RU2253890C1 - Method for stabilization and adjustment of electric energy parameters in electric plants direct current power systems and device implementing said method - Google Patents
Method for stabilization and adjustment of electric energy parameters in electric plants direct current power systems and device implementing said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2253890C1 RU2253890C1 RU2003132898/09A RU2003132898A RU2253890C1 RU 2253890 C1 RU2253890 C1 RU 2253890C1 RU 2003132898/09 A RU2003132898/09 A RU 2003132898/09A RU 2003132898 A RU2003132898 A RU 2003132898A RU 2253890 C1 RU2253890 C1 RU 2253890C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- phase
- winding
- output terminals
- transformer
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к силовой электронике и электротехнике и может быть использовано для широкодиапазонного и мелкоступенчатого регулирования под нагрузкой величины выпрямленного напряжения на зажимах различных электроприемников при синусоидальном потребляемом ими из питающей сети токе. Регулирование выпрямленного напряжения выполняют путем бесконтактного, мелкоступенчатого и широкодиапазонного изменения величины переменного трехфазного напряжения на входных зажимах трехфазных выпрямительных мостов, от которых получают электроэнергию различные по функциональному назначению электроприемники.The invention relates to power electronics and electrical engineering and can be used for wide-range and small-step regulation under load of the value of the rectified voltage at the terminals of various power consumers with a sinusoidal current consumed from the mains. Regulation of the rectified voltage is carried out by non-contact, small-step and wide-range changes in the magnitude of an alternating three-phase voltage at the input terminals of three-phase rectifier bridges, from which electrical receivers of various functional purpose receive electric power.
Для стабилизации и регулирования указанных выше параметров электроэнергии в трехфазных сетях электроснабжения приемников различного функционального назначения широко известен способ механического переключения отводов регулировочной обмотки питающего трансформатора (см. Журавин Ю.Д., Минцис М.Я., Музыченко И.И. Электроснабжение цехов электролиза алюминия. - Новокузнецк, СибГУ, 2000, с.46-47).To stabilize and regulate the above parameters of electricity in three-phase power supply networks for receivers of various functional purposes, the method of mechanical switching of the taps of the control winding of the supply transformer is widely known (see Zhuravin Yu.D., Mintsis M.Ya., Muzychenko II. Power supply of aluminum electrolysis shops - Novokuznetsk, Siberian State University, 2000, p. 46-47).
Недостатками такого способа являются электроизнос контактов, низкое быстродействие и невозможность мелкоступенчатого регулирования напряжения на выходных зажимах питающего трансформатора. Последнее не позволяет стабилизировать ток в контуре серии электролизеров алюминия с точностью ±1%, как этого требует технология производства алюминия.The disadvantages of this method are the electrical wear of the contacts, low speed and the inability to fine-tune voltage regulation at the output terminals of the supply transformer. The latter does not allow stabilizing the current in the circuit of a series of aluminum electrolyzers with an accuracy of ± 1%, as required by the technology of aluminum production.
Известен способ регулирования напряжения на основе использования управляемых выпрямительных мостов с системой импульсно-фазового регулирования моментами включения тиристоров упомянутых мостов (см. Туманов И.М., Алтунин Б.Ю. Тиристорные и тиристорно-контактные установки для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии. - Н.Новгород: НГТУ, 1993, с.79-81).There is a method of voltage regulation based on the use of controlled rectifier bridges with a system of pulse-phase control of the switching times of the thyristors of the bridges (see Tumanov I.M., Altunin B.Yu. Thyristor and thyristor-contact installations for stabilization and regulation of electrical parameters. - N Novgorod: NSTU, 1993, p. 79-81).
Недостатками способа являются большое потребление реактивной мощности от источника питания и генерация в питающую сеть гармоник высшего порядка.The disadvantages of the method are the large consumption of reactive power from the power source and the generation of higher order harmonics into the supply network.
Известен способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током, в соответствии с которым на участке цепи между выходными зажимами вторичной обмотки питающего трансформатора и входными зажимами трехфазного мостового выпрямителя, от которого с выходных зажимов получают электроэнергию постоянного тока электроустановки различного функционального назначения, формируют множество различных по величине и фазе добавочных трехфазных напряжений путем переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения первичной обмотки трансформатора трансформаторно-тиристорного модуля, напряжение на выходных зажимах вторичной обмотки питающего трансформатора выбирают соответствующим середине диапазона регулирования его на выходных зажимах мостового выпрямителя, а величину максимального уровня добавочного напряжения на выходных зажимах трансформаторно-тиристорного модуля выбирают соответствующей половине упомянутого диапазона (см. патент России №2172054, кл. Н 02 М 5/12, G 05 F 1/253, 2001 - прототип).There is a method of stabilizing and regulating the parameters of electric power in DC power systems, according to which, on a section of the circuit between the output terminals of the secondary winding of the supply transformer and the input terminals of a three-phase bridge rectifier, from which the output terminals receive electrical energy of direct current for various functional purposes, form many additional three-phase voltages of different magnitude and phase by switching thyristor to for changing the connection diagram of the primary winding of the transformer-thyristor module transformer, the voltage at the output terminals of the secondary winding of the supply transformer is chosen appropriate to the middle of its regulation range at the output terminals of the bridge rectifier, and the maximum voltage level at the output terminals of the transformer-thyristor module is selected corresponding to half of the aforementioned range (see patent of Russia No. 2172054, class H 02 M 5/12, G 05 F 1/253, 2001 - prototype).
Известно устройство для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током, содержащее питающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, а между выходными зажимами его вторичной обмотки и входными зажимами трехфазного мостового выпрямителя включены последовательно вторичные обмотки одного или нескольких трансформаторов соответствующих трансформаторно-тиристорных модулей, зажимы и отводы первичных обмоток которых, через свой блок тиристорных ключей, подключены к отводам различных фаз первичной обмотки питающего трансформатора, а имеющая процессор система программного управления устройством своими выходными зажимами подключена к управляющим электродам тиристорных ключей соответствующих трансформаторно-тиристорных модулей (см. патент России №2172054, кл. Н 02 М 5/12, G 05 F 1/253, 2001 - прототип).A device is known for stabilizing and regulating parameters of electric power in DC power systems, containing a supply transformer, the primary winding of which is connected to the mains, and between the output terminals of its secondary winding and the input terminals of a three-phase bridge rectifier, secondary windings of one or more transformers of the corresponding transformer are connected in series -thyristor modules, clamps and taps of the primary windings of which, through their block of thyristor bays, connected to the taps of various phases of the primary winding of the supply transformer, and the processor-controlled system for controlling the device with its output terminals is connected to the control electrodes of the thyristor switches of the corresponding transformer-thyristor modules (see Russian patent No. 2172054, class N 02 M 5/12, G 05 F 1/253, 2001 - prototype).
Известный способ не обеспечивает широких функциональных возможностей, так как отсутствует электромагнитная совместимость с питающей сетью в процессе широкодиапазонного и мелкоступенчатого регулирования величины выпрямленного напряжения на входных клеммах систем питании электроустановок постоянного тока при минимуме затрат активных материалов на изготовление устройства для его реализации. Связано это с тем, что он не предусматривает компенсацию высших гармонических размагничивающих магнитодвижущих сил различных фаз магнитопровода питающего трансформатора, которые создаются высшими гармониками тока в соответствующих фазах первичной обмотки его в связи с нелинейными характеристиками электроприемников нагрузки в цепи вторичной обмотки питающего трансформатора. Затраты активных материалов на изготовление известного устройства, а следовательно, и потери электроэнергии в его элементах существенно возрастают. Объясняется это тем, что у известного устройства снижение величины высших гармонических потребляемого из питающей сети тока реализуется только путем расщепления вторичной обмотки питающего трансформатора на несколько однотипных трехфазных обмоток с различными группами соединения фаз обмотки между собой. Это приводит к увеличению числа параллельных трехфазных цепей, а следовательно, и количества трансформаторно-тиристорных модулей в составе трехфазной цепи, от которой получают электроэнергию параллельно соединенные мостовые выпрямители.The known method does not provide wide functionality, since there is no electromagnetic compatibility with the supply network during wide-range and small-step regulation of the rectified voltage at the input terminals of the power supply systems of DC electrical installations with a minimum of active materials for the manufacture of a device for its implementation. This is due to the fact that it does not provide for compensation of higher harmonic demagnetizing magnetomotive forces of various phases of the supply transformer magnetic circuit, which are created by higher current harmonics in the corresponding phases of its primary winding due to nonlinear characteristics of the load receivers in the secondary winding circuit of the supply transformer. The cost of active materials for the manufacture of a known device, and consequently, the loss of electricity in its elements increase significantly. This is explained by the fact that in the known device, a decrease in the magnitude of the higher harmonic currents consumed from the supply network is realized only by splitting the secondary winding of the supply transformer into several same three-phase windings with different groups of connection of the winding phases to each other. This leads to an increase in the number of parallel three-phase circuits, and consequently, the number of transistor-thyristor modules in the composition of the three-phase circuit, from which parallel rectified rectifiers are supplied with electricity.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током и сокращение расхода активных материалов на изготовление устройства для его реализации. Заявленное устройство содержит в своем составе минимальное количество элементов силового электрооборудования, которое имеет высокий коэффициент полезного действия. Все это способствует решению проблемы ресурсо- и энергосбережения при организации технологического процесса получения различных полезных продуктов с помощью систем питания электроустановок постоянным током.The objective of the invention is to expand the functionality of the method of stabilization and regulation of electrical parameters in the power supply systems of electrical installations with direct current and reducing the consumption of active materials for the manufacture of a device for its implementation. The claimed device contains a minimum number of elements of power electrical equipment, which has a high efficiency. All this contributes to solving the problem of resource and energy saving in organizing the technological process of obtaining various useful products using DC power systems.
Технический результат заключается в том, что появляется возможность использовать не более двух трансформаторно-тиристорных модулей для системы питания электроустановок постоянным током. При этом обеспечивается достаточная точность свыше ±1% регулирования величины выпрямленного напряжения на зажимах электроустановок, а коэффициент высших гармонических тока, потребляемого из питающей электросети, практически равен нулевому значению. Более чем в полтора раза уменьшается расход активных материалов и затраты на изготовление трансформаторного оборудования устройства, а также эксплуатационные издержки при его использовании.The technical result consists in the fact that it becomes possible to use no more than two transformer-thyristor modules for the power supply system of electrical installations with direct current. This ensures sufficient accuracy of more than ± 1% of the regulation of the rectified voltage at the terminals of electrical installations, and the coefficient of higher harmonic currents consumed from the supply network is practically equal to zero. The consumption of active materials and the cost of manufacturing the transformer equipment of the device, as well as the operating costs of its use, are reduced more than one and a half times.
Этот технический результат достигается тем, что в способе стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током, в соответствии с которым на участке цепи между выходными зажимами вторичной обмотки питающего трансформатора и входными зажимами трехфазного мостового выпрямителя, от которого с выходных зажимов получают электроэнергию постоянного тока электроустановки различного функционального назначения, формируют множество различных по величине и фазе добавочных трехфазных напряжений, путем переключения тиристорных ключей и изменения схемы соединения первичной обмотки трансформатора трансформаторно-тиристорного модуля, напряжение на выходных зажимах вторичной обмотки питающего трансформатора выбирают соответствующим середине диапазона регулирования его на выходных зажимах мостового выпрямителя, а величину максимального уровня добавочного напряжения на выходных зажимах трансформаторно-тиристорного модуля выбирают соответствующей половине упомянутого диапазона, согласно изобретению питающий трансформатор снабжают дополнительной трехфазной обмоткой, по фазам которой, с помощью полностью управляемых электронных ключей, создают высшие гармонические тока таким образом, чтобы соответствующие им высшие гармонические намагничивающих магнитодвижущих сил в фазах магнитопровода питающего трансформатора полностью компенсировали высшие гармонические размагничивающих магнитодвижущих сил соответствующих фаз магнитопровода питающего трансформатора, которые создаются высшими гармониками тока в фазах первичной обмотки питающего трансформатора в связи с нелинейными характеристиками нагрузки в цепи вторичной обмотки его, а в систему программного управления дополнительно вводят DSP-контроллер, который в качестве входных данных получает аналоговые сигналы от датчиков тока различных фаз первичной и дополнительной обмоток питающего трансформатора, путем оцифровывания этих сигналов и использования периодически повторяющегося прямого быстрого преобразования Фурье с периодом времени основной гармоники 0,02 с получают частотные спектры высших гармонических тока первичной и дополнительной обмоток питающего трансформатора, эти частотные спектры суммируют и с помощью обратного быстрого преобразования Фурье и последующего цифроаналогового преобразования получают временные зависимости тока всех трех фаз, которые используют в качестве выходных сигналов DSP-контроллера, последние подают параллельно на входные зажимы пропорционального и пропорционально-дифференциального регуляторов, с выходных зажимов которых сигналы суммируют, а полученный сигнал с выхода сумматора вычитают из текущего значения ЭДС соответствующей фазы дополнительной обмотки питающего трансформатора, значения ЭДС получают с помощью датчиков ЭДС конкретной фазы, таким образом определяют мгновенные значения в каждой фазе необходимых напряжений между стоком и истоком полностью управляемых электронных ключей, на основе этих данных и значений токовых сигналов, ранее полученных с выхода DSP-контроллера, а также данных вольтамперных характеристик используемых электронных ключей определяют необходимый временной график изменения управляющего напряжения “затвор-исток” электронных ключей различных фаз, обеспечивающий требуемый ток по фазам дополнительной обмотки питающего трансформатора и отсутствие высших гармонических тока, потребляемого первичной обмоткой питающего трансформатора из сети.This technical result is achieved by the fact that in the method of stabilization and regulation of electric power parameters in DC power supply systems, according to which, on a section of the circuit between the output terminals of the secondary winding of the supply transformer and the input terminals of a three-phase bridge rectifier, from which DC electricity is obtained from the output terminals electrical installations of various functional purpose, form a lot of additional three-phase additional in size and phase voltage, by switching the thyristor switches and changing the connection circuit of the primary winding of the transformer-thyristor module transformer, the voltage at the output terminals of the secondary winding of the supply transformer is selected corresponding to the middle of its regulation range at the output terminals of the bridge rectifier, and the maximum level of the additional voltage at the output terminals of the transformer-thyristor the module is selected corresponding to half of the mentioned range, according to the invention, the supply the ormator is equipped with an additional three-phase winding, the phases of which, using fully controlled electronic keys, create higher harmonic currents so that the corresponding higher harmonic magnetizing magnetizing forces in the phases of the supply transformer magnetic circuit fully compensate for the higher harmonic demagnetizing magnetizing forces of the corresponding phases of the supply transformer magnetic circuit, which are created by higher current harmonics in the phases of the primary winding of the supply trans due to non-linear characteristics of the load in the secondary winding circuit, and a DSP controller is additionally introduced into the program control system, which receives analog signals from current sensors of various phases of the primary and additional windings of the supply transformer as input, by digitizing these signals and using of a periodically repeating direct fast Fourier transform with a fundamental harmonic time period of 0.02 s, the frequency spectra of higher harmonic currents are obtained primarily th and additional windings of the supply transformer, these frequency spectra are summed up and using the inverse fast Fourier transform and subsequent digital-to-analog conversion, they obtain the time dependences of the current of all three phases, which are used as the output signals of the DSP controller, the latter are fed in parallel to the input terminals of proportional and proportional differential controllers, from the output terminals of which the signals are summed, and the received signal from the output of the adder is subtracted from the current value of the emf of the corresponding phase of the auxiliary winding of the supply transformer, the EMF values are obtained using the EMF sensors of a specific phase, thus determining the instantaneous values in each phase of the necessary voltages between the drain and the source of fully controllable electronic switches, based on these data and the values of current signals previously received from the DSP output -controller, as well as the current-voltage characteristics of the used electronic keys determine the necessary time schedule for the change of the control voltage “gate-source” e electronic keys of various phases, providing the required current in phases of the additional winding of the supply transformer and the absence of higher harmonic currents consumed by the primary winding of the supply transformer from the network.
Этот технический результат достигается также тем, что в известном устройстве для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током, содержащем питающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, а между выходными зажимами его вторичной обмотки и входными зажимами трехфазного мостового выпрямителя включены последовательно вторичные обмотки одного или нескольких трансформаторов соответствующих трансформаторно-тиристорных модулей, зажимы и отводы первичных обмоток которых через свой блок тиристорных ключей подключены к отводам различных фаз первичной обмотки питающего трансформатора, а имеющая процессор система программного управления устройством своими выходными зажимами подключена к управляющим электродам тиристорных ключей соответствующих трансформаторно-тиристорных модулей, согласно изобретению вторичная обмотка питающего трансформатора выполнена в виде двух трехфазных обмоток, а каждая фаза полученной дополнительной трехфазной обмотки соединена последовательно с однотипной электрической цепью, содержащей последовательное соединение датчика тока и полностью управляемого электронного ключа, полученные два свободных зажима в каждой фазе дополнительной обмотки соединены между собой, а система программного управления устройством дополнительно содержит два последовательно соединенных блока, блок DSP-контроллера и блок формирования управляющих напряжений “затвор-исток” для управления работой электронных ключей, которые включены в разные фазы дополнительной обмотки питающего трансформатора, блок DSP-контроллера содержит две однотипные параллельные трехфазные цепи, состоящие из последовательно соединенных функциональных звеньев, первая цепь содержит последовательное соединение датчика тока первичной обмотки питающего трансформатора, аналого-цифрового преобразователя, звена для прямого быстрого преобразования Фурье и звена обработки и фильтрации с двумя парами выходных зажимов, одна из которых подключена к функциональному звену для определения коэффициента гармоник тока, потребляемого первичной обмоткой питающего трансформатора из питающей сети, во вторичной цепи датчик тока включен в цепь дополнительной обмотки питающего трансформатора, звено обработки и фильтрации имеет одну пару выходных зажимов, причем выходные зажимы функциональных звеньев обработки и фильтрации обеих цепей соединены с соответствующими входными зажимами сумматора, к выходным зажимам которого подключена цепь из последовательно соединенных функциональных звеньев для выполнения обратного быстрого преобразования Фурье и цифроаналогового преобразования, а выходные зажимы этой цепи связаны с блоком формирования управляющих напряжений, в котором они соединены параллельно со входными зажимами пропорционального и пропорционально-дифференциального регуляторов, а также с первой парой входных зажимов функционального звена, моделирующего вольтамперные характеристики используемых электронных ключей, выходные зажимы упомянутых регуляторов соединены с соответствующими входными зажимами сумматора, выход которого соединен со входными зажимами функционального звена, инвертирующего входной сигнал по знаку и суммирующего его с текущим значением ЭДС соответствующей фазы дополнительной обмотки питающего трансформатора, поступающего на другой вход этого же звена от датчика ЭДС, установленного в данной фазе, а выходные зажимы вышеупомянутого функционального звена соединены со второй парой входных зажимов звена, моделирующего вольтамперные характеристики используемых электронных ключей, одна пара выходных зажимов упомянутого выше звена соединена с затвором и истоком электронного ключа одной фазы, а две другие пары выходных зажимов аналогично связаны с затвором и истоком электронных ключей соответствующих двух других фаз.This technical result is also achieved by the fact that in the known device for stabilizing and regulating the parameters of electricity in the power supply systems of electrical installations with direct current containing a supply transformer, the primary winding of which is connected to the mains, and between the output terminals of its secondary winding and the input terminals of a three-phase bridge rectifier sequentially secondary windings of one or more transformers of the corresponding transistor-thyristor modules, clamps and taps primary windings of which are connected through their block of thyristor switches to the taps of various phases of the primary winding of the supply transformer, and the processor-controlled system for controlling the device with its output terminals is connected to the control electrodes of the thyristor switches of the corresponding transistor-thyristor modules, according to the invention, the secondary winding of the supply transformer is made in the form of two three-phase windings, and each phase of the obtained additional three-phase winding is connected in series with the same type of electrical circuit containing a serial connection of the current sensor and a fully controlled electronic switch, the two free terminals obtained in each phase of the additional winding are interconnected, and the device’s software control system additionally contains two series-connected units, a DSP controller unit and a control voltage generating unit “ gate-source ”to control the operation of electronic keys that are included in different phases of the additional winding of the supply transformer, bl ok DSP-controller contains two parallel three-phase circuits of the same type, consisting of series-connected functional units, the first circuit contains a series connection of the current sensor of the primary winding of the supply transformer, analog-to-digital converter, a link for direct fast Fourier transform and a processing and filtering link with two output pairs clamps, one of which is connected to a functional link to determine the harmonic coefficient of the current consumed by the primary winding of the supply transf an ormatator from the supply network, in the secondary circuit, a current sensor is connected to the auxiliary winding of the supply transformer, the processing and filtering link has one pair of output terminals, and the output terminals of the processing and filtering functional links of both circuits are connected to the corresponding input terminals of the adder, to the output terminals of which a chain of series-connected functional units to perform the inverse fast Fourier transform and digital-to-analog conversion, and the output terminals of this circuit The circuits are connected with the control voltage generation unit, in which they are connected in parallel with the input terminals of the proportional and proportional-differential controllers, as well as with the first pair of input terminals of the functional link simulating the current-voltage characteristics of the electronic keys used, the output terminals of the mentioned regulators are connected to the corresponding input terminals of the adder , the output of which is connected to the input terminals of the functional link, which inverts the input signal by sign and total connecting it with the current EMF value of the corresponding phase of the auxiliary winding of the supply transformer, supplied to the other input of the same link from the EMF sensor installed in this phase, and the output terminals of the aforementioned functional link are connected to the second pair of input terminals of the link simulating the current-voltage characteristics of the electronic keys used, one pair of output terminals of the above link is connected to the gate and the source of the electronic key of one phase, and the other two pairs of output terminals are similarly connected us with the gate and source of electronic keys corresponding to the other two phases.
Заявленный способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током путем мелкоступенчатого и широкодиапазонного регулирования величины выпрямленного напряжения на входных клеммах упомянутых установок при синусоидальном потребляемом токе из питающей сети, а также заявленная схема электропитания их, которая содержит в своем составе минимальное количество элементов силового электрооборудования только с высоким коэффициентом полезного действия, способствуют решению проблемы ресурсо- и энергосбережения при организации технологического процесса получения различных полезных продуктов за счет использования систем питания электроустановок постоянным током. Связано это с тем, что при реализации способа более чем в полтора раза уменьшается расход активных материалов и затраты на изготовление трансформаторного оборудования устройства, а также в два раза уменьшаются потери электроэнергии в его элементах при эксплуатации, обеспечивается электромагнитная совместимость системы электропитания с питающей сетью. Сравнение заявленных 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”.The claimed method of stabilizing and regulating the parameters of electric power in DC power systems by means of small-step and wide-range regulation of the rectified voltage at the input terminals of the above-mentioned devices with a sinusoidal current consumption from the mains, as well as their claimed power circuit, which contains the minimum number of power elements electrical equipment with only high efficiency, contribute to solving problems resources and energy saving when organizing the technological process of obtaining various useful products through the use of DC power systems. This is due to the fact that when implementing the method, the consumption of active materials and the cost of manufacturing the transformer equipment of the device are reduced by more than one and a half times, as well as the energy losses in its elements are halved during operation, electromagnetic compatibility of the power supply system with the mains is ensured. Comparison of the claimed technical solutions with the prototype made it possible to establish compliance with their criterion of "novelty." In the study of other well-known technical solutions in this field, the features that distinguish the claimed invention from the prototype were not identified, and therefore they ensure compliance with the criterion of "Inventive step". The tests carried out confirm compliance with the criterion of “Industrial applicability”.
На фиг.1 приведена схема одного из вариантов устройства для осуществления способа стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током; в качестве примера устройство на фиг.1 содержит в своем составе два трансформаторно-тиристорных модуля, которые соединены последовательно; на фиг.2 - вариант принципиальной схемы одного из используемых трансформаторно-тиристорных модулей устройства; на фиг.3-4 показаны варианты функциональных схем соответственно блока DSP-контроллера и блока формирования управляющих электронными ключами напряжений в соответствии с предлагаемым способом; на фиг.5-10 приведены графики сигналов на выходных зажимах отдельных звеньев упомянутых выше блоков для пояснения предлагаемого способа.Figure 1 shows a diagram of one of the variants of the device for implementing the method of stabilization and regulation of the parameters of electricity in the power systems of electrical installations with direct current; as an example, the device in figure 1 contains two transistor-thyristor modules that are connected in series; figure 2 is a variant of the circuit diagram of one of the used transistor-thyristor modules of the device; Figures 3-4 show functional block diagrams of a block of a DSP controller and a block for generating voltages controlling electronic keys in accordance with the proposed method; figure 5-10 shows graphs of signals at the output terminals of the individual links of the above blocks to explain the proposed method.
Устройство (фиг.1) содержит питающий трансформатор 1 с первичной обмоткой 2, которая имеет отводы 3 и датчики тока 4 в каждой фазе. Для подключения первичной обмотки 2 к питающей сети используются клеммы А, В, С. Вторичная обмотка трансформатора 1 выполнена в виде двух трехфазных обмоток, соответственно 5 и 6. Каждая фаза дополнительной трехфазной обмотки 5 соединена последовательно с однотипной электрической цепью, содержащей последовательное соединение датчика тока 7 и полностью управляемого электронного ключа 8. Полученные два свободных зажима в каждой фазе обмотки 5 соединены между собой. Для управления работой электронных ключей 8 используются сигналы между их электродами “затвор-исток”, которые поступают от блока 9 формирования управляющих напряжений. На входные зажимы блока 9 поступают сигналы от датчиков ЭДС 10 отдельных фаз обмотки 5, а также с выходных зажимов блока 11 DSP контроллера. Функциональные схемы блоков 9 и 11 приведены соответственно на фиг.3 и фиг.4. Для организации работы блока 11 используются входные сигналы, которые поступают от датчиков тока 4 и 7. Между выходными зажимами a1, b1, c1 трехфазной обмотки 6 и входными зажимами а3, b3, c3 трехфазного мостового выпрямителя 12 включены последовательно отдельные фазы вторичных трехфазных обмоток 13 и 14. Эти обмотки 13 и 14 входят в состав трехфазных трансформаторов 15 и 16 соответственно, которые, в свою очередь, принадлежат соответствующим трансформаторно-тиристорных модулям с блоками 17, 18 тиристорных ключей соответственно. Вариант полного схемотехнического исполнения трансформаторно-тиристорного модуля на фиг.1 ограничен пунктирной линией I и изображен на фиг.2. Зажимы и отводы различных фаз первичных обмоток 19 и 20 соответственно трансформаторов 15 и 16 трансформаторно-тиристорных модулей через тиристорные ключи блоков 17 и 18 этих модулей подключены к отводам 3 первичной обмотки 2 питающего трансформатора 1. Принципиальные схемы всех тиристорных ключей устройства одинаковы, и в качестве примера на фиг.2 пунктирной линией выделена принципиальная схема одного из вариантов исполнения тиристорного ключа трансформаторно-тиристорных модулей (позиция 17.1). В качестве активных элементов (тиристорных ключей) могут быть использованы вместо тиристоров другие технически эквивалентные по выполняемым функциям сильноточные элементы (например, симисторы, механические контакторы с гашением дуги в вакууме, механический коммутатор с ограниченным числом тиристорных ключей, используемых исключительно для устранения электроизноса контактов коммутатора и переходных процессов при коммутации контактов и т.д.). Выходные разноименные зажимы a4, b4 трехфазного мостового выпрямителя 12 подключены к нагрузке 21, которая на фиг.1 изображена в виде последовательно соединенных и переменных во времени активного резистора R и противо-ЭДС Е. Система программного управления 22 работой тиристорных ключей блоков 17 и 18 своими выходными зажимами подключена к управляющим электродам этих тиристорных ключей. С помощью системы программного управления в заданные моменты времени включаются и отключаются определенные тиристорные ключи блоков 17, 18 с целью изменения схемы соединения первичных обмоток 19 и 20 трансформаторов 15 и 16 соответственно.The device (figure 1) contains a
На фиг.2 приведен вариант принципиальной схемы одного из трансформаторно-тиристорных модулей, который поясняет коммутацию обмоток трансформатора 15, 16. Фиг.2 представляет собой фрагмент фиг.1, который выделен пунктирной линией I. Путем включения определенных тиристорных ключей блоков 17 или 18 зажимы и отводы соответствующей первичной обмотки 19 или 20 подключают различными (более 150) вариантами как между собой, так и к соответствующим отводам 3 в разных фазах первичной обмотки 2 питающего трансформатора 1. Для этих целей в составе каждого из блоков 17, 18 тиристорных ключей используют несколько их частей. Определенные тиристорные ключи 17.1, 17.3, 17.5, 17.8, 17.10, 17.12 блока 17 из первой части, включены тогда, когда необходимо уменьшить на некоторую дискретную величину напряжение на выходных зажимах а2, b2, с2 трансформаторно-тиристорного модуля по сравнению с его величиной на входных зажимах соответственно а1, b1, с1 (фиг.1). Когда требуется увеличить напряжение на упомянутых зажимах, включают тиристорные ключи, например, 17.2, 17.4, 17.6, 17.7, 17.9, 17.11 блока 17 из состава второй их части. Тиристорные ключи 17.13, 17.14, 17.15, 17.16, 17.17, 17.18 третьей части используют для соединения между собой зажимов и отводов первичной обмотки 19 с целью получения различных вариантов схемы ее соединения. В частном случае, когда нет необходимости менять напряжение на выходных зажимах относительно такового на зажимах a1, b1, c1 (фиг.1), включают определенные тиристорные ключи исключительно из состава третьей части их. Принципиальная схема одного из вариантов исполнения тиристорных ключей показана пунктирной линией (позиция 17.1).Figure 2 shows a variant of the circuit diagram of one of the transistor-thyristor modules, which explains the switching of the windings of the
На фиг.3 представлена функциональная схема соединения отдельных функциональных звеньев блока 11 DSP-контроллера. Данный блок включает в себя две однотипных трехфазных цепи, которые содержат последовательно соединенные необходимые функциональные звенья. Входной сигнал первой цепи формируется датчиками тока 4 фаз первичной обмотки 2, а входной сигнал второй цепи - датчиками тока 7 фаз дополнительной трехфазной обмотки 5 питающего трансформатора 1. Эти сигналы поступают на входные зажимы соответствующих аналого-цифровых преобразователей 11.1 и 11.2. Дискретизованные по времени сигналы поступают в обеих цепях на соответствующие функциональные звенья 11.3 и 11.4 для выполнения прямого быстрого преобразования Фурье. Далее, с помощью функциональных звеньев 11.5 и 11.6 из амплитудно-частотного спектра сигналов в обеих цепях удаляется основная (первая) гармоника тока, а также все высшие гармоники, частоты которых находятся выше определенной величины. С выходных зажимов функциональных звеньев 11.5 и 11.6 сигналы складываются с помощью сумматора 11.7. Взаимоиндуктивные связи между токовыми контурами одноименных фаз (МАа, МВb, МСс - фиг.3) за счет использования общего магнитопровода трансформатора 1 обеспечивают автоматическое уменьшение высших гармонических в составе токов iA, iB, iC первичной обмотки 2, если аналогичные высшие гармонические в составе токов ia, ib, ic дополнительной трехфазной обмотки 5 увеличиваются. Коэффициент пропорциональности между уменьшением высших гармонических в составе токов фаз первичной обмотки 2 и их увеличением в составе токов фаз дополнительной трехфазной обмотки 5 равен единице, если упомянутые обмотки имеют одинаковые числа витков. В противном случае этот коэффициент пропорциональности не равен единице. Это учитывают путем деления выходных данных аналого-цифрового преобразователя во второй цепи 11.2 на коэффициент, который равен отношению чисел витков первичной обмотки 2 к виткам дополнительной трехфазной обмотки 5 питающего трансформатора 1. Другое отличие первой и второй цепи заключается в том, что данные функционального звена 11.5 первой цепи использованы для определения коэффициента высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети первичной обмоткой 2. Коэффициент гармоник определяется и выводится на информационное табло с помощью функционального звена 11.8. Сигнал с выходных зажимов сумматора 11.7 подается на вход функционального звена 11.9, которое выполняет обратное быстрое преобразование Фурье. В результате этой операции на выходных зажимах звена 11.9 получают дискретизованный по времени на интервале периода изменения первой гармоники тока в фазах первичной обмотки 2 (0.02 с) аналоговый сигнал токов (ia, ib, ic), который на следующем периоде изменения первой гармоники упомянутого тока должен протекать по соответствующим фазам дополнительной трехфазной обмотки 5. С выхода звена 11.9 сигнал поступает на входные зажимы функционального звена 11.10, где выполняется цифроаналоговое преобразование сигнала. Полученные данные помещаются в ячейки памяти звена 11.10 на соответствующие места аналогичных данных, которые получены были на период времени 0.02 с ранее. Выходные зажимы звена 11.10 блока 11 связаны со входными зажимами блока 9.Figure 3 presents the functional diagram of the connection of the individual functional units of the
Функциональная схема соединения отдельных функциональных звеньев блока 9 для формирования управляющих напряжений электронными ключами 8 представлена на фиг.4. На входные зажимы блока 9 подается аналоговый сигнал тока i(t) от блока 11. Он одновременно поступает на входные зажимы пропорционального и пропорционально-дифференциального регуляторов, а также на вход функционального звена, моделирующего вольтамперные характеристики используемых электронных ключей 8. Пропорциональный регулятор 9.1 моделирует падение напряжения (i· r) на активном сопротивлении r в фазах дополнительной трехфазной обмотки 5 трансформатора 1. Пропорционально-дифференциальный регулятор 9.2 моделирует падение напряжения 
Этот сигнал представляет собой управляющее напряжение, которое прикладывают между электродами “затвор - исток” электронных ключей 8 разных фаз и получают на соответствующих выходных зажимах “сток - исток” требуемое напряжение UCИ(t).This signal is a control voltage that is applied between the gate-source electrodes of the
На фиг.5 приведен график изменения тока во времени, который потребляет первичная обмотка 2 из питающей сети. График тока iA(t) показан на примере фазы А этой обмотки. Причем левая часть графика (0≤ t≤ 20· 10-3 с) соответствует работе устройства, когда управляющее напряжение UЗИ(t) между электродами “затвор - исток” электронных ключей 8 отсутствует. Правая часть графика (20· 10-3≤ t≤ 40· 10-3 с) соответствует работе устройства, когда между электродами “затвор - исток” электронных ключей 8 согласно предлагаемому способу приложено напряжение uЗИ(t). Потребляемый ток из питающей сети (левая часть графика - фиг.5) является несинусоидальным и содержит большое количество высших гармонических составляющих.Figure 5 shows a graph of the current over time, which consumes the primary winding 2 from the mains. The current graph i A (t) is shown as an example of phase A of this winding. Moreover, the left part of the graph (0 ≤ t≤ 20 · 10 -3 s) corresponds to the operation of the device when the control voltage U ZI (t) between the gate-source electrodes of the
Амплитудно-частотный спектр несинусоидального тока (левая часть графика - фиг.5) показан на фиг.6. Кроме основной гармоники (n=1) ток содержит высшие гармоники (n=5, 7, 11, 13, ... 35, 37, ... 65, 67 и т.д.). Амплитуды высших гармоник с номерами n=41 и более становятся весьма малыми по сравнению с амплитудой основной гармоники (n=1). Данные фиг.6 соответствуют выходному сигналу функционального звена 11.3, которое выполняет прямое быстрое преобразование Фурье (блок 11 - фиг.3).The amplitude-frequency spectrum of the non-sinusoidal current (the left side of the graph - figure 5) is shown in Fig.6. In addition to the fundamental harmonic (n = 1), the current contains higher harmonics (n = 5, 7, 11, 13, ... 35, 37, ... 65, 67, etc.). The amplitudes of higher harmonics with numbers n = 41 and more become very small compared with the amplitude of the fundamental harmonic (n = 1). The data of Fig.6 correspond to the output signal of the functional link 11.3, which performs direct fast Fourier transform (block 11 - Fig.3).
На фиг.7 приведен амплитудно-частотный спектр, который получают на выходных зажимах функционального звена 11.5 (блок 11 - фиг.3). При этом на вход упомянутого звена подают сигнал, который показан на фиг.6. Амплитудно-частотный спектр согласно фиг.7 отличается тем, что он не содержит в своем составе основной гармоники тока, а также высших гармоник, кратность по частоте которых превышает основную гармонику более чем в 40 раз.Figure 7 shows the amplitude-frequency spectrum, which is obtained at the output terminals of the functional link 11.5 (block 11 - figure 3). At the same time, a signal is shown at the input of the mentioned link, which is shown in Fig.6. The amplitude-frequency spectrum according to Fig.7 is characterized in that it does not contain the main harmonics of the current, as well as higher harmonics, the frequency multiplicity of which exceeds the fundamental harmonic by more than 40 times.
Два варианта изменения тока в цепи дополнительной трехфазной обмотки 5 питающего трансформатора 1 приведены на фиг.8. Левая часть графика (0≤ t≤ 20· 10-3 с, аналогично фиг.5) показывает на отсутствие тока (ib(t)=0) в цепи упомянутой обмотки. Этому варианту согласно фиг.5 соответствует потребление обмоткой 2 из питающей сети несинусоидального тока. На примере фазы В правая часть графика (20· 10-3≤ t≤ 40· 10-3 с) показывает зависимость тока ib(t) от времени, которая сформирована на выходных зажимах блока 11. Такая форма тока в контуре обмотки 5 обеспечивает восстановление синусоидального закона изменения тока, потребляемого обмоткой 2 из питающей сети. Последнее подтверждает правая часть графика, которая показана на фиг.5.Two options for changing the current in the circuit of an additional three-phase winding 5 of the
На фиг.9 и 10 аналогично фиг.8 и фиг.5 приведено также по два варианта изменения токов в цепи дополнительной трехфазной обмотки 5 (фиг.9) и в цепи первичной обмотки 2 (фиг.10) питающего трансформатора 1. Разница состоит в том, что токи по упомянутым обмоткам показаны для другого стационарного режима работы трансформаторно-тиристорного модуля с блоком 17 тиристорных ключей. Если на фиг.5 и фиг.9 приведены графики токов, когда в блоке 17 включены тиристорные ключи 17.13, 17.14, 17.17, 17.18, то на фиг.9 и фиг.10 - графики токов, когда в этом блоке использовано другое сочетание (17.1, 17.3, 17.14, 17.17 и 17.18) включенных тиристорных ключей. Сравнение левых частей графиков (0≤ t≤ 20· 10-3с) фиг.5 и фиг.10 показывает на изменения формы тока, потребляемого первичной обмоткой 2 из питающей сети. Но это справедливо только в том случае, когда по фазам дополнительной трехфазной обмотки 5 ток полностью отсутствует, как это показано на фиг.8 и фиг.9 (левые части графиков). Если же по фазам дополнительной трехфазной обмотки 5 протекают токи, величина и форма которых определена согласно предлагаемому способу (правые части графиков фиг.8 и фиг.9, 20· 10-3c ≤ t≤ 40· 10-3c), то токи по фазам первичной обмотки 2 имеют синусоидальную форму (правые части графиков фиг.5 и фиг.10, 20· 10-3 с ≤ t≤ 40· 10-3 с). При этом происходит автоматическое изменение графиков тока по фазам дополнительной трехфазной обмотки 5 при изменении потребляемого из питающей сети тока, который протекает по фазам первичной обмотки 2 питающего трансформатора 1.Figures 9 and 10, similarly to Fig. 8 and Fig. 5, also show two variations of currents in the circuit of the additional three-phase winding 5 (Fig. 9) and in the circuit of the primary winding 2 (Fig. 10) of the
Необходимость ресурсо- и энергосбережения, а также обеспечения электромагнитной совместимости с питающей сетью при организации широкодиапазонного и мелкоступенчатого регулирования величины выпрямленного напряжения в системах питания электроустановок постоянным током приводит к необходимости снабжения питающего трансформатора 1 дополнительной трехфазной обмоткой 5. По фазам этой обмотки с помощью полностью управляемых электронных ключей 8 создают высшие гармонические тока таким образом, чтобы соответствующие им высшие гармонические намагничивающих магнитодвижущих сил в фазах магнитопровода питающего трансформатора 1 полностью компенсировали аналогичные высшие гармонические размагничивающих магнитодвижущих сил соответствующих фаз магнитопровода питающего трансформатора 1. Размагничивающие магнитодвижущие силы создаются высшими гармониками тока в фазах первичной обмотки 2 питающего трансформатора 1 в связи с нелинейным характером нагрузки в цепи вторичной обмотки 6 его. Программно вычисляют в реальном времени с помощью DSP-контроллера (блок 11), путем использования прямого и обратного быстрых преобразований Фурье необходимый график изменения во времени тока (i(t)), который содержит такой же, как и в первичной обмотке 2 состав высших гармонических тока с заданными амплитудами. С помощью блока 9 формирования управляющих электронными ключами 8 напряжений получают в фазах дополнительной обмотки 5 упомянутый выше ток i(t). Согласно фиг.5 (правая часть графика) при этом потребляемый питающим трансформатором 1 из сети ток становится синусоидальным и не содержит в своем составе высших гармоник. В заявленном техническом решении обеспечивается электромагнитная совместимость системы питания электроустановок с питающей сетью программно путем изменения во времени управляющих напряжений UЗИ(t) (фиг.4). В связи с этим, электромагнитная совместимость не нарушается при изменении нелинейного характера нагрузки системы питания, а также при изменении коэффициента несимметрии питающих напряжений на входных зажимах упомянутой системы. В известном устройстве реализовать последнее не представляется возможным. Поэтому функциональные возможности предлагаемого технического решения существенно шире, чем у известного устройства.The need for resource and energy saving, as well as ensuring electromagnetic compatibility with the supply network when organizing wide-range and small-step regulation of the rectified voltage in DC power supply systems, necessitates supplying the
Способ осуществляют следующим образом. Пусть в исходном режиме работы, после включения устройства в питающую сеть уровень выпрямленного напряжения на зажимах a4, b4, от которых получает питание нагрузка 21 постоянного тока, составляет середину диапазона регулирования его. При этом оба трансформаторно-тиристорных модуля устройства работают в одинаковых стационарных режимах работы с условным названием “режим №0”. В составе тиристорных ключей блоков 17 и 18 включены ключи с одинаковыми номерами соответственно 17.13, 17.14, 17.17, 17.18 (фиг.2) и т.п. для ключей блока 18. Так как в упомянутом стационарном режиме работы трансформаторно-тиристорных модулей напряжение на вторичных обмотках 13 и 14 их трансформаторов соответственно 15 и 16 отсутствует, то уровни напряжения на входных зажимах а3, b3, с3 мостового трехфазного выпрямителя 12 равны уровням напряжения на выходных зажимах а1, b1, c1 вторичной обмотки 6 питающего трансформатора 1. В связи с нелинейным характером нагрузки, подключенной к зажимам а3, b3, с3, ток по фазам вторичной обмотки 6 питающего трансформатора 1 является несинусоидальным. Он содержит в своем составе высшие гармоники тока с кратностью (n) по отношению к основной гармонике (n=1) n=5, 7, 11, 13, 17, 19... . Этот ток для магнитной цепи питающего трансформатора 1 является намагничивающим. В фазах первичной обмотки 2, которая подключена к зажимам А, В, С питающей сети, протекает ток iA, iB, iC, аналогичный по форме току соответствующих фаз вторичной обмотки 6. Но по отношению к магнитной цепи питающего трансформатора этот ток является размагничивающим. Следовательно, ток нагрузки по фазам вторичной обмотки 6 и потребляемый из питающей сети ток по соответствующим фазам iА, iB, iC первичной обмотки 2 сдвинуты по фазе на 180° и ориентированы относительно одноименных зажимов этих обмоток (на фиг.1 обозначены знаком “.”) противоположно. График изменения тока во времени для одной из фаз первичной обмотки 2 приведен в левой части фиг.5 (0≤ t≤ 20· 10-3 с). Упомянутый ток является несинусоидальным, так как он повторяет форму тока вторичной обмотки 6. В блок 11 системы программного управления путем использования датчиков тока 4 поступает аналоговый сигнал потребляемого из сети несинусоидального тока. Этот сигнал оцифровывают (аналого-цифровой преобразователь 11.1 - фиг.3), выполняют прямое быстрое преобразование Фурье (звено 11.3 - фиг.3). При оцифровывании аналогового сигнала предварительно выполняют дискретизацию его по времени с шагом (At), равнымThe method is as follows. Suppose that in the initial mode of operation, after turning on the device in the supply network, the level of rectified voltage at the terminals a 4 , b 4 , from which the DC load 21 is supplied, is the middle of its regulation range. At the same time, both transformer-thyristor modules of the device operate in the same stationary operating modes with the code name “mode No. 0”. As part of the thyristor keys of blocks 17 and 18, keys with the same numbers are included, respectively 17.13, 17.14, 17.17, 17.18 (figure 2), etc. for the keys of unit 18. Since in the aforementioned stationary mode of operation of transistor-thyristor modules there is no voltage on the
где:Where:
Т - период времени изменения основной гармоники тока (Т=20· 10-3 с);T is the time period of the change in the fundamental harmonic of the current (T = 20 · 10 -3 s);
2α - число выборок аналогового сигнала на периоде его изменения Т;2α is the number of samples of the analog signal at the period of its change T;
α - целое число, которое принимают для получения требуемой точности определения амплитуд высших гармоник тока равным α ≥ 9.α is an integer, which is taken to obtain the required accuracy in determining the amplitudes of the higher harmonics of the current equal to α ≥ 9.
Аналого-цифровой преобразователь 11.1 имеет буферное устройство, где оцифрованные выборки на интервале времени периода Т запоминаются. По заднему фронту выборки сигнала с номером N=2α содержимое ячеек памяти буфера аналого-цифрового преобразователя 11.1 переписывают в оперативную память звена 11.3. Быстрое преобразование Фурье звено 11.3 выполняет за время не более 25 микросекунд. На выходных зажимах звена 11.3 получают спектральный состав потребляемого из сети тока, который показан на фиг.6. Он содержит амплитудные значения (Im) всех содержащихся в потребляемом токе гармоник от n=0 до n=2α /2. Отличные от нулевого значения амплитуды тока для данного примера нелинейной нагрузки вторичной обмотки 6 питающего трансформатора 1 имеют основную гармонику и высшие гармонические составляющие (n=5, 7, 11, 13... , 2α /2). При α =9 получают амплитудные значения токов всех гармоник n, удовлетворяющих следующему неравенству 0≤ n≤ 256. Согласно фиг.6 амплитудные значения Im высших гармонических тока при n>40 весьма малы и ими можно пренебречь при определении коэффициента гармоник в потребляемых из питающей сети токах iA, iB, iC с помощью функционального звена 11.8. Поэтому на выходных зажимах звена 11.5 (фиг.7), которые связаны со входными зажимами звена 11.8, из спектрального состава исключены все гармонические составляющие тока с номерами n>40. Наоборот, на выходных зажимах звена 11.5, которые связаны с сумматором 11.7, сохраняют все высшие гармонические тока согласно фиг.6, но исключают основную гармонику тока согласно фиг.7. Так как на интервале времени 0≤ t≤ T после включения устройства в питающую сеть электронные ключи 8 выключены, то токи по фазам дополнительной обмотки 5 ia=ib=ic=0. Поэтому сигнал на выходных зажимах звена 11.6 отсутствует, а сигнал с выхода звена 11.5 без изменения проходит через сумматор 11.7 и поступает на входные зажимы звена 11.9. Функциональное звено 11.9 за 25 микросекунд выполняет быстрое обратное преобразование Фурье, в результате чего при α =9 получают 2α =512 оцифрованных временных выборок тока i(t). Сигнал с выхода звена 11.9 поступает на входные зажимы цифроаналогового преобразователя (звено 11.10), где он преобразуется в аналоговую форму и хранится в оперативной памяти в течение времени Т=0.02 с до прихода новых цифровых данных с выходных зажимов звена 11.9. В связи с малой задержкой времени, которое требует обработка временных выборок тока предыдущего периода его изменения, то практически в реальном времени с задержкой лишь на один период изменения (0.02 с) потребляемого из питающей сети тока начинают синхронные с началом нового периода изменения упомянутого тока, а также с выходными данными звена 11.10 управление работой электронных ключей 8. Для этой цели с интервалом времени Δ t последовательно выбирают из оперативной памяти звена 11.10 временные выборки тока (i(k· Δ t), где k=0, 1, 2, ... , 2α ), который должен протекать по фазам дополнительной трехфазной обмотки 5 питающего трансформатора 1. Если число витков дополнительной трехфазной обмотки 5 отличается от чиста витков первичной обмотки 2, то временные выборки тока i(k· Δ t) до момента помещения их в оперативную память звена 11.10 предварительно увеличивают с коэффициентом пропорциональности К, который равенThe analog-to-digital converter 11.1 has a buffer device where the digitized samples on the time interval of the period T are stored. On the trailing edge of the sampling signal with the number N = 2α, the contents of the memory cells of the buffer of the analog-to-digital converter 11.1 are copied to the main memory of the link 11.3. The fast Fourier transform of the link 11.3 performs in no more than 25 microseconds. At the output terminals of the link 11.3 receive the spectral composition of the current consumed from the network, which is shown in Fig.6. It contains the amplitude values (Im) of all harmonics contained in the consumed current from n = 0 to n = 2α / 2. Non-zero values of the current amplitude for this example of the nonlinear load of the secondary winding 6 of the
где: 
где: e(t) - текущее значение ЭДС в соответствующей фазе дополнительной трехфазной обмотки 5 [В];where: e (t) is the current value of the EMF in the corresponding phase of the additional three-phase winding 5 [V];
r - активное сопротивление фазы обмотки 5 [Ом];r is the active resistance of the phase of the winding 5 [Ohm];
L - индуктивность фазы обмотки 5 по потокам рассеивания [Гн];L is the inductance of the phase of the winding 5 by the dispersion fluxes [GN];
i(k· Δ t) - значение временной выборки тока на интервале времениi (k · Δ t) is the value of the time sample of the current in the time interval
(k-1)· Δ t≤ t≤ k· Δ t[A];(k-1) · Δ t≤ t≤ k · Δ t [A];
i((k+1)· Δ t) - значение тока на интервале времени k· Δ t≤ t≤ (k+1)· Δ t [A],i ((k + 1) · Δ t) is the current value in the time interval k · Δ t≤ t≤ (k + 1) · Δ t [A],
i((k-1)· Δ t) - значение тока в фазе обмотки 5 на интервале времениi ((k-1) · Δ t) is the current value in the phase of the winding 5 at a time interval
(k-2)· Δ t≤ t≤ (k-1)· Δ t [A].(k-2) · Δ t≤ t≤ (k-1) · Δ t [A].
Согласно выражению (3) на вход пропорционального регулятора 9.1 подается одно значение временной выборки тока, которое соответствует тому интервалу времени, в пределах которого находится текущее значение времени t. На входные зажимы пропорционально-дифференциального регулятора 9.2 в любой момент времени подается два значения временных выборок тока. Одно из них i((k-1)· Δ t) соответствует запаздыванию на один интервал Δ t, а второе i((k+1)· Δ t) - опережению на Δ t, того интервала времени, в котором находится текущее значение времени t. Далее, сигналы с выходных зажимов регуляторов 9.1 и 9.2 складывают и подают на вход звена 9.4, где суммарный сигнал предварительно инвертируют по знаку. На другой вход звена 9.4 поступает текущее значение ЭДС соответствующей фазы. В результате суммирования упомянутых двух сигналов на выходных зажимах звена 9.4 получают текущее значение напряжения UСИ(t). Техническую реализацию выделения напряжения UСИ(t) между электродами “сток - исток” электронных ключей 8 обеспечивают путем использования функционального звена 9.5. На первый его вход поступает сигнал UСИ(t), а на второй - сигнал i(k· Δ t). В соответствии с текущими сигналами на входных зажимах звена 9.5 на его выходных зажимах получают временной сигнал UЗИ(1). Этот сигнал прикладывают между электродами “затвор - исток” электронных ключей 8 в разных фазах дополнительной трехфазной обмотки 5 и получают на соответствующих выходных зажимах “сток - исток” ключей 8 требуемое напряжение UСИ(t). Согласно формуле (3) это обеспечивает на интервале времени Т≤ t≤ 2T требуемый закон изменения токов iа, ib, iс по фазам дополнительной трехфазной обмотки 5 питающего трансформатора 1. График такого тока i(t) на примере одной фазы приведен на фиг.8 (правая часть). Для магнитопровода питающего трансформатора 1 этот ток является намагничивающим. За счет действия взаимоиндуктивных связей (МAа, МBb, МCс - фиг.3) в фазах первичной обмотки 2 питающего трансформатора течет соответствующий по форме размагничивающий ток, который противоположен по фазе намагничивающему току i(t). Упомянутый размагничивающий ток имеет в своем составе только высшие гармонические составляющие. Последние содержат такие же амплитудные значения тока, как и высшие гармонические тока в фазах первичной обмотки 2, которые созданы за счет действия нелинейной нагрузки в цепи вторичной обмотки 6 трансформатора 1. Начальные фазы одноименных по частоте гармоник тока сдвинуты на 180° . Поэтому происходит полная компенсация высших гармонических в составе тока первичной обмотки 2 питающего трансформатора. Следовательно, из питающей сети (клеммы А, В, С) потребляется чисто синусоидальный ток, который показан на фиг.5 для интервала времени Т≤ t≤ 2Т. На интервале времени Т≤ t≤ 2T и далее на вход блока 11 поступают сигналы тока не только от датчиков тока 4, но и от датчиков тока 7. Так как токи iA, iB, iC стали синусоидальными, то на выходных зажимах 11.5 сигнал отсутствует. Если числа витков первичной обмотки 2 и дополнительной обмотки 5 одинаковы, то с выходных зажимов звена 11.6 на данном интервале времени получают такой же сигнал, как и с выхода звена 11.5 на предыдущем интервале его изменения 0≤ t≤ Т. Поэтому устройство перешло в стационарный режим работы. Для обеспечения стационарного режима работы устройства при неравенстве чисел витков упомянутых обмоток в буферном устройстве аналого-цифрового преобразователя 11.2 оцифрованные временные выборки тока уменьшают согласно формуле (2) в К раз.According to expression (3), one value of the current time sample is applied to the input of the proportional controller 9.1, which corresponds to the time interval within which the current time t is located. At the input terminals of the proportional-differential controller 9.2 at any time two values of the time samples of the current are supplied. One of them i ((k-1) · Δ t) corresponds to a delay of one interval Δ t, and the second i ((k + 1) · Δ t) corresponds to an advance by Δ t of the time interval in which the current value is located time t. Further, the signals from the output terminals of the regulators 9.1 and 9.2 are added and fed to the input of the link 9.4, where the total signal is pre-inverted in sign. At the other input of link 9.4, the current value of the EMF of the corresponding phase is supplied. As a result of the summation of the two signals at the output terminals of the link 9.4 receive the current voltage value U SI (t). The technical implementation of the allocation of voltage U SI (t) between the drain-source electrodes of the
Рассмотрим один из примеров осуществления способа при переводе устройства из упомянутого выше стационарного режима работы с условным названием “режим №0” в любой другой режим. Для этого достаточно у одного из трансформаторно-тиристорных модулей в составе тиристорных ключей блоков 17 или 18 выключить одни ключи и включить другие. Например, в блоке 17 выключают тиристорный ключ 17.13 и включают тиристорные ключи 17.1 и 17.3 (фиг.2). Состояние других тиристорных ключей блока 17 оставляют без изменения. При этом изменяют уровни напряжения в разных фазах на входных зажимах а3, b3, c3 мостового трехфазного выпрямителя 12 как по величине, так и по фазе. Уровень выпрямленного напряжения на зажимах a4, b4 меняется, но изменяется и состав высших гармоник тока в фазах вторичной обмотки 6, а следовательно, и в токе различных фаз первичной обмотки 2. Это подтверждает сравнение левых частей графиков тока, которые приведены на фиг.5 и фиг.10. Будет нарушено условие полной компенсации высших гармонических тока в фазах упомянутой обмотки 2. Токи iA, iB, iC становятся несинусоидальными и на выходных зажимах звена 11.5 возникает соответствующий этому сигнал, который с помощью сумматора 11.7 выполняет коррекцию (изменение) сигнала по составу и амплитудным значениям высших гармонических тока по фазам дополнительной трехфазной обмотки 5. Поэтому спустя период изменения тока (0.02 с) после момента нарушения условий компенсации автоматически восстанавливают условие полной компенсации высших гармонических тока в фазах первичной обмотки 2. При этом система программного управления устройством обеспечивает автоматическое изменение графиков тока по фазам дополнительной трехфазной обмотки 5 (правые части графиков фиг.8, фиг.9, 20· 10-3c≤ t≤ 40· 10-3 c). Последнее сохраняет синусоидальный характер потребляемого тока из питающей сети (правая часть графика, фиг.10).Consider one example of the method when transferring the device from the above stationary mode of operation with the code name “mode No. 0” to any other mode. To do this, it is enough for one of the transistor-thyristor modules in the thyristor keys of blocks 17 or 18 to turn off some keys and turn on the others. For example, in block 17 turn off the thyristor key 17.13 and turn on the thyristor keys 17.1 and 17.3 (figure 2). The state of the other thyristor keys of block 17 is left unchanged. In this case, the voltage levels in different phases at the input terminals a 3 , b 3 , c 3 of the three-phase bridge rectifier 12 are changed both in magnitude and in phase. The level of rectified voltage at the terminals a 4 , b 4 changes, but the composition of the higher harmonics of the current in the phases of the secondary winding 6 also changes, and therefore in the current of various phases of the primary winding 2. This confirms the comparison of the left parts of the current graphs, which are shown in FIG. 5 and 10. The condition of complete compensation of higher harmonic currents in the phases of the mentioned winding 2 will be violated. The currents i A , i B , i C become non-sinusoidal and a signal corresponding to this appears on the output terminals of the link 11.5, which, using the adder 11.7, corrects (changes) the signal according to the composition and the amplitude values of the higher harmonic currents in the phases of the additional three-phase winding 5. Therefore, after a period of current change (0.02 s) after the moment of violation of the compensation conditions, the condition for complete compensation of high their harmonic current in the primary winding phase 2. In this software management system apparatus provides automatic change of current graphs of additional phases of three-phase winding 5 (the right side graphs of Figure 8, 9, 20 · 10 -3 c≤ t≤ 40 · 10 -3 c). The latter retains the sinusoidal nature of the current consumption from the supply network (right side of the graph, Fig. 10).
Предложенное решение позволяет расширить функциональные возможности способа стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током. Способ и устройство решают задачу автоматического исключения высших гармонических составляющих потребляемого из питающей сети тока при широкодиапазонном и мелкоступенчатом регулировании величины выпрямленного напряжения в системах питания электроустановок постоянным током. Сокращается материалоемкость устройства путем использования для регулирования величины выпрямленного напряжения минимального количества трансформаторно-тиристорных модулей. Это связано с возможностью преобразовывать переменное напряжение в постоянное за счет применения одного или ограниченного числа выпрямительных трехфазных мостов. Уменьшаются потери электроэнергии при ее транспортировке до зажимов электроустановок постоянного тока. Производительность электроустановок за счет точной стабилизации напряжения на зажимах увеличивается, а удельный расход электроэнергии на тонну получаемого полезного продукта уменьшается.The proposed solution allows you to expand the functionality of the method of stabilization and regulation of electricity parameters in the power supply systems of electrical installations with direct current. The method and device solve the problem of automatically eliminating the higher harmonic components of the current consumed from the supply network with wide-range and small-step regulation of the rectified voltage in DC power systems. The material consumption of the device is reduced by using the minimum number of transistor-thyristor modules to regulate the value of the rectified voltage. This is due to the ability to convert alternating voltage to direct due to the use of one or a limited number of rectifier three-phase bridges. The losses of electric energy during its transportation to the terminals of DC electrical installations are reduced. The performance of electrical installations due to the exact stabilization of voltage at the terminals increases, and the specific energy consumption per ton of the useful product is reduced.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003132898/09A RU2253890C1 (en) | 2003-11-11 | 2003-11-11 | Method for stabilization and adjustment of electric energy parameters in electric plants direct current power systems and device implementing said method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003132898/09A RU2253890C1 (en) | 2003-11-11 | 2003-11-11 | Method for stabilization and adjustment of electric energy parameters in electric plants direct current power systems and device implementing said method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2253890C1 true RU2253890C1 (en) | 2005-06-10 |
Family
ID=35834623
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003132898/09A RU2253890C1 (en) | 2003-11-11 | 2003-11-11 | Method for stabilization and adjustment of electric energy parameters in electric plants direct current power systems and device implementing said method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2253890C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2539399C1 (en) * | 2013-07-23 | 2015-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ | Transformer winding taps switching unit |
-
2003
- 2003-11-11 RU RU2003132898/09A patent/RU2253890C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2539399C1 (en) * | 2013-07-23 | 2015-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ | Transformer winding taps switching unit |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2012175714A (en) | Power supply unit | |
| RU2673250C1 (en) | Semiconductor rectifier | |
| RU2711537C1 (en) | Static reactive power compensator | |
| RU2253890C1 (en) | Method for stabilization and adjustment of electric energy parameters in electric plants direct current power systems and device implementing said method | |
| RU2659819C1 (en) | Frequency transformer for testing transformers | |
| RU2505899C1 (en) | Integrated apparatus for melting ice and compensation of reactive power | |
| RU2691635C2 (en) | Double-channel frequency conversion method | |
| RU195453U1 (en) | MULTILEVEL DEVICE FOR COMPENSATION OF REACTIVE POWER AND SUPPRESSION OF HIGH HARMONIC CURRENT | |
| Tarisciotti et al. | An improved Dead-Beat current control for Cascaded H-Bridge active rectifier with low switching frequency | |
| RU2381607C1 (en) | Method to synchronise controlled static source of variable voltage and variable voltage source and switching them into parallel operation | |
| Panchbhai et al. | THD comparison for power quality (MATLAB simulation & hardware) | |
| RU2609890C2 (en) | Method and device for reducing power losses | |
| RU2442275C1 (en) | Method for controlling three-phase static converter with unbalanced load | |
| RU2703984C2 (en) | Double-channel straightening method | |
| RU2567747C1 (en) | Three-phase balancing device and method of its control | |
| RU2325752C1 (en) | Alternating current voltage regulator | |
| RU2625351C1 (en) | Voltage compensation device | |
| RU2361264C2 (en) | Method of ac voltage control | |
| RU2172054C1 (en) | Method and device for on-load voltage regulation | |
| RU187622U1 (en) | REVERSE MULTI-PHASE RECTIFIER | |
| Klimash et al. | Power transformer electronic starter | |
| SU1001380A1 (en) | Ac voltage-to-dc voltage converter | |
| RU2368992C1 (en) | Three-phase compensator of reactive power and method of its control | |
| SU964916A1 (en) | Device for regulating rectified voltage | |
| RU2691623C2 (en) | Method of two-channel direct conversion of frequency |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20051112 |