Устройство для регулирования и симметрирования напряжений в трехфазных четырехпроводных сетях

СОЮЗ СОВ=ТСНИХСоаМЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ж 4 2 б НЫЙ КОМИТЕТ ССОБРЕТЕНИЙ И ОТКР ГОСУДЮ СТВЕН ПО ДЕЛАМ ИЗ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Институт электродинамики АН УССР(56) Авторское свидетельство СССР В 555498, кл. Н 02 Ю 3/26, 1975.Авторское свидетельство СССР В 1023524 э клф Н 02 3 3/26 ф 1981(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ И СИИИЕТРИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ТРЕХФАЗНЫХ ЧЕТЫРЕХПРОВОДНЫХ СЕТЯХ (57) Изобретение относится к области электротехники и предназначено для широкодиапаэонного регулированияи стабилизации уровня фазных напряжений, симметрирования их режима нулучшения гармонического состава внизковольтных распределительных се"тях с неоднородными, несимметричнымии нелинейными нагрузками, а также всистемах электропитания, Цель изобретения - повышение эффективностии расширение диапазона симметричногорегулирования напряжения нагрузки.Эта цель достигается благодаря тому,что в устройстве, содержацем трехфазный вольтодобавочный трансформатор (ВДТ) с первичными полуобмоткамн 7-9 н 10-12, одна первичнаяполуобмотка выполнена секционированной, а ВДТ снабжен обмотками (16126426416 и) (18"18 в) по количеству отводов ственной коммутации, включающий тириполуобмоток ВДТ, включенных с ними сторы 34-35, коммутирующие конденв зигзаг и встречно, а каждый блок саторы 36 и 37, дросселя 38 и 39 и 19-21 переключения. ступеней регу- раэделителный диодный мост (40-43) . лирования содержит узел общей искус-1 з.п. ф"лы, 3 ил.Изобретение относится к электротехнике и предназначено для широкодиапазонного регулирования и стабили. зации уровня фаэных напряжений, симметрирования их режима и улучшения 5 .гармонического состава в низковольтных распределительных сетях с неоднородными, несимметричными и нелинейными нагрузками, а также в системах электропитания.1 ОЦель изобретения - повышение эф 1 фективности и расширение диапазона симметричного регулирования напряжения нагрузки,На фиг. 1 представлена принципи альная схема устройства, на фиг,2 и 3 - принципиальные схемы возможных частных технических решений симметРирующих регуляторов напряжения аналогичного вида, построенных на основе 20 предложенного устройства. Предлагаемое устройство для регулирования и симметрирования напряжений подключено к фазам 1-3 и нуле вому проводу распределительной сети с несимметричными и нелинейными нагрузками 4-6 и содержит полуобмотки 7-9 и 10-12 первичной (возбуждающей) обмотки ВДТ, вторичные (вольтодобавоч" ные) обмотки 13-15 ВДТ, группы (16- 16 и) - (18 т 18 ь) дополнительных обмоток ВДТ, блоки 19-21 переключенияступеней регулирования (БПС), тиристоры 22-27 основной группы коммутаторов и тиристорные пары (28-29)- 35 (32 ии) дополнительной группы коммутаторов. Узел общей искусственный коммутации (ИК) содержит силовой 34 и коммутирующий 35 тиристоры коммуЭ40 тирующие конденсаторы 36 и 37, коммутирующие: дроссели 38 и 39 и разделительный диодный мост 40-43.Соединение первичных 7-12 полу- обмоток по схеме встречный зигзаг45 .обеспечивает симметрирующие возможности устройства (фиг. 1-3), так как напряжение нулевой последовательности снижается в 10-15 раз (следовательно и несимметрия фазных напряжений) при подключении его к четырехпроводной сети 0,38/0,22 кВ с несимметричными и неоднофазными нагрузками. Улучшение гармонического состава при этом обеспечивается за счет фильтрации гармоник тока, кратных трем, что обусловливает эффективное применение такого устройства в сетях с нелинейными и резкопеременными нагрузками.Подключение по циклическому закону первичной (возбуждающей) обмотки к различным фазам сети при необходимости симметричного регулирования напряжения нагрузки осуществляется с помощью соответствующих пар (22- 23)-(26-27) тиристоров биполярных коммутаторов в каждом из БПС 19-21 для получения той или иной из трех ступеней регулирования, Пары (28- 29)-32 ьп) тиристоров предназначены для синхронного переключения выводов а, - О,., и отводов (Ь, -о ).- (й, -и.) первичных полуобмоток 7-9 и соответствующих им дополнительных обмоток 16-18 И, включенных с основными полуобмотками 7-9 в зигзаг. Си-, ловой тиристор 34 является связующим элементом между тиристорными парами (22"23)-(32 пи) и обеспечивает протекание тока первичной обмотки в интервалы времени между ее переключениями т.е, в установившихся режимах работы устройства, Для принудительного запирания силового тиристора 34 и выключения соответствующих тиристорных пар (22-23)-(32 пп) по одной из каждой их группы В мо мент переключения ступеней регулирования как при циклическом (основном), так и плавном регулировании напряжения служит коммутирующий ти12642644ристор 35. Коммутирующие конденсато. ключаются тиристоры 30-31 и включары 36 и 37 и дроссели 38 и 39 необ- ются другие дополнительные пары тиходимы для обеспечения в требуемый ристоров 28-33 в зависимости от немомент времени надежной искусствен- обходимости увеличения коэффициентаной коммутации силового тиристора 5 трансформации ВДТ (например, пара34 при отпирании коммутирующего ти- тиристоров 28 и 29) или его уменьристора 35. Разделительный диодный шения (например, пара 32-33) относи 40-43 мост необходим для обеспечения тельно номинального значения,замыкания реактивного (индуктивного) Во всех случаях (за исключениемтока первичной обмотки 7-12 при ее 0 .режима, соответствующего максималькоммутации (переключении основных и ному коэффициенту трансформации, кодополнительных ступеней, регулирова- вторичным обмоткам ВДТ подключаютсяния) с целью исключения дроссель- выводы а, -аего полуобмоток -9,ного режима работы ВДТ.когда все дополнительные обмотки 16 Устройство работает следующим об ь обесточены) эа счет протеканияразом. тока , =а./ К (где с- ток нагрузВ. зависимости от уровня фазных ки) на соответствующих дополнительнапряжений сети (отклонения от ноных обмотках, подключенных к сети сминального значения) включены по одпомощью тиристоров 30-33 и наводитсяной паре тиристоров из двух их групп 20 магнитный поток и, соответственнобиполярных коммутаторов (22"23)-(32 -33 )ЭДС, вектор которой имеет направле 32 иь) и силовой тиристор 34 вние, противоположное вектору ЭДСкаждом БПС 19"21. При необходимостиобусловленных протеканием тока , пополучения только циклического регули- полуобмоткам 10-12 первичной обмоткирования напряжения переключаютсятири так как одна или несколько дополнисторы 22-27 (и, соответственно, тительных обмоток электрически свяристоры 34 и 35), а одна из пар тиэана с той первичной полуобмоткойристоров (28-29) -(32 и) включенапостоянно.10-12, которая расположена с ними наодном стержне. магнитопровода ВДТРассмотрим, например, случай, ко (магнитные потоки их направленыгда при определенном коэффициентеуказанных выше соотношениях междуо,- Ь 1) первичная обмотка переклюколичеством витков дополнительныхЧается по циклическому закону В этом обмоток) при синх онном пе5 отводов всех трех первичных 7-9 полуны силовой тиристор 34 и тиристоры30 31обмоток эквивалентные числа витков0 и 31, а также соответствующая в полуобмотках 7-9 и 10-12 сохраняпара тиристоров (22-27), обеспечиваются одинаковыми, а токи нулевой поющих подключение полуобмоток (7,11),(8, 12) (9 10) еател протекающие по ним40 равны и находятся в противофазе т,е.сети (например, в БПС 19 включенытиристоры 22 и 23, в БПС 20 - типостоянно имеет место равновесие межРистоРЫ 24 и 25, а в БПС 21 - тири- ДУ еР виткасоздаваем и эти исторы 26 и 27). Тогда отводы о, - Ьтоками для каждого стержня магнитопровода ВДТ, независимо от переклюпервичных 7-9 полуобмоток подключе чения того или иного отвода О - Ины к фазам сети при положительной ( -номер стержня) полуобмоток 7-9.(отрицательной) полярности ее напряЭто обстоятельство и позволяет выжения по следующей цепи: отвод о,-1730(31) 34(38) 38(34)(анодная) точка тиристоров (22-23 о)- 33 ь) из цепей между отводами Ь - л-23(22)-14 -фаза 1 сети (аналогич-у х -9 и отво 50 ( 1 2 3) в пол обмотка 7дами о - и; которые имели бы местоным путем подключения к фазам 2 и 3 в полуобмотках 10-12 при отсутствиисети первичные полуобмотки 8 и 9 соответственно).дополнительных обмоток в цепь БПС:19-21. Это дает возможность испольПри необходимости более плавного 55 зовать одни и те же коммутирующиерегулирования напряжения (в пределах элементы 35-43 последних для переодной определенной ступени цикличес- ключения тиристоров, обеспечивающихкого регулирования) в БПС 19-21 от- как циклическое (22-27), так и более4 б41(40) - 39(36) - 37(34) - , 34(37) 36 (39) - 42 (43) - нулевой провод сети.Для .переключения с одной ступени регулирования напряжения на другую (как при циклическом переключении 7-12, так и при переключении отводов а; - о;) снимаются импульсы управления с проводящих тиристоров и подается узкий управляющий импульс на ком" мутирующий тиристор 35, что влечет за сббой мгновенное принудительное запирание силового тиристора 34 (осуществляется жесткая параллельная его коммутация импульсным источником напряжения) за счет тока разряда предварительно заряженных коммутирующих конденсаторов 36 и 37, протекаю- . щего по цепи: 35-36-28-29-38-37. При этом через включенный коммутирующий 35 тиристор и соответствующую пару диодов разделительного 40-43 моста протекает затухающий индуктивный ток ВДТ по цепи; а, - 41(40) - 39(35) - 35(39) - 42(43) - нулевой провод се" ти, что и обеспечивает неразрывность тока ВДТ нри переключении ступеней регулирования.После мгновенной коммутации силового тиристора 34 происходит также принуцительное эапирание тиристоров 22 и 23 и 28 и 29 за счет прерывания их тока выключением последовательно с ними силового тиристора 34. По мере восстановления запирающих свойств тиристоров 23(22) и 28(29) осуществля.ется перезаряд коммутирующих конденсаторов 36-37.Аналогичным образом происходитискуственная коммутация тиристоровсоответствующих пар и при переключении любых других отводов первичйых полуобмоток 7-9. 5 126426 плавное (28-33 п) регулирование напряжения, и одновременно с этим исключить дроссельный режим работы ВДТ.Введение дополнительных (6-1 би)- (18-8 п) обмоток не сказывается отрицательным образом на сииметрирующие возможности устройства, так как и в этом случае реактивное сопротиволение 4 для токов нулевой последовательности определяется только потока О9ми рассеяния и при надлежащем конструктивном выполнении ВДТ может быть сведено к весьма малой величине (сотые доли ом). Для токов прямой и обратной последовательностей такого ВДТ 15 она незначительна и ограничивается лишь проводимостью намагничивания,,о Следовательно, чем меньше ( , тем меньше ток нулевой последовательности, проходящий по проводам сети, т.е. ВДТ 2 О как бы шунтирует распределительную четырехпроводную сеть и разгружает ее от токов нулевой последователь" ности .основной и высших частот, поэтому более нагруженные Фазы 1 сети 25 разгружаются, а менее загруженные нагружаются, т.е. происходит по-прежнему естественное выравнивание токов, приводящее к уменьшению несимметрии фазных напряжений и фильтрацииЗО гармоник тока, кратных трем.Рассмотрим более подробно основные режимы работы устройства (фиг.1) при,переключении первичной 7-12 Обмотки ВДТ по циклическому закону 35 или коммутации отводов а; - И; первич" ных 7-9 полуобмоток. В зависимости от полярности фазного напряжения сети ток проводят по одному тиристору каждой группы биполярных коммутаторов (за исключением коммутационных интервалов, когда ток проводит коммутирующий 35 тиристор) и силовой 34 тиристар БПС 19-21, Например, при положительной (отрицательной) полуволне синусоиды фазного напряжения сети и подаче широких управляющих импульсов на тири" . сторы 22 и 23 и 28 и 29, а также на силовой 34 тиристор ток в фазе 1 ВДТ 5 О замыкается по контуру; фаза 1 сети - 13-23 (22 -38) - 34(38)-28(29) - вывод а - 7-11 - нулевой провод сети (аналогично и для остальных фаз устройств). При этом осуществляется заряд коммутирующих конденсаторов 36 и 37 по цепи: фаза 1 сети - 13 23(22) - 38(34) - 34(38) - 28(29) После завершения коммутационных процессов и при подаче импульсов управления на тиристоры двух требуемых пар и силовой тиристор 34 каждого из БПС 19-21 эти тиристоры включаются обеспечивая другую требуемую ступень регулирования напряжения нагрузки.Следовательно, задавая с помощью системы управления определенные алгорит" мы переключения каждой из двух пар тиристоров биполярных коммутаторов, а также силового 34 и коммутирующего 35 тиристоров, можно поддерживать на нагрузке необходимый уровень фазформула изобретения 7 1264264 8 ных напряжений при обеспечении их сим- ствия дополнительных обмоток - воэможметрии. но лишь плавное широтно-импульсноеПервое частное техническое решение регулирование напряжения нагрузки. предложенного устройства (фиг.2) обе- Следовательно, имеет место трехспечивает регулирование напряжения 5 ступенчатое регулирование напряжения. эа счет изменения коэффициента транс- Данное частное техническое решение формации ВДТ путем переключения вы- устройства имеет наиболее простую вода и отводов о; - п; первичных 7-9силовую схему, и, соответственно, полуобмоток с помощью тиристорныхключей (28-.9)-(320 Ззп) Вместо ти- нь Ую УстановленнУю мощность,1 О Однако его недостатком является ограристорных пар (22-23)-(26-27) в каж- ниченный диапазон регулирования на" дом БПС 19-21 используется лишь пара пряжения нагрузки.44-45 вентилей, обеспечивающих постоянное подключение двух первичныхМинимальное время между момента- (7, 11), (8-12) и 9, 10) полуобмоток. 1 ми смежных коммутаций тиристоров к фазам сети 1, 2 и 3 соответственно. при переключении ступеней регулироРабота этой схемы как в межкоммута- вания устРойства ограничено времеционных режимах так и в интервалахнем восстановления тиристоров. Слекоммутации тиристоров соответствую- довательно, интервалы времени между щих их пар (28-29)-(32-ЗЗп) полно переключениями ступеней регулировастью аналогична рассмотренным про- ния можно изменять в широких прецессам. Преимуществом данного част- делах в зависимости от требований ного технического решения предла- компенсации колебаний напряжения, гаемого изобретения является более обусловленных включением резкопереупрощенная силовая схема (и, соот менных и двигательных нагрузок, или ветственно, система управления) уст- отклонений напряжений, обусловленройства, так как оно не обеспечивает ных изменением напряжения на шинах циклического переключения первичной центра питания, коэффициента транс- обмотки ВДТ а регулирование уровня формации распределительных трансфорфазных напряжений нагрузки осущестматоров, а также потерь напряжения в вляется путем изменения коэффициен- сети, определяемых изменением ната трансформации ВдТ, В этом случае грузки фаз сети во времени, за счет увеличения установленноймощности ВДТ можно обеспечить требуемый диапазон регулирования напря 35жения. Повышение установленной мощности ВДТ устройства компенсируется 1. Устройство для регулирования более высокой его надежностью при и симметрирования напряжений в трех- коммутации первичной обмотки, посколь- фазных четыРехпроводных сетях, соку здесь принципиально отсутствует 40держащее трехфазный вольтодобавочвозможность междуфазного к.зкото- ный трансформатор (ВДТ) с первичными рое может иметь место в случае элек- полуобмотками, соединенными по схеме трического пробоя того или иного встречный зигзаг, общая точка нулетиристора основной группы коммута- вых выводов которых подключена к нуле. торов осуществляющих циклическоеФ 45вому проводу сети, и вторичными воль- переключение первичной обмотки и, тодобавочными обмотками, включенными соответственно, несрабатывание при в Рассечку каждого провода по три, этом бесконтактной быстродействую- по числу фаз сети, блока переключещей системы токовой защиты. ния ступеней регулирования напряжения, один анод и катод тиристоровВторое частное техническое реве их парих пар основной группы каждого из коние предлагаемого устройства (фиг.З)торых объединены и подключены к выпо принципу работы аналогично уст- ходному зажиму вторичной обмотки ройству по фиг 1, поскольку осу- ВДТ соединеннсоединенному с нагрузкой, о тществняет циклическое переключение л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью первичной обмотки ЗДТ. Более плав повышеповышения эффективности и расширеное регулирование напряжения без ния диапазона симметричного регулироискажения формы кривой тока в этомвания напряжения нагрузки, одна перварианте отсутствует из-за отсут- вичная полуобмотка выполнена секци"64264 10 ставитель И, хред В. Кадар ор Л. Пчелинская нико Ред Е. Сирохман орр каз 5569/53 одписно комитета СССР открытийская наб , д. роектна изводственно графическое тие,го 9 12 онированной, а ВДТ снабжен дополнительными обмотками по количеству отводов палуобмоток ВДТ, включенных с ними в зигзаг и встречно, а каждый блок переключения ступеней регулирования содержит узел общей искусственнной коммутации и дополнительную группу тиристорных коммутаторов, причем анод и катод первой пары группы подключены к первичной полуобмотке, а анод и катод тиристоров остальных пар объединены и подключены через дополнительные обмотки к соответствующим отводам секционированной первичной полуобмотки ВДТ, а другие одноименные электроды соедиФ/ Тираж ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 3035, Москва, Ж, Ранены между собой в катодную и анод 1ную точки) которые через узел Общейискусственной коммутации подключенысоответственно к катодной и аноднойточкам основной группы тиристорныхкоммутаторов.2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что отводы каждой секционированной первичной полу О обмотки ВДТ выполнены от равногоколичества витков, а соотношение чисел витков дополнительных обмоток,расположенных на одном стержне магннтопровода ВДТ, подсчитывается ариф метической прогрессии со знаменателем, равным двум.