Автоматизация Аржанников Б.А

Разработанная во ВНИИЖТе ступенчатая, замкнутая система автоматического регулирования напряжения (АРПН) для трансформатора ТДРУНГ-20000/110 с пределами регулирования ±4 х 2,5 %обеспечивает стабилизацию выпрямленного напряжения тяговых подстанций в диапазоне 3500–3700 В с погрешностью стабилизации напряжения ±75 В. Регулирование напряжения более мелкими ступенями, естественно, улучшает качество напряжения в тяговой сети, облегчает условия коммутации контактов, но увеличивает число переключений, достигающих в отдельные сутки 3000. Число переключений может быть снижено увеличением выдержки времени переключения механизма РПН в замкнутой системе или использованием разомкнутой системы регулирования напряжения с компенсацией изменения сетевого напряжения или тока нагрузки преобразователя. Однако при этом не обеспечивается желаемая высокая точность регулирования напряжения.

В устройстве, показанном на рис. 1.6, в качестве выключателей КМ1 и КМ2 (рис. 1.3) используются тиристорные ключи VS1 и VS2. Переключение ступеней происходит так же, как и в устройстве, показанном на рис. 1.3. Переключатель S имеет два подвижных контакта SAC1 и SAC2, подключенных каждый к своему тиристорному ключу. При этом переключается тот подвижный контакт, в цепи которого тиристорный ключ закрыт, ток не протекает.

Рис. 1.6. Принципиальная схема ступенчатого регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой (РПН)

с тиристорными ключами

Для исключения разрыва цепи тока импульсы управления на вступающий в работу тиристорный ключ подаются до закрытия выходящего из работы тиристорного ключа.

11

Лекция 2

Тиристорное регулирование напряжения

2.1.Ступенчатое тиристорное регулирование напряжения трансформаторов

Вмировой практике работы по созданию тиристорных регуляторов имеют два направления. Первое направление использует в коммутирующем контуре токоограничивающие элементы. Второе направление состоит в разработке сложных схем управления переключением тиристорных ключей в ответвлениях обмотки трансформатора с целью недопущения разрыва цепи рабочего тока трансформатора.

Схема переключающего устройства с токоограничивающим реактором LR показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Принципиальная схема с тиристорным РПН с одной ступенью регулирования

Устройство состоит из двух тиристорных ключей VS1 и VS2. Каждый ключ образован двумя тиристорами, включенными встречно-параллельно. Тиристорные ключи подключаются к ответвлениям х1 и х2 регулировочной обмотки трансформатора.

Пусть в исходном состоянии открыт тиристорный ключ VS2, а ключ VS1 закрыт. На выходе трансформатора напряжение холостого хода U20 максимальное. Для понижения напряжения подают импульсы управления на тиристорный ключ VS1 и снимают с ти-

12

ристорного ключа VS2. Ток первичной обмотки трансформатора переходит с тиристорного ключа VS2 на тиристорный ключ VS1.

За время переключения оба тиристорных ключа открыты, и в контуре, образованном тиристорными ключами и регулировочной обмоткой трансформатора, протекает циркулирующий ток Iц, ограниченный индуктивным сопротивлением реактора.

К недостаткам этой схемы следует отнести увеличение сопротивления агрегата за счет подключенного к трансформатору индуктивного сопротивления реактора при открытом тиристорном ключе VS1, а также ограниченный диапазон регулирования. При увеличении диапазона снижается плавность регулирования напряжения.

Снижение сопротивления агрегата уменьшением индуктивного сопротивления реактора может быть получено также в схеме рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципиальная схема с тиристорным РПН с включением реактора в контур ступени регулировочной

обмотки и тиристорных ключей

При открытом одном из тиристорных ключей VS1-VS2 сопротивление реактора минимальное. При переключении, когда открыты оба тиристорных ключа, сопротивление реактора LR для цепи циркулирующего тока по отношению к минимальному увеличивается в 4 раза.

В тиристорном переключающем устройстве РПН (рис. 2.1) обмотки реактора рассчитаны на длительное протекание номинального рабочего тока первичной обмотки трансформатора при

13

открытом тиристорном ключе VS1. В схеме рис. 2.6 обмотки рассчитываются так же на длительное протекание минимального тока первичной обмотки, но при минимальном сопротивлении реактора.

С целью упрощения схемы управления тиристорными ключами и снижения мощности реактора на рис. 2.3 приведена схема тиристорного переключающего устройства РПН с параллельным подключением токоограничивающего реактора к одному из тиристорных ключей.

Рис. 2.3. Принципиальная схема тиристорного РПН трансформатора с параллельным подключением реактора к тиристорному ключу

В схеме токоограничивающий реактор включен параллельно тиристорному ключу VS1. Если необходимо переключиться с ответвления х1 трансформатора на х2, то сначала снимаются импульсы управления с тиристорного ключа VS1. После закрытия тиристорного ключа VS1 ток протекает по реактору LR. Далее импульсы управления подаются на тиристорный ключ VS2. При обратном переключении сначала импульсы управления снимаются с тиристорного ключа VS2. После его закрытия рабочий ток протекает через реактор LR. Далее импульсы управления подаются на тиристорный ключ VS1, который шунтирует реактор.

Недостаток данного устройства заключается в том, что при работе на ответвлении x2 в регулировочной обмотке трансформатора протекает циркулирующий ток.

14

В рассмотренных ранее (рис. 2.1–2.3) тиристорных РПН трансформатора сигналы управления подаются на тиристоры вне зависимости от направления тока и полярности напряжения. В результате появляются моменты времени, когда открыты оба тиристорных ключа (вступающий в работу и выходящий из работы)

ипоявляется ток циркуляции, для ограничения которых в схему включен токоограничивающий реактор. Однако выбором определенной последовательности подачи импульсов управления на тиристоры можно избежать этого.

На рис. 2.4 приведено устройство, в котором в схему управления тиристорами (СУ) поступают сигналы от датчиков тока (ДТ)

иот датчика напряжения (ДН). Датчики тока фиксируют моменты перехода тока через ноль и подают сигнал в схему (на рис. 2.4 не показана) определения направления тока.

Рис. 2.4. Принципиальная схема тиристорного РПН трансформатора с зависимым от токов и напряжения способом переключения тиристоров

Датчик напряжения предназначен для определения полярности приложенного напряжения. Переключение ответвлений трансформатора всегда начинается при переходе тока через ноль, за счет чего достигается плавность переключений.

Такой способ подачи зависимой от токов и напряжения последовательности импульсов управления тиристорами исключает появление токов короткого замыкания в контуре коммутации и не допускает разрыва цепи тока нагрузки.

15

Рассмотренные устройства РПН трансформатора реализованы в однофазном и могут быть реализованы в трехфазном исполнении.

2.2.Тиристорное регулирование напряжения трансформаторов

Cигналы в системах автоматического регулирования могут быть непрерывными или дискретными и соответственно этому все САР подразделяются на системы непрерывного действия и дискретного действия.

Преобразование непрерывного сигнала в дискретный называется квантованием сигнала. Существует два основных вида квантования: по уровню и по времени. В соответствии с видами квантования системы автоматического регулирования делятся на три типа:

—релейные (амплитудные), при которых происходит изменение сигнала (например, выходной регулируемой величины) по уровню (амплитуде);

—импульсные, при которых происходит изменение сигнала по времени;

—амплитудно-импульсные с изменением сигнала одновременно по уровню и по времени.

На рис. 2.5 представлены формы сигналов «У» (выходной регулируемой величины), соответствующие трем типам САР.

Рис. 2.5. Формы сигналов выходной регулируемой величины

а— в релейных, б — импульсных, в — амплитудно-импульсных САР

А— амплитуда, Т — время периода, Ти — время импульса

При амплитудно-импульсном регулировании выходной сигнал «у» может быть разложен на непрерывную (заштрихована) и импульсную составляющие (рис. 2.6).

16

Рис. 2.6. Диаграммы первичного U1 и вторичного U2 напряжений трансформатора, управляющий сигнал хз, импульсная составляющая напряжения Uимп при импульсной модуляции:

а— на основной частоте, б — на высокой частоте,

в— на низкой частоте

Впроцессе импульсного и амплитудно-импульсного регулирования под воздействием управляющего сигнала происходит изменение импульсной составляющей выходной регулируемой величины.

Процесс изменения параметров электрического напряжения (тока) под воздействием изменяющего сигнала называется модулированием.

Втиристорных РПН применяются следующие виды импульсной модуляции:

— широтно-импульсная ШИМ (изменяется длительность импульсов при постоянной частоте (периоде) их следования,

— частотно-импульсная ЧИМ (изменяется частота следования импульсов при постоянной их длительности),

— частотно-широтно-импульсная ЧШИМ (изменяется частота и длительность импульсов).

По отношению модулирующей и основной (непрерывной сетевой) частот различают (рис. 2.6) импульсную модуляцию на ос-

новной частоте (ОЧ) fм = 2 fс, высокочастотную модуляцию (ВЧ) fм > 2 fс и низкочастотную модуляцию (НЧ) fм < 2 fс.

Вопрос плавности регулирования напряжения зависит от ряда условий и схем реализации.

17

При амплитудном (релейном) регулировании напряжения трансформатора плавность выполняется с большим количеством регулировочных ответвлений. Чем больше количество ответвлений — тем выше плавность регулирования. На практике выбирают рациональное сочетание между усложнением регулятора и требованиями нагрузки к разнице напряжений между соседними регулировочными ответвлениями трансформатора.

При импульсном регулировании изменяется соотношение длительностей работы регулятора напряжения на двух регулировочных ответвлениях трансформатора. И в этом случае для оценки плавности регулирования необходимо учитывать инерционность (постоянную времени) нагрузки. Модуляция на низкой частоте (рис. 2.6, в) применима для нагрузки с большой постоянной времени.

Для электрифицированных железных дорог наиболее приемлемым является амплитудно-импульсное регулирование, когда в нагрузку поступает постоянная составляющая на уровне напряжения холостого хода U20, к которой добавляется импульсная составляющая, например с уровнем 20 % от U20, за счет переключения двух регулировочных отводов трансформатора (на основной или на высокой или на низкой частотах). Для импульсной составляющей на низкой частоте (рис. 2.6, в) выполнимы следующие ограничения:

1 — синусоида напряжения U2 не «режется»,

2 — синусоиды низкого и высокого напряжения U2 поступают в нагрузку, чередуясь в течение периода регулирования (Тп) рис. 2.7, б, периодами высокого напряжения (Тв) и периодами низкого напряжения (Тн) рис. 2.7, а.

Рис. 2.7. Диаграмма напряжения U2 при ШИМ Тп — период регулирования, Тн и Тв — длительность

периодов с амплитудой низкого и высокого напряжения

18

Лекция 3

Плавное реакторное регулирование напряжения трансформаторов

На электрифицированных участках железных дорог используется бесконтактное регулирование выпрямленного напряжения, основанное на плавном изменении коэффициента трансформации по схеме на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Принципиальные схемы бесконтактного РПН: а — управляемыми, б — неуправляемым реакторами

Рис. 3.2. Внешние характеристики регулируемого преобразователя: а — однодиапазонного; б — трехдиапазонного. Естественные первого (I, 2), второго (3, 4) и третьего (5, 6) диапазонов регулирования напряжения; 7–10 — автоматические стабилизированные

19

По этой схеме разработаны и испытаны в составе системы автоматического регулирования напряжения преобразовательные трансформаторы ТДПУ (ТДРУ)-20000/35 (10), ТДП-16000/10, ТРДП-16000/10 мощностью 20000 и 16000 кВА на напряжение питающей сети 35 и 10 кВ для схем выпрямления «две обратные звезды с уравнительным реактором», трехфазных мостовых (шестипульсовой и двенадцатипульсовой). Основные параметры этих трансформаторов и управляемых реакторов и их общий вид указаны в приложении П.1.

Управляемый преобразовательный трансформатор (рис. 3.1, а) в этом случае состоит из собственно трансформатора и реактора (управляемый реактор УРI — управляемый реактор УР2). В процессе автоматического регулирования производят подмагничивание одного и размагничивание другого реактора.

Если УРI полностью намагничен, а УР2 размагничен, то напряжение питающей сети приложено к виткам ωα + ωβ обмотки трансформатора, и вторичное напряжение минимально. При размагничивании УРI и одновременном намагничивании УР2 вторичное напряжение увеличивается и достигает наибольшего значения, когда УРI полностью размагничен, а УР2 намагничен, так как в этом случае напряжение питающей сети прикладывается к наименьшему числу витков первичной обмотки ωβ.

Особенностью такого трансформатора является плавное изменение коэффициента трансформации по закону

где kβ = ωβ/ω2; kα = ωα/ω2; ρ — параметр, зависящий от режимов подмагничивания УР,

Вторичное напряжение холостого хода трансформатора изменяется в соответствии с отношением

20