Устройство коррекции напряжения

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования напряжения генераторов трехфазного переменного тока автономных источников электрической энергии. Технический результат - снижение небаланса фазных напряжений и одновременное уменьшение степени несинусоидальности кривой напряжения при работе генератора на переменную неоднородную несимметричную нагрузку. Устройство коррекции напряжения содержит в каждой фазе вольтодобавочный трансформатор (1-1, 1-2 и 1-3), блоки управления (2-1, 2-2 и 2-3), в которые входят первый выпрямитель (3) однофазный однополупериодный, второй выпрямитель (4) однофазный мостовой, формирователь-ограничитель (5), первый (7) и второй (8) формирователи коротких импульсов, АЦП (9), логические элементы НЕ (10) и ИЛИ (11), RS-триггер (12), элемент задержки (13), генератор (14) импульсов стабильной частоты, регистр памяти (15), суммирующий счетчик (16), вычитатель (17), ЦАП (18), трехмерный блок памяти (19), электронные ключи (20…27), которые образуют коммутатор (28). К блокам управления (2-1, 2-2 и 2-3) подключен задающий регистр (6). Фазные нагрузки (29-1, 29-2 и 29-3) включены последовательно с вторичными обмотками соответствующих трансформаторов (1-1, 1 -2 и 1-3) и через сетевые зажимы (30-0, 30-1, 30-2 и 30-3) - к трехфазному генератору (31) с системой 32 регулирования возбуждения. Устройство с высокой точностью обеспечивает баланс фазных напряжений и компенсацию искажений кривой переменного напряжения. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения генераторов трехфазного переменного тока автономных источников электрической энергии.

Известны системы регулирования возбуждения и корректоры напряжения генераторов переменного тока /1, 2/.

Недостатком этих устройств является невозможность сохранения синусоидальной формы кривой напряжения при работе на нелинейную нагрузку, вызывающую высшие гармонические составляющие, и удовлетворительного коэффициента небаланса фазных напряжений при работе на переменную неоднородную несимметричную нагрузку, поскольку регулирование возбуждения производится для генератора в целом, а не для отдельных фаз.

Известен корректор небаланса фазных напряжений, содержащий три измерителя фазных напряжений, вариаторы, построенные на резисторах, включенные в каждую фазу, и схему управления /3/.

Недостатком корректора является потеря энергии на резисторах вариаторов и неспособность коррекции формы кривой напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство коррекции формы кривой напряжения, содержащее генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в цепь которого последовательно включены переменная нелинейная нагрузка и вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу коммутатора, образованного с первого по восьмой электронными ключами, первый и второй выпрямители, входы которых подключены к зажимам нагрузки, причем выход второго выпрямителя непосредственно связан с входом второго АЦП и через фильтр низких частот - с входом первого АЦП, разряды выхода которого соединены с соответствующими разрядами информационного входа третьего регистра памяти и первого входа числового компаратора, причем выход второго АЦП подключен к входу вычитаемого вычитателя, информационный выход которого подключен к входу ЦАП, а вход уменьшаемого соединен с выходом блока памяти, вход первой координаты которого связан с выходом суммирующего счетчика и входом второго регистра памяти, вход второй координаты - с выходом второго регистра памяти, а вход третьей координаты - с выходом первого регистра памяти, вход которого соединен с выходом третьего регистра памяти и вторым входом числового компаратора, выход БОЛЬШЕ которого через третий формирователь коротких импульсов подключен к входу записи третьего регистра памяти, сбросовый вход которого соединен со сбросовым входом суммирующего счетчика, связанного счетным входом с выходом генератора стабильных импульсов, и выходом элемента задержки, вход которого связан с входами записи первого и второго регистров памяти и выходом элемента ИЛИ, первый вход которого через первый формирователь коротких импульсов подключен к выходу формирователя-ограничителя, соединенному с входом элемента НЕ, выход которого через второй формирователь коротких импульсов связан с вторым входом элемента ИЛИ и сбросовым входом RS-триггера, единичный вход которого подключен к выходу первого формирователя коротких импульсов, прямой выход к - управляющим электродам пятого и шестого электронных ключей, а инверсный выход к - управляющим электродам седьмого и восьмого электронных ключей, при этом выход последнего объединен с выходом пятого электронного ключа и соединен с первым зажимом первичной обмотки трансформатора, второй зажим которой подключен к выходам шестого и седьмого электронных ключей, вход последнего из которых объединен с входом пятого электронного ключа и подключен к объединенному выходу первого и третьего электронных ключей, причем входы третьего и второго электронного ключа подключены к выходу ЦАП, входы первого и четвертого электронного ключа к - зажиму МАССА, а управляющие электроды первого и второго электронного ключа соединены с выходом признака положительной разности вычитателя, выход признака отрицательной разности которого соединен с управляющими электродами третьего и четвертого ключа, кроме того, выходы второго и четвертого электронного ключа объединены и подключены к входам шестого и восьмого электронного ключа /4/.

Недостатком устройства является невозможность сохранения удовлетворительного коэффициента небаланса фазных напряжений при работе на переменную неоднородную несимметричную нагрузку.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

Цель изобретения достигается тем, что устройство коррекции напряжения, содержащее трехфазный генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в фазы которого последовательно включены переменная неоднородная нелинейная нагрузка и вторичные обмотки вольтодобавочных трансформаторов, первичные обмотки которых подключены к выходам блоков управления, каждый из которых имеет: коммутатор, образованный с первого по восьмой электронными ключами, первый и второй выпрямители, входы которых подключены к соответствующим фазам нагрузки, причем выход второго выпрямителя связан с входом АЦП, разряды выхода которого подключены к соответствующим разрядам входа вычитаемого вычитателя, вход уменьшаемого которого соединен с выходом блока памяти, вход первой координаты которого связан с выходом суммирующего счетчика, вход третьей координаты - с выходом регистра памяти, сбросовый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого через первый формирователь коротких импульсов подключен к выходу формирователя-ограничителя, соединенному с входом элемента НЕ, выход которого через второй формирователь коротких импульсов связан с вторым входом элемента ИЛИ и сбросовым входом RS-триггера, единичный вход которого подключен к выходу первого формирователя коротких импульсов, прямой выход к - управляющим электродам шестого и седьмого электронных ключей, а инверсный выход к - управляющим электродам пятого и восьмого электронных ключей, при этом выход последнего объединен с выходом седьмого электронного ключа и соединен с первым зажимом первичной обмотки трансформатора, второй зажим которой подключен к выходам пятого и шестого электронных ключей, вход последнего из которых объединен с входом восьмого электронного ключа и подключен к объединенному выходу первого и второго электронных ключей, причем входы первого и третьего электронного ключа подключены к выходу ЦАП, разряды входа которого связаны с соответствующими разрядами информационного выхода вычитателя, причем входы второго и четвертого электронного ключа подключены к зажиму МАССА, а управляющие электроды второго и третьего электронного ключа соединены с выходом признака положительной разности вычитателя, выход признака отрицательной разности которого соединен с управляющими электродами первого и четвертого ключа, кроме того, выходы третьего и четвертого электронного ключа объединены и подключены к входам пятого и седьмого электронного ключа, а выход логического элемента ИЛИ через элемент задержки подключен к сбросовому входу счетчика, счетный вход которого связан с выходом генератора импульсов стабильной частоты, снабжено задающим регистром, разряды выхода которого связаны с соответствующими разрядами второго входа блоков памяти блоков управления вольтодобавочных трансформаторов фаз, а разряды информационного входа регистра памяти подключены к соответствующим разрядам выхода суммирующего счетчика в каждом блоке управления.

Задающий регистр устанавливает единый уровень напряжения для всех фаз генератора. Связь разрядов входа регистра памяти с выходом счетчика обеспечивает информацию о текущем периоде напряжения генератора.

На фиг. 1 представлена схема устройства коррекции напряжения, на фиг. 2 - эпюры сигналов на основных элементах схемы.

Схема устройства коррекции напряжения (фиг. 1) содержит в каждой фазе вольтодобавочный трансформатор 1-1, 1-2 и 1-3, блоки управления ими 2-1, 2-2 и 2-3, каждый из которых имеет первый выпрямитель 3 однофазный однополупериодный, второй выпрямитель 4 однофазный мостовой, формирователь-ограничитель 5, задающий регистр 6, первый 7 и второй 8 формирователь коротких импульсов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, логический элемент НЕ 10, логический элемент ИЛИ 11, RS-триггер 12, элемент задержки 13, генератор 14 импульсов стабильной частоты, 15 регистры памяти, суммирующий счетчик 16, вычитатель 17, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 18, трехмерный блок памяти 19, первый 20, второй 21, третий 22, четвертый 23, пятый 24, шестой 25, седьмой 26 и восьмой 27 электронные ключи, которые образуют коммутатор 28. Фазные переменные нелинейные нагрузки 29-1, 29-2 и 29-3 включены последовательно с вторичными обмотками соответствующих трансформаторов 1. К сетевым зажимам 30-0, 30-1, 30-2 и 30-3 подключены соответствующие фазы трехфазного генератора 31 переменного тока с системой 32 регулирования возбуждения. К разрядам входа координаты амплитуды напряжения блока памяти 19 каждого блока управления 2 подключены соответствующие разряды выхода задающего регистра 6.

Схема работает следующим образом. На выходе задающего регистра 6 устанавливают код K_Um, амплитуды U_m заданного напряжения, который подается на второй вход адреса регистра памяти 19 и связан с амплитудой U_m выражением

где ΔU₉ - шаг квантования АЦП 9.

При появлении положительной полуволны напряжения u(t) (фиг. 2) на нагрузке 29-1 первой фазы она проходит через выпрямитель 3 и поступает на вход ограничителя-формирователя 5. На выходе ограничителя-формирователя 5 появляется прямоугольный импульс X12⁽¹⁾, длительность которого равна полупериоду напряжения u(t) на нагрузке 29-1 и напряжения u_C(t) на шинах 30 источника. По фронту этого импульса формирователь 7 выдает короткий импульс, который проходит через логический элемент ИЛИ 11 и элемент задержки 13. Импульсом с выхода элемента задержки 13 обнуляется счетчик 16, подготавливая схему к измерению полупериода напряжения u(t) источника. На вход счетчика 16 поступают импульсы стабильной частоты с выхода генератора 14. На выходе счетчика 16 формируется код полупериода напряжения u(t), который связан с периодом T напряжения u(t) выражением

где Т_Э - период следования импульсов с выхода генератора 14.

По окончании положительной полуволны и с приходом отрицательной полуволны напряжения u(t) исчезает сигнал на выходе формирователя 5 и появляется сигнал на выходе логического элемента НЕ 10. По фронту этого сигнала появляется короткий импульс на выходе формирователя 8. Этот импульс проходит через логический элемент ИЛИ 11 и поступает на вход записи регистра памяти 15. При этом в регистр 15 с выхода счетчика 16 записывается код K_T полупериода напряжения u(t), поступающий на третий вход адреса блока памяти 19. После записи кода полупериода в регистр 15, счетчик 16 обнуляется импульсом с выхода элемента задержки 13 и начинается процесс формирования очередного кода полупериода K_T.

Вместе с тем по полученному коду K_T и заданному коду K_Um осуществляется коррекция кривой напряжения, для чего на первый вход адреса блока памяти 19 с выхода счетчика 16 подается возрастающий код K_t, текущего времени t, которое связано с кодом выражением

В ячейках блока памяти 19 записаны коды K_UC мгновенных значений эталонного напряжения u_Э(t) с идеально синусоидальной формой, которые связаны выражением

где

В зависимости от текущего времени, амплитуды и периода напряжения u(t) на выходе блока памяти 19 появляется соответствующий код K_UC эталонного напряжения, который поступает на вход А (уменьшаемого) вычитателя 17.

Одновременно напряжение u(t) с нагрузки 29-1 поступает на вход второго выпрямителя 4 и на его выходе появляется пульсирующее напряжение . На выходе АЦП 9 появляется код K_U мгновенного напряжения u(t), который поступает на вход В (вычитаемого) вычитателя 17. Код K_U связан с напряжением u(t) выражением

На выходе вычитателя 17 появляется код К_Д разности или отклонения мгновенного значения напряжения нагрузки от эталонного напряжения

Этот код К_Д поступает на вход ЦАП 18, и на его выходе появляется напряжение

где ΔU₁₈ - шаг квантования ЦАП 18

К_ВД - коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора 1-1

где U_Д - напряжение на вторичной обмотке трансформатора 1.

Мгновенное значение напряжения u₁₈(t) с выхода ЦАП 18 поступает на коммутатор 28, построенный на электронных ключах 20…27, который задает направление коррекции напряжения, путем изменения полярности напряжения u₁₈(t), следующим образом.

Если напряжение u(t) имеет положительные мгновенные значения (положительная полуволна) и они меньше мгновенных значений эталонного напряжения u_Э(t) (интервал времени t₁-t₂, фиг. 2), то появляется сигнал Х12⁽¹⁾ на прямом выходе триггера 12, который поступает на управляющие электроды ключей 25 и 26, открывая их. Поскольку при превышении эталонного напряжения u_Э(t) над напряжением нагрузки u(t) разность кодов на выходе вычитателя 17 положительна, то присутствует сигнал Х17⁽¹⁾ на прямом выходе признака знака вычитателя 17, который поступает на управляющие электроды ключей 21 и 22, открывая их. Через открытые ключи 22, 26, 25 и 21 к первичной обмотке трансформатора 1-1 подается напряжение с выхода ЦАП 18 в прямой полярности. В результате на вторичной обмотке трансформатора 1-1 появляется напряжение u_Д(t), которое складывается с напряжением на нагрузке u(t), и мгновенное значение сетевого напряжения u_С(t) возрастает, приближаясь к эталонному напряжению u_Э(t). Аналогично протекает процесс на интервалах времени t₃-t₄ и t₅-t₆ (фиг. 2).

Если при положительных мгновенных значениях напряжения u(t) оно оказывается больше мгновенных значений эталонного напряжения u_Э(t) (интервал времени t₂-t₃, фиг. 2), то электронные ключи 25 и 26 остаются открытыми за счет сигнала Х12⁽¹⁾ с прямого выхода триггера 12. Однако код разности мгновенных значений напряжений u(t) и u_Э(t) на выходе вычитателя 17 приобретает отрицательное значение и появляется сигнал X17⁽²⁾ на инверсном выходе признака знака вычитателя 17, который поступает на управляющие электроды ключей 20 и 23, открывая их. Одновременно оказываются открытыми электронные ключи 20, 25, 26 и 23, через которые на первичную обмотку трансформатора 1-1 подается напряжение с выхода ЦАП 18 с обратной полярностью. На вторичной обмотке трансформатора 1-1 появляется напряжение u_Д(t), которое вычитается из напряжения u(t), поддерживая мгновенное значение сетевого напряжения u_C(t) на уровне эталонного u_Э(t) напряжения.

Если напряжение u(t) имеет отрицательные мгновенные значения (отрицательная полуволна, интервал времени t₆-t₉, фиг. 2), то появляется сигнал X12⁽²⁾ на инверсном выходе триггера 12, который поступает на управляющие электроды электронных ключей 24 и 27 и открывает их. При отклонении мгновенного значения напряжения u(t) в меньшую сторону (интервал времени t₆-t₇, фиг. 2) относительно эталонного напряжения u(t) код K_UC на первом входе вычитателя 17 больше кода K_U на его втором входе, поэтому присутствует сигнал X17⁽¹⁾ на прямом выходе признака знака вычитателя 17, которым открываются электронные ключи 21 и 22. Через открытые ключи 22, 24, 27 и 21 напряжение с выхода ЦАП 18 поступает на первичную обмотку трансформатора 1-1. При этом на вторичной обмотке трансформатора 1-1 появляется напряжение u_Д(t), совпадающее по фазе с напряжением u(t), что приводит к коррекции кривой напряжения u_С(t) в нужном направлении.

Если при отрицательных мгновенных значениях напряжения u(t), оно отклоняется в большую сторону от эталонного (интервал времени t₇-t₈, фиг. 2), то открываются ключи 20, 23, 24 и 27, которые обеспечивают уменьшение (по абсолютной величине) мгновенных значений напряжения u_C(t) до эталонного напряжения.

В результате в любой момент времени на вторичной обмотке трансформатора 1-1 появляется напряжение u_Д(t), которое корректирует мгновенное значение напряжения сети u_C(t), приближая его форму к идеальной синусоиде u_Э(t)

Аналогично происходит коррекция кривой напряжения в других фазах. Причем во всех трех фазах амплитуды напряжения равны и соответствуют уровню, заданному регистром 6.

Таким образом, наблюдается расширение функциональных возможностей за счет приближения формы кривой напряжения к идеальной синусоиде и устранения дисбаланса фазных напряжений.

Погрешность коррекции кривой напряжения зависит от разрядности N цифровых элементов, входящих в схему устройства. При N=10 погрешность не превышает 0,001.

Коэффициент К_неб небаланса фазных напряжений зависит от шага квантования ΔU₁₈ АЦП 9 и ЦАП 18

где U_max - наибольшее фазное напряжение; U_min - наименьшее фазное напряжение; U_ном - номинальное фазное напряжение. При N=10 коэффициент К_неб небаланса не превышает 0,001.

Источники информации

1. Сугаков В.Г. Системы автоматического регулирования параметров электрической энергии судовых электростанций. Ч. 2. Автоматическое регулирование напряжения судовых источников электрической энергии: учеб. пособие / В.Г. Сугаков, О.С. Хватов. - Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2011. 180 с.

2. Патент на изобретение №25233005 по заявке 2013108756 от 27.02.2013, кл. Н02Р 9/14.

3. Патент на изобретение по заявке 2014152161/07 от 22.12.2014, кл. Н02Р 9/14.

4. Патент на изобретение по заявке 2014143243/07 от 27.10.2014, кл. Н02Р 9/14.

Устройство коррекции напряжения, содержащее трехфазный генератор переменного напряжения с системой регулирования возбуждения, в фазы которого последовательно включены переменная неоднородная нелинейная нагрузка и вторичные обмотки вольтодобавочных трансформаторов, первичные обмотки которых подключены к выходам блоков управления, каждый из которых имеет: коммутатор, образованный с первого по восьмой электронными ключами, первый и второй выпрямители, входы которых подключены к соответствующим фазам нагрузки, причем выход второго выпрямителя связан с входом АЦП, разряды выхода которого подключены к соответствующим разрядам входа вычитаемого вычитателя, вход уменьшаемого которого соединен с выходом блока памяти, вход первой координаты которого связан с выходом суммирующего счетчика, вход третьей координаты - с выходом регистра памяти, сбросовый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого через первый формирователь коротких импульсов подключен к выходу формирователя-ограничителя, соединенному с входом элемента НЕ, выход которого через второй формирователь коротких импульсов связан с вторым входом элемента ИЛИ и сбросовым входом RS-триггера, единичный вход которого подключен к выходу первого формирователя коротких импульсов, прямой выход к - управляющим электродам шестого и седьмого электронных ключей, а инверсный выход к - управляющим электродам пятого и восьмого электронных ключей, при этом выход последнего объединен с выходом седьмого электронного ключа и соединен с первым зажимом первичной обмотки трансформатора, второй зажим которой подключен к выходам пятого и шестого электронных ключей, вход последнего из которых объединен с входом восьмого электронного ключа и подключен к объединенному выходу первого и второго электронных ключей, причем входы первого и третьего электронного ключа подключены к выходу ЦАП, разряды входа которого связаны с соответствующими разрядами информационного выхода вычитателя, причем входы второго и четвертого электронного ключа подключены к зажиму МАССА, а управляющие электроды второго и третьего электронного ключа соединены с выходом признака положительной разности вычитателя, выход признака отрицательной разности которого соединен с управляющими электродами первого и четвертого ключа, кроме того, выходы третьего и четвертого электронного ключа объединены и подключены к входам пятого и седьмого электронного ключа, а выход логического элемента ИЛИ через элемент задержки подключен к сбросовому входу счетчика, счетный вход которого связан с выходом генератора импульсов стабильной частоты, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, снабжено задающим регистром, разряды выхода которого связаны с соответствующими разрядами второго входа блоков памяти блоков управления вольтодобавочных трансформаторов фаз, а разряды информационного входа регистра памяти подключены к соответствующим разрядам выхода суммирующего счетчика в каждом блоке управления.