Устройство для регулирования реактивного тока

СбКИ СОВЕТСКИХСРЕСПУБЛИК 91 11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54)(57) УСТРОЙСТВО РЕАКТИВНОЮ ТОКА, сод и второй полуволновые ния с обмотками возбу обмоткой подмагничива направленных тиристор полупериодный выпрями ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ержащее первый дроссели насыщеждения, общей ниядва одноных ключа, двух- тель с первым ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТпои иан и(56) 1. Разработка и исследованиеуправляемых от ЭВИ бесконтактныхрегуляторов энергетического назначения. Технический отчет, государственный регистрационный В 6003620,инвентарный В ТД 9769, ЦНИИ "Электро.ника", 1977, с. 28-45, 104-123.2. Там же, с. 258-347. 4(51) 6 05114 в Ь 051/70 и вторым выводами по переменному току, подключенный плюсовым выводом к началу обмотки подмагничивания и минусовьнк - к концу обмотки подмагничивания, при зтом обмотки возбуждения полуволновых дросселей насыщения соединены между собой последовательно- встречно и последовательно с первым и вторым выводами по переменному току двухполупериодного выпрямителя, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения массогабаритных показателей, анод каждого однонаправленного тиристорного ключа подключен к крайнему выводу обмотки возбуждения соответствующего полу- волкового дросселя насыщения, а катоды упомянутых тиристорных ключей соединены и подключены к точке последовательного соединения между собой упомянутых обмоток возбуж- Я дения.3 вай1 О Безразрывная коммутация тока в 55цепи управления осуществляется спомощью магнитного усилителя с самонасыщением. Изобретение относится к электро-технике и может быть использовано для плавного бесступенчатого быстродействующего регулирования величины реактивного тока в статических регулируемых компенсаторах реактивной мощности, устройствах симметрирования нагрузок многофазных цепей, стабилизаторах переменного и выпрямленного тока и напряжения.Известно устройство для плавного бесступенчатого малоискаженного регулирования реактивного тока ( Рн = О) на основе дросселя насыщения с безразрывной коммутацией рабочего тока 15 в цепи переменного тока и цепи тока управления, состоящее из двух полу- волновых дросселей насыщения, электромагнитного нелинейного корректирующего элемента, диода, двухполупе- риодного выпрямителя, магнитного усилителя с самонасыщением, двух входных выводов. Каждый полуволновой дроссель насыщения выполнен на ферро. магнитном сердечнике, на котором рас положены обмотки возбуждения, обмотка подмагничивания и обмотка для протекания четных гармоник тойа. Нелинейный корректирующий элемент выполнен на ферромагнитном сердечнике с немагнитным зазором, на котором расположены обмотка подмагничивания и обмотка для протекания четных гармоник тока. Рабочие обмотки полуволновых дросселей насыщения соединены между собой последовательно-встречно и подключены35 к входным выводам, иа которые подается питающее напряжение. Обмотки подмагничивания полуволновых дросселей насьпцения соединены между собой последовательно-согласно и последо- вательно с обмоткой подмагничивания нелинейного корректирующего элемента и все вместе подключены к выходу двухполупериодного выпрямителя по постоянному току. Бвзразрывная коммутация рабочего тока в таком устройстве осуществляется путем регулирования переменных магнитных потоков в Ферромагнитных сердечниках полуволновых дросселей насыщения с помощью измене 50 ния величины постоянных магнитных потоков, возбуждаемых в тех же Ферромагнитных сердечниках. Время регулирования устройства определяется инерционностью цепи управления магнитного усилителя и инерционностью цепи управления дросселя насьпцения и составляет несколько десятков периодов переменного тока 11.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для плавного бесступенчатого малоискаженного регулирования реактивного тока ( Йп = О) на основе дросселя насыщения с безразрывной коммутацией рабочего тока в цепи переменного тока, в котором с целью повышения быстродействия регулирования коммутация тока, протекающего в цепи управления дросселя насыщения, осуществляется с помощью двух однонаправленных тиристорных ключей, содержащее первый и второй полуволновые дроссели насыщения с обмотками возбуждения, общей обмоткой подмагничивания, два однонаправленных тиристорных ключа, двухполупериодный выпрямитель с первым и вторым выводами по переменному току, подключенный плюсовым выводом к началу обмотки подмагничивания и минусовым - к концу,обмотки подмагничивания, при этом обмотки возбуждения полуволновьж дросселей насыщения соединены между собой последовательно-встречно и последовательно с первым и вторым выводами по переменному току двухполупериодного выпрямителя 23,Однако в известных устройствах для уменьшения нелинейньж искажений Формы кривой рабочего тока (тока, протекающего в цепи переменного тока) и одновременно для сглаживания пульсаций тока, протекаюшего в цепи управления дросселя насыщения используется электромагнитный нелинейный корректирующий элемент, выполненный на том же магнитопроводе и с аналогичным числом обмоток, что и каждый полуволновой дроссель насьпцения, но и число витков каждой обмотки в 12 больше, чем у соответствующих обмоток полуволнового дросселя насыщения,Электромагнитный корректирующий элемент увеличивает вес и габариты устройства на ЗЗЕ, что является недостатком известных устройств.Цель изобретения - уменьшение массо-габаритных показателей.Ноставленная цель достигается тем, что в устройстве для регули27 4кривая 18 - при угле открывания тиристоров 5 и 6, равном ОссСс - ".гУстройство работает следующим образом.При подключении устройства к пита" ющей сети в цепи обмотки 10 и 12 возбуждения начинает протекать ток холостого хода ЭВеличина тока холостого хода определяется в основном индуктивностью последовательно соединенньм обмоток 10 и 12 возбуждения полуволновых дросселей 1 и 2 насьпцения и сопротивлением пускового резистора 7.Величина рабочей индукции В вР ферромагнитных сердечниках полуволновых дросселей насьпцения не должна превышать допустимого значения ВПри превышении рабочей инлукциейдопустимого значенияиэображаоп ющая точка магнитного состояния попадает при малых подмагничиваниях(1/4 зоны полного подмагничивания)на участки петли гистерезиса с большими значениями дифференциальной магнитной проницаемости и коррекциянелинейных искажений формы кривойрабочего тока в цепи переменного токастановится невозможной. 11361 На ферромагнитных сердечниках 4511 и 13 размещены, кроме того, общаяобмотка 14 подмагничивания и пусковаяобмотка 15, замкнутая на переменныйрезистор 7.Обмотки 10 и 12 возбуждения соединены между собой последовательновстречно. На фиг. 2 показаны кривая 16 реактивного тока в режиме холостого хода 55 (тиристоры 5 и 6 полностью закрыты); кривая 17 - при угле открывания тиристоров 5 и 6, равном и (ЫсЛ29 рования реактивного тока, содержащемпервый и второй полуволновые дроссели насьпцения с обмотками возбуждения,общей обмоткой подмагничивания, дваодионаправленных тиристорных ключа,двухполупериодный выпрямитель спервым и вторым выводами по переменному току, подключенный плюсовым выводом к началу обмотки подмагничивания и минусовым - к концу обмотки 10подмагничивания, при этом обмоткивозбуждения полуволновых дросселейнасьпцения соединены между собой последовательно-встречно и последовательно с первым и вторьм выводами 15по переменному току двухполупериодного выпрямителя, анод каждого однонаправлен.юго тиристорного ключаподключен к крайнему выводу обмоткивозбуждения соответствующего полуволнового дросселя насьнцения, а катоды упомянутых тиристорных ключейсоединены и подключены к точке последовательного соединения междусобой упомянутых обмоток возбуждения.25На фиг. 1 представлена принципиальная схема предложенного устройства; на фиг. 2 - диаграммы, иллюстрирующие работу устройства,УстройстВО состоит иэ полувОлно- З 0вых дросселей 1 и 2 насыщения, фазного 3 и нулевого 4 выводов, однонаправленных тиристорных ключей (тиристоров) 5 и 6, переменного резистора7, блока 8 импульсно-фазного управления тиристорами 5 и 6, двухполу 35периодного выпрямителя 9 реактивноготока.Обмотка 10 возбуждения размещенана ферромагнитном сердечнике 1140полуволнового дросселя 1 насьпцения,а обмотка 12 возбуждения - на ферромагнитном сердечнике 13 полуволнового дросселя 2 насьпцения. Допустимая величина магнитной ин-" дукции в ферромагнитных сердечниках полуволновых дросселей насьпцения является одним из трех условий широкодиапазонной коррекции нелинейных искажений формы кривой рабочего тока дросселя насьпцения с,последовательным соединением обмоток возбуждения.Для электротехнических сталей допустимая величина рабочей индукции составляет Во = 6000-7000 Гс. При значениях. рабочей магнитной индукции Ь ( 8работа ферромагнитных сердечников полуволновых дросселей насьпцения происходит на частных петлях гистереэиса с постоянным значением магнитной проницаемости длякаждой частной петли гистерезиэа.Это обеспечивает синусоидальную форму кривой реактивного тока нарядус двумя другими условиями широко-.диапазонной коррекции нелинейных искажений (наличие отдельного контурадля протекания четных гармоник токаи необходимого соотношения индуктивностей нелинейного корректирующегоэлемента, установленного в цепяхвозможного протекания четных гармониктока, и индуктивности полуволнового10 дросселя насыщения для каждого значения тока л. Это соотношение должно быть равно двум).В режиме холостого хода тиристора5 и 6 закрыты, дифференциальная магнитная проницаемость магнитных сердечников 11 ьь 13 имеет большую величину,и вследствие этого ток холостого хода имеет небольшую .величину (5-103от номинального значения Э),В результате электромагйитнойсимметрии питающее напряжение распре"деляется поровну между обмотками 10и 12 возбуждения. При выбранномвключении последних питающее напряжение в режиме холостого хопа нетрансдюрмируется в отмотки 14 иЬ 51 соответственно подмагничиванияи пусковую.Пусковая обмотка 15 предназначена для надежного открывания тиристоров 5 и 6, С помощью переменногорезистора 7 (например, для тиристоровТ 10-16 сопротивление резистора 7равно 600 Ом) устанавливается оптимальное значение тока, протекающегов цепи пусковой обмотки 15, котороеобеспечивает включение тиристоров 5и 6 при любом значении индуктивностиобмоток.10 и 12 возбуждения 30В каждый полупериод питающегонапряжения оба ферромагнитных сер-дечника 11 и 13 подмагничиваютсяампер-витками создаваемыми протекающим в обмотке 14 подмагничивания ЗЗдвухполупериодным выпрямленнымреактивным током.В режиме холостого хода когдаугол открывания тиристоров 5 и 6равен Ы,= Л и тиристоры закрыты втечение всего периода питающего напряжения, в обмотке 14 подмагничивания протекает выпрямленный двухполупериодный ток холостого хода, Зр, величина которого имеет неболь- "5шая 5-103 от Зр ),Когда угол открывания тиристоров5 и 6 с( й, т.е. когда каждый тиристор 5 или 6 находится в открытомсостоянии, часть соответствующегополупериода питающего напряжения. Вэтом случае на время шунтированияоткрытым тиристором обмотки возбуждения полуволнового дросселя насыщения происходит подмагничивание ферромагнитного сердечника этого полуволнового насыщения выпрямленнымдвухполупериодным реактивным током,при этом степень подмагничиванияферромагнитного сердечника определяется углом открывания тиристора.На интервалах закрытого и открытого состояний тиристоров 5 и 6в каждый полупериод питающего напряжения устройство работает следующимобразом.В начале первого полупериодапитающего напряжения оба тиристора5 и 6 закрыты, и ток протекает пообмоткам 10 и 12 возбуждения, соединенных последовательно-встречно. Степень текущего подмагничивания ферромагнитных сердечников 11 и 13 определяется временем открытого состояниятиристоров 5 и 6 соответственно впредыдущий полупериод питающегонапряжения. Питающее напряжениераспределяется поровну между обмотками 10 и 12 возбуждения и перемагничивает ферромагнитные сердечники11 и 13 по частным петлям гистереэиса, наклон которых определяется степенью полмагничивания каждого ферромагнитного сердечника в соответствующий полупериод питающего напряжения.От наклона частных петель гистерезисазависят среднее значение магнитнойпроницаемости каждого ферромагнитного сердечника 11 и 13 и соответственно величина реактивного тока,протекающего по последовательновстречно соединенных между собойобмоткам 10 и 12 возбуждения,1В эту часть полупериодов питающего напряжения ампер-витки обмотки10 возбуждения и ампер-витки обмотки14 подмагничивания, по которой протекает выпрямленный двухполупериодныйреактивный ток, направлены согласно,и ферромагнитный сердечник 11 перемагничивается по частной петле гистерезиса в положительном направлении,а ампер-витки обмотки 12 возбужденияи ампер-витки обмотки 14 подмагничивания полуволнового дросселя 2насыщения направлены встречно, иферромагнитный сердечник 13 перемагничивается в отрицательном направлении (противоположном направлениюперемагничивания ферромагнитногосердечника 11).ферромагнитные сердечники 11 и 13перемагничивается по частным петлямгистерезиса, на которых текущеемгновенное значение магнитной проницаемости изменяется незначительно,поэтому Форма кривой реактивноготока повторяет синусоидальную формукривой питающего напряжения.Кривая реактивного тока сдвинута5ина угол р =- по отношению к кривой2 питающего напряжения.В момент открывания тиристоров 5 все напряжение сети переменного тока, 10 имеющееся в текущий момент времени, прикладывается к обмотке 12 возбуждения и полуволновой дроссель 2 насьпцения переходит в трансформаторный режим работы. 15Электромагнитная симметрия полу- волновых дросселей 1 и 2 насьпцения нарушается, и в результате дальнейшего перемагничивания в отрицательном налравлении ферромагнитного 20 сердечника 13 полуволнового дросселя 2 насьпцения на концах обмотки 14 подмагничивания и пусковой 15 обмотки появляется ЭДС удвоенной частоты, которая вызывает протекание тока 25 удвоенной частоты в контурах, образованных соответственно обмоткой 14 подмагничивания и двухполупериодным выпрямителем 9, пусковой обмоткой 15 и переменным резистором 7. 30Величина тока удвоенной частоты ограничивается магнитным состоянием ферромагнитного .сердечника 11 (сте- пенью его текущего подмагничивания) и числом витков обмоток 14 и 1535 соответственно подмагничивания и пусковой, расположенных на ферромагнитном сердечнике 11, а также сопротивлением переменного резистора 7.С момента шунтирования обмотки 10 возбуждения тиристором 5 реактивный ток начинает полностью протекать через тиристор 5 и обмотку 12 возбуждения. Ампер-витки, создаваемые обмоткой 10 возбуждения, становятся равным нулю, и подмагничивание ферромагнитного сердечника 11 уменьшается в два раза (пока тиристоры 5 и 6 закрыты, ампер-витки10 и 14 соответственно возбуждения и подмагничивания равны между собой, так как равны числа. витков и токи, протекающие в этих обмотках) . Точкамагнитного состояния Ферромагнитного сердечника 11 переходит на частную петлю гистерезиса со значением средней магнитной проницаемости примерно в два раза большей, чем на предыдущей частной петле гистерезиса. В связи с этим индчктивность полчволнового дросселя 1 насыщения увеличивается также .примерно в 2 раза.Полуволновой дроссель 1 насьйцения оказывается включенным в цепях протекания тока удвоенной частоты, Ток удвоенной частоты вызывается ЭДС удвоенной частоты, появляющейся на концах обмотки 14 подмагничивания в момент открывания тиристора 5.В интервал времени. открытого состояния тиристора 5 в цепи протекания реактивного тока оказывается включенной такая же эквивалентная индуктивность, как и на интервале времени закрытого состояния тиристоров 5 и 6, поэтому переход тиристора 5 из закрытого состояния в открытое при любом угле его включения не вызывает изменение формы кривой реактивного тока, Она остается синусоидальной в течение времени всего полупериода.Кривая реактивного тока сдвинутана угол р: д по отношению к кривой 2питающего напряжения,В следующий полупериод питающегонапряжения открывается тиристор 6,и электромагнитные процессы протекаютзеркально по отношению к полуволновым дросселям 1 и 2 насьпцения.В начале второго полупериода питающего напряжения оба тиристора5 и 6 снова закрыты, и реактивныйток протекает по обмоткам 12 и 10возбуждения, соединенным последовательно-встречно. Степень текущегоподмагничивания ферромагнитных сердечников 13 и 11 определяется временем открытого состояния тиристоров5 и 6 соответственно в предыдущийполупериод питающего напряжения.Питающее напряжение распределяетсЯпоровну между обмотками 12 и 10 возбуждения и перемагничивает ферромагнитные сердечники 13 и 11 по частнымпетлям гистерезиса, наклон которыхопределяется степенью подмагничивания каждого ферромагнитного сердечника соответственно в предыдущийполупериод питающего напряжения. Отнаклона частных петель гистерезисазависят среднее значение магнитнойпроницаемости каждого ферромагнитного сердечника, и соответственновеличина реактивного тока.В эту часть полупериода питаюшегонапояжения ампео-витки обмотки 12и ампер-витки обмотки 14 подмагничивания, по которой протекаетдвухполупериодный реактивный ток, 5направлены согласно, и.ферромагнитный сердечник 13 перемагничиваетсяна частной петле гистерезиса в положительном направлении, а ампер-виткиобмотки 10 возбуждения и ампер-витки О1обмотки 14,подмагничивания полуволнового дросселя 1 насьпцения направлены встречно, и ферромагнитный сердечник 11 полуволнового дросселя 1 насыщения перемагничивается в 5 отрицательном направлении (противоположном направлению перемагничивания ферромагнитного сердечника 13),Поскольку ферромагнитные сердеч ники 13 и 11 перемагничиваются по частным петлям гистерезиса, на которых текущее мгновенное значение магнитной проницаемости изменяется незначительно, форма кривой реактивного тока повторяет форму кривой питающего напряжения, т,е. синусоидальную форму.Кривая реактивного тока сдвинута30я н на угол= - по отношению к кривои 2 питающего напряжения.В момент открывания тиристоров 5 и 6 все напряжение сети переменногоЗ 5 тока, имеющееся в текущий момент времени, прикладывается к обмотке 10 возбуждения, и полуволйовой дроссель 1 насыщения переходит в трансформаторный режим работы. 40Электромагнитная симметрия полу- волновых дросселей 2 и 1 насьпцения нарушается, и в результате дальнейшего перемагничивания в отрицательном направлении ферромагнитного45 сердечника 11 полуполнового дросселя 1 насыщения на концах обмотки 14 подмагничивания и пусковой 15 обмотки появляется ЭДС удвоенной частоты, которая вызывает протекание тока удвоенной частоты в контурах, образованных соответственно обмоткой 14 подмагничивания и двухполупериодным выпрямителем 9, пусковой обмоткой 15 и переменным резистором 7.Величина тока удвоенной частоты ограничивается во втором полупериоде питающего напряжения магнитным состоянием ферромагнитного сердечника 13 (степенью его текущего подмагничивания) и числом витков обмоток 14 и 15 соответственно подмагничивания и пусковой, расположенных на ферромагнитном сердечнике 13, а также сопротивлением переменного резистора 7.С момента шунтирования обмотки 12 возбуждения тиристором 6 реактивный ток начинает полностью протекать через тиристор 6 и обмотку 10 возбуждения. Ампер-витки, создаваемые обмоткой 12 возбуждения, становятся равными нулю, и подмагничивание ферромагнитного сердечника 13 уменьшается в два раза (пока тиристоры 5 и 6 закрыты, ампер-витки обмоток 2 и 14 соответственно возбуждения и подмагничивания равны между собой, так как равны числа витков и токи, протекающие в этих обмотках), Точка магнитного состояния ферромагнитного сердечника 13 переходит на частную петлю гистерезиса со значением средней магнитной проницаемости примерно в два раза большей, чем на предыдущей (до открытия тиристора 6) частной петле гистерезиса. В связи с этим индуктивность полуволнового дросселя 2 насьпцения увеличивается также примерно в два раза.Полуволновой дроссель 2 насьпцения оказывается включенным в цепях протекания тока удвоенной частоты, который вызывается ЭДС удвоенной частоты, появляющейся на концах обмотки 14 подмагничивания в момент открывания тиристора 6.На интервале времени открытого состояния тиристора 6 в цепи протекания реактивного тока оказывается включенной такая же эквивалентная индуктивность, как и на интервале времени эакоытого состояния тиристоров 5 и 6, поэтому переход тиристора 6 из закрытого состояния в открытое при любом угле его включения не вызывает изменение формы кривой реактивного тока, Она остается синусоидальной в течение времени всего второго полу- периода.Кривая реактивного тока сдвинута на угол Д = - по отношению к кривойМ2питающего напряжения. Таким образом, в каждый полупериод питающего напря285/3.5 86 Подписно ака ВНИИПИ Госуда 1 отвеин по делам иэобретени113035, Москва, Ж, Р тета СССРтийнаб., д. 4/5 о коми и откр ушская"Патент илиал П Ужгород, ул. Проектна жения индуктивность устройства в .целом как в интервале времени закрытого состояния тиристоров 5 и 6, так и в интервале времени открытого состояния практически остается постоянной.Каждое новое значение реактивного тока устанавливается путем изменения угла открывания тиристоров 5 и 6 с помощью блока 8 импульсно-фазового управления тиристорами.При каждом новом угле открывания тиристоров 5 и 6 устройство работает в каждый полупериод питающего напряжения аналогично указанному при этом, ,чем меньше угол открывания тиристоров 5 и 6, тем больше степень подмагничивания ферромагнитных сердечников11 и 13 и значит меньше наклончастной петли гистерезиса, по которойперемещается изображающая точкамагнитного состояния ферромагнитныхсердечников 11 и 13 полуврлновыхдросселей 1 и 2 насыщения, соответственно меньше среднее значение маг нитной проницаемости ферромагнитныхсердечников 11 и 13 и тем большевеличина реактивного тока. Преимуществами предлагаемого устройства по сравнению с известным являются малые габариты и масса.