2.6. Автоматичні регулятори коефіцієнтів трансформації

Спроби здійснення автоматичних регуляторів коефіцієнта трансформації (АРКТ) на електромеханічних реле не привели до створення працездатного автоматичного пристрою. Розроблені АРКТ на напівпровідниках успішно впроваджуються в експлуатації.

Відомі розробки регуляторів, виконані в Латвенерго, Мосенерго, в МЕІ і у ВЕІ імені В. І. Леніна. Вони розрізняються вимірювальною частиною і алгоритмом функціонування.

На рис. 2.15,а приведена схема вимірювального органу напруги регулятора МЕІ типу УАРТН-2М (пристрої автоматичного регулювання). Вимірювальний орган виконаний на стабилітронному елементі порівняння середнього значення напруги (U_0,вх) із заданим значенням і спільно з підсилювачами працює в режимі перемикання.

Рисунок 2.15-Схема і характеристики вимірювального органу автоматичного регулятора коефіцієнта трансформації: а - схема; б - характеристика; в - схема елемента стрічного регулювання напруги;

г - векторна діаграма

Схема порівняння має два виходи, напруги на яких практично (без урахування динамічного опору стабілітрона VD, відповідного робочій ділянці його характеристики, і/cT~const) рівні:

(2.25)

де k_д1, k_д2 - коефіцієнт дільників напруги на резисторах Rl, R2:

(2.26)

Згідно (2.25) і (2.26) напруга U_0,вих,1 змінює знак при напрузі U_о,вх меншому (характеристика 1 на рис. 2.15, б) ніж напруга U_о,вых,2 (характеристика 2). Завдяки діодам VD1, VD2 на виходах схеми робочими є тільки позитивна гілка першої і негативна гілка другої характеристики. На графіках показані напруги перемикання підсилювачів iiAiep і зона нечутливості вимірювального органу напруги, яка може змінюватися при настройці регулятора змінними резисторами Rl, R2. Напруга U_пер перемикання підсилювачів з початкового стану в кінцеве, еквівалентного релейній дії, визначає ступінь відмінності зони нечутливості від ступеня регулювання:

2U_нч = U_с,р +2U_перk_з

При U_пер U_с,р забезпечується висока точність регулювання напруги. Перемикання підсилювачів обумовлює дію виконавчих реле і забезпечує релейність дії регулятора в цілому.

На рис. 2.15, в, г приведена схема і векторні діаграми елемента установки негативної статизма зміни напруги U_ш,н на шинах низької напруги підстанції залежно від струму навантаження (елемента струмової компенсації). У зв'язку з помітним активним опором, особливо кабельних ліній живлення споживачів, передбачається відповідне налагодження схеми, що забезпечує зміну напруги U_вх на вході регулятора переважно у функції реактивного струму навантаження.

Структурна схема АРКТ типу УАРТН-2М, розробленого в МЕІ, при установці його на триобмотковому трансформаторі приведена на рис. 2.16,а. Регулятор в цілому має два вимірювальні органи напруги ВОН1, ВОН2 і проводить перемикання відгалужень обмотки вищої напруги U_Ш,В зміною низької напруги U_Ш,Н з контролем максимально допустимого значення середньої напруги U_Ш,С трансформатора.

Підсилювально-перетворююча частина регулятора виконана на модуляторах, що перетворюють постійні напруги на виходах елемента порівняння (див. рис. 2.15,а) в змінні, що змінюють фазу на протилежну при зміні знака U_о,вих,1 або U_о,вих,2, і підсилювачах змінного струму, позначених на схемі як підсилювачі з модуляторами АЕ1, АЕ2. Визначення фази напруг на виходах АЄ виробляється фазочутливими підсилювачами А1, А2, що працюють в режимі перемикання і в умовах максимальної чутливості, оскільки фази напруг на їх входах змінюються на кут .

По суті два комплекти регулятора утворюють відповідно канал регулювання КР напруги U_ш,н і канал контролю КК напруги U_ш,с· Вони взаємодіють через логічну частину ЛЧ регулятора, яка складається з елементів І, АБО елементів DT витримки часу.

Рисунок 2.16 - Структурні схеми автоматичних регуляторів коефіцієнта трансформації:

а - типу УАРТН-2М; б - типу БАУ РПН

На зниження напруги регулятор може діяти по будь-якому з двох каналів. Відгалуження перемикаються при перевищенні як низьким U_ш,н так і середнім U_ш,с напругами зони нечутливості регулятора:

елемент часу DT2 запускається через логічний елемент АБО. Проте на підвищення напруги регулятору дозволяється діяти тільки при умові що після перемикання середня напруга не перевищить допустиме значення: елемент часу DT1 запускається через логічний елемент І, тобто необхідна одночасна дія двох каналів на підвищення напруги. Витримка часу регулятора може встановлюватися до 1 хв. Виконавча частина регулятора складається з реле KL1 і KL2, що включають електродвигун УРПН.

На рис. 2.16,б приведена структурна схема АРКТ колишньої розробки Латвенерго, типу БАУ РПН (блоку автоматичного управління). Таким регулятором було забезпечено значну кількість трансформаторів. Вимірювальний орган напруги ВОН регулятора виконаний по часо-імпульсній схемі порівняння на тунельних діодах: релейність дії обумовлюється ділянкою прямої гілки характеристики діода, відповідною від’ємному динамічному опору. Імпульси схеми порівняння інтегруючими підсилювачами А1 і А2 перетворяться в постійні напруги U_о,вих,1,U_о,вих,1 при виході напруги на шинах підстанції за межі зони нечутливості регулятора.

Вимірювальна частина ВЧ регулятора впливає на виконавче реле KL1 і KL2 через логічну частину ЛЧ, що координує дії на підвищення і зниження напруги і створює витримку часу дії регулятора. Логічна частина забезпечує пріоритет дії регулятора на зниження напруги. Напруга U_о,вих,2 на виході підсилювача А2 (рис. 2.16,б) через елемент АБО запускає елемент витримки часу DT і поступає на один з входів елемента І (2). Після появи напруги на другому вході І (2) від елемента DT запускається виконавче реле KL2 і впливає на УРПН, знижуючого напругу на шинах підстанції.

Аналогічно запускає елемент витримки часу DT і напруга U_о,вих,1 на виході підсилювача А1. Проте дія від елемента DT на виконавче реле KL1, що запускає УРПН для підвищення напруги, може пройти через елемент І лише за відсутності дії на KL2, оскільки напруга на другому вході елемента І (1) обумовлюється елементом НЕ, вхід якого підключений до виходу І (2). Напруга на виході елемента НЕ має місця тільки за відсутності впливу на KL2.

Остання модифікація АРКТ типу АРТ-1Н Латвенерго представляє собою значно більш досконалий автоматичний пристрій, виконаний з врахуванням всіх вказаних (див. п. 2.5) особливостей автоматичного регулювання коефіцієнтів трансформації.

Рисунок 2.17 - Схема і графіки, що ілюструють дію вимірювальної частини автоматичного регулятора коефіцієнта трансформації типу АРТ-1Н: а - схема;

б-г - графіки

Схема і графіки на рис. 2.17,а-г ілюструють спосіб здійснення і дії вимірювальної частини регулятора. З випрямленої вхідної напруги U_вх [рівної сумі вторинної напруги U_ш,н на шинах низької напруги підстанції і напруги на елементах струмової компенсації (див. рис. 2.15,в, г)] схемою на діодах VD1, VD2, резисторі R і конденсаторі С1 виділяється змінна складова u_~,вх (рис. 2.17,б) (постійна складова U_о,вх виділяється на резисторі R). Максимальне від’ємне миттєве значення змінної, яка складає пропорційно середньому значенню U_о,вх випрямленої вхідної напруги. Змінна складова u_~,вх підсумовується з напругою u_нч, що має форму, близьку до прямокутної, сформованим з вхідної напруги стабілітронами VD3; резистор-конденсаторний ланцюг R2—С2 створює необхідний зсув по фазі основної гармоніки напруги u_нч щодо u_вх. Напруга u_нч створює зону нечутливості вимірювального органу: з суми напруг u_~,вх + u_нч виділяються від’ємні імпульси (рис. 2.17,в), які порівнюються з постійною напругою U_ст стабілітрона VD4 елемента порівняння, що включає транзистор VT (рис. 2.17,а). Якщо імпульс перевищує напругуU_ст., то транзистор VT відкривається і на виході елемента порівняння з'являється імпульсна напруга u_вих,і (рис. 2.17,г).

Напруга u_вих,і у вигляді послідовності імпульсів частотою 50 Гц (рис. 2.17,г) відповідає напрузі U_ш,н, що не виходить за межі зони нечутливості 2∆U_нч регулятора (див. рис. 2.14). При цьому сигнал на виході вимірювальної частини регулятора відсутній. Коли напруга U_ш,н підвищується і виходить за межі зони нечутливості (див. інтервал часу t₂ на рис. 2.14), максимальні миттєві значення менших імпульсів (рис. 2.17,в) також перевищують напругу стабілітрона і напругу U_вих.і на виході елемента порівняння (рис. 2.17,а) є послідовністю імпульсів частотою 100 Гц. Якщо напруга U_ш,н знижується і виходить за межі зони нечутливості (див. інтервали t₁ і t_per на рис. 2.14), то імпульси напруги u_вих,і відсутні.

При частоті імпульсів 100 Гц елементом РІ2 (типу розширювача імпульсів релейної дії ) вимірювальної частини ВЧ регулятора (рис. 2.18) формується потенційний сигнал U_вих,2, необхідний для дії регулятора на зниження напруги. За відсутності імпульсів елементом РІ1 з інверсією видається потенційний сигнал U_вих,1, по якому формується дія регулятора на підвищення напруги.

Таким чином, вимірювальна частина регулятора функціонує відповідно до вказаних вимог: формує сигнали по відхиленнях середнього значення регульованої напруги, володіє зоною нечутливості і релейністю дії, містить елемент струмової компенсації; коефіцієнти повернення релейних елементів практично рівні одиниці, оскільки при властивій розширювачам імпульсів високої чутливості спрацьовування і повернення визначаються появою або зникненням імпульсів U_вих,і на виході елемента порівняння. Зона нечутливості при U_с,т=const визначається напругою u_нч (див. рис. 2.17) і може змінюватися при настройці регулятора безперервно резистором R_y і автоматично дискретно перемиканням контактів реле KL1.1 і KL1.2 (див. рис. 2.17,а).

Регулятор коефіцієнта трансформації АРТ-1Н складається по суті з двох пристроїв — автоматичного регулятора АР і автоматичного пристрою керування і контролю АПКК, який складається з керованого генератора тактових імпульсів G і автоматичного пристрою контролю АПК, який створює ланка зворотного зв’язку ЗЗ.

Рисунок 2.18- Структурна схема автоматичного регулятора коефіцієнта трансформації типу АРТ-1Н

Генератор G забезпечує необхідні однократність і імпульсність дії регулятора на привідний механізм ПМ УРПН, а ланка зворотного зв'язку забезпечує координацію дії регулятора залежно від процесу перемикання відгалужень обмоток трансформатора і контроль справності регулятора і УРПН. Генератор G впливає на логічну частину ЛЧ регулятора і на АПК, функціонуючі по логічному алгоритму. Автоматичний пристрій контролю після кожної дії регулятора АР на привідний механізм ПМ змінює період проходження тактових імпульсів G і збільшує зону нечутливості вимірювального органу напруги ВОН.

При виході напруги U_ш,н за межі зони нечутливості напругою U_вих,1 або U_вих,2 запускається відповідний елемент витримки часу DT. Спрацьовування елемента часу запам'ятовується трігером Т, в який записується логічна одиниця під час вступу на вхід запису S через логічну схему І напруги від елемента DT і тактового імпульсу від G. Запам'ятовування необхідне для однократності впливу регулятора на привідний механізм ПМ. Через елемент ЗАБОРОНА сигнал з виходу трігера проходить на виконавче реле KL1 або KL2,яке запускає ПМ. Після початку процесу перемикання від ПМ поступає сигнал в АПК, яке:

відключає виконавче реле, подаючи логічну одиницю на інверсний вхід елемента І (заборонний сигнал);

знімає запам'ятовування (зчитує одиницю) з трігера Т, впливаючи на вхід R зчитування;

збільшує період проходження тактових імпульсів G до часу, що перевищує тривалість процесу перемикання одного відгалуження від обмоток трансформатора;

збільшує зону нечутливості регулятора.

Перераховані операції необхідні, як вказувалося, для перевірки справності регулятора і приводу УРПН. Якщо привід не запустився (не прийшов сигнал в АПК про початок процесу перемикання) або якщо до моменту появи імпульсу від G через збільшений період в АПК не поступить сигнал від ПМ про завершення процесу перемикання, то фіксується несправність приводу, повторний вплив регулятора на ПМ забороняється, видається інформація про його несправність.

Збільшенням зони нечутливості виробляється перевірка регулятора. Зокрема, при відхиленнях регульованої напруги, при яких необхідне перемикання не менше двох відгалужень обмоток трансформатора, збільшення зони нечутливості обумовлює відсутність сигналу справної вимірювальної частини після перемикання одного відгалуження. Тому зона нечутливості відновлюється і дозволяється наступний запуск приводу ПМ на перемикання другого відгалуження без повторної витримки часу (конденсатор елемента DT за час перевірки не розряджається). Якщо ж після збільшення зони нечутливості сигнал вимірювальної частини не знімається, то фіксується несправність регулятора, повторний запуск ПМ забороняється, видається інформація про несправність регулятора.

Описана дія регулятора APT-ІH показує підвищену структурну надійність і автоматичну діагностику системи регулювання, що відповідає сучасним вимогам до автоматичних систем регулювання.

У ВЕІ імені В. И. Леніна розроблений автоматичний регулятор коефіцієнтів трансформації трансформаторів і автотрансформаторів електростанцій, який виконується на інтегральних напівпровідникових елементах. Він призначений для автоматичних систем комплексного регулювання напруги і реактивної потужності електростанцій з шинами декількох напруг.