КОРРЕКТОР КАЧЕСТВА НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H02M5/12 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения генераторов трехфазного переменного тока автономных источников электрической энергии.

Известны системы регулирования возбуждения и корректоры напряжения генераторов переменного тока /1, 2/.

Недостатком этих устройств является невозможность сохранения синусоидальной формы кривой напряжения при работе на нелинейную нагрузку, вызывающую высшие гармонические составляющие, и удовлетворительного коэффициента небаланса фазных напряжений при работе на переменную неоднородную несимметричную нагрузку, поскольку регулирование возбуждения производится для генератора в целом, а не для отдельных фаз.

Известен корректор небаланса фазных напряжений, содержащий три измерителя фазных напряжений, вариаторы, построенные на резисторах, включенные в каждую фазу, и схему управления /3/.

Недостатком корректора является потеря энергии на резисторах вариаторов и неспособность коррекции формы кривой напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство коррекции формы кривой напряжения, содержащее генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в цепь которого последовательно включены переменная нелинейная нагрузка и вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу коммутатора, образованного с первого по восьмой электронными ключами, первый и второй выпрямители, входы которых подключены к зажимам нагрузки, причем выход второго выпрямителя непосредственно связан с входом второго АЦП и через фильтр низких частот - с входом первого АЦП, разряды выхода которого соединены с соответствующими разрядами информационного входа третьего регистра памяти и первого входа числового компаратора, причем выход второго АЦП подключен к входу вычитаемого вычитателя, информационный выход которого подключен к входу ЦАП, а вход уменьшаемого соединен с выходом блока памяти, вход первой координаты которого связан с выходом суммирующего счетчика и входом второго регистра памяти, вход второй координаты - с выходом второго регистра памяти, а вход третьей координаты - с выходом первого регистра памяти, вход которого соединен с выходом третьего регистра памяти и вторым входом числового компаратора, выход БОЛЬШЕ которого через третий формирователь коротких импульсов подключен к входу записи третьего регистра памяти, сбросовый вход которого соединен со сбросовым входом суммирующего счетчика, связанного счетным входом с выходом генератора стабильных импульсов, и выходом элемента задержки, вход которого связан с входами записи первого и второго регистров памяти и выходом элемента ИЛИ, первый вход которого через первый формирователь коротких импульсов подключен к выходу формирователя-ограничителя, соединенному с входом элемента НЕ, выход которого через второй формирователь коротких импульсов связан со вторым входом элемента ИЛИ и сбросовым входом RS-триггера, единичный вход которого подключен к выходу первого формирователя коротких импульсов, прямой выход к управляющим электродам пятого и шестого электронных ключей, а инверсный выход к управляющим электродам седьмого и восьмого электронных ключей, при этом выход последнего объединен с выходом пятого электронного ключа и соединен с первым зажимом первичной обмотки трансформатора, второй зажим которой подключен к выходам шестого и седьмого электронных ключей, вход последнего из которых объединен с входом пятого электронного ключа и подключен к объединенному выходу первого и третьего электронных ключей, причем входы третьего и второго электронного ключа подключены к выходу ЦАП, входы первого и четвертого электронного ключа к - зажиму МАССА, а управляющие электроды первого и второго электронного ключа соединены с выходом признака положительной разности вычитателя, выход признака отрицательной разности которого соединен с управляющими электродами третьего и четвертого ключа, кроме того выходы второго и четвертого электронного ключа объединены и подключены к входам шестого и восьмого электронного ключа /4/.

Недостатком устройства является невозможность сохранения удовлетворительного коэффициента небаланса фазных напряжений при работе на переменную неоднородную несимметричную нагрузку.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

Цель изобретения достигается тем, что корректор качества напряжения, содержащий трехфазный генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в фазы которого последовательно включены переменная неоднородная нелинейная нагрузка и вторичные обмотки вольтодобавочных трансформаторов, первичные обмотки которых подключены к выходам коммутатора соответствующего фазного блока управления, каждый из которых, кроме того, имеет: формирователь коротких импульсов, логический элемент НЕ, первый и второй выпрямители, входы которых подключены к соответствующим фазам нагрузки, причем выход первого выпрямителя подключен к входу первого ограничителя-формирователя, а выход второго выпрямителя связан с входом АЦП, разряды выхода которого подключены к соответствующим разрядам входа вычитаемого вычитателя, подключенного разрядами выхода к соответствующим разрядам входа ЦАП, а вход уменьшаемого вычитателя соединен с выходом блока памяти, вход первой координаты которого - с выходом суммирующего счетчика, счетный вход которого подключен к выходу генератора импульсов стабильной частоты, а сбросовый вход - с выходом элемента задержки, снабжен регистром памяти, задающим регистром, и в каждом фазном блоке управления - логическим элементом исключающее ИЛИ и вторым ограничителем-формирователем, к входу которого подключен выход второго выпрямителя, а выход через формирователь коротких импульсов соединен с входом элемента задержки, причем выход первого ограничителя-формирователя подключен к первому входу логического элемента исключающий ИЛИ, связанного вторым входом с выходом признака положительной разности вычитателя, а выходом - непосредственно с входами управления первого и четвертого электронного ключа коммутатора и через логический элемент НЕ - с входами управления второго и третьего электронного ключа коммутатора, один полюс выхода которого образован объединенными выходами первого и второго электронного ключа, а второй полюс - третьего и четвертого электронного ключа, при этом входы первого и третьего электронного ключа коммутатора подключены к выходу ЦАП, а входы второго и четвертого ключа - к зажиму МАССА, при этом соответствующие разряды входа второй координаты блоков памяти фазных блоков управления объединены и подключены к соответствующим разрядам выхода задающего регистра, а счетные входы суммирующих счетчиков фазных блоков управления также объединены и подключены к выходу генератора импульсов стабильной частоты, кроме того, соответствующие разряды выхода суммирующего счетчику блока управления первой фазы подключены к соответствующим разрядам входа регистра памяти, вход записи которого подключен к выходу формирователя коротких импульсов блока управления первой фазы, а соответствующие разряды выхода - с соответствующими разрядами входа третьей координаты регистра памяти блоков управления всех фаз.

Задающий регистр и его связи обеспечивают одинаковые уровни всех фазных напряжений. Второй ограничитель-формирователь фазных блоков управления и его связи организуют измерение частоты. Логический элемент исключающее ИЛИ и его связи обеспечивают выбор момента коммутации электронных ключей и определяют полярность напряжения вольтодобавки. Подключение входов регистра памяти к блоку управления первой фазы, а выхода регистра - к входам третьей координаты блоков памяти всех фаз обеспечивает опережающее обновление кода полупериода в двух фазах, повышающее точность и уменьшает расход элементной базы, что повышает надежность.

На фиг. 1 представлена схема корректора качества напряжения, на фиг. 2 - эпюры сигналов на основных элементах схемы.

Схема корректора качества напряжения (фиг. 1) содержит в каждой фазе вольтодобавочные трансформаторы 1-1, 1-2 и 1-3, фазные блоки 2-1, 2-2 и 2-3 управления трансформаторами, каждый из которых имеет первый выпрямитель 3 однофазный однополупериодный, второй выпрямитель 4 однофазный мостовой, первый 5 и второй 6 ограничитель-формирователь, суммирующий счетчик 7, формирователь 8 коротких импульсов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, элемент задержки 10, логический элемент исключающее ИЛИ 11, логический элемент НЕ 12, первый 13, второй 14, третий 15 и четвертый 16 электронные ключи, которые образуют коммутатор 17, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 18, трехмерный блок памяти 19, вычитатель 20, регистр памяти 21. В каждом блоке управления 2-1, 2-2 и 2-3 к разрядам входа второй координаты блока памяти подключены соответствующие разряды выхода задающего регистра 22, а к счетным входам счетчика 7 - выход генератора 23 импульсов стабильной частоты. Фазные нагрузки 24-1, 24-2 и 24-3 включены последовательно с вторичными обмотками соответствующих трансформаторов 1-1,1-2 и 1-3. К сетевым зажимам 25-0, 25-1, 25-2 и 25-3 подключены соответствующие фазы трехфазного генератора 26 переменного тока с системой 27 регулирования возбуждения.

Схема работает следующим образом. На выходе задающего регистра 22 устанавливают код K_Um амплитуды U_m заданного напряжения, который подается на вход второго адреса регистра памяти 19 и связан с амплитудой U_m выражением

где ΔU₉ - шаг квантования АЦП 9.

При появлении положительной полуволны напряжения u(t) (фиг. 2) на нагрузке 24-1 первой фазы она подается на измерительный вход первого блока управления 2-1, и проходит через выпрямитель 3, поступая на вход ограничителя-формирователя 5. На выходе ограничителя-формирователя 5 появляется прямоугольный импульс Х5, длительность которого равна полупериоду при положительной полуволне напряжения u(t) на нагрузке 24-1 и напряжения u_C(t) на шинах 25 источника. Этот импульс Х5 поступает на первый вход элемента 11 исключающее ИЛИ.

Одновременно напряжение u(t) с нагрузки 24-1 поступает на вход второго выпрямителя 4, и на его выходе появляется пульсирующее напряжение , которое поступает на вход АЦП 9. На выходе АЦП 9 появляется код K_U и мгновенного напряжения u(t), который поступает на вход В (вычитаемого) вычитателя 20. Код K_U и связан с напряжением u(t) выражением

Кроме того, напряжение с выхода выпрямителя 4 поступает на вход формирователя-ограничителя 6, на выходе которого появляется импульс с длительностью, равной полупериоду напряжения u(t). По фронту этого импульса формирователь 8 вырабатывает короткий импульс, проходящий через элемент 10 задержки на сбросовый вход счетчика 7, который обнуляется. На счетный вход счетчика 7 поступают импульсы стабильной частоты с выхода генератора 23. На выходе счетчика 7 появляется код K_t текущего времени t, которое связано с кодом K_t выражением

где Т_Э - период следования импульсов с выхода генератора 23.

Код K_t текущего времени поступает на вход первого адреса (адреса текущего времени) блока 19 памяти. По окончании полупериода с приходом очередной полуволны напряжения u(t) импульсом с выхода формирователя 8 в регистр 21 записывается код K_T полупериода напряжения u(t), который связан с периодом T напряжения u(t) выражением

С выхода регистра 21 код K_T полупериода напряжения u(t), поступает на вход третьего адреса (адреса периода) блока памяти 19.

В ячейках блока памяти 19 записаны коды K_UC мгновенных значений эталонного напряжения u_Э(t) с идеально синусоидальной формой, которые связаны выражением

где

В зависимости от текущего времени, амплитуды и периода напряжения u(t) на выходе блока памяти 19 появляется соответствующий код K_UC эталонного напряжения, который поступает на вход А (уменьшаемого) вычитателя 20. На выходе вычитателя 20 появляется код К_Д разности или отклонения мгновенного значения напряжения нагрузки от эталонного напряжения

Этот код Кд поступает на вход ЦАП 18, и на его выходе появляется напряжение

где ΔU₁₈ - шаг квантования ЦАП 18

К_ВД - коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора 1

U_Д - напряжение на вторичной обмотке трансформатора 1.

Мгновенное значение напряжения u₁₈(t) с выхода ЦАП 18 поступает на коммутатор 17, построенный на электронных ключах 13…16 и который задает направление коррекции напряжения, путем изменения полярности напряжения u₁₈(t), следующим образом.

Если напряжение u(t) имеет положительные мгновенные значения (положительная полуволна, интервал времени t₁-t₆, фиг. 2), сигнал с выхода формирователя 5 поступает на первый вход элемента исключающее ИЛИ 11, и если одновременно мгновенные значения u(t) меньше мгновенных значений эталонного напряжения u_Э(t), когда присутствует сигнал Х20⁽¹⁾ на выходе признака положительной разности вычитателя 20 (интервал времени t₁-t₂, фиг. 2), то сигнал X11 на выходе элемента исключающее ИЛИ 11 отсутствует. Поэтому появляется сигнал X12 на выходе элемента НЕ 12, который поступает на управляющие электроды ключей 14 и 15, открывая их. Через открытые ключи 14 и 15 к первичной обмотке трансформатора 1-1 подается напряжение с выхода ЦАП 18 в прямой полярности. В результате на вторичной обмотке трансформатора 1-1 появляется напряжение u_Д(t), которое складывается с напряжением на нагрузке u(t), и мгновенное значение сетевого напряжения u_C(t) возрастает, приближаясь к эталонному напряжению и_Э(t). Аналогично протекает процесс на интервалах времени t₃-t₄ и t₅-t₆ (фиг. 2).

Если при положительных мгновенных значениях напряжения u(t) оно оказывается больше мгновенных значений эталонного напряжения u_Э(t), когда отсутствует сигнал Х20⁽¹⁾ на выходе признака положительной разности вычитателя 20 (интервал времени t₂-t₃, фиг. 2), появляется сигнал X11 на выходе элемента исключающее ИЛИ 11, а сигнал на выходе элемента НЕ 12 исчезает. При этом включаются электронные ключи 13 и 16, и на первичную обмотку трансформатора 1-1 подается напряжение с выхода ЦАП 18 с обратной полярностью. На вторичной обмотке трансформатора 1-1 появляется напряжение u_Д(t), которое вычитается из напряжения u(t), поддерживая мгновенное значение сетевого напряжения u_C(t) на уровне эталонного u_Э(t) напряжения. На интервале времени t₄-t₅ (фиг. 2) корректор работает аналогично.

Если напряжение u(t) имеет отрицательные мгновенные значения (отрицательная полуволна, интервал времени t₆-t₁₁, фиг. 2), сигнал на выходе формирователя 5, который поступает на первый вход элемента исключающее ИЛИ 11, отсутствует. При отклонении мгновенного значения напряжения u(t) в меньшую сторону по модулю (интервал времени t₆-t₇, фиг. 2) относительно эталонного напряжения u(t) код K_UC на первом входе А вычитателя 20 больше кода K_U на его втором входе В, поэтому присутствует сигнал Х20⁽¹⁾ на выходе признака положительной разности вычитателя 20. Этот сигнал Х20⁽¹⁾ поступает на второй вход элемента исключающее ИЛИ 11, на выходе которого появляется сигнал X11, которым открываются электронные ключи 13 и 16. Через открытые ключи 13 и 16 напряжение с выхода ЦАП 18 поступает на первичную обмотку трансформатора 1-1. При этом на вторичной обмотке трансформатора 1-1 появляется напряжение u_Д(t), совпадающее по фазе с напряжением u(t), что приводит к коррекции кривой напряжения u_C(t) в сторону увеличения по модулю. Аналогично протекает процесс на интервалах времени t₈-t₉ и t₁₀-t₁₁ (фиг. 2). Если при отрицательных мгновенных значениях напряжения u(t) оно отклоняется в большую сторону по модулю от эталонного (интервал времени t₇-t₈, фиг. 2), то сигнал Х20⁽¹⁾ на выходе признака положительной разности 20 отсутствует. Поэтому сигнал на выходе элемента исключающий ИЛИ 11 отсутствует, но появляется сигнал X12 на выходе элемента НЕ 12, которым открываются ключи 14 и 15. С выхода ЦАП 18 через ключи 14 и 15 подается напряжение, которые обеспечивает уменьшение по модулю мгновенных значений напряжения u_C(t) до эталонного напряжения. Аналогично протекает процесс на интервале времени (фиг. 2).

В результате в любой момент времени на вторичной обмотке трансформатора 1-1 появляется напряжение u_Д(t), которое корректирует мгновенное значение напряжения сети u_C(t), приближая его форму к идеальной синусоиде u_Э(t)

Аналогично происходит коррекция кривой напряжения в других фазах, при этом работают вольтодобавочные трансформаторы 1-2 и 1-3 соответственно с блоками управления 2-2 и 2-3. Причем во всех трех фазах амплитуды напряжения равны и соответствуют уровню заданному регистром 22.

Таким образом, наблюдается расширение функциональных возможностей за счет одновременного приближения формы кривой напряжения к идеальной синусоиде и устранения дисбаланса фазных напряжений.

Погрешность коррекции кривой напряжения зависит от разрядности N цифровых элементов, входящих в схему устройства. При N=10 погрешность не превышает 0,001.

Коэффициент К_неб небаланса фазных напряжений зависит от шага квантования ΔU₁₈ АЦП 9 и ЦАП 18

где U_max - наибольшее фазное напряжение;

U_min - наименьшее фазное напряжение;

U_ном - номинальное фазное напряжение.

При N=10 коэффициент К_неб небаланса не превышает 0,001.

Источники информации

1. Сугаков В.Г. Системы автоматического регулирования параметров электрической энергии судовых электростанций. Ч. 2. Автоматическое регулирование напряжения судовых источников электрической энергии: учеб. Пособие. / В.Г. Сугаков, О.С. Хватов. - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2011. 180 с.

2. Патент на изобретение №25233005 по заявке 2013108756 от 27.02.2013, кл. H02P 9/14.

3. Патент на изобретение №2580941 по заявке 2014152161/07 от 22.12.2014, кл. H02P 9/14.

4. Патент на изобретение №2580944 по заявке 2014143243/07 от 27.10.2014, кл. H02P 9/14.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения генераторов трехфазного переменного тока автономных источников электрической энергии. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Устройство содержит в каждой фазе вольтодобавочные трансформаторы (1-1, 1-2 и 1-3), фазные блоки (2-1, 2-2 и 2-3) управления трансформаторами, каждый из которых имеет первый выпрямитель (3) однофазный однополупериодный, второй выпрямитель (4) однофазный мостовой, первый (5) и второй (6) ограничитель-формирователь, суммирующий счетчик (7), формирователь (8) коротких импульсов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (9), элемент задержки (10), логический элемент исключающее ИЛИ (11), логический элемент НЕ (12), первый (13), второй (14), третий (15) и четвертый (16) электронные ключи, которые образуют коммутатор (17), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) (18), трехмерный блок памяти (19), вычитатель (20). В каждом блоке управления (2-1,2-2 и 2-3) к разрядам входа третьей координаты блока памяти (19) подключены разряды выхода регистра памяти (21), второй координаты - соответствующие разряды выхода задающего регистра (22), а к счетным входам счетчика (7) - выход генератора (23) импульсов стабильной частоты. Фазные нагрузки (24-1, 24-2 и 24-3) включены последовательно с вторичными обмотками соответствующих трансформаторов (1-1, 1-2 и 1-3). К сетевым зажимам (25-0, 25-1, 25-2 и 25-3) подключены соответствующие фазы трехфазного генератора (26) переменного тока с системой (27) регулирования возбуждения. Устройство имеет расширенные функциональные возможности: одновременно обеспечивает компенсацию искажения кривой переменного напряжения и небаланса фазных напряжений. 2 ил.

Корректор качества напряжения, содержащий трехфазный генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в фазы которого последовательно включены переменная неоднородная нелинейная нагрузка и вторичные обмотки вольтодобавочных трансформаторов, первичные обмотки которых подключены к выходам коммутатора соответствующего фазного блока управления, каждый из которых, кроме того, имеет: формирователь коротких импульсов, логический элемент НЕ, первый и второй выпрямители, входы которых подключены к соответствующим фазам нагрузки, причем выход первого выпрямителя подключен к входу первого ограничителя-формирователя, а выход второго выпрямителя связан с входом АЦП, разряды выхода которого подключены к соответствующим разрядам входа вычитаемого вычитателя, подключенного разрядами выхода к соответствующим разрядам входа ЦАП, а вход уменьшаемого вычитателя соединен с выходом блока памяти, вход первой координаты которого - с выходом суммирующего счетчика, счетный вход которого подключен к выходу генератора импульсов стабильной частоты, а сбросовый вход - с выходом элемента задержки, отличающийся тем, что с целью расширения функциональных возможностей снабжен регистром памяти, задающим регистром, и в каждом фазном блоке управления - логическим элементом исключающее ИЛИ и вторым ограничителем-формирователем, к входу которого подключен выход второго выпрямителя, а выход через формирователь коротких импульсов соединен с входом элемента задержки, причем выход первого ограничителя-формирователя подключен к первому входу логического элемента исключающее ИЛИ, связанного вторым входом с выходом признака положительной разности вычитателя, а выходом - непосредственно с входами управления первого и четвертого электронного ключа коммутатора и через логический элемент НЕ - с входами управления второго и третьего электронного ключа коммутатора, один полюс выхода которого образован объединенными выходами первого и второго электронного ключа, а второй полюс - третьего и четвертого электронного ключа, при этом входы первого и третьего электронного ключа коммутатора подключены к выходу ЦАП, а входы второго и четвертого ключа - к зажиму МАССА, при этом соответствующие разряды входа второй координаты блоков памяти фазных блоков управления объединены и подключены к соответствующим разрядам выхода задающего регистра, а счетные входы суммирующих счетчиков фазных блоков управления также объединены и подключены к выходу генератора импульсов стабильной частоты, кроме того, соответствующие разряды выхода суммирующего счетчика блока управления первой фазы подключены к соответствующим разрядам входа регистра памяти, вход записи которого подключен к выходу формирователя коротких импульсов блока управления первой фазы, а соответствующие разряды выхода - с соответствующими разрядами входа третьей координаты регистра памяти блоков управления всех фаз.