Включение трех секций обмотки.
Регуляторы напряжения на нагрузке с вольтодобавкой.
Допустим, имеем переменную однофазную сеть с нагрузкой. При условии, что линия электропередач длинная (у сети появляется распределенное активное сопротивление), то напряжение на нагрузке может существенно падать по отношению к напряжению сети, т.е.:
За счёт падения напряжения сопротивлении сети.
Существует ГОСТ, в котором говорится, что напряжение на нагрузке не может отличаться от напряжения сети более, чем на ±10%. Для осуществления данного госта в сетях, когда длинна проводов более двух километров, в цепь последовательно включают напряжение вольтодобавки:
В данной цепи напряжение на нагрузке будет равняться:
Данные напряжения комплексные, поскольку данная сеть синусоидальна, а значит может существовать угол сдвига фаз между напряжениями сети и вольтодобавки, в зависимости от формирования напряжения вольтодобавки.
В данном случае будем считать, что вектор напряжения вольтодобавки будет коллинеарен напряжению сети, т.е., если на комплексной плоскости построить вектор напряжения сети и направить его вдоль мнимой оси, то напряжение вольтодобавки может быть, как со-направлен, так и направлен противоположно вектору сети:
Знак напряжения вольтодобавки определяется следующим образом:
1) В случае, когда напряжение сети постепенно уменьшается, в сравнении с номинальным, используется повышающее напряжение.
|
|
|
2) В случае, когда напряжение становится больше номинального, для предотвращения выхода из строя потребителей, необходимо формировать отрицательное напряжение.
3) В случае, когда необходимо решать задачи энергосбережения (например, для экономии энергии на освещении по ночам).
Таким образом, необходимо создать источник регулируемого синусоидального напряжения, у которого будет минимальное кол-во гармоник (до 50), которые будут искажать форму синусоидального напряжения.
Рассмотрим способы построения подобных источников синусоидального напряжения. В прошлой лекции мы узнали, что, чем больше вторичных обмоток, тем больше комбинаций выходных напряжений мы получаем (4 комбинации при двух обмотках, около 13 при трех обмотках).
Метод формирования выходного напряжения преобразователя основан на использовании трансформатора с изолированными вторичными обмотками с разным коэффициентами трансформации и полупроводникового коммутатора. С помощью полупроводникового коммутатора реализуют различные необходимые последовательности. Включение вторичных изолированных обмоток трансформатора для получения на выходе различных уровней синусоидального напряжения.
|
|
|
Рассмотрим регулятор напряжения из диссертации Петрова:
Где 𝑈с и 𝑈н – напряжение на входных и выходных зажимах регулятора переменного напряжения соответственно, а 𝑈ш и 𝑈вд – соответственно напряжения на входных и выходных зажимах регулируемого трансформатора, 𝐼с и 𝐼н – соответственно токи на входе и выходе регулятора переменного напряжения, 𝑍н – сопротивление нагрузки. При этом полагаем, что вектора входных и выходных напряжений регулятора переменного напряжения, а также входных и выходных напряжений регулируемого трансформатора коллинеарные.
Как и на схеме в начале лекции имеем напряжение сети слева схемы, нагрузку справа и регулируемый трансформатор. Эта схема и есть идея получения напряжения вольтодобавки. На выходе трансформатора получаем напряжение вольтодобавки, которое складывается с напряжением сети и получаем напряжение на нагрузке. На входе трансформатора есть напряжение 𝑈ш, которое необходимо подать для дальнейшей работы схемы.
Предполагается, что соотношения, которыми будем пользоваться далее основаны на том, что напряжение вольтодобавки находится следующим образом:
|
|
|
Четыре основных схемы включения коэффициента трансформации между сетью и нагрузкой с двумя обмотками:
На рис. «а», можем наблюдать подключение первичной обмотки прямо к напряжению сети, то есть напряжение сети выполняет роль Uш, а напряжение не обмотке W2, выполняет роль вольтодобавочного напряжения.
Если обратить внимание на начала обмоток, которые обозначены точками, то можно заметить, что на рис. «а» из напряжения сети вычитается вольтодобавочное напряжение. Рисунок «в» отличается от рисунка «а» только подключением обмоток трансформатора, это означает, что направление вольтодобавочного напряжения изменено, и теперь происходит сложение напряжений. Таким образом, изменяя подключения обмоток, можем делать как понижающий, так и повышающий преобразователь.
Теперь рассмотрим рис «б» и «г»: один из концов первичной обмотки подключен к нагрузке, что влияет на энергетические показатели схемы. Схема «г» является повышающей, а схема «б» понижающей.
Таким образом, даже при наличии трансформатора с двумя обмотками, меняя способы подключения обмоток, получаем различные схемы. Далее увидим, что различные подключения обмоток и изменения числа витков позволяют получать различные регулировочные характеристики и, соответственно, напряжения на выходе.
|
|
|
Установленная мощность трансформатора определяется как произведение действующего значения тока на действующее значения напряжения для одной из обмоток трансформатора. Предполагается, что активных потерь в трансформаторе нет, следовательно, активные мощности обмоток одинаковы.
Ниже приведена таблица зависимостей этих токов и напряжений на отдельных элементах схемы в зависимости от коэффициента трансформации для всех четырёх схем:
Рассмотрим зависимости мощности передаваемой трансформатором для каждой из схем:
Если смотреть на рис «а», то наблюдаем понижающий преобразователь, то есть напряжение вольтодобавки вычитается из напряжения сети, то есть напряжение нагрузки меньше напряжения сети. В данной зависимости Sном – это мощность нагрузки при нулевом напряжении вольтодобавки, а Sтр , как и говорилось ранее – это произведение действующих тока и напряжения на одной из обмоток.
Графики показывают, что в зависимости от коэффициента трансформации или от того напряжения, которое хотим получить на нагрузке, изменяется установленная мощность трансформатора, при этом установленная мощность трансформатора для любой схемы при любом отношении напряжения нагрузки к напряжению сети (при любом коэффициенте трансформации) не превышает 25% значения мощности, которая передается в нагрузку при номинальном режиме. А для схемы рис «б», она не превышает даже 15% от мощности нагрузки.
Таким образом, при такой технологии управлении напряжением (с помощью вольтодобавки) мы можем регулировать на нагрузке во всем диапазоне от 0 до номинального напряжения, с помощью трансформатора, установленная мощность (которая влияет на габариты установки) которого намного меньше номинальной мощности нагрузки (25% и 15% соответственно). Скорее всего данное положительное свойство скажется и на коммутаторе.
Если говорить о повышающих преобразователях (рисунки «в» и «г»), то график другой, можем заметить, что он все время возрастает, поскольку мощность передаваемая в нагрузку возрастает, поскольку напряжение на нагрузке растёт. Скорее всего, учитывая ГОСТ, с учетом превышения напряжения не более, чем на 10-20%, установленная мощность будет 25-30% от номинальной мощности нагрузки.
Для получения различных уровней напряжения обмотки трансформатора можно включать согласно с другой обмоткой, выключать или включать встречно с другой обмоткой трансформатора.
Для этого введем функцию, которая может принимать три значения:
Шунтовая обмотка – первичная обмотка, подключенная к напряжению сети. Таким образом получили выражение (1.10) для получения коэффициента трансформации для любой комбинации обмоток. Знак полученного коэффициента трансформации так же отображает знак вольтодобавочного напряжения.
Наличие трех различных вариантов подключения обмоток, показывает, что для n секций обмоток, кол-во вариантов подключения определяется возведением 3 в степень n. Это количество включает в себя, как положительные, так и отрицательные коэффициенты трансформации.
Важно понимать, что при желании равномерного распределения коэффициентов трансформации в зависимости от подключения обмоток. Решение такой задачи можно получить с помощью MathCAD:
Идеальную кривую в данном случае получить невозможно, однако наблюдается приближение к идеалу.
Так же можно поставить задачу уменьшения кол-ва уровней, но приближению к идеалу:
В данном случае приближение к идеальной кривой больше, но количество ступеней меньше. Это пример того, что с коэффициентами можно «играться», тем самым реализовать более идеальную характеристику, для получения более идеальной кривой при минимальном количестве обмоток.
На рисунке 1.5 показано рассчитанное и идеальное распределение уровней вольтодобавочного напряжения для однотипного включения секций обмотки и для всех комбинаций включения секций обмотки соответственно. Рассчитанное распределение получено на основе следующих параметров: количество секций обмотки – 3, напряжение на обмотке – 220В, шаг регулирования – 5.57В, диапазон регулирования – 0-39В. Получено: коэффициенты трансформации секций – 𝐾тр1=5.55, 𝐾тр2=6.58, 𝐾тр3=8.39, максимальный и минимальный шаг регулирования – 10.72 В, 6.2В, диапазон регулирования – 0-39.6 В.
Таким образом, мы можем реализовать возможность получения управляемого коэффициента трансформации с помощью различных комбинации включения обмоток трансформатора с различными коэффициентами трансформации. Речь идет о трёх обмотках, поскольку мы можем получить в каждую сторону по 13 уровней регулируемого напряжения вольтодобавки, что дает нам возможность регулировать это напряжение достаточно плавно.
При четырёх обмотках количество уровней возрастает до 50, что позволяет выйти на практически непрерывное регулирование.
Рассмотрим способы получения комбинаций включения и выключения комбинаций с помощью трёх обмоток.
Полупроводниковый коммутатор – это коммутатор, который тем или иным способом способен переключать топологию схемы.
Рассмотрим самый простой случай – простейший п/п коммутатор (базовую ячейку коммутатора):
Возьмем одну секцию обмотки с числом витков W1. Этот коммутатор представляет из себя мост с четырьмя управляемыми тиристорными ключами, каждое из плечо – встречное параллельное включение двух тиристоров. Подключение встречное, поскольку форма напряжения – синусоидальная и один тиристор проводит ток только в одном направлении (или положительная или отрицательная полуволна).
Данный мост необходим для того, чтобы управлять п-п ключами VS. Если соединить выводы VS1a и VS1б в одну точку, и выводы VS2a и VS2б в другую точку, то получим тиристорный мост, в диагонали которого включена обмотка W1, таким образом, включая диагонально ключ VS1a и VS2б при выключенных ключах VS2a и VS1б, то мы увидим, что начало обмотки W1 через ключ VS1a подключено к левой части базовой ячейки своим началом, а конец обмотки W1 через ключ VS2б подключен к правой части ячейки. Если сделать обратное включение, то есть включить VS2a и VS1б, тогда начало обмотки W1, отмеченное точкой, будет подключено к правой части базовой ячейки, а конец к левой части. Таким образом с помощью диагонального включения, мы можем менять направление включение обмотки W1.
С другой стороны, если будем включать VS1a и VS2a, тогда обмотка W1 будет исключена из работы. Таким образом получаем три комбинации подключения ячейки, о которой мы говорили ранее.
Включение трех секций обмотки.
К трём базовым ячейкам, включенным последовательно подключены три обмотки: W1, W2, и W3 соответственно. Точки обмоток расположены относительно друг друга.
Если смотреть на первый тиристорный мост с обмоткой W1, то можно заметить, что этот мост, в зависимости от включенных пар тиристоров может включать обмотку W1 последовательно в цепь, при этом обмотка может включена точкой к левой части моста, а конец в правой части при включенных ключах VS1a и VS2б. С другой стороны, она будет подключена началом к правой части и концом к левой части при включенных ключах VS2a и VS1б. Третий вариант – это включение VS1a и VS2а, тем самым отключая данную обмотку из схемы.
Аналогично справедливо и для оставшихся тиристорных мостов, таким образом данная схема позволяет реализовать, в зависимости от управления ключами, любую комбинацию включения этих обмоток.
Такое построение коммутатора называется – Коммутатор первого типа.
Если мы хотим отключить обмотки (обеспечить нулевое напряжение вольтодобавки), необходимо выполнить третий вариант подключения всех трех обмоток, т.е. включить верхнюю линейку тиристорных ключей.
При любой комбинации включенных обмоток, последовательно с обмотками будет находиться 6 пар включенных тиристорных ключей. Причём на каджом ключе падает 1.5В, то есть 10В – суммарное падение на тиристорных ключах.
Можем наблюдать 27 комбинаций, из которых Байпас – исключение всех обмоток из соединения, остальные комбинации делятся пополам на комбинациями с отрицательными коэффициентами трансформации и с положительными коэффициентами трансформации. Что значит, что регулятор может работать, как повышающий так и как понижающий.
Для оптимизации кол-ва ключей включенных одновременно при работе обмоток можно использовать данную схему:
В данной схеме концы обмоток соединены через один ключ, а не через пару, как было показано ранее, т.е. начало обмотки W1 и конец обмотки W2 соединены через ключ VS2а и т.д. схема упрощается с точки зрения использования тиристорных ключей, при этом в этой схеме при любом сочетании обмоток W1, W2, W3, проводят 4 тиристорных ключа вместо 6.
Однако данное упрощение уменьшает возможное кол-во комбинаций обмоток, поскольку мы не можем осуществить все комбинации подключения обмоток W1 и W2. Если посмотреть, то обмотки подключены к противоположным плечам и суммарное кол-во уровней уменьшается до 15, включая Байпас:
Следующая схема, КОМ 2.
Если убрать перекрестные ключи, то данная схема превратится в схему КОМ3. При включении данных ключей в схему, мы оставляем 4 одновременно включенных ключа при любой комбинации включенных обмоток, а так же способны осуществить все 27 комбинаций, как в схеме КОМ1, при этом кол-во ключей будет тем же самым.
В КОМ2 по сравнению с КОМ3 решена задача кол-ва комбинаций.
Впринципе, кол-во ключей можно уменьшать, при условии, что не все комбинации будут использоваться. При необходимости только увеличения или только уменьшения – мы можем убрать ненужные ключи.
Дата добавления: 2023-01-08; просмотров: 18; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!