RU19940U1 - Устройство для бесконтактной коммутации трехфазной конденсаторной батареи - Google Patents

Description

Устройство для бесконтактной коммутации трехфазной конденсаторной батареи

noJl( ,

Изобретение отноеитея к облаети электротехники и может быть иепользовано в тех отраслях народного хозяйства, где необходимо обеспечить отсутствие ухода и быстродействующие нереключения, свободные от электромагнитных номех, конденсаторных батарей в трехфазных сетях переменного тока, в частности, в установках компенсации реактивной мощности.

Известно устройство регулирования реактивной мощности, реализующее известный способ, в электрических сетях посредством коммутирования трехфазной конденсаторной батареи путем ее поочередного включения и отключения, причем подключение производится в моменты, когда разность соответствующих линейных напряжений сети и батареи равны нулю, а отключение батареи осуществляется от одной из фаз сети в момент времени, когда ток в данной фазе равен нулю. Затем осуществляется отключение батареи от двух других фаз в момент равенства тока в этих фазах нулю, а включение осуществляется в обратной последовательности (см. а. с. СССР № 811400 М. кл. И02) 3/18). Указанное устройство обеспечивает быстродействующую коммутацию конденсаторной батареи без всплесков тока. Однако оно требует средств для определения момента, когда разность соответствующих линейных напряжений сети и батареи равна нулю, что приводит к необходимости установки в главной цепи датчиков нулевого напряжения, усложняющих и удорожающих конденсаторную установку.

Известно также устройство для бесконтактной коммутации трехфазной конденсаторной батареи, реализующее известный способ и содержащее трехфазную конденсаторную батарею с внутренним соединением фаз в треугольник, подключенную к трехфазной сети переменного тока через полупроводниковые (тиристорно-диодные) коммутаторы, и систему управления, включающую трехфазный синхронизирующий трансформатор, подключенный к сети, три компаратора, импульсные трансформаторы, формирователь команды управления, три синхронных триггера, генератор высокочастотных импульсов, логические элементы, усилители импульсов. При этом установочные входы второго и третьего триггеров подключены к неинвертирующему выходу первого триггера, один из входов логических элементов подключен к выходу соответствующих синхронных триггеров, а второй их вход подключен к выходу генератора высокочастотных импульсов, выходы всех логических элементов подключены к входам соответствующих усилителей импульсов, выходы которых, в свою очередь, через импульсные трансформаторы подключены к управляющим цепям тиристоров полупроводниковых коммутаторов (см. а. с. СССР № 1099314 М. кл. G05f 1/70). Это устройство по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип. Оно не требует средств для определения момента естественной коммутации тиристоров, а основано на стандартной организации

управляющих импульсов при включении с учетом ситуации, имевшей место при отключении батареи.

Недостатком данного устройства является то, что он предполагает установку тиристорно-диодных коммутаторов в каждой линии и не может быть применено для схемы главного тока со встречно-параллельными тиристорами в двух линиях и одной линией, подключенной к сети непосредственно, которая более проста и экономична, так как содержит меньшее число полупроводниковых силовых приборов. Кроме того, максимальная величина повторяюш:егося напряжения на тиристорах в схемах с тиристорно-диодными коммутаторами при отключении батареи достигает 2,4 амплитудного значения линейного напряжения сети, т.е. 1270 вольт в промышленных установках (с номинальным напряжением 380 вольт). Это снижает безопасность эксплуатации и надежность этих установок.

Технической задачей, на которую направлено заявляемое устройство, является устранение данных недостатков, т.е. упрошение коммутационного устройства и повышение его надежности.

Указанная техническая задача достигается тем, что в известном устройстве для бесконтактной коммутации трехфазной конденсаторной батареи, содержаш,ем трехфазную конденсаторную батарею с внутренним соединением фаз в треугольник, подключенную к трехфазной сети переменного тока через полупроводниковые коммутаторы, и систему управления, включающую трехфазный синхронизирующий трансформатор, подключенный к сети, три компаратора, импульсные трансформаторы, формирователь команд управления, синхронные триггеры, генератор высокочастотных импульсов, логические элементы, усилители имнульсов, нри этом установочные входы второго и третьего триггеров нодключены к неинвертирующему выходу нервого триггера, один из входов логических элементов подключен к выходу соответствующего триггера, а вторые входы всех логических элементов соединены с выходом генератора высокочастотных импульсов, выходы всех логических элементов подключены к входам соответствующих усилителей импульсов, выходы которых, в свою очередь, через импульсные трансформаторы подключены к управляющим цепям тиристоров полупроводниковых коммутаторов, в отличие от него, заявляемое содержит дополнительный четвертый синхронный триггер, полупроводниковые коммутаторы выполнены в виде двух пар встречно-параллельно соединенных тиристоров, включенных в два линейные провода фаз А и С конденсаторной батареи, один из импульсных трансформаторов выполнен в трехобмоточном исполнении. При этом вторичные обмотки фаз с и в синхронизирующего трансформатора соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами первого компаратора, а обмотка фазы а того же трансформатора - с инвертирующим входом второго компаратора и неинвертирующим входом третьего компаратора, у которых другие входы соединены с корпусной щиной. Синхронизирующие входы второго и четвертого триггеров соединены вместе и подключены к выходу третьего компаратора, а такие же входы первого и третьего триггеров присоединены соответственно к выходам второго и первого компараторов. Информационные входы всех триггеров присоединены к

плюсовому полюсу источника питания. Установочный вход четвертого триггера подключен к выходу формирователя команд управления, а такой же вход первого триггера соединен с инвертирующим выходом четвертого триггера. Причем выходы первого и третьего усилителей импульсов подключены через двухобмоточные импульсные трансформаторы соответственно к управляющим цепям прямого тиристора фазы С и обратного тиристора фазы А полупроводникового коммутатора, а выход второго усилителя импульсов подключен через упомянутый трехобмоточный импульсный трансформатор соответственно к управляющим цепям двух других тиристоров той же первой и второй пары тиристоров полупроводникового коммутатора.

Как показывает анализ переходных процессов при отключении конденсаторной батареи от сети с помощью тиристоров, после отключения остаточные напряжения на конденсаторах распределяются таким образом, что одно из линейных напряжений батареи конденсаторов равно амплитудному значению линейного напряжения сети, другое - меньше этого значения, а третье превышает амплитуду напряжения сети. Максимальное значение на коммутирующих тиристорах после отключения батареи определяется суммой амплитудного значения линейного напряжения сети и одноименного остаточного напряжения батареи.

Отсюда следует, что в схемах главного тока со встречно-параллельно включенными тиристорами в двух линейных проводах и одной линией, подключенной непосредственно, максимальная величина повторяющегося напряжения на тиристорах (такая же, как в прототипе) будет иметь место, если

максимальное остаточное напряжение на фазах батареи после отключения окажется подключенным между линией, подключенной к сети непосредственно и любой другой линией; если же большее из остаточных напряжений батареи после отключения окажется приложенным между двумя линиями, подключенными к сети через тиристоры, то максимальная величина повторяющегося напряжения на тиристорах при этом не превысит двойного амплитудного значения напряжения сети, т.е. в 1,2 раза меньше, чем в прототипе.

Такое распределение остаточных напряжений батареи, как в последнем случае, обеспечивается предложенным устройством, а именно тем, что момент прекращения подачи управляющих импульсов находится в интервале от момента прохождения через нуль линейного напряжения между линией, подключенной к сети непосредственно, и линией, предшествующей ей по порядку чередования фаз, и до аналогичного перехода через нуль следующего линейного напряжения.

Таким образом, повышение надежности и безопасности в схемах со встречно-параллельными тиристорами в двух линиях и одной линией, подключенной к сети непосредственно, обеспечивается снижением максимального значения повторяющегося напряжения на тиристорах за счет оптимального распределения напряжений конденсаторной батареи, что достигается выбором момента прекращения подачи управляющих импульсов на тиристоры.

Кроме того, снижение указанных значений напряжения позволяет применять для коммутации батареи тиристоры более низких классов напряжения, что в свою очередь снижает стоимость коммутирующих устройств и конденсаторной установки в целом.

При большой частоте коммутации батареи (например, в случае компенсации резкопеременных реактивных нагрузок) перед очередным включением батареи она не успевает сколько-нибудь заметно разрядиться в предыдущем цикле отключения. Для обеспечения возможности подключения к сети неразрядившейся конденсаторной батареи без всплесков зарядного тока последовательность управляющих импульсов подают в первую очередь на тиристор, подключенный встречно-параллельно тому тиристору, который проводит ток последним при предшествовавшем отключении батареи от сети. Таким образом, в схемах главного тока с тиристорами, встречно-параллельно включенными в две линии, и одной линией, подключенной к сети непосредственно, обеспечивается такое же быстродействие, что и в известном устройстве.

Из вышеизложенного следует, что заявляемое устройство позволяет реализовать достоинства, присущие известному устройству (быстродействие, простоту и надежность схем управления) в схемах со встречнопараллельными тиристорами в двух линиях и одной линией, подключенной к сети непосредственно, которые более просты и экономичны, так как содержат меньшее число силовых полупроводниковых приборов. Кроме того, заявляемое устройство позволяет в указанных схемах добиться повыщения на-7-2ё //(г

дежности и безопасности и дополнительного снижения стоимости конденсаторной установки за счет уменьшения максимального значения напряжения на тиристорах но отношению к прототипу. Уменьшение на одну треть числа полупроводниковых приборов снижает на 33 % потери на их нагрев, а, следовательно, и температуру среды внутри установки. Это также повышает надежность функционирования электронной системы управления. Вследствие уменьшения потерь увеличивается коэффициент полезного действия конденсаторной установки.

На фиг. 1 представлена схема конденсаторной батареи со встречнопараллельными тиристорами в двух линиях и одной линией, подключенной к сети непосредственно, а также схема управления, реализующая новые связи; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений и токов, действующих в схеме при отключении и последующем включении неразрядившейся батареи; на фиг. 3 - временные диаграммы токов и напряжений при включении разряженной батареи.

Схема содержит трехфазную конденсаторную батарею 1 с внутренним соединением фаз в треугольник, подключенную к трехфазной сети 2 переменного тока через встречно-параллельно включенные тиристоры 3,4 и 5,6 в двух линиях (А и С); трехфазный синхронизирующий трансформатор 7, подключенный к сети; компараторы 8-10; импульсные трансформаторы 11-13; формирователь команд управления 14; синхронные триггеры 15-18; логические элементы 19-21; усилители импульсов 22-24; генератор высокочастотных импульсов 25.

г / 2Входы компараторов 8-10 подключены к фазам вторичной обмотки синхронизирующего трансформатора 7. Синхронизирующие входы (С) триггеров 16 и 18 присоединены непосредственно к выходам компараторов 9 и 8, а такие же входы триггеров 15 и 17 соединены вместе и подключены к выходу компаратора 10. Информационные входы (Д) триггеров 15-18 присоединены к положительному полюсу источника питания. Установочный вход (R) триггера 15 подключен к выходу формирователя команд управления 14, такой же вход триггера 16 подключен к инвертирующему выходу триггера 15, а установочные входы триггеров 17 и 18 подключены к выходу триггера 16. Один из входов логических элементов 19-21 подключен к выходу соответствующего триггера, а второй вход - к выходу генератора 25 импульсов. Выходы логических элементов 19-21 подключены к входам усилителей импульсов 22-24, выходы которых в свою очередь через разделительные импульсные трансформаторы 11-13 подключены к управляющим цепям тиристоров. Причем выходы усилителей 22 и 24 подключены через двухобмоточные трансформаторы к тиристорам 5 и 4 соответственно, а выход усилителя 23 подключен через трехобмоточный трансформатор к тиристорам 3 и 6. Фазные напряжения сети через трансформатор 7 поступают на входы компараторов 8-10, которые изменяют логическое состояние выхода при переходе напряжения, приложенного к входам соответствующего компаратора, через нулевое значение, формируя тем самым прямоугольные импульсы с частотой напряжения сети. Передний фронт импульсов компаратора 8 совпадает с моментом перехода через нуль линейного напряжения сети UBC из области по-3-г0 / /(j

ложительных в область отрицательных значений. Передние фронты импульсов компараторов 9 и 10 совпадают с моментом перехода через нуль фазного напряжения сети UA. Причем для компаратора 9 - в сторону отрицательных, а для компаратора 10 - в сторону положительных значений. Синхронные триггеры 15-18 переключаются по переднему фронту сигнала на синхронизирующем входе, сброс триггеров в исходное состояние осуществляется нулевым сигналом на установочном входе.

Устройство работает следующим образом. В момент времени, предшествующий началу отключения батареи, с выхода формирователя 14 на установочный вход триггера 15 поступает нулевой сигнал, обуславливая единичный сигнал на его инвертирующем выходе. С выходов триггеров 16-18 на входы логических элементов 19-21, осуществляющих функцию И, поступают единичные сигналы, поэтому высокочастотные импульсы генератора 25 проходят через эти элементы на входы усилителей 22-24 и далее через трансформаторы 11-13 на управляющие цепи тиристоров 3-6, поддерживая последние в открытом состоянии.

При отключении батареи подачу управляющих импульсов прекращают в момент, когда напряжение фазы А сети переходит через нуль в сторону положительных значений, который в соответствии с заявляемыми связями находится в интервале от момента перехода через нуль линейного напряжения UAB (напряжения между линией В, подключенной к сети непосредственно и предшествующей ей по порядку чередования фаз линией А) до момента такого же перехода линейного напряжения UBC- Это осуществляется следующим образом. Пусть в момент времени ti (фиг. 2) поступает команда на отключение батареи, т.е. на выходе формирователя 14 устанавливается единичный сигнал. Так как триггер 15 больше не удерживается в исходном состоянии, то но нереднему фронту первого имнульса с выхода компаратора 10 (момент ti на фиг. 2, соответствующий переходу через нуль в сторону положительных значений напряжения фазы А сети) он переключится, и нулевой сигнал на его инвертирующем выходе, поступая на установочный вход триггера 16, установит на его выходе нулевой сигнал, который в свою очередь установит в нулевое состояние триггеры 17 и 18. Нулевые сигналы с выходов триггеров 16-18, поступая на входы логических элементов 19-21, блокируют прохождение управляющих импульсов генератора 25 на усилители 22-24 и далее на тиристоры. Таким образом, прекращение подачи управляющих импульсов происходит в момент, когда напряжение фазы А сети нереходит через нуль в сторону положительных значений.

После прекращения подачи управляющих импульсов в схеме происходят следующие процессы. В момент времени ts, когда ток в линии А станет равным нулю, закроется тиристор 3, тиристор 4 не откроется вследствие отсутствия управляющих импульсов, а линия А отключится от сети. Еще через четверть периода переменного тока (момент t4 на фиг. 2) станет равным нулю ток в линии С, закроется тиристор 6, и батарея полностью отключится от сети. Очевидно, что при такой синхронизации момента прекращения подачи управляющих импульсов последним проводить ток при отключении будет всегда тиристор 6. После отключения батареи напряжения на тиристорах лиНИИ А и с обусловлены суммой линейных напряжений сети и соответствующих остаточных напряжений на фазах конденсаторов. Как видно из диаграммы на фиг. 2, максимальное значение напряжения на тиристорах линии С не превышают двойной амплитуды напряжения сети. Напряжение на тиристорах линии А еще меньше.

В предлагаемом варианте реализации новых связей последним проводить ток при отключении батареи будет всегда тиристор 6. Поэтому при включении батареи, в соответствии с заявляемыми связями управляющие импульсы подаются в первую очередь на тиристор 5, который подключен встречнопараллельно тиристору 6, а затем на остальные тиристоры. Это осуществляется следующим образом. Допустим, что команда на включение батареи поступает при максимальном быстродействии установки в течение периода, непосредственно следующего за моментом отключения (момент ts на фиг. 2). При этом с формирователя 14 на установочный вход триггера 15 поступает нулевой сигнал, устанавливая единицу на его выходе. Триггер 16 больше не удерживается в нулевом состоянии и поэтому по переднему фронту первого импульса с компаратора 9 (момент t на фиг. 2) он переключится и на его выходе установится единичный сигнал, который, поступая на вход логического элемента 19, разрешит прохождение управляющих импульсов на тиристор 5. В этот момент напряжение на тиристоре 5 равно нулю и начинает изменяться в сторону положительных значений, поэтому он включится без всплеска зарядного тока. Одновременно единичный сигнал с выхода триггера 16 поступает на установочные входы триггеров 17 и 18, подготавливая их к управле-/г-г //

нию по синхронизирующему входу. Поэтому в момент tv передним фронтом соответствующего сигнала, приходящего с выхода компаратора 10, триггер 17 переключится в единичное состояние, разрешая тем самым прохождение управляющих импульсов на тиристоры 3 и 6. Так как на тиристоре 3 в этот момент имеет место запирающая полярность анодного напряжения, то он не включится до тех пор, пока напряжение на его аноде не станет положительным, т.е. до следующего периода напряжения сети. Для тиристора 6 в этот момент анодное напряжение переходит через нуль в сторону положительных значений, поэтому он включится без всплеска тока. Наконец, в момент времени tg переключится триггер 18 и разрешит прохождение управляющих импульсов на тиристор 4. Процесс включения заканчивается, и батарея оказывается симметрично подключенной к сети.

В случае, если включение батареи происходит при полностью или частично разряженных конденсаторах, схема управления работает аналогично в части момента подачи управляющих импульсов для каждого из тиристоров. Однако характер изменения напряжений на конденсаторах и тиристорах установки при этом становится несколько другим. Па фиг. 3 показан процесс включения полностью разряженной батареи в заявляемом устройстве коммутации. При поступлении команды включения батареи в момент t4 включение тиристора 5 произойдет не в момент подачи на него управляющих импульсов (ts), а лишь после того, как напряжение на его аноде станет равным нулю и начнет изменяться в сторону положительных значений. Напряжение на тиристоре 3 после подачи на него управляющих импульсов станет отпирающим

раньше, чем будут поданы управляющие импульсы на тиристор 4, поэтому сначала отьфоется тиристор 3, а затем тиристор 4.

Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает включение батареи без всплесков тока при любой величине остаточного заряда конденсаторов с максимально возможным для естественной коммутации быстродействием, а также ограничение максимальной величины напряжения на тиристорах в пределах двойного амплитудного значения напряжения сети.

Claims (1)

1. Устройство для бесконтактной коммутации трехфазной конденсаторной батареи, содержащее трехфазную конденсаторную батарею с внутренним соединением фаз в треугольник, подключенную к трехфазной сети переменного тока через полупроводниковые коммутаторы, и систему управления, включающую трехфазный синхронизирующий трансформатор, подключенный к сети, три компаратора, импульсные трансформаторы, формирователь команд управления, синхронные триггеры, генератор высокочастотных импульсов, логические элементы, усилители импульсов, при этом установочные входы второго и третьего триггеров подключены к неинвертирующему выходу первого триггера, один из входов логических элементов подключен к выходу соответствующего триггера, а вторые входы всех логических элементов соединены с выходом генератора высокочастотных импульсов, выходы всех логических элементов подключены к входам соответствующих усилителей импульсов, выходы которых, в свою очередь, через импульсные трансформаторы подключены к управляющим цепям тиристоров полупроводниковых коммутаторов, отличающееся тем, что оно содержит дополнительный четвертый синхронный триггер, полупроводниковые коммутаторы выполнены в виде двух пар встречно-параллельно соединенных тиристоров, включенных в два линейные провода фаз "А" и "С" конденсаторной батареи, один из импульсных трансформаторов выполнен в трехобмоточном исполнении, вторичные обмотки фаз "с" и "в" синхронизирующего трансформатора соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами первого компаратора, а обмотка фазы "а" того же трансформатора - с инвертирующим входом второго компаратора и неинвертирующим входом третьего компаратора, у которых другие входы соединены с корпусной шиной, синхронизирующие входы второго и четвертого триггеров соединены вместе и подключены к выходу третьего компаратора, а такие же входы первого и третьего триггеров присоединены соответственно к выходам второго и первого компараторов, информационные входы всех триггеров присоединены к плюсовому полюсу источника питания, установочный вход четвертого триггера подключен к выходу формирователя команд управления, такой же вход первого триггера соединен с инвертирующим выходом четвертого триггера, причем выходы первого и третьего усилителей импульсов подключены через двухобмоточные импульсные трансформаторы соответственно к управляющим цепям прямого тиристора фазы "С" и обратного тиристора фазы "А" полупроводникового коммутатора, а выход второго усилителя импульсов подключен через упомянутый трехобмоточный импульсный трансформатор соответственно к управляющим цепям двух других тиристоров той же первой и второй пары тиристоров полупроводникового коммутатора.