RU2557074C1

RU2557074C1 - Voltage stabiliser of transformer substations of enterprise with utilisation of energy loss

Info

Publication number: RU2557074C1
Application number: RU2014111899/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Степанович Климаш; Павел Александрович Гнедин; Евгений Алексеевич Чичеров
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-07-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: additional electric heater connected to diagonal of the three-phase diode bridge, and the second key the control input of which is connected to the second output of the control system, are offered, meanwhile the additional electric heater is formed by two series connected electric heating elements, parallel to one of which the second key is connected, and the control system is implemented with a possibility of formation of control impulses at the first and second outputs and during decrease of voltage of alternate control of their duration from zero up to the switching period, and at first at the second output at change of control signal at its input from the maximum negative value down to zero, and then at the first output at change of control signal at its input from zero up to the maximum positive value.

EFFECT: rational energy consumption due to improvement of quality of voltage and current at the input and output of transformer substations and decrease in this regard of losses of power transformers and in networks, improvement of shape of supply voltage of consumers and improvement of accuracy and speed of its maintenance at the set level due to essential reduction of depth of modulation of added voltage.

2 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетическим системам, и может быть использовано для стабилизации напряжения питания потребителей трансформаторных подстанций промышленных и агропромышленных предприятий, предусматривающих подключение электронагревателей для дополнительного обогрева помещений, нагрева воды и т.п., а также объектов мясомолочной и пищевой промышленности, в технологических процессах которых требуется непрерывная подача пара.The proposed technical solution relates to electrical engineering, in particular to electric power systems, and can be used to stabilize the supply voltage of consumers of transformer substations of industrial and agricultural enterprises, providing for the connection of electric heaters for additional room heating, water heating, etc., as well as meat and dairy and food industry, in the technological processes of which a continuous supply of steam is required.

Известен стабилизатор напряжения трансформаторных подстанций предприятия с утилизацией энергии потерь, который включен на стороне высокого напряжения силовых трансформаторов (патент РФ на изобретение №2178232, Н02М 5/257, G05F 1/30, 2002, Бюл. №1).Known voltage stabilizer of transformer substations of an enterprise with waste energy recovery, which is included on the high voltage side of power transformers (RF patent for the invention No. 2178232, Н02М 5/257, G05F 1/30, 2002, Bull. No. 1).

Он содержит силовой и вольтодобавочный трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и подключены к сети, трехфазный ключ, включенный в рассечку звезды вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, другие выводы которой подключены к выходным зажимам трансформаторной подстанции или к зажимам нагрузки, основной электронагреватель, входящий в состав нагрузки, и дополнительный электронагреватель, шунтированный трехфазным ключом, выполненным, например, в виде трехфазного диодного моста, в диагональ которого включен GTO-тиристор или IGBT-транзистор. При изменении длительности проводящего состояния трехфазного ключа устройство обеспечивает плавное регулирование напряжения на входе трансформаторной подстанции и у потребителей вверх и вниз относительно номинального значения за счет плавного регулирования на 180 град фазы магнитного потока и вместе с ним ЭДС вольтодобавочного трансформатора, работающего в режиме двойного питания. При этом потери, которые могли бы возникнуть от нестабильного (повышенного) напряжения в силовом трансформаторе и у потребителей, выносятся на дополнительный электронагреватель (утилизируются).It contains power and booster transformers, the primary windings of which are connected in series and connected to the network, a three-phase switch included in the cut of the secondary winding star of the booster transformer, the other terminals of which are connected to the output terminals of the transformer substation or to the load terminals, the main electric heater, which is part of the load , and an additional electric heater, shunted by a three-phase switch, made, for example, in the form of a three-phase diode bridge, the diagonal of which A GTO thyristor or IGBT is turned on. When changing the duration of the conductive state of a three-phase switch, the device provides stepless regulation of the voltage at the input of the transformer substation and for consumers up and down relative to the nominal value due to the stepless regulation of 180 degrees of the phase of the magnetic flux and, together with it, the EMF of the boost transformer operating in dual power mode. At the same time, losses that could arise from unstable (increased) voltage in the power transformer and at consumers are transferred to an additional electric heater (disposed of).

К недостатку данного технического решения следует отнести снижение жесткости внешней характеристики стабилизатора и повышение искажений напряжения и тока при расширении диапазона регулирования за счет увеличения коэффициента трансформации вольтодобавочного трансформатора и/или сопротивления дополнительного электронагревателя. Это в свою очередь ухудшает энергетические показатели подстанции и динамические свойства стабилизатора при резких изменениях напряжения в сети, величины и характера нагрузки.The disadvantage of this technical solution should include a decrease in the rigidity of the external characteristics of the stabilizer and an increase in voltage and current distortions while expanding the control range by increasing the transformation coefficient of the boost booster transformer and / or resistance of the additional electric heater. This in turn worsens the energy performance of the substation and the dynamic properties of the stabilizer during sudden changes in the voltage in the network, the magnitude and nature of the load.

Известен также стабилизатор напряжения трансформаторных подстанций предприятия с утилизацией энергии потерь (патент РФ на полезную модель №113436, Н02М 5/10, Н02М 5/257, G05F 1/30, 2012, Бюл. №4), который взят за прототип.Also known is the voltage stabilizer of transformer substations of an enterprise with waste energy recovery (RF patent for utility model No. 113436, Н02М 5/10, Н02М 5/257, G05F 1/30, 2012, Bull. No. 4), which is taken as a prototype.

Он содержит такое же трансформаторное и электронное оборудование, как и предыдущий аналог, но включен на входе группы трансформаторных подстанций предприятия и поэтому имеет улучшенные массогабаритные показатели вольтодобавочного оборудования и не вносит искажения тока в силовой трансформатор основной подстанции предприятия, так как вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора с блоком реостатно-импульсного регулирования подключена к выходу другой подстанции предприятия.It contains the same transformer and electronic equipment as the previous analogue, but is included at the input of the group of transformer substations of the enterprise and therefore has improved overall dimensions of the boosting equipment and does not introduce current distortion into the power transformer of the main substation of the enterprise, since the secondary winding of the boosting transformer with a block pulse-resistance regulation is connected to the output of another enterprise substation.

Однако и этому стабилизатору свойственны недостатки, к которым следует отнести снижение жесткости внешней характеристики стабилизатора и повышение искажений напряжения потребителей и тока сети при расширении диапазона регулирования за счет увеличения коэффициента трансформации вольтодобавочного трансформатора и/или сопротивления дополнительного электронагревателя. Это в свою очередь ухудшает энергетические показатели подстанции и динамические свойства стабилизатора при резких изменениях напряжения в сети, величины и характера нагрузки.However, this stabilizer also has drawbacks, which include a decrease in the stiffness of the external characteristics of the stabilizer and an increase in distortion of consumer voltage and network current while expanding the control range by increasing the transform coefficient of the boost booster transformer and / or resistance of the additional electric heater. This in turn worsens the energy performance of the substation and the dynamic properties of the stabilizer during sudden changes in the voltage in the network, the magnitude and nature of the load.

Кроме этого, устройство, плавно регулируя напряжение верх и вниз относительно номинального уровня, создает наибольшие искажения собственно при номинальном напряжении в сети.In addition, the device, smoothly adjusting the voltage up and down relative to the nominal level, creates the greatest distortion at the nominal voltage in the network.

Задачей изобретения является улучшение энергетических показателей системы энергоснабжения предприятия за счет полного устранения искажений напряжения и тока при номинальном напряжении в сети и двукратного их уменьшения в процессе стабилизации напряжения у потребителей при отклонениях напряжении в сети вверх и вниз относительно его номинального значения, а также улучшение динамических свойств стабилизатора вследствие повышения жесткости внешней характеристики за счет снижения глубины модуляции добавочного напряжения в два раза.The objective of the invention is to improve the energy performance of the energy supply system of the enterprise by completely eliminating distortions of voltage and current at rated voltage in the network and halving them during stabilization of voltage in consumers with voltage deviations in the network up and down relative to its nominal value, as well as improving dynamic properties stabilizer due to increased rigidity of the external characteristics by reducing the depth of modulation of the auxiliary voltage by half.

Технический результат от решения поставленной задачи заключается в рациональном энергопотреблении вследствие улучшения качества напряжения и тока на входе и выходе трансформаторных подстанций и снижения в связи с этим потерь у потребителей, в силовых трансформаторах и в сети, а также улучшение формы напряжения питания потребителей и повышение точности и быстродействия поддержания его на заданном уровне вследствие существенного уменьшения глубины модуляции добавочного напряжения.The technical result from the solution of the problem lies in rational energy consumption due to the improvement of the quality of voltage and current at the input and output of transformer substations and, in connection with this, the loss of losses among consumers, in power transformers and in the network, as well as the improvement of the shape of the voltage supply to consumers and increased accuracy and the speed of maintaining it at a given level due to a significant decrease in the depth of modulation of the additional voltage.

Решение поставленной задачи достигается тем, что введен дополнительный электронагреватель, подключенный к диагонали трехфазного диодного моста, и второй ключ, управляющий вход которого подключен ко второму выходу системы управления, при этом дополнительный электронагреватель выполнен из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, параллельно одному из которых подключен второй ключ, а система управления выполнена с возможностью формирования управляющих импульсов на первом и втором выходах и в процессе снижения напряжения - поочередного регулирования их длительности от нуля до периода коммутации, причем сначала на втором выходе при изменении сигнала управления на ее входе от максимального отрицательного значения до нуля, а затем на первом выходе при изменении сигнала управления на ее входе от нуля до максимального положительного значения.The solution to this problem is achieved by introducing an additional electric heater connected to the diagonal of the three-phase diode bridge, and a second key, the control input of which is connected to the second output of the control system, while the additional electric heater is made of two series-connected electric heating elements, one of which is connected in parallel to the second key, and the control system is configured to generate control pulses at the first and second outputs and in the process is reduced I voltage - in turn controlling their duration from zero to the switching period, first at the second output when the control signal at its input changes from the maximum negative value to zero, and then at the first output when the control signal at its input changes from zero to the maximum positive value .

Кроме этого, решается задача упрощения реализации устройства.In addition, the task of simplifying the implementation of the device is being solved.

Решение этой дополнительной задачи достигается тем, в качестве последовательно соединенных электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя используют часть электронагревательных элементов от электронагревателя другого вблизи расположенного предприятия.The solution to this additional problem is achieved by using as part of the electric heating elements of the additional electric heater part of the electric heating elements from the electric heater of another near the plant located.

Стабилизатор напряжения трансформаторных подстанций предприятия представлен на фиг.1. Он содержит силовой трансформатор 1 основной подстанции, вольтодобавочный трансформатор 2, первый ключ 3 и второй ключ 4 с общей для них системой управления 5, датчик отклонения напряжения нагрузки 6, основной электронагреватель 7, дополнительный электронагреватель 8, содержащий два последовательно соединенных электронагревательных элемента, сеть 9 и нагрузку 10, к которой относятся наиболее критичные к качеству напряжению потребители, трехфазный диодный мост 11, а также силовой трансформатор 12 другой наименее загруженной подстанции с нагрузкой 13, имеющей менее критичные к качеству напряжения потребители.The voltage stabilizer of transformer substations of the enterprise is presented in figure 1. It contains a power transformer 1 of the main substation, booster transformer 2, the first key 3 and the second key 4 with a common control system 5, a load voltage deviation sensor 6, the main electric heater 7, an additional electric heater 8, containing two series-connected electric heating elements, network 9 and load 10, which includes the most critical consumers of voltage quality, a three-phase diode bridge 11, as well as a power transformer 12 of another least loaded substation with a load viscous 13, having less critical consumers of voltage quality.

Элементы устройства соединены следующим образом.The elements of the device are connected as follows.

Первичные обмотки силовых трансформаторов 1 и 12 подстанций предприятия соединены параллельно и через первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 2 подключены к сети 9. Вторичная обмотка силового трансформатора 1 соединена в звезду с нулевым проводом и подключена к нагрузке 10, в состав которой входят наиболее критичные к качеству напряжения потребители. Вход датчика отклонения напряжения 6 подключен к нагрузке 10, а его выход - к управляющему входу системы управления 5 первым и вторым ключами 3 и 4. Одни выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 подключены к вторичной обмотке силового трансформатора 12 другой наименее загруженной подстанции, имеющей менее критичные к качеству напряжения потребители, названные нагрузкой 13, в состав которой входит основной электронагреватель 7, а другие выводы вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 подключены к трехфазному диодному мосту 11, в диагональ которого включен первый трехфазный ключ 3 и дополнительный электронагреватель 8, выполненный из двух последовательно соединенных электронагревательных элементов, к одному из которых, например второму, подключен второй трехфазный ключ 4. В предлагаемом устройстве система управления 5 ключами 3 и 4 может быть выполнена как асинхронной, так и синхронизированной с сетью 9.The primary windings of the power transformers 1 and 12 of the enterprise substations are connected in parallel and connected to the network 9 through the primary winding of the boost transformer 2. The secondary winding of the power transformer 1 is connected to a star with a neutral wire and connected to a load of 10, which includes the most critical consumers of voltage quality . The input of the voltage deviation sensor 6 is connected to the load 10, and its output is connected to the control input of the control system 5 by the first and second switches 3 and 4. Some outputs of the secondary winding of the boost transformer 2 are connected to the secondary winding of the power transformer 12 of another less loaded substation, which has less critical to the quality of voltage, consumers, called load 13, which includes the main electric heater 7, and the other terminals of the secondary winding of the boost transformer 2 are connected to a three-phase one bridge 11, the diagonal of which includes the first three-phase switch 3 and an additional electric heater 8, made of two series-connected electric heating elements, one of which, for example, the second, is connected to the second three-phase switch 4. In the proposed device, the control system 5 keys 3 and 4 can be performed both asynchronous and synchronized with network 9.

Подготовка устройства к работе заключается в изучении системы электроснабжения предприятия и, с учетом его особенностей, в выборе параметров стабилизатора и настройке следующих уровней напряжения:The preparation of the device for work consists in studying the power supply system of the enterprise and, taking into account its features, in choosing the parameters of the stabilizer and setting the following voltage levels:

- максимальная вольтодобавка задается коэффициентом трансформации вольтодобавочного трансформатора 2 и при минимальном напряжении в сети 9 и номинальной нагрузке 10 и 13 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия. Уровень максимальной вольтодобавки задается при непрерывно включенном первом ключе 3;- the maximum voltage boost is set by the transformation ratio of the voltage boost transformer 2 and with a minimum voltage of 9 and a rated load of 10 and 13 provides the rated voltage of the enterprise consumers. The maximum voltage boost level is set when the first key 3 is continuously turned on;

- промежуточный (номинальный) уровень напряжения устройства задается сопротивлением первого электронагревательного элемента дополнительного электронагревателя 8 и характеризуется тем, что при номинальном напряжении в сети 9 и номинальной нагрузке 10 и 13 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия. Он задается при полностью выключенном первом ключе 3 и непрерывно включенном втором ключе 4;- the intermediate (nominal) voltage level of the device is set by the resistance of the first electric heating element of the additional electric heater 8 and is characterized by the fact that at a rated voltage in the network 9 and a rated load of 10 and 13 it provides the rated voltage for consumers of the enterprise. It is set when the first key 3 is completely off and the second key 4 is continuously on;

- максимальная вольтоотбавка задается суммарным сопротивлением первого и второго электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя 8 и при максимальном напряжении в сети 9 и номинальной нагрузке 10 и 13 обеспечивает номинальное напряжение у потребителей предприятия.- the maximum voltotag is set by the total resistance of the first and second electric heating elements of the additional electric heater 8 and with a maximum voltage of 9 and a rated load of 10 and 13 provides the rated voltage for consumers of the enterprise.

Уровень максимальной вольтоотбавки задается при полностью выключенных первом и втором ключах 3 и 4.The maximum voltage drop level is set when the first and second keys 3 and 4 are completely turned off.

Устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом.The device shown in figure 1, operates as follows.

При максимально пониженном напряжении в сети 9 система управления 5 подает непрерывные управляющие импульсы на первый и второй ключи 3 и 4, включается только первый ключ 3, который через трехфазный диодный мост 11 соединяет вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 2 в звезду. Вольтодобавочный трансформатор 2 повышает напряжение на входе силовых трансформаторов 1, 12 и на их нагрузках 10, 13 до заданного, например номинального, уровня за счет наведения на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 2 ЭДС, синфазной с напряжением нагрузки 13. В этом режиме дополнительный электронагреватель 8, его элементы и второй ключ 4 закорочены первым ключам 3 и, следовательно, обесточены, т.е. отключены.With the lowest possible voltage in the network 9, the control system 5 supplies continuous control pulses to the first and second switches 3 and 4, only the first switch 3 is turned on, which connects the secondary winding of the boost-up transformer 2 to the star via a three-phase diode bridge 11. Booster transformer 2 increases the voltage at the input of power transformers 1, 12 and at their loads 10, 13 to a predetermined, for example, nominal, level by inducing in the primary winding of booster transformer 2 an EMF in phase with load voltage 13. In this mode, an additional electric heater 8, its elements and the second key 4 are shorted to the first keys 3 and, therefore, are de-energized, i.e. disconnected.

При повышении напряжения в сети 9 от максимально пониженного до номинального устройство уменьшает длительность проводящего состояния первого ключа 3 от периода коммутации до нуля, и на интервалах его бестоковых пауз включается второй ключ 4, вводя в цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 сопротивление первого электронагревательного элемента дополнительного электронагревателя 8. При этом реостатно-импульсном регулировании происходит плавное уменьшение напряжения вольтодобавки в первом поддиапазоне от максимального до промежуточного уровня.When the voltage in the network 9 increases from the lowest to the nominal, the device reduces the duration of the conductive state of the first switch 3 from the switching period to zero, and at intervals of its current-free pauses, the second switch 4 is turned on, introducing the resistance of the first electric heating element of the additional electric heater into the secondary winding of the boost-up transformer 2 8. With this rheostatic-pulse regulation, a gradual decrease in the voltage of the voltage boost in the first sub-range from the maximum up to about the intermediate level.

При дальнейшем повышении напряжения в сети 9 от номинального до максимально пониженного уровня устройство при выключенном первом трехфазном ключе 3 уменьшает длительность проводящего состояния второго трехфазного ключа 4 от периода коммутации до нуля и на интервалах его бестоковых пауз вводит в цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 суммарное сопротивление первого и второго электронагревательных элементов дополнительного электронагревателя 8. Таким образом, в цепи вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 2 с частотой коммутации чередуется включение то одного, то двух сопротивлений. При этом происходит плавное уменьшение напряжения вольтодобавки во втором поддиапазоне от промежуточного до минимального уровня.With a further increase in voltage in the network 9 from the nominal to the lowest level, the device, when the first three-phase switch 3 is turned off, reduces the duration of the conductive state of the second three-phase switch 4 from the switching period to zero and introduces the total resistance of the first into the secondary circuit of the boost-up transformer 2 and the second electric heating elements of the additional electric heater 8. Thus, in the secondary circuit of the boost boost transformer pa 2 alternates with the frequency switching of the switch, the two resistors. In this case, a gradual decrease in the voltage of the voltage boost in the second sub-range from intermediate to minimum occurs.

Дополнительный нагревательный элемент 8 в режиме полной вольтоотбавки ограничивает дроссельный режим вольтодобавочного трансформатора 2 и исполняет роль защиты полупроводниковых ключей 3 и 4 от перенапряжений.An additional heating element 8 in the full voltage mode limits the throttle mode of the boost transformer 2 and plays the role of protecting the semiconductor switches 3 and 4 from overvoltage.

Наиболее рациональной областью применения являются молокозаводы, мясокомбинаты с двух- и трехтрансформаторными подстанциями, в производстве которых используются импортные автоматические линии, требующие высокого качества питающего напряжения, а в технологическом процессе используются нагревательные элементы для производства горячей воды и пара. Устройство может также найти применение на птицефабриках, молочно-товарных и животноводческих фермах, в энергосистемах поселков леспромхозов, на предприятиях по производству безалкогольных напитков.The most rational field of application is dairies, meat processing plants with two- and three-transformer substations, the production of which uses imported automatic lines that require high quality supply voltage, and in the technological process, heating elements are used to produce hot water and steam. The device can also find application in poultry farms, dairy farms and livestock farms, in the energy systems of the villages of timber industry enterprises, in enterprises for the production of soft drinks.

Claims

1. The voltage stabilizer of the transformer substations of the enterprise with waste energy recovery, the consumers of which include the main electric heater containing the boost transformer, the primary winding of which is connected to the network with some leads and the primary windings of all the power transformers of the substations of the enterprise, the secondary winding of the boost transformer alone leads connected to a three-phase diode bridge with the first key in its diagonal, and the other to the main electric heater and to the secondary winding of the power transformer of the additional substation, intended for the company's own needs, while the control input of the first key is connected to the first output of the control system, and the input of the control system through the voltage deviation sensor is connected to the secondary winding of the power transformer of the main substation supplying the most critical consumers enterprises, characterized in that an additional electric heater is introduced, connected to the diagonal of the three-phase diode bridge, and the second key h, the control input of which is connected to the second output of the control system, while the additional electric heater is made of two series-connected electric heating elements, a second key is connected in parallel to one of them, and the control system is configured to generate control pulses at the first and second outputs and in the process of reduction voltage of alternately regulating their duration from zero to the switching period, and first at the second output when the control signal changes to e input from maximum negative value to zero, and then at the first output when changing control signal at its input from zero to a maximum positive value.

2. The voltage stabilizer according to claim 1, characterized in that as part of the electric heating elements of the additional electric heater connected in series, part of the electric heating elements from the electric heater of another near the located enterprise is used.