RU2711589C1

RU2711589C1 - Method of controlling transformer voltage under load and device for its implementation

Info

Publication number: RU2711589C1
Application number: RU2019125857A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Иванович Панфилов; Михаил Георгиевич Асташев; Александр Владимирович Горчаков
Original assignee: Дмитрий Иванович Панфилов; Михаил Георгиевич Асташев; Александр Владимирович Горчаков
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2020-01-17

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of electric engineering and electric power industry, in particular to the power transformers transformation ratio regulators. In a method of controlling transformer voltage under load, which includes control of supply circuit voltage, in which control unit is used to supply control pulses to bidirectional thyristor keys, each of which contains two counter-parallel connected thyristors, which are connected in circuits of branches of transformer windings, using current monitoring, current monitoring is performed in supply mains and time intervals are fixed, at which voltage and current of supply network have identical and different signs, phase shift between current and supply circuit voltage is measured and, depending on requirements for voltage control at transformer output and phase shift between current and supply circuit voltage, controlling corresponding two-way thyristor keys at corresponding fixed time intervals, and in the transformer under load voltage control device, comprising at least two bidirectional thyristor keys, current sensor, voltage sensor connected at the device input, connected to the bidirectional thyristor keys control unit, current sensor is connected in series with supply network and is connected to control unit of bidirectional thyristor keys.EFFECT: technical result consists in simplification and improvement of reliability of transformer under load voltage control device.2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к регуляторам коэффициента трансформации трансформаторов (РКТ). Использование РКТ в электрических сетях позволяет обеспечивать поддержание необходимого уровня напряжения в месте их подключения за счет изменения величины коэффициента трансформации силового трансформатора, включенного в линию электропередачи, путем изменения числа витков обмотки высокого напряжения (ВН).The invention relates to the field of electrical engineering and the electric power industry, in particular to regulators of the coefficient of transformation of transformers (RCT). The use of RCT in electric networks makes it possible to maintain the required voltage level at the point of their connection by changing the value of the transformation coefficient of the power transformer included in the power line by changing the number of turns of the high voltage winding (HV).

Регуляторы коэффициента трансформации известны и широко применяются в электроэнергетике. Основным элементом РКТ является силовой трансформатор, обмотка высокого напряжения которого имеет ответвления. Формирование и регулирование напряжения на обмотке низкого напряжения (НН) обеспечивается за счет подключения различных ответвлений обмоток ВН силового трансформатора к питающей сети посредством коммутационных устройств.Transformation ratio regulators are known and widely used in the electric power industry. The main element of the RCT is a power transformer, the high voltage winding of which has branches. The formation and regulation of the voltage across the low voltage winding (LV) is ensured by connecting various branches of the HV windings of the power transformer to the mains by means of switching devices.

Известен способ управления напряжением трансформатора под нагрузкой путем коммутации ответвлений обмоток силового трансформатора с помощью двунаправленных симисторных электронных ключей [патент RU на полезную модель №158346, опубл. 27.12.2015], по которому задают коэффициент трансформации силового трансформатора, осуществляют переключение ответвлений обмотки ВН, подключенной к питающей сети, при помощи симисторных электронных ключей, что дает возможность ступенчатого изменения коэффициента трансформации и, следовательно, изменения напряжения на вторичной обмотке НН. С целью синхронизации управления симисторными электронными ключами осуществляют контроль входного напряжения.A known method of controlling the voltage of a transformer under load by switching branches of the windings of a power transformer using bidirectional triac electronic keys [RU patent for utility model No. 158346, publ. 12.27.2015], by which the transformation coefficient of the power transformer is set, the branches of the HV winding connected to the mains are switched using triac electronic keys, which makes it possible to stepwise change the transformation coefficient and, consequently, change the voltage on the secondary winding of the LV. In order to synchronize the control of triac electronic keys, control the input voltage.

Недостатками прототипа являются использование для синхронизации управления симисторными электронными ключами только информации о входном напряжении и отсутствие мониторинга тока трансформатора, что приводит к снижению надежности, т.к. отсутствие контроля тока в трансформаторе может приводить к несанкционированным включениям симисторных электронных ключей и, следовательно, к коротким замыканиям трансформатора при переключении ответвлений его обмоток при различном характере нагрузок трансформатора.The disadvantages of the prototype are the use of synchronization control triac electronic keys only information about the input voltage and the lack of monitoring of the current of the transformer, which leads to a decrease in reliability, because the lack of current control in the transformer can lead to unauthorized switching on of triac electronic keys and, therefore, to short circuits of the transformer when switching branches of its windings with different types of transformer loads.

Наиболее близким прототипом заявляемого изобретения является способ управления напряжением трансформатора под нагрузкой путем коммутации ответвлений обмоток силового трансформатора с помощью двунаправленных тиристорных ключей [патент RU на изобретение №2274945, опубл. 20.04.2006], в соответствии с которым задание коэффициента трансформации устанавливается посредством переключения ответвлений секционированной обмотки ВН при помощи двунаправленных тиристорных ключей с использованием измерений напряжения питающей сети и токов тиристорных ключей, при этом переключения тиристорных ключей производят блоком управления с учетом того, что после перехода тока через нулевое значение измеряют уровень входного напряжения и производят повентильное управление тиристорами в зависимости от времени, оставшегося до смены полярности напряжения.The closest prototype of the claimed invention is a method of controlling the voltage of a transformer under load by switching branches of the windings of a power transformer using bi-directional thyristor switches [RU patent for the invention No. 2274945, publ. 04/20/2006], according to which the transformation coefficient is set by switching the branches of the sectioned winding of the HV using bi-directional thyristor switches using measurements of the supply voltage and currents of thyristor switches, while switching the thyristor switches is performed by the control unit, taking into account that after the transition current through a zero value measure the input voltage level and produce a fan-based control of the thyristors depending on the time remaining until voltage polarity reversal.

Недостатками прототипа являются: необходимость использования датчиков тока в каждой ветви двунаправленных тиристорных ключей, а также использование повентильного управления двунаправленными тиристорными ключами (в отличие от поключевого), что в совокупности снижает надежность работы и усложняет устройство, реализующее способ-прототип.The disadvantages of the prototype are: the need to use current sensors in each branch of bidirectional thyristor keys, as well as the use of fan-operated control of bidirectional thyristor keys (unlike the key), which together reduces the reliability and complicates the device that implements the prototype method.

Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение и повышение надежности работы устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой за счет уменьшения количества используемых датчиков тока и обеспечения поключевого управления двунаправленными тиристорным ключами, состоящими, как минимум, из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров.The technical task of the invention is to simplify and improve the reliability of the voltage transformer voltage control device under load by reducing the number of current sensors used and providing key-controlled bi-directional thyristor switches, consisting of at least two counter-parallel connected thyristors.

Технический результат заключается в упрощении и повышении надежности устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой за счет использования минимального набора датчиков тока и напряжения, слежения за током и напряжением питающей сети и реализации поключевого управления двунаправленными тиристорными ключами на определенных временных интервалах в зависимости от характера нагрузки трансформатора и требований к управлению напряжением на обмотке НН трансформатора.The technical result consists in simplifying and improving the reliability of the transformer voltage control device under load by using a minimum set of current and voltage sensors, monitoring the current and voltage of the supply network and implementing key-controlled bi-directional thyristor switches at specific time intervals depending on the nature of the transformer load and requirements to voltage control on the LV transformer winding.

Технический результат достигается тем, что в способе управления напряжением трансформатора под нагрузкой, включающем контроль напряжения питающей сети, при котором с помощью блока управления осуществляют подачу импульсов управления на двунаправленные тиристорные ключи, каждый из которых содержит по два встречно-параллельно соединенных тиристора, включенные в цепях ответвлений обмоток трансформатора, использующем контроль тока, осуществляют контроль тока в питающей сети и фиксируют временные интервалы, на которых напряжение и ток питающей сети имеют одинаковые и разные знаки, измеряют фазовый сдвиг между током и напряжением питающей сети и, в зависимости от требований по управлению напряжением на выходе трансформатора и сдвига фаз между током и напряжением питающей сети, осуществляют управление соответствующими двунаправленными тиристорными ключами на соответствующих фиксированных временных интервалах, а в устройстве управления напряжением трансформатора под нагрузкой, содержащем, по крайней мере, два двунаправленных тиристорных ключа, каждый из которых содержит два встречно-параллельно соединенных тиристора, включенных последовательно с ответвлением обмотки трансформатора, датчик тока, датчик напряжения, включенный на входе устройства, соединенный с блоком управления двунаправленными тиристорными ключами, датчик тока включен последовательно с питающей сетью и соединен с блоком управления двунаправленными тиристорными ключами.The technical result is achieved by the fact that in the method of controlling the voltage of the transformer under load, including monitoring the voltage of the supply network, in which, using the control unit, control pulses are fed to bi-directional thyristor switches, each of which contains two on-parallel connected thyristors connected in chains branches of transformer windings using current control, monitor the current in the supply network and record the time intervals at which voltage and current the meshed network have the same and different signs, measure the phase shift between the current and voltage of the supply network and, depending on the requirements for controlling the voltage at the transformer output and the phase shift between current and voltage of the supply network, control the corresponding bi-directional thyristor switches at the corresponding fixed time intervals and in the device for controlling the voltage of the transformer under load, containing at least two bi-directional thyristor switches, each of which contains INH two antiparallel-connected thyristors in series with a branch of the transformer winding, a current sensor, voltage sensor included in the input device, coupled to the bi-directional thyristor key control unit, a current sensor connected in series with a power line and connected to the control unit bidirectional thyristor switches.

Сущность предлагаемого способа управления напряжением трансформатора под нагрузкой и устройства для его реализации поясняется чертежом фиг. 1, где изображено устройство управления напряжением трансформатора под нагрузкой. На фиг. 2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процессы управления двунаправленными тиристорными ключами устройства управления напряжением трансформатора под нагрузкой при регулировании выходного напряжения трансформатора, в зависимости от характера нагрузки.The essence of the proposed method for controlling the voltage of a transformer under load and a device for its implementation is illustrated by the drawing of FIG. 1, which shows a voltage transformer under load control device. In FIG. 2 is a timing diagram illustrating the control processes of bidirectional thyristor switches of a transformer voltage control device under load when controlling the output voltage of the transformer, depending on the nature of the load.

Устройство 1 управления напряжением трансформатора под нагрузкой осуществляет управление напряжением трансформатора 2 и состоит из двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4, подключенных последовательно с ответвлениями секционированной обмотки 5 трансформатора 2, имеющей две секции 6 и 7, а также датчика 8 тока и датчика 9 напряжения питающей сети. При этом свободные от подключения к ответвлениям секционированной обмотки 5 трансформатора 2 выводы двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4 соединены вместе и подключены к первому датчика тока 8, а второй вывод датчика тока 8 подключен к первому выводу питающей сети. Свободный от подключения к двунаправленным тиристорным ключам 3 и 4 вывод обмотки 5 трансформатора 2 подключен к второму выводу питающей сети. Параллельно выводам питающей сети подключен датчик напряжения 9. Выводы вторичной обмотки 10 трансформатора 2 подключены к нагрузке. Входы блока управления 11 соединены с выходами датчика напряжения 9 и датчика тока 8 питающей сети, а выходы блока 11 соединены с управляющими входами двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4.The device 1 controls the voltage of the transformer under load controls the voltage of the transformer 2 and consists of bi-directional thyristor switches 3 and 4 connected in series with the branches of the sectioned winding 5 of the transformer 2, which has two sections 6 and 7, as well as a current sensor 8 and a voltage sensor 9 of the supply network . In this case, the outputs of the bi-directional thyristor switches 3 and 4, which are free from connecting to the branches of the sectioned winding 5 of the transformer 2, are connected together and connected to the first current sensor 8, and the second output of the current sensor 8 is connected to the first output of the supply network. Free from connection to bidirectional thyristor switches 3 and 4, the output of the winding 5 of transformer 2 is connected to the second output of the supply network. A voltage sensor 9 is connected in parallel with the terminals of the supply network. The terminals of the secondary winding 10 of the transformer 2 are connected to the load. The inputs of the control unit 11 are connected to the outputs of the voltage sensor 9 and the current sensor 8 of the supply network, and the outputs of the block 11 are connected to the control inputs of the bi-directional thyristor switches 3 and 4.

Заявляемый способ управления осуществляется следующим образом.The inventive control method is as follows.

Устройство 1 управления напряжением трансформатора под нагрузкой, в зависимости от состояния двунаправленных ключей 3 и 4, обеспечивает подключение к питающей сети различных секций 6 и 7 секционированной обмотки 5 трансформатора 2, что в свою очередь определяет значения напряжений на обмотке 10 трансформатора 2 и, соответственно, величины напряжений на нагрузке. В установившемся режиме работы трансформатора 2 блок управления 11 задает состояния двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4 таким образом, что один из них находится во включенном, а другой - в выключенном состоянии.The device 1 controls the voltage of the transformer under load, depending on the state of the bidirectional switches 3 and 4, provides connection to the mains supply of various sections 6 and 7 of the partitioned winding 5 of transformer 2, which in turn determines the voltage values on the winding 10 of transformer 2 and, accordingly, stress values on the load. In the steady state operation of the transformer 2, the control unit 11 sets the state of the bidirectional thyristor switches 3 and 4 so that one of them is on and the other is off.

Надежная работа устройства управления 1, обеспечивающая отсутствие режимов короткого замыкания секций 6 или 7 трансформатора 2, и надежное переключение двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4, при регулировании напряжения на обмотке 10 трансформатора 2, обеспечивается блоком управления 11, формирующим управляющие сигналы двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4 на соответствующих временных интервалах, определяемых из временных диаграмм тока и напряжения питающей сети. При этом, алгоритмы формирования управляющих сигналов двунаправленными тиристорными ключами 3 и 4 зависят как от характера нагрузки трансформатора 2 (активная, либо активно-индуктивная, либо активно-емкостная), так и от требований к регулированию напряжения на нагрузке (увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке).Reliable operation of control device 1, ensuring the absence of short circuit modes of sections 6 or 7 of transformer 2, and reliable switching of bidirectional thyristor switches 3 and 4, when regulating the voltage on the winding 10 of transformer 2, is provided by the control unit 11, which generates control signals of bidirectional thyristor keys 3 and 4 at the corresponding time intervals determined from the time diagrams of the current and voltage of the supply network. Moreover, the algorithms for generating control signals with bidirectional thyristor switches 3 and 4 depend both on the nature of the load on transformer 2 (active, either active-inductive, or active-capacitive), and on the requirements for regulating the voltage on the load (increase or decrease voltage on the load )

Для реализации соответствующих алгоритмов блок управления 11 устройства 1 управления напряжением трансформатора под нагрузкой на основе временных диаграмм тока и напряжения питающей сети, контролируемых датчиками тока 8 и напряжения 9 соответственно, фиксирует временные интервалы, на которых ток и напряжение питающей сети имеют разные и одинаковые знаки, а также определяет знак угла фазового сдвига между током и напряжением питающей сети. В зависимости от требования изменения напряжения на нагрузке (увеличения, либо уменьшения напряжения) и характера нагрузки, блок управления 11 формирует импульсы управления на управляющие входы двунаправленных тиристорных ключей 3 и 4 на соответствующих временных интервалах.To implement the corresponding algorithms, the control unit 11 of the device 1 for controlling the voltage of the transformer under load, based on the time diagrams of the current and voltage of the supply network, monitored by the current sensors 8 and voltage 9, respectively, fixes time intervals at which the current and voltage of the supply network have different and identical signs, and also determines the sign of the angle of the phase shift between the current and the voltage of the supply network. Depending on the requirement of changing the voltage at the load (increasing or decreasing the voltage) and the nature of the load, the control unit 11 generates control pulses to the control inputs of the bidirectional thyristor switches 3 and 4 at the corresponding time intervals.

На фиг. 2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс изменения выходного напряжения вторичной обмотки 10 трансформатора 2 при регулировании выходного напряжения трансформатора с учетом различного характера нагрузки. Следует отметить, что алгоритмы управления двунаправленными тиристорными ключами 3 и 4 при активной нагрузке будут такие же, как и при активно-индуктивной нагрузке. На временных диаграммах отмечены следующие моменты времени:In FIG. 2 is a timing chart illustrating the process of changing the output voltage of the secondary winding 10 of the transformer 2 when controlling the output voltage of the transformer taking into account the different nature of the load. It should be noted that the control algorithms for bidirectional thyristor switches 3 and 4 with active load will be the same as with active-inductive load. The following time points are marked on time charts:

t1 - снятие импульсов управления с двунаправленного тиристорного ключа 3.t1 - removal of control pulses from a bidirectional thyristor switch 3.

t2 - подача импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ 4, выключение двунаправленного тиристорного ключа 3.t2 - supply of control pulses to a bi-directional thyristor switch 4, turning off the bi-directional thyristor switch 3.

t3 - снятие импульсов управления с двунаправленного тиристорного ключа 4.t3 - removal of control pulses from a bidirectional thyristor switch 4.

t4 - подача импульсов управления на двунаправленный тиристорный ключ 3, выключение двунаправленного тиристорного ключа 4.t4 - supply of control pulses to a bi-directional thyristor switch 3, turning off the bi-directional thyristor switch 4.

На приведенных временных диаграммах в первоначальный момент времени первоначально включенным является двунаправленный тиристорный ключ 3. Из приведенных временных диаграмм сигналов управления двунаправленными тиристорными ключами 3 и 4 видно, что при любых переключениях перед включением соответствующего двунаправленного тиристорного ключа в начале инициализации процесса переключения необходимо снять импульсы управления с проводящего ток двунаправленного тиристорного ключа, а затем подавать импульсы управления на включаемый двунаправленный тиристорный ключ.In the time diagrams at the initial moment of time, the bidirectional thyristor switch 3 is initially turned on. From the time diagrams of the control signals of the bidirectional thyristor switches 3 and 4, it can be seen that, at any switching, before switching on the corresponding bidirectional thyristor switch, it is necessary to remove the control pulses from conductive current bidirectional thyristor key, and then apply control pulses to the included dvun Arranged Thyristor Key.

При этом, в случае активно-индуктивной нагрузки и увеличения напряжения на выходе трансформатора 2, снятие импульсов управления с проводящего в данный момент времени ток двунаправленного тиристорного ключа может производиться в любой момент времени, а подача импульсов управления на включение соответствующего двунаправленного тиристорного ключа должна производиться только на фиксированных интервалах времени, когда знаки тока и напряжения питающей сети совпадают. Эти временные интервалы на временных диаграммах тока и напряжения сети отмечены меандром с положительным значением. Временные интервалы с разными знаками напряжения и тока сети отображаются на временных диаграммах отрицательными значениями меандра. При уменьшении напряжения на выходе трансформатора 2 включение двунаправленного тиристорного ключа 3 должно осуществляться после спада тока питающей сети к нулю. При увеличении напряжения на нагрузке, включение двунаправленного тиристорного ключа 4 может происходить как после достижения током питающей сети нулевого уровня, так и до его достижения. Последнее иллюстрируется на приведенной на фиг. 2 временной диаграмме.In this case, in the case of an active-inductive load and an increase in the voltage at the output of transformer 2, the removal of control pulses from the current-conducting bi-directional thyristor switch can be carried out at any time, and the supply of control pulses to turn on the corresponding bi-directional thyristor switch should be carried out only at fixed time intervals when the signs of the current and voltage of the supply network coincide. These time intervals on the time diagrams of current and voltage of the network are marked with a meander with a positive value. Time intervals with different signs of the voltage and current of the network are displayed on the time diagrams as negative meander values. When the voltage at the output of the transformer 2 decreases, the bi-directional thyristor switch 3 must be turned on after the current of the supply network drops to zero. With increasing voltage at the load, the inclusion of a bi-directional thyristor switch 4 can occur both after the current reaches the zero level of the supply network, and before it is reached. The latter is illustrated in FIG. 2 time chart.

В случае активно-емкостной нагрузки и уменьшения напряжения на выходе трансформатора 2, снятие импульсов управления с проводящего двунаправленного тиристорного ключа 4 и последующая подача импульсов управления на включаемый двунаправленный тиристорный ключ 3 должна осуществляться блоком управления 11 на фиксированном временном интервале, когда напряжение и ток питающей сети имеют разные знаки. При увеличении напряжения на нагрузке включение двунаправленного тиристорного ключа 4 после снятия импульсов управления с двунаправленного тиристорного ключа 3 должно осуществляться на фиксированном временном интервале, когда напряжение и ток питающей сети имеют одинаковые знаки. Это проиллюстрировано на временных диаграммах работы устройства при активно-емкостной нагрузке.In the case of an active capacitive load and a decrease in the voltage at the output of the transformer 2, the removal of control pulses from the conductive bi-directional thyristor switch 4 and the subsequent supply of control pulses to the switched bi-directional thyristor switch 3 should be carried out by the control unit 11 for a fixed time interval when the voltage and current of the supply network have different signs. With increasing voltage at the load, the inclusion of a bi-directional thyristor switch 4 after removing control pulses from the bi-directional thyristor switch 3 should be carried out at a fixed time interval when the voltage and current of the supply network have the same signs. This is illustrated in the timing diagrams of the device at active capacitive load.

Как видно из приведенных на фиг. 2 временных диаграмм, ток нагрузки при регулировании напряжения на выходе трансформатора 2 не прерывается. В отличие от способа прототипа предлагаемый способ реализуется при поключевом управлении двунаправленными тиристорными ключами и использовании только одного датчика тока питающей сети. Таким образом, заявленная техническая задача упрощения и повышения надежности устройства управления напряжением трансформатора 2 достигается в предлагаемом способе и устройстве для его реализации.As can be seen from FIG. 2 time diagrams, the load current when regulating the voltage at the output of the transformer 2 is not interrupted. In contrast to the prototype method, the proposed method is implemented by key control of bidirectional thyristor keys and using only one current sensor of the supply network. Thus, the claimed technical task of simplifying and improving the reliability of the voltage control device of the transformer 2 is achieved in the proposed method and device for its implementation.

Claims

1. A method of controlling the voltage of a transformer under load, including monitoring the voltage of the supply network, in which using the control unit, control pulses are supplied to bi-directional thyristor switches, each of which contains two counter-parallel connected thyristors connected in the branches of the transformer winding circuits, using current control, characterized in that they control the current in the supply network and fix the time intervals at which the voltage and current of the supply network have one different and different signs, measure the phase shift between the current and voltage of the network and, depending on the requirements for controlling the voltage at the transformer output and the phase shift between current and voltage of the supply network, control the corresponding bi-directional thyristor switches at the corresponding fixed time intervals.

2. A device for controlling the voltage of a transformer under load, containing at least two bi-directional thyristor switches, each of which contains two oppositely connected thyristors connected in series with a branch of the transformer winding, a current sensor, a voltage sensor connected to the input of the device connected to the unit bidirectional thyristor switch control, characterized in that the current sensor is connected in series with the mains and connected to the bidirectional dash control unit door keys.