СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОД НАГРУЗКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОД НАГРУЗКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ


RU (11) 2119229 (13) C1

(51) 6 H02M5/12, G05F1/253 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 96119242/09 
(22) Дата подачи заявки: 1996.09.25 
(45) Опубликовано: 1998.09.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1534686 A1 07.01.90. SU 1374196 A1 15.02.88. US 4531779 A 27.05.86. 
(71) Заявитель(и): Нижегородский государственный технический университет 
(72) Автор(ы): Туманов И.М.; Блинов И.В.; Ким А.К.; Матвеев А.А.; Голиков В.А. 
(73) Патентообладатель(и): Нижегородский государственный технический университет 

(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОД НАГРУЗКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для бесконтактного регулирования напряжения под нагрузкой. Предложено в способе ступень регулирования напряжения на нагрузке уменьшать в геометрической прогрессии со знаменателем ее, который равен числу уровней напряжения на выходе исходного модуля, путем использования различных режимов работы одного или нескольких последовательно включенных, аналогичных по схемотехническому исполнению, дополнительных трансформаторно-тиристорных модулей, мощность и напряжение на выходных зажимах которых в такой же геометрической прогрессии уменьшают по сравнению с мощностью и напряжением исходного модуля, а напряжение на входе последовательно соединенных трансформаторно-тиристорных модулей выбирают равным середине диапазона регулирования напряжения на нагрузке, а сумму максимальных уровней напряжения на выходных зажимах всех модулей принимают равной половине этого диапазона. В устройстве для осуществления способа входные зажимы первичных обмоток трансформатора исходного модуля подключены к питающей сети через согласующий двухобмоточный трансформатор, а между выходными зажимами первичных обмоток трансформатора этого модуля и нагрузкой последовательно включены первичные обмотки трансформаторов одного или нескольких аналогичных трансформаторно-тиристорных модулей меньшей мощности, зажимы вторичных обмоток которых и отводы их через соответствующие тиристорные ключи аналогично исходному модулю подключены к питающей сети, приведена система управления устройством. Технический результат заключается в том, что появляется возможность регулировать напряжение на нагрузке мелкими ступенями в широком диапазоне, уменьшаются расходы на изготовление устройства для реализации способа. 2 с.п.ф-лы, 6 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для бесконтактного регулирования напряжения под нагрузкой.

Для регулирования напряжения под нагрузкой широко известен способ механического переключения отводов регулировочной обмотки трансформатора с разрывом дуги тока нагрузки в масле или вакууме [1].

Недостатками способа являются повышенный электроизнос механических контактов, необходимость периодической ревизии устройства в связи со сменой изношенных контактов и загрязненного масла и низкое быстродействие.

В качестве прототипа выбран известный способ регулирования напряжения под нагрузкой, по которому меняют величину и фазу добавочного напряжения на участке цепи путем перевода трансформаторно-тиристорного модуля в различные режимы работы с помощью переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения обмоток трансформатора этого модуля [2].

Известно устройство для регулирования напряжения под нагрузкой, содержащее трансформаторно-тиристорный модуль, первичные обмотки трансформатора которого последовательно подключены между зажимами питающей сети и нагрузки, зажимы вторичных обмоток и отводы их через тиристорные ключи подключены к зажимам питающей сети, и систему управления модулем, выходные зажимы которой подключены к управляющим электродам тиристорных ключей [2].

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают широких функциональных возможностей по регулированию напряжения на выходных зажимах устройства и требуют больших затрат активных материалов для изготовления его. Это объясняется тем, что трансформаторно-тиристорный модуль известного устройства имеет всего девять уровней напряжения на входных зажимах, которые отличаются друг от друга на одинаковую по напряжению величину. Поэтому, с помощью известного устройства можно регулировать напряжение в достаточно узком диапазоне, например в диапазоне 10% от номинальной величины ступенями по 2,5%. Увеличение диапазона регулирования напряжения на нагрузке приводит к прямо пропорциональному увеличению ступени регулирования, а следовательно, к снижению точности его. Использование известного устройства для регулирования напряжения в широких пределах, например в диапазоне 0-100% от номинальной величины, мелкими ступенями по 1-2% не представляется возможным. Кроме того, расход активных материалов на изготовление трансформатора и затраты на тиристоры известного устройства соответствуют полному диапазону регулирования напряжения, а следовательно, наибольшей мощности, которую потребляет нагрузка при номинальном напряжении на ее зажимах.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа регулирования напряжения под нагрузкой и сокращение расхода активных материалов на изготовление устройства для его реализации.

Технический результат заключается в том, что появляется возможность регулировать напряжение на нагрузке мелкими ступенями по 1-2% в широком диапазоне регулирования 0-100% от номинальной величины, а также в два раза уменьшаются расход активных материалов и затраты на тиристоры и изготовление трансформаторно-тиристорных модулей устройства.

Этот технический результат достигается тем, что в способе регулирования напряжения под нагрузкой, по которому меняют величину и фазу добавочного напряжения на участке цепи путем перевода трансформаторно-тиристорного модуля в различные режимы работы с помощью переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения обмоток трансформатора этого модуля, согласно изобретению, ступень регулирования напряжения на нагрузке уменьшают в геометрической прогрессии со знаменателем ее, который равен числу уровней напряжения на выходе исходного модуля, путем использования различных режимов работы одного или нескольких, последовательно включенных, аналогичных по схемотехническому исполнению, дополнительных трансформаторно-тиристорных модулей, мощность и напряжение на выходных зажимах которых в такой же геометрической прогрессии уменьшают по сравнению с мощностью и напряжением исходного модуля, а напряжение на входе выбирают равным середине диапазона регулирования напряжения на нагрузке, а сумму максимальных уровней напряжения на выходных зажимах всех модулей принимают равной половине этого диапазона.

Этот технический результат достигается также тем, что в устройстве для регулирования напряжения под нагрузкой, содержащем трансформаторно-тиристорный модуль, первичные обмотки трансформатора которого последовательно подключены между зажимами питающей сети и нагрузки, зажимы вторичных обмоток и отводы их через тиристорные ключи подключены к зажимам питающей сети, и систему управления модулем, выходные зажимы которой подключены к управляющим электродам тиристорных ключей, согласно изобретению, входные зажимы подключены к питающей сети через согласующий двухобмоточный трансформатор, а между выходными зажимами первичных обмоток трансформатора этого модуля и нагрузкой последовательно включены первичные обмотки трансформаторов одного или нескольких аналогичных трансформаторно-тиристорных модулей меньшей мощности, зажимы вторичных обмоток которых и отводы их через соответствующие тиристорные ключи аналогично исходному модулю подключены к питающей сети, а система управления выполнена в виде системы программного управления, содержащей блок центрального процессора с постоянным запоминающим устройством, снабженный двумя парами входных и выходных зажимов, одна пара подключена к датчику фазы нагрузки устройства, входной зажим второй пары - к блоку управления, а выходной зажим связан с входами нескольких блоков выходных каскадов по числу используемых трансформаторно-тиристорных модулей, выходные зажимы каждого из этих блоков подключены к управляющим электродам тиристорных ключей соответствующего модуля, а датчик фазы выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя и подключен с помощью входных и выходных зажимов в питающую сеть последовательно с нагрузкой устройства.

Именно заявленная схема подключения первичных и вторичных обмоток трансформаторов отдельных трансформаторно-тиристорных модулей, а также выбор входного напряжения питания на уровне середины диапазона регулирования напряжения, обеспечивают, согласно способу, широкодиапазонное и мелкоступенчатое регулирование напряжения на нагрузке, а также в два раза меньший расход активных материалов и затраты на тиристоры и изготовление трансформаторно-тиристорных модулей устройства и тем самым достижение цели технического результата изобретения. Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают соответствие критерию "Изобретательский уровень". Проведенные испытания подтверждают соответствие критерию "Промышленная применимость".

На фиг. 1 приведена схема одного из вариантов устройства, содержащего в своем составе два трансформаторно-тиристорных модуля, для осуществления способа регулирования напряжения под нагрузкой; на фиг. 2 - диаграмма уровней напряжения на нагрузке, поясняющая процесс широкодиапазонного и мелкоступенчатого регулирования напряжения на нагрузке в соответствии с предлагаемым способом; на фиг. 3-6 - принципиальные схемы вторичных обмоток трансформаторов устройства в соответствии с одним из вариантов предлагаемого способа.

Устройство (фиг. 1) содержит согласующий двухобмоточный трансформатор 1 с обмотками 2 и 3, к зажимам выходной обмотки 3 которого последовательно с нагрузкой и между собой подключены первичные обмотки 4 и 5 трансформаторов 6 и 7 двух трансформаторно-тиристорных модулей. Зажимы вторичных обмоток 8 и 9 трансформаторов этих модулей и отводы 10, 11 вторичных обмоток их через соответствующие тиристорные ключи блоков 12 и 13 подключены к питающей сети. Система программного управления устройством содержит блок центрального процессора 14 с постоянным запоминающим устройством, снабженный двумя парами входных и выходных зажимов, одна пара подключена к датчику фазы нагрузки 15, входной зажим второй пары - к блоку управления 16, а выходной зажим связан с входами двух блоков выходных каскадов 17 и 18 по числу используемых трансформаторно-тиристорных модулей. Выходные зажимы каждого из этих блоков подключены к управляющим электродам тиристорных ключей блоков 12 и 13 соответствующего модуля. Датчик фазы 15 выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя и подключен с помощью входных a1, b1, c1 и выходных зажимов a2, b2, c2 в питающую сеть последовательно с нагрузкой устройства. Кроме того, устройство содержит выводы A, B, C для подключения питающей сети и выходные выводы устройства A', B', C'.

На фиг. 2 изображена диаграмма уровней напряжения на нагрузке, если устройство, согласно фиг. 1, содержит два трансформаторно-тиристорных модуля одинакового схемотехнического исполнения, каждый из которых имеет девять уровней напряжения на своих выходных зажимах; согласно фиг. 2, устройство с двумя модулями позволяет получить 81 уровень напряжения на нагрузке и регулировать напряжение в диапазоне 0-100% от номинальной величины.

На фиг. 3, 5, 4, 6 изображены соответственно принципиальные схемы 19 и 21 вторичных обмоток трансформатора первого модуля в режимах его работы с условными названиями соответственно "отбавить 4" и "отбавить 3". Принципиальные схемы 20 и 22 вторичных обмоток трансформатора второго модуля изображены для режимов его работы с условными названиями соответственно "добавить 4" и "отбавить 4".

Необходимость широкодиапазонного и мелкоступенчатого регулирования напряжения под нагрузкой приводит к необходимости изменения напряжения трансформаторов 6 и 7 трансформаторно-тиристорных модулей как по величине, так и по фазе. Для этого с помощью блоков 12 и 13 меняют схемы подключения вторичных обмоток 8 и 9 этих трансформаторов к входным зажимам питающей сети. Если напряжение на входе устройства соответствует середине заданного диапазона регулирования напряжения на нагрузке, то согласующий трансформатор 1 с обмотками 2 и 3 (фиг. 1) исключают из схемы устройства. В противном случае используют согласующий трансформатор, мощность которого, например при диапазоне регулирования напряжения в пределах 0-100%, составляет 50% от мощности, потребляемой нагрузкой. При этом суммарная мощность используемых для регулирования напряжения трансформаторно-тиристорных модулей также составляет 50% от мощности, потребляемой нагрузкой.

Способ осуществляют следующим образом. Пусть в исходном режиме работы, после включения устройства в питающую сеть, оба трансформаторно-тиристорных модуля находятся в режиме работы с условным названием "отбавить 4". От напряжения на входе последовательно соединенных трансформаторно-тиристорных модулей (Uс), которое равно середине диапазона регулирования напряжения на нагрузке (Uc = Umin + 40U2, фиг. 2), отнимается по 4 ступени выходного напряжения первого и второго трансформаторно-тиртисторных модулей. Ступень выходного напряжения второго модуля в 9 раз меньше ступени выходного напряжения первого модуля. Поэтому напряжение на выходных зажимах устройства будет равно Uн = Umin + 40U2 - 4 9 U2 - 4U2 = Umin. Исходный уровень напряжения на выходных зажимах устройства равен минимальному значению его, так как суммарный максимальный уровень напряжения на выходных зажимах обоих модулей составляет половину диапазона регулирования напряжения на нагрузке и находится в противофазе с напряжением питающей сети. Исходный уровень напряжения может быть равен нулевому значению его, если регулирование напряжения осуществляют в диапазоне 0-100% от номинальной величины. По команде блока управления 16 на повышение напряжения на нагрузке устройства центральный процессор 14 считывает из постоянного запоминающего устройства необходимую цифровую информацию о требуемом изменении схем соединения вторичных обмоток 8 и 9 трансформаторов обоих модулей, о моментах времени организации алгоритма переключения определенных тиристорных ключей в блоках 12 и 13, соответствующих новым схемам соединения вторичных обмоток трансформаторов этих модулей. Центральный процессор обрабатывает эту цифровую информацию с учетом текущего значения фазового угла нагрузки и помещают ее в свою оперативную память. Далее, центральный процессор 14 следит за значением текущего времени и при совпадении его с разрешенными моментами времени организации алгоритма переключения тиристорных ключей определенных модулей, путем воздействия на соответствующие блоки выходных каскадов 17 или 18, снимает импульсы управления с выключаемых тиристорных ключей и подает импульсы управления на те тиристорные ключи, которые должны быть включены в новом стационарном режиме работы определенного модуля и устройства в целом. После реализации алгоритма переключения тиристорных ключей устройство оказывается в новом стационарном режиме работы, который отличается от предыдущего по уровню напряжения на одну мелкую ступень. Одна ступень регулирования напряжения с помощью предлагаемого способа составляет 1/80 часть полного диапазона регулирования напряжения на нагрузке рассматриваемого устройства.

Рассмотрим один из вариантов осуществления способа. Согласно фиг. 2 при переводе устройства в стационарные режимы с уровнями напряжения на выходных зажимах в пределах от Umin - (Umin + 8U2), (Umin + 9U2) - (Umin +17U2), (Umin + 18U2) - (Umin + 26U2), (Umin + 27U2) - (Umin + 35U2), (Umin + 36U2) - (Umin + 44U2), (Umin + 45U2) - (Umin + 53U2), (Umin + 54U2) - (Umin + 62U2), (Umin + 63U2) - (Umin + 71U2), (Umin + 72U2) - (Umin + 80U2) меняют схему соединения вторичной обмотки только у второго модуля. При переводе устройства в режимы с уровнями напряжения в пределах (Umin + 8U2) - (Umin + 9U2), (Umin + 17U2) - (Umin + 18U2), (Umin + 26U2) - (Umin + 27U2), (Umin + 35U2) - (Umin + 36U2), (Umin + 44U2) - (Umin + 45U2), (Umin + 53U2) - (Umin + 54U2), (Umin + 62U2) - (Umin + 63U2), (Umin + 71U2) - (Umin + 72U2) меняют схемы соединения вторичных обмоток обоих модулей. Если в качестве минимальной величины напряжения (Umin) принять его нулевое значение, то автоматически получают диапазон регулирования напряжения на выходных зажимах устройства от нуля до 100% номинальной величины (Umin + 80U2 = Umax).

В качестве примера выберем перевод устройства из стационарного режима с уровнем напряжения на нагрузке (Umin + 8U2) - в режим с уровнем напряжения (Umin + 9U2). В исходном режиме трансформатор 6 первого модуля находится в режиме работы с условным названием "отбавить 4", а трансформатор 7 второго модуля - в режиме с условным названием "добавить 4". Напряжение на нагрузке соответствует Uн = Uc - 4U1 + 4U2 = Umin + 40U2 - 4 9U2 + 4U2 = Umin + 8U2. Для этого режима на фиг. 3, 4 показаны схемы соединения 19 и 20 вторичных обмоток 8 и 9 соответственно первого и второго модулей, которые получены с помощью соответствующих тиристорных ключей 121 - 125 и 134 - 138, находящихся во включенном состоянии. По команде блока управления 16 на повышение напряжения центральный процессор путем воздействия на блоки 12 и 13 по определенному алгоритму одновременно меняет схемы соединения вторичных обмоток 8 и 9 обоих модулей. Трансформатор 6 первого модуля переходит в режим работы с условным названием "отбавить 3", а трансформатор 7 второго модуля - в режим с условным названием "отбавить 4". Напряжение на нагрузке соответствует Uн = Uс - 3U1 - 4U2 = Umin + 40U2 - 39U2 - 4U2 = Umin + 9U2. На фиг. 5, 6 показаны схемы соединения 21 и 22 вторичных обмоток 8 и 9 соответственно первого и второго модулей, которые получены с помощью соответствующих тиристорных ключей 121 - 123, 129 - 1211 и 131 - 135, находящихся во включенном состоянии. После перевода трансформаторов 6 и 7 в новые режимы работы напряжение на нагрузке увеличивается на одну мелкую ступень. Аналогично выполняют изменение напряжения во всем диапазоне регулирования его от Umin до Umax с шагом регулирования в одну мелкую ступень.

Предложенное решение позволяет сократить расход активных материалов и расширить функциональные возможности способа регулирования напряжения под нагрузкой и устройства для его реализации.

Источники информации:

1. Порудоминский В.В. Трансформаторное и реакторное оборудование для регулирования напряжения и реактивной мощности. - М.: ВИНИТИ, 1984.

2. Авторское свидетельство СССР N 1534686, кл. H 02 M 5/257, 1990. - прототип. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Способ регулирования напряжения под нагрузкой, в соответствии с которым меняют величину и фазу добавочного напряжения на участке цепи между входными зажимами и зажимами нагрузки, для чего формируют несколько уровней добавочного напряжения на выходе исходного трансформаторно-тиристорного модуля путем переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения обмоток трансформатора упомянутого модуля, отличающийся тем, что формируют одно или несколько добавочных напряжений на выходах дополнительных трансформаторно-тиристорных модулей аналогичных исходному, последовательно включенных с выходами исходного трансформаторно-тиристорного модуля, при этом мощность и напряжение на выходах дополнительных трансформаторно-тиристорных модулей уменьшают по сравнению с мощностью и напряжением на выходе исходного трансформаторно-тиристорного модуля в геометрической прогрессии, знаменатель которой равен числу уровней напряжения на выходе исходного трансформаторно-тиристорного модуля, при этом напряжение на входных зажимах выбирают равным средине диапазона регулирования напряжения на зажимах нагрузки, а сумму максимальных уровней напряжения на выходах всех трансформаторно-тиристорных модулей выбирают равной половине упомянутого диапазона.

2. Устройство для регулирования напряжения под нагрузкой, содержащее исходный трансформаторно-тиристорный модуль первичные обмотки трансформатора которого последовательно подключены между зажимами питающей сети и нагрузки, а его вторичные обмотки и их отводы через соответствующие тиристорные ключи подключены к зажимам питающей сети, и систему управления трансформаторно-тиристорными модулями, отличающееся тем, что первичные обмотки трансформатора исходного трансформаторно-тиристорного модуля и зажимы нагрузки подключены к питающей сети через согласующий двухобмоточный трансформатор, а между первичными обмотками трансформатора упомянутого модуля и зажимами нагрузки последовательно включены первичные обмотки трансформаторов одного или нескольких аналогичных дополнительных трансформаторно-тиристорных модулей меньшей мощности, вторичные обмотки которых и их отводы через соответствующие тиристорные ключи аналогично исходному трансформаторно-тиристорному модулю подключены к зажимам питающей сети, система управления трансформаторно-тиристорными модулями выполнена в виде системы программного управления, содержащей блок центрального процессора с постоянным запоминающим устройством, снабженный двумя парами входных и выходных зажимов, одна пара которых подключена к датчику фазы нагрузки устройства, входной зажим второй пары которых подключен к блоку управления, а ее выходной зажим связан с входами нескольких блоков выходных каскадов по числу используемых трансформаторно-тиристорных модулей, выходные зажимы каждого из блоков выходных каскадов подключены к управляющим электродам тиристорных ключей соответствующего трансформаторно-тиристорного модуля, датчик фазы выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя и подключен входными зажимами последовательно с нагрузкой, кроме того, мощность и напряжение на выходных зажимах каждого из дополнительных трансформаторно-тиристорных модулей уменьшается по сравнению с мощностью и напряжением на выходных зажимах исходного трансформаторно-тиристорного модуля в геометрической прогрессии, знаменатель которой равен числу уровней напряжений на выходе исходного трансформаторно-тиристорного модуля.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru