RU2608831C1

RU2608831C1 - Device for reduction of losses during voltage transformation

Info

Publication number: RU2608831C1
Application number: RU2015133937A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Косолапов
Original assignee: Александр Михайлович Косолапов
Priority date: 2015-08-13
Filing date: 2015-08-13
Publication date: 2017-01-25

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention can be applied to electrical engineering. Device contains two different power transformers, input and output switches units, control unit and current conversion unit. Said control, input and output switches, and current conversion units for each i-th phase contain i-th subunits. Inputs of i-th control subunit are connected to current converters unit i-th subunit output, and outputs are connected to input and output switches i-th subunits control inputs, which connect each from higher power transformer i-th phases to voltage source i-th phase and to load. By i-th phase input lower power transformer is connected to voltage source i-th phase and to first power input of input switch i-th subunit, and by i-th phase output is connected to load i-th phase and to output switch i-th subunit second power input via current input of current converters unit i-th subunit, which first power input is connected to higher power transformer i-th phase output, connected by i-th phase input to second power input of i-th subunit input circuit breaker.

EFFECT: higher reliability, expanded range of operating voltages and reduced power losses during transformation of voltage for sources and loads different by power, nature and symmetry degree.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в различных установках с силовыми трансформаторами, источниках питания от сети переменного тока, в частности в трансформаторных подстанциях, работающих с большими изменениями нагрузки во времени, когда снижение потерь холостого хода имеет большое значение.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in various installations with power transformers, AC power supplies, in particular in transformer substations operating with large changes in load over time, when reducing idle losses is of great importance.

Известны устройства и способ уменьшения потерь энергии при трансформации напряжения в низковольтных сетях, заключающийся в изменении режимов работы трансформаторов в трансформаторных подстанциях (ТП) путем периодического отключения одного из трансформаторов (К.К. Волчков, В.А. Козлов. Эксплуатация сооружений городской электрической сети, - 2-е изд., перераб. - Л.: Энергия, Ленингр. отделение, 1979. С. 265-271).Known devices and a method of reducing energy loss during voltage transformation in low-voltage networks, which consists in changing the operating modes of transformers in transformer substations (TP) by periodically shutting down one of the transformers (KK Volchkov, VA Kozlov. Operation of the urban electric network facilities , - 2nd ed., Revised. - L .: Energy, Leningrad Branch, 1979. S. 265-271).

Основными недостатками такого решения являются: снижение надежности работы системы и качества поставляемой энергии при быстрых изменениях нагрузки, невозможность его применения при случайно изменяющейся нагрузке.The main disadvantages of this solution are: a decrease in the reliability of the system and the quality of the supplied energy during rapid changes in the load, the impossibility of its use in case of a randomly changing load.

Прототипом предложенного устройства является устройство (патент RU 2224344) для снижения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения трансформаторной подстанции, содержащее два трансформатора разной мощности, подключенные через четыре силовых выключателя с приводами к сети высокого напряжения и к нагрузке, датчик мощности, включенный в силовую трехфазную сеть на стороне высокого напряжения трансформаторов, а также силовой выключатель с приводом, в замкнутом состоянии подключающий ее к одному из двух трансформаторов, а в разомкнутом состоянии позволяющий каждому трансформатору подстанции работать на свою нагрузку, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит нечеткий логический контроллер, датчики положения контактов силовых выключателей с приводами и дифференциатор сигнала мощности, выходы которых соединены с входами нечеткого логического контроллера, выход датчика мощности подключен к входу нечеткого логического контроллера и к входу дифференциатора, а выходы нечеткого логического контроллера соединены с приводами силовых выключателей, при этом нечеткий логический контроллер формирует функциональную зависимость моментов срабатывания силовых выключателей с приводами от величины мощности нагрузки, знака ее производной и положения контактов силовых выключателей с приводами, исходя из условия минимизации потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения.The prototype of the proposed device is a device (patent RU 2224344) for reducing energy losses in low voltage networks of a transformer substation, containing two transformers of different power, connected through four power switches with drives to the high voltage network and to the load, a power sensor included in the three-phase power network on the high voltage side of the transformers, as well as a power switch with a drive, in the closed state connecting it to one of the two transformers, and in the open A state that allows each transformer of the substation to operate on its own load, characterized in that it additionally contains a fuzzy logic controller, position sensors of contacts of power switches with drives and a power signal differentiator, the outputs of which are connected to the inputs of a fuzzy logic controller, the output of the power sensor is connected to the input of a fuzzy logic controller and to the input of the differentiator, and the outputs of the fuzzy logic controller are connected to the drives of the circuit breakers, while the fuzzy th logic controller forms a functional dependency moments tripping circuit breakers with actuators on the magnitude of the power load, the sign of its derivative and position contacts of circuit breakers with actuators based on the condition of minimizing electrical power losses in the low voltage networks.

Основным недостатком прототипа является низкая реальная эффективность и надежность. Это обусловлено необходимостью выполнения большого числа переключений на выходах и, особенно, на высоковольтных входах каждого из трансформаторов при одновременно больших значениях напряжений и токов, что практически ограничивает его широкое применение, в частности, в сетях высокого напряжения. Стоимость выключателей для больших значений напряжений и токов больше стоимости трансформаторов, а их совокупная надежность меньше, чем у трансформаторов.The main disadvantage of the prototype is the low real efficiency and reliability. This is due to the need to perform a large number of switching at the outputs and, especially, at the high-voltage inputs of each of the transformers at the same time with large values of voltages and currents, which practically limits its widespread use, in particular, in high voltage networks. The cost of circuit breakers for large voltages and currents is greater than the cost of transformers, and their combined reliability is less than that of transformers.

Устройства, реализующие способ-прототип, принципиально не позволяют использовать параллельную работу обоих трансформаторов на общую нагрузку, а сравнительно небольшое отклонение от симметрии, например, в трехфазной системе нарушает их работоспособность.Devices that implement the prototype method fundamentally do not allow the parallel operation of both transformers for the total load, and a relatively small deviation from symmetry, for example, in a three-phase system violates their performance.

Кроме того, устройство-прототип не может использоваться при значениях реактивной Q составляющей 10-20% полной мощности S нагрузки. Например, переключение нагрузки с трансформатора меньшей мощности на трансформатор большей мощности с допустимыми максимальными мощностями Р1 и Р2 при (10Р1=Р2), по результатам измерения активной мощности, должно происходить при пороге 0,85 Р1, тогда при |Q|=|2⋅Р1|<<|Р1+Р2| трансформатор меньшей мощности будет работать в режиме не допустимой перегрузки, несмотря на относительно малые активную в 0,1 Р1 и реактивную Q=0,2⋅Р2 составляющие нагрузки, так как

, но подключаться второй трансформатор не будет, пока активная составляющая меньше порогового уровня при пороге 0,85 P1.In addition, the prototype device cannot be used with reactive Q values of 10-20% of the total load power S. For example, switching the load from a transformer of lower power to a transformer of higher power with permissible maximum powers of P1 and P2 at (10P1 = P2), according to the results of measuring the active power, should occur at a threshold of 0.85 P1, then at | Q | = | 2⋅ P1 | << | P1 + P2 | a transformer of lower power will operate in an unacceptable overload mode, despite the relatively small load components active at 0.1 P1 and reactive Q = 0.2⋅P2, since

but the second transformer will not be connected until the active component is less than the threshold level at a threshold of 0.85 P1.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого устройства, заключается в устранении отмеченных недостатков, в повышении надежности, расширении диапазона рабочих напряжений, в более широком диапазоне изменения характеристик источника напряжения и нагрузки по величине, характеру и отклонению от симметрии, по сравнению с прототипом.The technical result achieved by the implementation of the proposed device is to eliminate the noted drawbacks, to increase reliability, expand the range of operating voltages, in a wider range of changes in the characteristics of the voltage source and load in magnitude, nature and deviation from symmetry, compared with the prototype.

Требуемый технический результат обеспечивается за счет введения новых элементов и связей входов и выходов трансформаторов с источником электроэнергии, нагрузкой и выключателями следующим образом.The required technical result is ensured by introducing new elements and connections of the inputs and outputs of the transformers with an electric power source, load and circuit breakers as follows.

Устройство уменьшения потерь энергии при трансформации напряжения, содержащее два трансформатора разной мощности, входной и выходной блоки выключателей, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами блоков выключателей, первый и второй силовые входы входного блока выключателей соединены соответственно с источником напряжения и входом трансформатора, с выходом которого соединен первый силовой вход выходного блока выключателей, связанного вторым силовым входом с нагрузкой, отличается тем, что дополнительно введен блок преобразования тока, а блоки управления, входных и выходных выключателей, преобразователей тока для каждой i-й фазы содержат i-е субблоки, входы i-го субблока управления соединены с выходом i-го субблока блока преобразователей тока, а выходы соединены с управляющими входами i-х субблоков входного и выходного выключателей, первый и второй силовые входы i-го субблока входного блока выключателей соединены соответственно с i-й фазой источника напряжения и i-м фазным входом трансформатора, с i-м фазным выходом которого соединен первый силовой вход i-го выходного выключателя, второй силовой вход которого соединен с i-й фазой нагрузки, трансформатор меньшей мощности i-м фазным входом соединен с i-й фазой источника напряжения и первым силовым входом i-го входного выключателя, а i-м фазным выходом соединен через токовый вход i-го субблока блока преобразователей тока с i-й фазой нагрузки и вторым силовым входом i-го выходного выключателя.A device for reducing energy loss during voltage transformation, containing two transformers of different power, input and output switch blocks, a control unit whose outputs are connected to the control inputs of the switch blocks, the first and second power inputs of the input switch block are connected respectively to the voltage source and the input of the transformer, with the output of which is connected to the first power input of the output block of switches connected by the second power input to the load, characterized in that it is additionally introduced the current conversion unit, and the control units, input and output switches, current converters for each i-th phase contain the i-th subunits, the inputs of the i-th control subunit are connected to the output of the i-th subunit of the current transducer block, and the outputs are connected to the control inputs ith subunits of input and output switches, the first and second power inputs of the i-th subunit of the input block of switches are connected respectively to the i-th phase of the voltage source and the i-th phase input of the transformer, with the i-th phase output of which is connected the first power the input of the i-th output switch, the second power input of which is connected to the i-th phase of the load, the transformer of lower power with the i-th phase input is connected to the i-th phase of the voltage source and the first power input of the i-th input switch, and the i-th phase the output is connected through the current input of the i-th subunit of the block of current converters with the i-th phase of the load and the second power input of the i-th output switch.

Схема трехфазного устройства снижения потерь энергии при трансформации напряжения приведена на фигуре 1, где введены следующие обозначения 1, 2 - трансформаторы меньшей и большей мощности (в общем случае многофазные), 3 и 4 - входной и выходной блоки выключателей, 5 - блок управления, 6 - блок преобразователей тока, 7 и 8 - источник напряжения и нагрузка соответственно, субблоки 9-11 и 12-14, 15-17, 18-20 соответственно в составе блоков входных и выходных выключателей 3 и 4, управления 5, преобразователей тока 6, из которых для каждой i-й фазы образуется i-я система управления выключателями.A diagram of a three-phase device for reducing energy loss during voltage transformation is shown in Figure 1, where the following designations are introduced 1, 2 - transformers of lower and higher power (in general, multi-phase), 3 and 4 - input and output switch blocks, 5 - control unit, 6 - block of current converters, 7 and 8 - voltage source and load, respectively, subunits 9-11 and 12-14, 15-17, 18-20, respectively, as part of the blocks of input and output switches 3 and 4, control 5, current converters 6, of which for each i-th phase the i-th system is formed and switch control.

Принцип действия для трехфазного устройства, показанного на фиг. 1, следующий. Напряжение 1-й фазы от источника 7 поступает через субблок 9 блока выключателей 3 на вход 1-й фазы трансформатора 2 и непосредственно на вход 1-й фазы трансформатора 1, выходной ток 1-й фазы которого через субблок 18 блока преобразователей тока 6 поступает на нагрузку 1-й фазы в блоке 8. Выходной ток 1-ой фазы трансформатора 2 через субблок 12 блока выключателей 4 также поступает на нагрузку 1-й фазы в блоке 8. Субблок 17 в составе блока управления 5 сравнивает сигнал от субблока 18, соответствующий току нагрузки 1-й фазы от трансформатора 2 с заданными значениями порогового уровня по току. Если ток нагрузки 1-й фазы от трансформатора 2 увеличивается и становится больше первого порогового уровня, то сигналы от субблока 17 блока управления 5 сначала замыкают выключатель 9, а затем выключатель 12, входящий в состав входного и выходного блоков 3 и 4. Поэтому при указанном условии ток на нагрузку 1-й фазы в блоке 8 будет поступать от обоих трансформаторов 1 и 2.The principle of operation for the three-phase device shown in FIG. 1, next. The voltage of the 1st phase from the source 7 is supplied through the subunit 9 of the block of switches 3 to the input of the 1st phase of the transformer 2 and directly to the input of the 1st phase of the transformer 1, the output current of the 1st phase of which passes through the subunit 18 of the block of current transformers 6 to the load of the 1st phase in block 8. The output current of the 1st phase of transformer 2 through the subunit 12 of the block of switches 4 also enters the load of the 1st phase in block 8. Subunit 17 as part of the control unit 5 compares the signal from subunit 18 corresponding to the current 1st phase load from transformer 2 with specified values threshold level current. If the load current of the 1st phase from the transformer 2 increases and becomes greater than the first threshold level, then the signals from the subunit 17 of the control unit 5 first close the switch 9, and then the switch 12, which is part of the input and output blocks 3 and 4. Therefore, with the indicated On condition, the current to the load of the 1st phase in block 8 will come from both transformers 1 and 2.

Если ток через нагрузку 1-ой фазы от трансформатора 2 убывает и становится меньше заданного значения второго порогового уровня по току, то сигналы от субблока 17 блока преобразователей 5, размыкают сначала выключатели 12 в составе выходного блока 4, а затем 9 в составе входного блока 3, в результате ток через нагрузку 1-й фазы в блоке 8 будет протекать только от трансформатора 1. Подобным образом происходит установление режимов работы трансформаторов 1 и 2 по всем фазам.If the current through the load of the first phase from the transformer 2 decreases and becomes less than the specified value of the second threshold current level, then the signals from the subunit 17 of the converter unit 5 first open the switches 12 as part of the output unit 4, and then 9 as part of the input unit 3 As a result, the current through the load of the 1st phase in block 8 will flow only from the transformer 1. In a similar way, the operation modes of transformers 1 and 2 are established for all phases.

В основе блока преобразователей тока 6 может использоваться типовой преобразователь тока с одним или несколькими гальванически разделенными входами и цифровым или аналоговым выходом, например, по действующему значению. Блок управления 5 может быть выполнен, как и для прототипа, на основе контроллера либо на основе нескольких типовых логических схем и пороговых элементов с заданными порогами срабатывания.At the heart of the block of current transducers 6 can be used a typical current transducer with one or more galvanically separated inputs and a digital or analog output, for example, according to the actual value. The control unit 5 can be performed, as for the prototype, on the basis of the controller or on the basis of several typical logic circuits and threshold elements with predetermined thresholds.

Выключатели в цепи высокого напряжения работают в режиме почти нулевого тока при замыкании и размыкании, что существенно повышает надежность их работы и упрощает реализацию, позволяет расширить диапазон входных напряжений.The switches in the high voltage circuit operate in almost zero current mode when closing and opening, which significantly increases the reliability of their work and simplifies the implementation, allows you to expand the input voltage range.

Предложенное устройство по сравнению с прототипом позволяет расширить диапазон изменения реактивных составляющих нагрузки, в котором обеспечивается работоспособность, снизить требования к допустимой асимметрии многофазной системы, повысить надежность и упростить реализацию, так как требуется меньшее количество выключателей, особенно на высоковольтном входе.The proposed device in comparison with the prototype allows you to expand the range of changes in the reactive components of the load, which ensures operability, reduce the requirements for permissible asymmetry of a multiphase system, increase reliability and simplify implementation, since fewer switches are required, especially at the high-voltage input.

Предпочтительной областью применения являются системы с трансформаторами, работающие с частыми и значительными изменениями нагрузки во времени, когда снижение потерь имеет большое значение.The preferred field of application is transformer systems operating with frequent and significant changes in load over time, when loss reduction is of great importance.

Claims

A device for reducing energy loss during voltage transformation, containing two transformers of different power, input and output switch blocks, a control unit whose outputs are connected to the control inputs of the switch blocks, the first and second power inputs of the input switch block are connected respectively to the voltage source and the input of the transformer, with the output of which is connected to the first power input of the output block of switches connected by the second power input to the load, characterized in that a current conversion unit, and control units, input and output switches, current converters for each i-th phase contain the i-th subunits, the inputs of the i-th control subunit are connected to the output of the i-th subunit of the current transducer block, and the outputs are connected to control the inputs of the i-th subunits of the input and output circuit breakers, the first and second power inputs of the i-th subunit of the input block of switches are connected respectively to the i-th phase of the voltage source and the i-th phase input of the transformer, with the i-th phase output of which the first power the ith input of the i-th output switch, the second power input of which is connected to the i-th phase of the load, the transformer of lower power, the i-th phase input is connected to the i-th phase of the voltage source and the first power input of the i-th input switch, and the i-th a phase output is connected through the current input of the i-th subunit of the block of current converters with the i-th phase of the load and the second power input of the i-th output switch.