Коммутатор отпаек трансформатора Советский патент 1992 года по МПК H02M5/12 

VJ

V4 00 00 ЧЭ О

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано, например, для регулирования или стабилизации переменного напряжения и для защи- ты тиристоров от токов короткого замыкания (к.з.) в регулируемых секциях обмоток трансформатора.

Известен ряд тиристорных коммутаторов отпаек трансформатора. Из известных коммутаторов наиболее близким по техническому решению является коммутатор, описанный в (прототип).

Коммутатор отпаек трансформатора содержит трансформатор с двумя группами регулировочных секций, две группы тиристоров, образующих анодную и катодную подгруппы, общие точки катодной и анодной подгрупп одной группы тиристоров соединены соответственно с общими точками катодной и анодной подгрупп другой группы, а между полученными точками соединения включен токоограничивающий блок.

Ограничение токов к.з. в секциях обмоток трансформатора осуществляется с помощью резистора, который включается при переключении отпаек, В нормальном режиме работы трансформатора, когда его отпайки не переключаются, резистор закорачивается с помощью транзистора, управляемого с помощью блока управления.

К недостаткам известного коммутатора следует отнести ограниченную область его применения. Он, например, не может быть использован для переключения отпаек автотрансформатора одновременно на его первичной и вторичной обмотках.

Реализация схемы коммутатора требует раздельного управления тиристорами одной ступени, что осложняет выполнение схемы управления ими.

Кроме того, отключение транзистора, находящегося в индуктивной цепи вызывает перенапряжения на элементах коммутатора.

В известном коммутаторе состояние транзистора определяется значением падения напряжения на резисторе, которое зависит от тока, протекающего через него и изменяющегося в широких пределах. Транзистор работает в ключевом режиме и должен открываться при возможном минимальном токе.

Целью заявляемого изобретения явля- теся расширение области применения, по- вышение надежности, повышение мощности и помехозащищенности коммутатора и блока управления им. Поставленная цель достигается введением в силовую схему известного коммутутора второго блока ограничения бросков токов к,з. а регулировочных обмотках трансформатора и новых элементов с новыми связями в блок управления тиристорами.

Предлагаемый коммутатор от известного отличается тем, что он имеет расширенные функциональные возможности. Он может быть использован, например, в автотрансформаторе с одновременным переключением отпаек на первичной и вторичной сторонах, для переключения обмоток, выполненных в соответствии с двоич- ным, троичным и другими кодами. Использование в нем двух ограничителей

позволяет реализовать множество алгоритмов управления тиристорами, отличные от известных. Ограничение бросков токов к.з. повышает надежность, мощность трансформатора, защищает и снижает предельно допустимые параметры тиристоров.

На фиг. 1 приведена функциональная схема коммутатора; на фиг.2 - диаграмма токов и напряжений при переключении с первой отпайки на вторую в нуле напряжения и управлении сигналом, подаваемым одновременно на оба тиристора каждой отпайки, где 1 - силовой трансформатор, 2,3 - входные зажимы, 4 - первичная обмотка, 5 - основная вторичная обмотка, 6,7 - регулировочные обмотки, 8-17 - тиристоры, 18,19 - токоограничивающие блоки, RI и R2 - токоограничивающие резисторы, 20, 22 - выходные зажимы, 21 - нагрузка, U - напояжение на обмотках трансформатора,

н - ток нагрузки.

Коммутатор содержит силовой трансформатор 1, входные зажимы 2 и 3 к которым подсоединена первичная обмотка 4, основную 5, регулировочные 6,7, вторичные

обмотки, соединенные между собой с выходными зажимами 20, 22 и нагрузкой 21 последовательно, тиристоры 8-17, токоограничивающие резисторы RI и На, при этом аноды тиристоров 8, 10, 12, 14, 16 и первый

конец резистора RI, соединены в одну общую точку, во вторую точку соединены катоды тиристоров 9, 11, 13, 15, 17 и первый конец резистора R2, вторые концы резисторов RI и Ra, анод тиристора 16, катод тиристора 17 соединены между собой и подключены к выходному зажиму 20. В качестве токоограничителей могут быть использованы резисторы, воздушные дроссели, диоды, дроссели с магнитным

сердечником и пр.

Коммутатор работает следующим образом. В исходном состоянии постоянно включена одна из отпаек трансформатора с помощью пары тиристоров, при этом токоограничители RI и R2 закорочены тиристорами 16,17 токоограничивающих блоков 18 и 19. Предположим, что подключена основная обмотка 5.

В положительный полупериод питающего напряжения ток нагрузки протекает по цепи: первый конец обмотки, обмотка 5 тиристор 9, теристор 17, выходной зажим 20, нагрузка 21, выходной зажим 22 и второй конец обмотки 5. В отрицательный полупериод - по цепи: первый конец обмотки 5 тиристоры 8 и 18, выходной зажим 20, нагрузка 21, выходной зажим 22 и второй конец обмотки 5.

Рассмотрим работу коммутатора при переключении отпаек. Допустим, что к основной обмотке подключается обмотка 6, т.е. переключение производится с первой отпайки на вторую в нуле напряжения (см. фиг.2).

В начале (при ) снимается сигнал управления с закорачивающих тиристоров 16 и 17, затем с задержкой, равной или более времени обтекания током токоограничивающих тиристоров отключается сигнал управления с тиристоров 8,9 (при ) и подается на тиристоры 10 и 11.

На фиг. 2 сплошными линиями показаны токи в тиристорах и в нагрузке при закороченных резисторах, а штриховыми линиями - с резисторами. Из диаграммы видно, что при переключении с первой отпайки на вторую и увеличении напряжения на нагрузке в нуле напряжения в тиристорах 9 и 10 в течение полупериода напряжения возникают броски токов к.з., которые ограничиваются резисторами RI и R2.

На диаграмме задержка выбрана равной у. При реактивной нагрузке или изменяемой активно-реактивной нагрузке тиристоров минимальная задержка равна.

После завершения процесса переключений обмоток резисторы RI и R2 закорачиваются тиристорами (подробнее см. ниже).

Выключение регулировочных обмоток с переходом с верхней отпайки на нижнюю, что соответствует снижению напряжения на нагрузке, аналогично вышеописанному.

В процессе переключения отпаек трансформатора резисторы оказывают влияние на ток нагрузки, поэтому сопротивления должны быть минимальными и достаточными для ограничения бросков токов к.з. в обмотках трансформатора и защиты тиристоров.

На фиг. 3 приведена схема блока управления тиристорами, а на фиг.4 показаны сигналы в различных точках его схемы, где:

1- датчик напряжения, 2,4,8,11,17,18 - управляющие ключи, 3.5 - интегрирующие усилители, 6,7,19,21 - пороговые элементы, 9,10 - формирователи импульсов, 12,13, 24,

5 25, 33 - элементы НЕ, 14, 16 - запоминающие элементы, 15, 34, 36 - элементы ИЛИ, 22 - преобразователь тока в напряжение, 23, 26. 28, 29 - формирователи прямоуголь0 ных импульсов с регулированием их длительности, 27 - блок защиты тиристоров от внешних к.з,, 30 - элемент ИЛИ-НЕ, 31, 32

5 - элементы И, 35, 37, 38 - элементы И-НЕ, 39 - реверсивный счетчик с предварительной установкой выходного сигнала при его включении, 40 - дешифратор, 41 - блок усиления сигналов.

0 Блок управления содержит датчик напряжения 1. который своим входом подключен к нагрузке. Первый его выход соединен с входами ключа 2, интегратора 3 и порогового элемента 6, второй выход датчика на5 пряжения соединен с входами ключа 4, интегратора 5 и второго порогового элемента 7, выход порогового элемента 6 соединен с управляющими входами ключей 2 и 5, с входами форирователя импульсов 9 и эле0 мента НЕ 12, выход порогового элемента 7 соединен с упровляющимм входами ключей

2и 6, с входами формирователя импульсов 10 и элемента НЕ 13, выход интегратора 3 соединен с выходом ключа 2 и с входом

5 ключа 8, выход интегратора 5 соединен с выходом ключа 4 и с входом ключа 11, выходы ключей 8 и 11 соединены соответственно с входами запоминающих элементов 14 и 16, а выходы последних - с выходами клю0 чей 17 и 18. выходы формирователей импульсов 9 и 10 соединены с входами элемента ИЛИ 15, выходы ключей 17 и 18 соединены между собой и с первыми входами пороговых элементов 19 и 21, вторые входы последних соединены с первым и вто5 рым выходами источника опорных напряжений 20, выход порогового элемента 19 соединен с первыми входами элемента ИЛИ-НЕ 30. элемента И 31, элемента И-НЕ

35,с выходом элемента НЕ 24 и с управля- 0 ющим входом больше-меньше счетчика

39, выход порогового элемента 21 соединен с входом элемента НЕ 25 и с первым входом формирователя импульсов 26, выход элемента ИЛИ 15 соединен со вторыми входа- 5 ми формирователей импульсов 23, 26, 28 и 29, элементов И 31 и 32 и с входом элемента Н Е 33, выход формирователя импульсов 23 соединен с первым входом элемента ИЛИ

36,выход элемента НЕ 24 соединен с первым входом формирователя импульсов 28, а выход последнего соединен с третьим входом элемента ИЛИ 36, выход элемента НЕ

25 соединен с первыми входами формирователя импульсов 29, элемента И 32, элемента И-НЕ 38 и со вторым входом элемента ИЛИ-НЕ 30, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с выходами формирователей импульсов 23 и 28, г его выход- с управляющими электродами закорачивающих тиристоров, выход элемента И 31 соединен с первым входом элемента ИЛИ 34, а выход элемента И 32 соединен со вторым входом элемента ИЛИ 34, выход последнего соединен с управляющим входом больше-меньше счетчика 39, выход формирователя импульсов 29 соединен с четвертым входом элемента ИЛИ 36, выход формирователя импульсов 26 соединен со вторым, а выход элемента НЕ 33 с пятым входом элемента ИЛИ 36, вход преобразователя тока в напряжение 22 подключен в цепь нагрузки трансформатора, выход - соединен с входом блока защиты тиристоров 27, выход которого соединен с управляющим входом блока усиления сигналов 41 и с шестым входом элемента ИЛИ 36, а выход последнего соединен с входом запрета счета счетчика 39. выходы счетчика соединены с входами дешифратора 40, а выходы последнего соединены с входами блока усиления сигналов 41, а выходы усилителя - с управляющими электродами тиристоров соответствующей отпайки, выход младшего разряда дешифратора 40 соединен со вто- . рым входом элемента И-Н Е 35, а выход старшего разряда - со вторым входом элемента И-НЕ 38, выходы элементов И-НЕ 35 и 38 соединены с входами элемента И-НЕ 37, а выход последнего соединен с седьмым входом элемента ИЛИ 36.

В качестве формирователей прямоугольных импульсов 23, 26, 28, 29 на схеме (фиг. 3) использованы RS-триггеры, обеспечивающие задержку, равную половине периода напряжения U. Вместо триггеров могут быть использованы другие известные схемы с регулированием длительности импульсов в широких пределах (оДновибрэто- ры, формирователи с использованием счетчиков, таймеры и т.д.).

В качестве преобразователя тока в напряжение могут быть применены трансформатор тока, нагруженный на небольшое активное сопротивление, шунт и пр.

Блок защиты тиристоров представляет собой обычный релейный элемент.

Элемент ИЛИ-НЕ 30 на своем выходе содержит схему усиления сигналов. Разрядность счетчика, дешифратора и количество каналов блока усиления сигналов определяются количеством отпаек трансформатора. Счетчик 39 содержит схему предварительной установки разряда выходного сигнала при его включении в работу.

На диаграмме (фиг. 4) для наглядности показана реакция элементов блока управления при отсутствии сигналов управления тиристорами и изменении напряжения на входе датчика 1 в соответствии с фиг.4,а.

Сигналы, приведенные на фиг. 4,б,..и, показывают работу измерителя среднего

0 значения напряжения.

Значения опорных сигналов 110п.1 и Uon.2 устанавливаются исходя от заданного значения напряжения, точности регулирования (стабилизации) и значения напряже5 ния ступени.

В промежутке времени от 0 до t2, когда Uon..Uon.2 на выходе сравнивающего устройства, выполненного на пороговых элементах 19 и 21, сигнал отсутствует

0 (фиг.4,и).

В промежутке времени от t2 до t4 (без учета зоны нечувствительности пороговых элементов) на выходе порогового элемента 19 (фиг. 4,к) появляется единичный сигнал, а

5 на выходе элемента ИЛИ-НЕ 30 сигнал лог. О, (фиг. 4, р) т.е. отключается сигнал управления закорачивающими тиристорами (см. фиг. 1).

С помощью формирователей импульсов

0 23 и 28 формируются прямоугольные импульсы, которые через элемент ИЛИ 36 поступают на вход запрета счета счетчика 39 и на третий и четвертый входы элемента ИЛИ-НЕ 30, которые являются дублирую5 щими и при высокой надежности и помехозащищенности элементов устройства они могут быть не использованы.

В промежутке времени от t2 до t4 на выходе элементов И 31 и ИЛИ 34 формиру0 ются два узких последовательных импульса (фиг. 4, с, у), из которых только второй производит переключение счетчика т.к. при первом импульсе на входе запрета счета счетчика присутствует сигнал 1 (фиг. 4,ф).

5 Отметим, что сигнал на пятом входе элемента ИЛИ 36 также является дублирующим. При поступлении первого импульса (фиг.4, у) на счет из-за сдвигов фронтов импульсов (фиг.4, кис) возможно появление

0 узкого импульса, разрешающего работу счетчика. Для исключения этого необходимо разработать качественные формирователи или немного сдвинуть вправо узкие импульсы (фиг.4,е), также могут быть ис5 пользованы известные простые схемы исключающие поступление первого импульса (фиг. 4,у) на счетный вход счетчика.

Количество импульсов на счетном входе счетчика зависит от длительности сигналов (фиг. 4, к и о).

Таким образом, в течение времени от О до и (фиг. 4) производится одно переключение счетчика или один переход с одной отпайки на другую. С момента времени t ts и при .2 появляется сигнал лог. 1 на выходе четвертого порогового элемента 21, а на управляющем входе счетчика больше-меньше сигнал лог. О, т.е. меняется направление счета. В остальном схема работает аналогично вышеописанному.

Для исключения сброса счетчика после переполнения и резкого перехода с верхней крайней отпайки на нижнюю и наоборот предусмотрена блокировка счетчика, которая реализована на элементах И-НЕ 35, 37 и 38 (см. фиг, 3).

Рассмотрим вкратце работу блока управления совместно с коммутатором и включенных сигналах управления тиристорами.

В начале необходимо выбрать фазу сигнала, поступающего на вход датчика напряжения, а также направление счета счетчика и выходные сигналы блока усиления в соответствии с силовой схемой и изменением напряжения на нагрузке. При необходимости нужно предварительно установить счетчик, выбрать к моменту включения коммутатора отпайку и установить значения Uon.1 и Uon.2 в соответствии с требуемым напряжением на нагрузке.

Когда сигнал на выходе измерителя напряжения, пропорциональный напряжению на нагрузке .i или 1)изм.иоп.2 на элементах устройства управления тиристорами формируются сигналы, которые приведены на фиг,4, при этом переключение отпаек трансформатора производится до тех пор, пока не выполнится условие Uon.l 1)изм. Uon.2 и напряжение на нагрузке с учетом погрешности регулирования не достигнет заданного уровня.

При крайних положениях отпаек трансформатора и Un3M- Uon.i или UHSM Uon.2 на выходе элемента И-НЕ 17 появляется сигнал, который блокирует счетчик, что сохраняет предыдущее состояние.

При внешних к.з. срабатывает релейный элемент блока защиты тиристоров 27, на его выходе появляется единичный сигнал, который блокирует работу счетчика и отключает сигналы управления тиристорами. Данный сигнал может быть также использован для управления дополнительным электромеханическим или другим коммутатором.

После исчезновения к.з. схема возвращается в исходное состояние.

Формирователи прямоугольных импульсов, обеспечивающие необходимую за- держку при переключении счетчика, соответственно и отпаек трансформатора, и 5 исключающие броски токов к.з. выполняют функцию защиты от кратковременных изменений напряжения на нагрузке.

Блок управления тиристорами (фиг.З) может быть использован в других схемах

0 коммутаторов с последовательным переключением отпаек. В этих случаях необходимо изменить схему дешифратора 40 в соответствии с алгоритмом переключения отпаек трансформатора.

5 Заявляемый коммутатор может быть использован также при переключении отпаек на первичной стороне трансформатора, автотрансформатора или реактора. Формула изобретения

01. Коммутатор отпаек трансформатора

из последовательно соединенных основной и п регулировочных обмоток, содержащий 2(п+1) тиристоров формирующих анодную и катодную группы, каждая из которых соеди5 няет выводы регулировочных обмоток в соответствующую общую точку, кроме того, первый токоограничивающий узел и блок управления, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения,

0 повышения надежности, повышения мощности и помехозащищенности, введен второй токоограничивающий узел, токоограничивающий узел выполнен в виде параллельно включенных тиристоров и ре5 зистора, токоограничивающие узлы включены последовательно между общими точками анодной и катодной групп тиристоров, точка их соединения и свободный вывод основной обмотки являются входными

0 или выходными выводами, при этом блок управления обеспечивает переключение тиристоров с одной ступени на другую с задержкой относительно снятия отпирающих сигналов с тиристоров токоограничиваю5 щих блоков на время, необходимое для их запирания и подачу отпирающих сигналов на тиристоры токоогрзничивающих блоков после запирания тиристоров предыдущей ступени регулирования.

0 2. Коммутатор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что блок управления содержит датчик напряжения, два интегратора со сбрасывающим ключом, четыре пороговых элемента, реверсивный счетчик, три эле5 мента ИЛИ, блок усиления сигналов, при этом входы датчика напряжения подключены к выходным выводам, а его выход соединен с входом интегратора, каждый выход блока усиления сигналов соединены с управляющими входами соответствующего тиристора, кроме того, блок управления содержит пять ключей, два запоминающих элемента четыре формирователя прямоугольных импульсов с регулированием дли- тельности, два элемента И, элемент ИЛИ-НЕ, три элемента И-НЕ, четыре элемента НЕ, источник опорного напряжения, преобразователь тока в напряжение, блок защиты тиристоров, дешифратор, при этом первый выход датчика напряжения соединен с входом первого порогового элемента, а его второй выход соединен с входами второго интегратора, второго ключа и второго порогового элемента, выходы первого и второго интегратора соединены соответственно с входами третьего и четвертого ключей, а выходы ключей - с входами первого и второго запоминающих элементов, выходы последних соединены соответственно с входами пятого и шестого ключей, выходы которых соединены между собой и подключены к первым входам третьего и четвертого пороговых элементов, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами источника опорного напряжения, выход третьего порогового элемента соединен с первым входом первого формирователя прямоугольных импульсов, с входом первого элемента НЕ, первым входом элемента ИЛИ-НЕ, первым входом первого элемента И-НЕ, управляющим входом Больше-меньше реверсивного счетчике и первым входом первого элемента И, выход четвертого порогового элемента соединен с входом второго элемента НЕ и первым входом второго формирователя прямоугольных импульсов, соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и третьим входом элемента ИЛИ- НЕ, выход второго формирователя прямоугольных импульсов соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход первого элемента НЕ соединен с входом третьего формирователя прямоугольных импульсов, выход второго элемента НЕ соединен с первым входом четвертого формирователя прямоугольных импульсов, вторым входом элемента ИЛИ-НЕ, первым входом второго элемента И и первым входом второго элемента И-НЕ. выход четвертого формирователя прямоугольных импульсов соединен с четвертым входом

первого элемента ИЛИ. выход первого элемента И соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен со счетным входом реверсивного счетчика, выход второго элемента И соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход третьего формирователя прямоугольных импульсов соединен с третьим входом первого элемента ИЛИ и четвертым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход первого порогового элемента соединен с управляющими входами первого и пятого ключей, входом первого формирователя прямоугольных импульсов и входом третьего элемента НЕ, выход второго порогового элемента соединен с управляющими входами второго и шестого ключей, входом второго формирователя прямоугольных импульсов и входом четвертого элемента НЕ, выходы первого и второго

формирователей прямоугольных импульсов соединены соответственно с первым и вторым входами третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторыми входами первого, второго, третьего и четвертого форми.рователей прямоугольных импульсов, первого и второго элементов И и с входом пятого элемента НЕ, выход которого соединен с пятым входом первого элемента ИЛИ, выходы третьего и четвертого элементов НЕ

соединены с управляющими входами соответственно третьего и четвертого ключей, входы преобразователя тока в напряжение включены последовательно в цепь нагрузки, а его выход соединен с входом блока защиты тиристоров, выход которого соединен с шестым входом первого элемента ИЛИ и управляющим входом блока усиления сигналов, выходы реверсивного счетчика соединены с входами соответствующих

разрядов дешифратора, выходы которого соединены с соответствующими входами блока усиления сигналов управления тиристорами, выход младшего разряда дешифратора соединен с вторым входом первого

элемента И-НЕ, а выход старшего разряда - с вторым входом второго элемента И-НЕ, выходы первого и второго элементов И-НЕ соединены с первым и вторым входами третьего элемента И-НЕ, выход которого соединен с седьмым входом первого элемента ИЛИ, а его выход соединен с запрещающим входом реверсивного счетчика,

Использование: изобретение относится к электротехнике. Сущность изобретения: коммутатор отпаек трансформатора содержит силовой трансформатор 1, входные зажимы 2 и 3, к которым подсоединена первичная обмотка 4. Трансформатор 1 содержит так же основную обмотку 5 и регулировочные обмотки 6 и 7, соединенные последовательно между собой и с выходными зажимами 20,22. Устройство содержит тиристоры 8-15, соединяющие выводы регулировочных обмоток 6,7 и в общую точку, токоограничивающие блоки 18,17 из тиристоров 16,17, зашунтированных резисторами. Использование в устройстве токоограничивающих блоков 18,17 позволяет реализовать множество алгоритмов управления и повысить надежность. 1 з.п. (Ь-лы, 4 ил. (/ С

Фие. г

т/71-- Ј-. ,- ул/эаблр/ощим ssefrp&foy jv г jax-qpovtsfa/oujL/ rtrptsCTOpo

а О

JС

У У

Л(L

тс

ЗГ

1

Ля я i

Л

3CZ

Фыг.Ц.