Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО КОРРЕКЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ

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.