СПОСОБ ЗАДАНИЯ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЕ Российский патент 1994 года по МПК H02M5/22 G01R29/16 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для выполнения образцовых источников трехфазных напряжений с регулируемой несимметрией, необходимых для проведения поверочных и градуировочных работ измерителей несимметрии, а также для физического моделирования электрических сетей с несимметричными режимами.

Известен способ задания несимметрии напряжений в трехфазной системе, основанный на предварительном симметрировании исходной трехфазной системы на основной частоте с последующим изменением амплитуды одного из ее фазных напряжений [1] . Для анализа данного способа воспользуемся уравнениями разложения метода симметричных составляющих
+ (I) где , , - фазные напряжения исходной трехфазной системы;
, , - соответственно симметричные составляющие напряжений нулевой, прямой и обратной последовательностей (по фазе А).

Первая операция данного способа - симметрирование исходной системы трехфазных напряжений. Представим результаты симметрирования в виде очевидных соотношений
(2) где - амплитуда симметричного напряжения;
a = e= e= -1/2+j/2
После подстановки соотношений (2) в уравнения (1) получаем:
= 1/3(1+a²+a) = 0;
= 1/3(1+a³+a³) = U;
= 1/3(1+a⁴+a²) = 0.

Действительно, система симметрична, так как параметры несимметрии и равны нулю и =. Изменим затем одно из фазных напряжений, например , на величину . Подставим его новое значение (+ ) уравнения в (1). (3)
По соотношениям (3) видно, что значение несимметрии однозначно определяется значением приращения : амплитуды нулевой и обратной последовательностей изменяются от нуля до 1/3 . При этом прямая последовательность изменяется от до U+ 1/3 .

Суммируя левые и правые части (3), получим
= ++(-) (4)
Соотношение (4) показывает, что способ не позволяет получать несимметричную систему с нормированием несимметрии по одному параметру, например напряжению обратной или нулевой последовательности, так как приращение амплитуды одного фазного напряжения симметричной трехфазной системы вызывает одновременное изменение всех трех последовательностей с одинаковым и неизменным весовым коэффициентом. Это ограничивает возможности задания нормированной несимметрии. Кроме того, необходимо предварительное симметрирование исходной трехфазной системы, что ограничивает точность способа, приводит к дополнительным аппаратурным и технологическим затратам.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, реализованный в источнике трехфазного напряжения с регулируемой несимметрией [2]. Он основан на раздельном формировании напряжений постоянного тока, значения которых пропорциональны нормируемым значениям прямой, обратной и нулевой последовательностей, их пофазной модуляции симметричным трехфазным напряжением на основной частоте с последующими фазоповоротами модулированных напряжений. Эти напряжения используются в качестве эталонных симметричных составляющих трех последовательностей, которые суммируют по одноименным фазам и образуют трехфазное напряжение с заданной несимметрией.

Этот способ обеспечивает выставление нормируемых значений несимметрии с любым весовым коэффициентом по каждой последовательности раздельно и независимо друг от друга, что расширяет по сравнению со способом-аналогом возможности задания.

Прототип имеет ряд недостатков. Амплитуды эталонных симметричных составляющих оцениваются произведениями
= U_Э1; = U_Э2; = U_Э0, где - амплитуда модулирующего фазного напряжения;
U_Э1, U_Э2, U_Э0 - образцовые (эталонные) значения напряжений постоянного тока, выступающих в роли независимых весовых коэффициентов и пропорциональных ноpмируемым значениям несимметрии , , при условии, что модуляция осуществлена идеально, выставка напряжений U_Э1, U_Э2, U_Э0 произведена без погрешностей и трехфазная система модулируемого напряжения симметрична.

Однако нарушение симметрии модулирующего напряжения на практике неизбежно, что вызывает появление мультипликативных погрешностей при модуляции напряжений U_Э1, U_Э2, U_Э0. При этом число источников такой погрешности будет не менее семи, так как одновременно выполняют семь раздельных операций модуляции. Дополнительно вносят погрешность четыре операции фазоповорота на различные углы. Все это снижает потенциальную точность задания нормируемой несииметрии.

Целью изобретения является повышение точности задания нормируемых значений несимметрии.

Это достигается тем, что по способу задания несимметрии напряжений в трехфазной системе, основанной на формировании эталонных составляющих напряжений различных последовательностей с возможностью изменения амплитуд каждой из них и последующем преобразовании их совокупности в несимметричную трехфазную систему напряжений, эталонные составляющие по каждой последовательности формируют однофазными на основной частоте и синфазными между собой, из них получают путем прибавления друг к другу эталонных составляющих всех последовательностей первое фазное напряжение задаваемой трехфазной системы и два вспомогательных ортогональных напряжения, причем так, что первое из них совмещают по фазе с первым фазным напряжением и по амплитуде устанавливают равным эталонной составляющей напряжения нулевой последовательности, уменьшенной на полусумму амплитуд эталонных составляющих напряжений прямой и обратной последовательностей, а второе устанавливают равным амплитуде эталонной составляющей напряжения прямой последовательности, уменьшенной на амплитуду эталонной составляющей напряжения обратной последовательности, затем второе фазное напряжение задаваемой трехфазной системы формируют как разность первого и увеличенного в /2 раз второго ортогональных напряжений, и третье - как сумму последних.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления предложенного способа; на фиг. 2 - векторная диаграмма напряжений.

Согласно методу симметричных составляющих, любая несимметричная трехфазная система может быть получена как композиция трех эталонных симметричных трехфазных систем напряжений прямой обратной и нулевой последовательностей путем суммирования их по одноименным фазным напряжениям
(5)
Учитывая, что
= a; = a;
= a; = a;
= = = ,
можно получить известные соотношения
(6) которые можно взять в основу алгоритма формирования несимметричной системы. Здесь в качестве исходных фигурируют одноименные фазные напряжения по одному от каждой симметричной составляющей. Однако при этом необходимо осуществить фазоповороты векторов фазных напряжений на углы, кратные 120 или 30 эл.град.

Подставим в соотношения (6) значения a = -1/2+j/2; a²= -1/2-j/2.

Для упрощения обозначим

Получим

(7)
Совместим фазные напряжения , , по фазе, тогда выражения (7) можно представить следующими уравнениями:
(8) где
R_e= U₀- 1/2(U₍₁₎+ U₍₂₎);
J_m= /2(U₍₁₎- U₍₂₎).

Видно, что фазное напряжение представляет алгебраическую сумму синфазных напряжений U₍₀₎, U₍₁₎, U₍₂₎ и совпадает по фазе с последними. Каждое напряжение и представлено двумя ортогональными составляющими, равными по амплитуде, причем первые составляющие равны между собой по амплитуде и совпадают по знаку, вторые также равны между собой по амплитуде, но по знаку противоположны. Тогда алгоритм предлагаемого способа описывается следующим образом.

1. Формируют три однофазных эталонных напряжения на основной частоте (синфазных между собой) с возможностью изменения амплитуд нормируемых напряжений соответственно нулевой, прямой и обратной последовательностей.

2. Суммируют данные эталонные напряжения и принимают результирующее напряжение за первое фазное напряжение задаваемой несимметричной системы.

3. Суммируют два эталонных напряжения, равных по амплитуде соответственно нормируемым напряжениям прямой и обратной последовательностям, и делят это суммарное напряжение пополам.

4. Формируют первое вспомогательное напряжение. Для этого вычитают из эталонного напряжения, равного нормируемому по амплитуде напряжению нулевой последовательности, полусумму эталонных напряжений, равных по амплитуде нормируемым напряжениям прямой и обратной последовательностей, полученную по п. 3.

5. Вычитают из эталонного напряжения, равного нормируемому по амплитуде напряжению прямой последовательности, эталонное напряжение, равное нормируемому напряжению обратной последовательности.

6. Формируют второе вспомогательное напряжение, ортогональное первому вспомогательному напряжению. Для этого напряжение соответствующее разности амплитуд эталонных напряжений прямой и обратной последовательностей, полученных по п. 4, сдвигают на 90 эл. град. по фазе.

7. Вычитают из первого вспомогательного напряжения, полученного по п. 4, ортогональное ему второе вспомогательное напряжение, полученное по п. 6, и принимают результирующее напряжение за второе фазное напряжение задаваемой несимметричной системы.

8. Суммируют первое вспомогательное напряжение с ортогональным ему вторым вспомогательным напряжением и принимают результирующее напряжение за третье фазное напряжение задаваемой несимметричной системы.

Схема устройства для осуществления способа (см. фиг. 1) содержит генератор однофазного синусоидального напряжения (ГОСН) 1, три делителя напряжения (ДН) 2-4, приборы контроля (ПК) 5, первый 6, второй 7, третий 8, четвертый 9, пятый 10 и шестой 11 суммирующие усилители (УС), инвертор 12 и фазовращатель 13 на 90 эл.град. с прямым и инверсным выходами. Первый УО 6 - трехвходовый, с коэффициентами усиления по каждому входу равными единице. Второй УС 7 - двухвходовый, с коэффициентами усиления по каждому входу равным 1/2 и снабжен инверсным выходом. Третий УС 8 также снабжен двумя входами с коэффициентами усиления по каждому из них равным 3/2. Четвертый УС 9, пятый УС 10 и шестой УС 11 - двухвходовые, с коэффициентом усиления по каждому входу равным единице. Выходы УС 6, 10 и 11 подключены к выходам А, В, С устройства. Выход ГОСН 1 подключен к входным зажимам ДН 2-4. К выходам последних подключены ПК 5. Первый, второй и третий входы УС 6 присоединены к выходам соответственно ДН 2-4. Первый и второй входы УС 7 соединены с выходами соответственно ДН 3 и 4. Вход инвертора 12 подключен к выходу ДН 4, а выход - к одному из входов УС 8, другой вход которого подключен к выходу ДН 3. Вход фазовращателя 13 соединен с выходом УС 8. Первый вход УС 9 подключен к выходу ДН 2, второй его вход - к инверсному выходу УС 7. Первые входы пятого УС 10 и шестого УС 11 объединены и присоединены к выходу УС 9. Второй вход пятого УС 10 подключен к инверсному выходу фазовращателя 13, второй вход шестого УС 11 - к прямому выходу фазовращателя 13.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

ГОСН 1 формирует синусоидальное однофазное напряжение заданной частоты, которое подают на входные зажимы ДН 2-4. На выходах последних выставляют соответственно напряжения U₀, U₁, U₂, осуществляя контроль за выставлением их значений непосредственно по ПК 5. Предположим, что заданные значения U₀, U₁, U₂ соответствуют длинам векторов напряжений, показанных в верхней части фиг. 2. Векторы параллельны и направлены в одну сторону (синфазны), поскольку ДН 2-4 запитаны от одного источника - ГОСН1. В первом УС6 производят суммирование значений U₁, U₂, U₀. На действительной оси Re диаграммы (фиг. 2) они обозначены отрезками ОА, АА', А'А'' . Результирующее напряжение с выхода УС 6
U_A=U₁+U₂+U₀ соответствует первому фазному напряжению задаваемой несимметричной системы и поступает через выходную клемму А на выход устройства. На фиг. 2 оно обозначено вектором ОА на действительной оси R_e диаграммы. Во втором УС 7 производят суммирование напряжений U₁ и U₂ и уменьшение полученного результирующего напряжения в два раза, которое с фазоповоротом на 180 эл.град. в результате инверсии (вектор ОА на фиг. 2) поступает на второй вход четвертого УС 9. Здесь производят вычитание напряжения (U₁+U₂ из напряжения U₀, поступающего на первый вход УС 9, так как фазы их противоположны. Таким образом, на выходе четвертого УС 9 формируют первое вспомогательное напряжение U₀ - 1/2 (U₁+U₂) (вектор ОА'' на фиг. 2).

В инверторе 12 осуществляют фазоповорот на 180 эл.град. напряжения U₂, снимаемого с выхода ДН 4, которое затем направляют на второй вход третьего УС 8. На другой вход последнего подают напряжение U₁ с выхода ДН 3. Так как фазы этих напряжений противоположны., то в результате суммирования и усиления в /2 раз получают на выходе УС 8 напряжение с амплитудой /2 (U₁-U₂), которое после фазоповорота на 90 эл.град. в фазовращателе 13 примет значение второго вспомогательного напряжения [j/2(U₁-U₂)], ортогонального первому вспомогательному. При этом на прямом выходе фазовращателя 13 будет напряжение [+j/2(U₁-U₂)], а на обратном [-j/2(U₁-U₂)] (векторы ОС и ОВ соответственно на фиг. 2). В пятом УС 10 и шестом УС 11 производят суммирование первого вспомогательного напряжения, поступающего на первые входы УС 10 и УС 11, и второго вспомогательного напряжения, поступающего на их вторые входы с противоположными фазами. В результате на выходах УС 10 и УС 11 формируют соответственно второе и третье фазные напряжения
= U₀-1/2(U₁+U₂)-j/2(U₁-U₂);
= U₀-1/2(U₁+U₂)+j/2(U₁-U₂) задаваемой несимметричной трехфазной системы (векторы ОС₂ и ОВ₂ на фиг. 2), содержащей прямую, нулевую и обратную последовательности. На векторной диаграмме (см. фиг. 2) показаны частные случаи задания трехфазной системы напряжений, например:
несимметричной системы А₁, В₁, С₁, которая сформирована выставлением на делителях ДН 3 и 4 напряжений соответственно прямой и обратной последовательностей, делитель ДН 2 выведен в нулевое положение;
симметричной системы А, В, С; напряжения нулевой и обратной последовательностей отсутствуют, делители напряжения ДН 2 и 4 выведены в нулевое положение, амплитуда симметричного напряжения А, В, С, равная значению напряжения прямой последовательности, выставлена на делителе ДН 3.

На выходе устройства можно получить также симметричные системы нулевой последовательности, выставив нормируемое ее значение на ДН2 и обнулив ДН 3 и 4, и обратной последовательности, выставив нормируемое ее значение на ДН 4 и обнулив ДН 2 и 3.

Таким образом, путем раздельного изменения значений переменного однофазного напряжения с помощью делителей напряжения 2, 3, 4 можно формировать любую тройку векторов напряжений , , с нормированием несимметрии через параметры U₍₀₎, U₍₁₎, U₍₂₎ непосредственно на приборах контроля 5.

При осуществлении способа исключены операции способа-прототипа, связанные с симметрированием трехфазной системы напряжений, ограничивающие потенциальную точность задания, с фазоповоротом трехфазного напряжения и нелинейными преобразованиями. Схема устройства, реализующего способ, проста, содержит в основном однотипные элементы - суммирующие усилители. Фазовращатель выполнен на фиксированный и "удобный" угол 90 эл.град. и может быть выполнен на RC-элементах повышенной точности. Делители напряжения 2, 3, 4 могут быть выполнены прецизионными, это доступные элементы и выпускаются серийно (например, типа ППЛ). Выполнение генератора 1 синусоидального напряжения на уровне прецизионного также достижимо, можно использовать в его качестве серийно выпускаемые средства. Все это обеспечивает достижение более высокой по сравнению с прототипом точности задания несимметрии.

Экономический эффект заключается в уменьшении стоимости поверки и аттестации измерителей несимметрии или моделирования несимметричных режимов с одновременным повышением точности результатов этих работ.

Использование: для выполнения образцовых источников трехфазных напряжений с регулируемой несимметрией, а также для физического моделирования электрических сетей с несимметричными режимами. Сущность изобретения: эталонные составляющие напряжения по каждой последовательности формируют однофазными и синфазными между собой. Из них получают первое фазное напряжение задаваемой трехфазной системы суммированием последних, а также два вспомогательных ортогональных напряжения, причем первое из них совмещают по фазе с первым фазным напряжением и по амплитуде устанавливают равным эталонной составляющей напряжения нулевой последовательности, уменьшенной на полусумму амплитуд эталонных составляющих напряжений прямой и обратной последовательностей, а второе устанавливают равным амплитуде эталонной составляющей напряжения прямой последовательности, уменьшенной на амплитуду эталонной составляющей напряжения обратной последовательности, затем второе фазное напряжение задаваемой трехфазной системы формируют как разность первого и увеличенного в раз второго ортогональных напряжений, и третье - как сумму последних. 2 ил.

СПОСОБ ЗАДАНИЯ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЕ, основанный на формировании эталонных составляющих напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей с возможностью изменения амплитуд каждой из них и последующем преобразовании их совокупности в несимметричную трехфазную систему, отличающийся тем, что, с целью повышения точности задания нормируемых значений несимметрии, упомянутые эталонные составляющие напряжений по каждой последовательности формируют однофазными на основной частоте и синфазными между собой, из них получают путем суммирования друг с другом эталонных составляющих всех последовательностей первое фазное напряжение задаваемой трехфазной системы и два вспомогательных ортогональных напряжения, причем так, что первое из них совмещают по фазе с первым фазным напряжением и по амплитуде устанавливают равным эталонной составляющей напряжения нулевой последовательности, уменьшенной на полусумму амплитуд эталонных составляющих напряжений прямой и обратной последовательностей, а второе устанавливают равным амплитуде эталонной составляющей напряжения прямой последовательности, уменьшенной на амплитуду эталонной составляющей напряжения обратной последовательности, затем второе фазное напряжение задаваемой трехфазной системы формируют как разность первого и увеличенного в раз второго ортогональных напряжений и третье - как сумму последних.