Устройство для регулирования напряжения Советский патент 1989 года по МПК H01J3/18 

1

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для регулирования напряжения с защитой от перенапряжений и субгармонических колебаний, используемых в рас- пределителъных сетях промышленных предприятий.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства на фиг.2 - схема блока управления.

Устройство для регулирования напряжения содержит батарею конденсаторов 1 с двумя 2 и 3 выводами для под- ключения к сети, датчик 4 параметров сети .с входом 5 и выходом 6, два 7 и 8 диода управляющих импульсов с выводами 9 и 10, 11 и 12, тиристорный ключ 13 с четырьмя 14-17 выводами, резистор 18 с выводами 19 и 20, пороговый элемент 21 с выводами 22 и 23, несимметричный делитель 24 напряжения с тремя выводами .25-27, второй пороговый элемент 28 с выводами 29 и 30, четыре 31-34 силовых ключа с тремя 35-46 выводами каждый, двумя 47 и 48 управляющими ключами с тремя 49-54 выводами каждый, блоком 55 управления, двумя 56 и 57 стабилитро- нами с выводами 58-61 соответственно, а батарея конденсаторов 1 выполнена секционированной: первая секция 62 - с выводами 63 и 64, вторая секция 65 - с выводами 66 и 67, третья сек- ция 68 - с выводами 69 и 70, причем

0 0 5

5

блок 55 управления имеет первый 71 и второй 72 входы и первый 73, второй 74, третий 75, четвертый 76, пятый 77 и шестой 78 выходы, при этом первый вывод 63 первой секции 62 батареи конденсаторов 1 подключен к выводу 2 для подключения к сети и одному выводу 19 резистора 18, второй вывод 64 первой секции 62 батареи конденсаторов 1 соединен с первым выводом 66 второй секции 65 батареи конденсаторов 1 и с первыми 35 и 38 выводами первого 31 и второго 32 силовых ключей, а второй 67 вывод второй секции 65 батареи конденсаторов 1 подключен к первому выводу 4 третьего силового ключа 33 и к первому выводу 69 третьей секции 68 батареи конденсаторов 1, другой вывод 70 которой соединен с первым выводом 44 четвертого силового ключа 34 и вторым выводом 39 второго силового ключа 32, второй вывод 42 третьего силового ключа 33 соединен с выводом 3 для подключения к нагрузке, с выводом 25 несимметричного делителя 24 напряжения и выводом 14 тиристорного ключа 13, второй вывод 15 которого соединен с вторым выводом 26 несимметричного де- .лителя 24 напряжения и вторым выводом 20 резистора 18, третий вывод 27 несимметричного делителя 24 напряжения соединен с первыми выводами 22 и 29 пороговых элементов 21 и 28, второй вывод 23 первого 21 порогового элемента 21 соединен с первым выводом 49 первого управляющего ключа 47, второй вывод 30 второго порогового элемента 28 соединен с первым выводом 52 второго управляющего ключа 48, а вторые выводы 50 и 53 управляющих ключей 47 и 48 соединены между собой и с анодами 9 и 11 первого 7 и второго 8 диодов управляющих импульсов, катоды 10 и 12 которых соединены с управляющими 16 и 17 электродами первого и второго тиристоров ключа 13 соответственно, второй вывод 36 первого силового ключа 31 соединен с нагрузкой, второй вывод 45 четвертого силового ключа 34 соединен с нейтралью, датчик 4 параметров сети своим выходом 6 через последовательно соединенные стабилитроны 56 и 57 соединен с первым входом 71 блока 55 управления, второй вход 72 которого соединен с общей точкой 59 и 60 соединения ста20 секций батареи конденсаторов 1; и при напряжении сети, равном и выше номинального, параллельное включение с нагрузкой необходимого количества секций батареи конденсаторов.1 с шун

билитронов 56 и 57, выводы 73-77 блока 55 управления соединены с управ- 25 тированием. через резистор 18 секций ляющими входами 51 и 54 первого 47 батареи конденсаторов 1, включенных и второго 48 управляющих ключей, с третьими выводами 37, 40 и 46 первого 31, второго 32 и четвертого 34 силовых ключей соответственно, шестой 30 выход 78 блока 55 управления соединен с третьим выводом 43 третьего силового ключа 33, а вход датчика 5 параметров сети 4 подсоединен к сети и

последовательно с нагрузкой, причем если при первых двух режимах тирис- торный ключ 13 с элементами 7, 8, 21, 28, 47 и 48 его управления выпол няет роль универсального защитного устройства от перенапряжений и субгармонических колебаний секций батареи конденсаторов 1, включенных последовательно .с нагрузкой, то при третьем (номинальном) уровне напряжения тиристорный ключ 13 через резистор 18 шунтирует последовательно включенные секции, ограничивая тем самым напряжение на нагрузке и, следовательно, уменьшая потери мощности в нагрузке.

второму выходу 19 резистора 18. Блок

55 управления содержит логический элемент ИЛИ 79 с входами 80 и 81 и выходом 82, логический элемент И-НЕ 83 с входами 84 и 85 и выходом 86, устройство 87 временной задержки с входом 88 и выходом 89, причем вхот ды 80 и 81 логического элемента ИЛИ 79 соединены с входами 71 и 72 блока 55 управления, вход 71 которого соединен также с входом 85 логическо го элемента И-НЕ, второй вход которого 84 соединен с выходом 82 логического элемента ИЛИ 79, одновременно его выход 82 соединен с выходами 73- 77 блока управления, выход 78 которо то соединен с выходом 89 устройства 87 временной задержки, вход которого 88 соединен с выходом 86 логического элемента И-НЕ.

Схема устройства для регулирования напряжения с универсальной защитой от перенапряжений и субгармонических колебаний показана в однофазном исполнении. В общем случае коли

чество устройств равно числу фаз сети переменного тока, в которую включается устройство. Все элементы предложенного устройства для регулирова- ния напряжения стандартны, причем ключи могут выполняться в виде контакторов или на тиристорах. Система управления может быть выполнена в виде блока, управляющего силовыми ключами 31-34 и управляющими ключами 47 и 48. Блок 55 управления обеспечивает три режима работы секционированной батареи конденсаторов: в период

пуска нагрузки последовательное включение всей батареи конденсаторов I с заданным соединением секций; при пониженном напряжении последовательно- параллельное с нагрузкой включение

секций батареи конденсаторов 1; и при напряжении сети, равном и выше номинального, параллельное включение с нагрузкой необходимого количества секций батареи конденсаторов.1 с шунтированием. через резистор 18 секций батареи конденсаторов 1, включенных

5 тированием. через резистор 18 секций батареи конденсаторов 1, включенных 0

5

0

0

5

последовательно с нагрузкой, причем, если при первых двух режимах тирис- торный ключ 13 с элементами 7, 8, 21, 28, 47 и 48 его управления выполняет роль универсального защитного устройства от перенапряжений и субгармонических колебаний секций батареи конденсаторов 1, включенных последовательно .с нагрузкой, то при третьем (номинальном) уровне напряжения тиристорный ключ 13 через резистор 18 шунтирует последовательно включенные секции, ограничивая тем самым напряжение на нагрузке и, следовательно, уменьшая потери мощности в нагрузке.

Устройство работает следующим образом.

А. В исходном состоянии при отсутствии напряжения в сети силовые 31 и 34 и управляющий 48 ключи разомкнуты, а ключи 32 и 33 и 47 замкнуты.

Таким образом, перед пуском нагрузки батарея конденсаторов 1 полностью включена последовательно с нагрузкой, причем секции батареи конденсаторов 1 представлены в виде двух последовательно соединенных блоков, эквивалентное сопротивление одного из них, например 62, равно реактивному индуктивному сопротивлению системы (без двигателя), второй блок батареи конденсаторов (65-68) предстаадя5I

ет собой ряд параллельно соединенных секций батареи конденсаторов 1, которые при переключении их на последовательное соединение с последующим параллельным включением с нагрузкой обеспечат номинальный режим работы каждой секции батареи конденсаторов 1 при номинальном и повышенном напряжении сети.

Эквивалентное сопротивление по- следЧэвательно соединенных блоков секций батареи конденсаторов 1 будет больше, (но менее чем в 2 раза), чем реактивное сопротивление системы. Теоретически и экспериментально установлено, что при пуске нагрузки (асинхронного двигателя, трансформатора) последовательно соединенные с нагрузкой конденсаторы, реактивное сопротивление которых находится в указанных пределах, сокращают время пуска, что положительно сказывается на режиме работы сети в целом.

Б. Пуск нагрузки (асинхронного двигателя) обусловлен глубокими снижениями напряжения. В этом случае последовательно соединенные блоки сек- ,ций батареи конденсаторов, подсоединенные последовательно с асинхронным двигателем, обеспечат форсированный пуск, а тиристорный ключ 13 с элементами 7, 21, 24 и 47 управления обеспечат защиту последовательно соединенных секций батареи конденсаторов от субгармонических колебаний и перенапряжений, так как при глубоких снижениях напряжения силовые 31 и 34 и управляющий 48 ключи разомкнуты, а силовые 32 и 33 и управляющий 47 ключи замкнуты, пороговый элемент 21 сработает и зашунтирует через резистор 18 последовательно соединенные блоки секций конденсаторной батареи 1 только в том случае, если напряжение на них превысит удвоенное допустимое одной секции батареи конденсаторов.

В. Пуск закончился. Датчик 4 параметров сети со своего выхода 6 передает информацию через стабилитроны 56 и 57 на входы 71 и 72 блока 55 управления. Если напряжение сети номинальное или несколько ниже, то с выходов 76, 78 и 73 блока 55 управления подаются сигналы на размыкание силовых 32 и 33 и управляющего 47 ключей, а с выходов 75, 77 и 74 подаются сигналы на замыкание силовых 31.

747586

и 34 и управляющего 48 ключей. Таким образом блок секций -62 батареи конденсаторов I, реактивное сопротивле- с ние которого равно реактивному сопротивлению системы, оказывается включенным последовательно с нагрузкой, а секции 65 и 68 батареи конденсаторов 1, включены последовательно О между собой и параллельно нагрузке обеспечивая компенсацию реактивной мощности нагрузки.

Устройство защиты в этом случае с помощью силового ключа 31 включено

15 параллельно секции 63 батареи конден- i саторов 1. Замкнутый управляющий ключ 48 вводит в работу второй пороговый элемент 28, который сработает и зашунтирует секцию 62 батареи кон20 денсаторов 1 в том случае, -когда в сети будут иметь место перенапряжения и субгармонические колебания. Шунтирование секции 62 батареи конденсаторов 1 тиристорным ключом 13

25 через резистор 18 при перенапряжениях в сети снизит напряжение на нагрузке на величину добавочного напряжения, получаемого нагрузкой с последовательно соединенной с ней

30 секции 62 батареи конденсаторов 1.

Таким образом предлагаемое устройство обеспечивает форсированный пуск нагрузки, повышение напряжения на нагрузке при низком уровне напря35 жения сети с одновременной компенсацией реактивной мощности нагрузки и снижение напряжения на нагрузке при повышении его в сети выше номинального с одновременной поперечной ком40 пенсацией.

Предложенная схема защиты от перенапряжений и субгармонических колебаний является универсальной, так как при пусках и пониженных напряжениях

45 в сети она выполняет свои прямые

функции, т.е. защиту батареи конденсаторов, а при перенапряжениях в сети, кроме прямых функций, еще и добавочную - снижение напряжения на на0 грузке. Использование одной и той же батареи конденсаторов как для продольного, так и для поперечного включения с нагрузкой, расширяет функциональные возможности устройства,

5 делает его универсальным и соответственно делает его экономичным, так как вместо двух конденсаторных батарей с разделенными функциями продольного И поперечного включений приме10

1474758

йена одна секционированная батарея конденсаторов. Кроме того, предложенная схема расположения силовых ключей и секционирование батареи конденсаторов позволяют использовать как продольную, так и поперечную компенсацию на одной стороне трансформатора.

Поскольку управление ключами осуществляется в функции только напряжения питающей сети для трех его уровней, то выполнение блока управ- ,ления может быть любым, стандартным, обеспечивающим состояние описанных силовых и управляющих ключей.

Работа блока управления (фиг.2) осуществляется следующим образом.

В исходном положении ключи 31, 34 и 48 нормапкно разомкнуты, а ключи 32, 33 и 47 нормально замкнуты,т.е. и данной конкретной схеме последовательно с нагрузкой включены запарал- леленные между собой вторая 65 и тре8

15

20

сагоров 1 соединены по ной компенсации, что по ществить форсированный ного двигателя.

Работа в установивше напряжении сети ниже но Если напряжение в сети нального, но достаточно тывания первого стабили на входах 71 и 72 блока ния и входах 80 и 81 ло мента ИЛИ 79 сигналы бу венно 1 и О, что сф его выходе 82 сигнал 1 дается на выходы 73-77 равления, кроме того, с дается на вход 84 логич мента И-НЕ 83, на второ го 85 подан сигнал О, ет на его выходе сигнал подается через устройст ной задержки на выход 7 равления. Таким образом

Чья 68 секции и последовательно с ни-25 подается на управляющие

35

ми включена первая 62 секция батареи конденсаторов. Эквивалентное сопротивление батареи конденсаторов 1 больше сопротивления системы, что обеспечивает форсированный пуск и за- Зп щиту от перенапряжений последовательно соединенных секций.

Пуск асинхронного двигателя сопровождается уменьшением напряжения сети в узле нагрузки, поэтому сигнал с выхода 6 датчика 4 параметров сети через стабилитроны 56 и 57, поданный на входы 71 и 72 блока 55 управления, недостаточен для срабатывания стабилитронов 56 и 57, что формирует сигналы О на входах 71 и 72 блока 55 управления и входах 80 и 81 логического элемента ИЛИ 79, на выходе ко- . торого 82 при этом формируется сигнал О, который подается на выходы 73-77 блока 55 управления, сигналы О подаются на управляющие входы 51, 54, 37, 40 и 46 ключей 47, 48, 31, 32 и 34, т.е. состояние этих ключей в период пуска не изменилось по

40

45

50

ключей, что приводит к чи 31, 34 и 48 оказываю ми, а ключи 32, 33 и 47 тыми, а это приводит к вая секция 62 батареи к I оказывается включенной тельно с нагрузкой, а по но соединенные между со и 68 включены параллельн защита от перенапряжений нических колебаний осущ помощью второго порогов 28, уровень срабатывания в два раза меньше, чем у соответствует номинально нию первой секции 62 бат саторов 1.

В работе при напряжен номинального допустимы д Первый вариант приведен заявки в пункте В.

Второй вариант реализ щью блока 55 управления, и 72 которого подан сигн приводит к изменению ком налов на входах 80 и 81 элемента ИЛИ 79 и входах гического элемента И-НЕ если изменение комбинаци на элементе ИЛИ 79 - на

сравнению с исходным, не изменилось и состояние третьего ключа 33, так как устройство 87 временной задержки (в простейшем случае цепь R-C) на период пуска задерживает изменение

сигнала О на выходе 78 блока 55 уп равления, что оставляет третий силовой ключ 33 в исходном состоянии. Таким образом, секции батареи конден

8

0

5

0

сагоров 1 соединены по схеме продольной компенсации, что позволяет осуществить форсированный пуск асинхронного двигателя.

Работа в установившемся режиме при напряжении сети ниже номинального, Если напряжение в сети ниже номинального, но достаточное для срабатывания первого стабилитрона 56, то на входах 71 и 72 блока 55 управления и входах 80 и 81 логического элемента ИЛИ 79 сигналы будут соответственно 1 и О, что сформирует на его выходе 82 сигнал 1, который подается на выходы 73-77 блока 55 управления, кроме того, сигнал Iм подается на вход 84 логического элемента И-НЕ 83, на второй вход которого 85 подан сигнал О, что оставляет на его выходе сигнал 1, который подается через устройство 87 временной задержки на выход 78 блока 55 управления. Таким образом сигнал 1

5 подается на управляющие

зажимы всех

5

п

0

5

0

приводит к

ключей, что приводит к тому, что ключи 31, 34 и 48 оказываются замкнутыми, а ключи 32, 33 и 47 - разомкнутыми, а это приводит к тому, что первая секция 62 батареи конденсаторов I оказывается включенной последовательно с нагрузкой, а последовательно соединенные между собой секции 65 и 68 включены параллельно нагрузке, защита от перенапряжений и субгармонических колебаний осуществляется с помощью второго порогового элемента 28, уровень срабатывания которого в два раза меньше, чем у первого, и соответствует номинальному напряжению первой секции 62 батареи конденсаторов 1.

В работе при напряжении сети выше номинального допустимы два варианта. Первый вариант приведен в описании заявки в пункте В.

Второй вариант реализуется с помощью блока 55 управления, на входы 71 и 72 которого подан сигнал 1, что приводит к изменению комбинации сигналов на входах 80 и 81 логического элемента ИЛИ 79 и входах 84 и 85 логического элемента И-НЕ 83, причем если изменение комбинации сигналов на элементе ИЛИ 79 - на Г1, 1 не

изменению сигнала на его выходе 82, а следовательно, и на состоянии ключей 31, 32, 34, 47 и 48, то изменение комбинации сигналов на

91474758

входах 84 и 85 элемента И-НЕ 83 приведет к формированию на его выходе сигнала О, который через устройство 87 временной задержки подается на g выход 78 блока 55 управления, а затем на управляющий вход 43 силового ключа 33, что и приводит ключ в замкнутое состояние. Таким образом, первая секция 62 батареи конденсате- ю ров 1 зашунтирована через резистор 18 тиристорным ключом 13, вторая секции 65 зашунтирована замкнутым силовым ключом 31 и параллельно нагрузке подсоединена только третья секция 68. 15 Так как сопротивление параллельной секции уменьшилось, увеличилась степень компенсации реактивной мощности в узле нагрузки. Номинальное напря10

функции Y , X л + Х2, Т 2 Y 6 (X , + + Х2)Ха, при этом выход первой секции батареи конденсаторов подключен к выводу для подключения к сети и одному выводу резистора, второй вывод первой секции батареи конденсаторов соединен с первым выводом второй секции батареи конденсаторов и с первыми выводами первого и Второго силовых ключей, а второй вывод второй секции батареи конденсаторов подключен к первому выводу третьего СИ лового ключа и к первому выводу третьей секции батареи конденсаторов, другой вывод которой соединен с первым выводом четвертого силового ключа и вторым выводом второго силового

ключа, второй вывод третьего силово- жение третьей секции не должно быть 201 го ключа соединен с выводами для

58

10

функции Y , X л + Х2, Т 2 Y 6 (X , + + Х2)Ха, при этом выход первой секции батареи конденсаторов подключен к выводу для подключения к сети и одному выводу резистора, второй вывод первой секции батареи конденсаторов соединен с первым выводом второй секции батареи конденсаторов и с первыми выводами первого и Второго силовых ключей, а второй вывод второй секции батареи конденсаторов подключен к первому выводу третьего СИ лового ключа и к первому выводу третьей секции батареи конденсаторов, другой вывод которой соединен с первым выводом четвертого силового ключа и вторым выводом второго силового

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для регулирования напряжения с защитой от перенапряжений и субгармонических колебаний в распределительных сетях промышленных предприятий. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей. Устройство состоит из секционированной батареи 1 конденсаторов, четырех силовых ключей 31-34, датчика параметра сети 4, блока управления 55, тиристорного ключа 13 двух пороговых элементов 21 и 28, несимметричного делителя напряжения 24, управляющих ключей 47 и 48. Устройство обеспечивает форсированный пуск асинхронного двигателя, который осуществляется за счет того, что в период пуска последовательно с нагрузкой включены продольные секции, сопротивление которых равно удвоенному сопротивлению системы, и одновременно параллельно нагрузке включены поперечные секции. Возможно также повышение напряжения на нагрузке путем применения продольного включения секции батареи конденсаторов с сопротивлением, равным сопротивлению системы при низком уровне напряжения в питающей сети, с одновременной компенсацией реактивной мощности путем включения остальных последовательно соединенных между собой секций параллельно нагрузке. При повышении напряжения питающей сети до номинального и выше устройство снижает напряжение на нагрузке путем шунтирования включенной последовательно с нагрузкой секции батареи конденсаторов устройством защиты от перенапряжений и субгармонических колебаний с одновременной поперечной компенсацией. 2 ил.

ниже напряжения сети.

В общем случае работа блока управления может быть выражена функциями, составленными на основании законов

алгебры логики. Если входными величи- 25 водом несимметричного делителя напрянами на входах 80, 81, 84 и 85 логических элементов 79 и 83 являются сигналы Х71 X,, и Х72 Х2,сформированные на выходах 59 и 61 стабилитронов 56 и 57, то функциональные зависимости выходных сигналов Y73, Y74, Y75, Y76, Y77 и Y78 на выходах 73-78 блока 55 управления следующие: Y , Y73XY74 Y75 Y76 Y77 Y71 + Х72 X 1 + Хг;

YI Y78 Y73.X71 (Х71 + + Х72)-Х71 (Х„ + Хр-Х

Формула изобретения

Устройство для регулирования напряжения, содержащее батарею конденсаторов, датчик параметров сети, два диода управляющих импульсов, тирис жения и вторым выводом резистора, третий вывод несимметричного делителя напряжения соединен с первыми выводами пороговых элементов, второй

30 вывод первого порогового элемента

соединен с первым выводом первого управляющего ключа, второй вывод второго порогового элемента соединен с первым выводом второго управляющего ключа, а вторые выводы управляющих ключей соединены между собой и с анодами первого и второго диодов управляющих импульсов, катоды диодов соединены с управляющими электродами

40 первого и второго тиристоров ключа соответственно, второй вывод первого силового ключа соединен с выводами для подключения к нагрузке, второй вывод четвертого силового ключа сое35

торный ключ, резистор, пороговый эле- 45 Динен с нейтралью, датчик параметров

мент, несимметричный делитель напряжения, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, оно снабжено вторым пороговым элементом, четырьмя силовыми ключами и двумя управляющими ключами, блоком управления и двумя стабилитронами, а батарея конденсаторов выполнена секционированной, причем блок управления имеет входы первый X 1 и второй X i и выходы с первого по пятый Y , Y |

V - V

Ya - Y ъ

Y1 Y $ и шестой Yt и реализует

подключения к нагрузке, с выводом несимметричного делителя напряжения и выводом тиристорного ключа, второй вывод которого соединен с вторым выжения и вторым выводом резистора, третий вывод несимметричного делителя напряжения соединен с первыми выводами пороговых элементов, второй

0 вывод первого порогового элемента

соединен с первым выводом первого управляющего ключа, второй вывод второго порогового элемента соединен с первым выводом второго управляющего ключа, а вторые выводы управляющих ключей соединены между собой и с анодами первого и второго диодов управляющих импульсов, катоды диодов соединены с управляющими электродами

0 первого и второго тиристоров ключа соответственно, второй вывод первого силового ключа соединен с выводами для подключения к нагрузке, второй вывод четвертого силового ключа сое5

сети через последовательно соединенные стабилитроны соединен с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с общей точкой сое- динения стабилитронов, с первого по пятый выходы блока управления соединены с управляющими входами первого и второго управляющих ключей, с третьими выводами первого, второго и четвертого силовых ключей соответст

венно, шестой выход блока управления соединен с третьим выводом третьего силового ключа.

77

80 82.

81 79

h

та

1L

И-НЈ J

Составитель О.Наказная Редактор Л.Гратилло Техред А.Кравчук Корректор Н.Король

Заказ 1903/52

Тираж 694

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

73 51

74 Я

87

83

7LJ7

85

76 M

77 5

Фиг. 2

Подписное