермах, в энергосистемах поселков леспромхозов, на предприятиях по производству безалкогольных напитков.

Изобретение 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. Технический результат заключается в рациональном энергопотреблении вследствие улучшения качества напряжения и тока на входе и выходе трансформаторных подстанций и снижения в связи с этим потерь силовых трансформаторах и в сети, а также улучшение формы напряжения питания потребителей и повышение точности и быстродействия поддержания его на заданном уровне вследствие существенного уменьшения глубины модуляции добавочного напряжения. Технический результат достигается тем, что введен дополнительный электронагреватель, подключенный к диагонали трехфазного диодного моста, и второй ключ, управляющий вход которого подключен ко второму выходу системы управления, при этом дополнительный электронагреватель выполнен из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, параллельно одному из которых подключен второй 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 нуля до периода коммутации, причем сначала на втором выходе при изменении сигнала управления на ее входе от максимального отрицательного значения до нуля, а затем на первом выходе при изменении сигнала управления на ее входе от нуля до максимального положительного значения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Стабилизатор напряжения трансформаторных подстанций предприятия с утилизацией энергии потерь, 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 трехфазному диодному мосту с первым ключом в его диагонали, а другими - к основному электронагревателю и к вторичной обмотке силового трансформатора дополнительной подстанции, предназначенной для собственных нужд предприятия, при этом управляющий вход первого ключа подключен к первому выходу системы управления, а вход системы управления через датчик отклонения напряжения подключен к вторичной обмотке силового трансформатора основной подстанции, питающей наиболее ответственные потребители предприятия, отличающийся тем, что введен дополнительный электронагреватель, подключенный к диагонали трехфазного диодного моста, и второй ключ, управляющий вход которого подключен ко второму выходу системы управления, при этом дополнительный электронагреватель выполнен из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, параллельно одному из которых подключен второй 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 нуля до периода коммутации, причем сначала на втором выходе при изменении сигнала управления на ее входе от максимального отрицательного значения до нуля, а затем на первом выходе при изменении сигнала управления на ее входе от нуля до максимального положительного значения.

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