ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02J3/18 H02J3/01 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к промышленной электроэнергетике.

Снижение потерь и улучшение качества электроэнергии в системах электроснабжения промышленных установок достигается компенсацией реактивной мощности и фильтрацией высших гармоник.

Известно, что для компенсации реактивной мощности используется конденсаторная батарея, которая применяется и для улучшения гармонического состава напряжения питающей сети, особенно в отношении гармоник высокого порядка, так как емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте [1]
Однако в связи с указанным фильтрующие свойства конденсаторной батареи на гармониках низкого порядка проявляются слабо. Между тем для многих промышленных установок, например для экскаваторов с электроприводами переменного тока на основе непосредственных преобразователей частоты, требуется, наряду с компенсацией реактивной мощности, фильтрация широкого диапазона гармоник.

Для компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник как низкого, так и высокого порядка известно использование широкополосного фильтра [2] представляющего собой конденсаторную батарею, последовательно соединенную с параллельно включенными реактором и резистором.

Однако это фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ) имеет существенный недостаток: большие потери энергии в резисторе на частоте питающей сети.

Целью изобретения является повышение экономичности ФКУ за счет снижения потерь электроэнергии в резисторе.

Цель достигается тем, что в ФКУ, содержащее конденсаторную батарею, реактор и резистор, предложено ввести трехобмоточный трехстержневой трансформатор. Обмотки каждой фазы трансформатора расположены на одном стержне. Одноименные выводы первой и второй обмоток предназначены для подключения к сети системы электроснабжения, а первые выводы третьей обмотки соединены по схеме "звезда". Вторые выводы первой обмотки соединены с конденсаторной батареей, вторые выводы второй обмотки с реактором, вторые выводы третьей обмотки с резистором. Соотношение витков первой и второй обмоток трансформатора выбирают из равенства
ωCL (0,95-1,05) где ω угловая частота питающей сети;
С емкость фазы конденсаторной батареи;
L индуктивность фазы реактора;
W₂ количество витков второй обмотки;
W₁ количество витков первой обмотки.

Необходимость и достаточность указанного подтверждается следующим.

В прототипе резистор, где имеют место основные потери электроэнергии, включен в цепь, непосредственно связанную с питающей сетью. В заявляемом ФКУ между сетью и резистором (как и между сетью и реактором, сетью и конденсаторной батареей) включены обмотки трансформатора. При этом параметры элементов подобраны так (в соответствии с формулой), что в резисторе исключаются потери на частоте питающей сети. Это достигается благодаря тому, что магнитодвижущие силы обмотки, соединенной с индуктивностью, и обмотки, соединенной с конденсаторной батареей, уравновешены на частоте питающей сети, что определяет нулевое напряжение на обмотке, соединенной с резистором, следовательно, отсутствие потерь в нем.

Указанное выведено в результате физико-математического анализа схемы ФКУ.

Коэффициент в формуле учитывает конструктивные требования к элементам, параметры которых рассчитываются по формуле. Диапазон значений коэффициента определен исходя из сохранения условия практической уравновешенности магнитодвижущих сил первой и второй обмоток, т.е. условия обеспечения экономической эффективности рассматриваемого решения.

Затраты, вызванные введением в ФКУ трансформатора, существенно меньше средств, полученных за счет сокращения потерь электроэнергии, что подтверждается расчетами.

На чертеже представлена принципиальная схема заявляемого ФКУ.

ФКУ содержит конденсаторную батарею 1, реактор 2, резистор 3.

Трансформатор 4 имеет обмотки 5, 6, 7, каждая из которых расположена на трех стержнях магнитопровода 8. Начала (или концы) 9 обмотки 5 и начала (или концы) 10 обмотки 6 предназначены для подсоединения к питающей сети 11. В рассматриваемом случае выводы 9 и 10 соединены между собой внутри трансформатора, образуя три вывода 12, расположенные вне трансформатора и соединенные с питающей сетью 11. В других случаях в зависимости от конкретных условий, определяющих удобство присоединения выводов к сети, из трансформатора могут быть выведены все шесть концов обмоток. Вторые выводы 13 обмотки 5 соединены с конденсаторной батареей 1, вторые выводы 14 обмотки 6 с реактором 2. Одни выводы 15 обмотки 7 соединены по схеме "звезда", другие выводы 16 соединены с резистором 3.

Расчет витков рассмотрим на конкретном примере ФКУ для системы электроснабжения шагающего экскаватора ЭШ-25.90 с приводами напора, подъема, поворота по схеме "непосредственный преобразователь частоты асинхронный двигатель". Угловая частота ω314 задана.

Используя математическую модель системы электроснабжения, определены значения С=99 мкФ и L=613 мГн.

Отношение ω²CL 5,983
Исходя из оптимизационных расчетов трансформатора, выбирают оптимальный диаметр магнитопровода, который при заданной индукции однозначно определяет число витков одной из обмоток, например первой:
W₁=51. Тогда W₂=5,983х51=305,13.

Так как конструктивно число витков должно быть целой величиной, принимают W₂=305.

5,98
В этом случае коэффициент перед отношением W₂/W₁ равен единице.

Таким образом, равенство отношения W₂/W₁ произведению ω²СL выдержано. В этом случае магнитодвижущие силы обмоток 5 и 6 на основной частоте уравновешены, следовательно, напряжение на обмотке 7 и резисторе 3 равно нулю, что свидетельствует об отсутствии потерь в резисторе в отличие от прототипа, где они имеют место.

Высшие гармоники питающей сети вызывают токи в конденсаторной батарее 1, реакторе 2 и в резисторе 3. Так как индуктивное сопротивление реактора пропорционально частоте, то высшие гармоники тока существенно подавляются в реакторе.

В резисторе энергия высших гармоник рассеивается, как и в прототипе. Однако суммарные потери на основной частоте и от высших гармоник в заявляемом устройстве значительно меньше, чем в прототипе.

Использование: для сокращения потерь электроэнергии путем введения в устройство трансформатора. Сущность изобретения: фильтрокомпенсирующее устройство снабжено трехстержневым трансформатором, три обмотки каждой фазы которого расположены на одном стержне, первые одноименные выводы первой и второй обмоток подключены к питающей сети системы электроснабжения, первые выводы третьей обмотки соединены по схеме "звезда", вторые выводы первой обмотки соединены с конденсаторной батареей, вторые выводы второй обмотки соединены с реактором, вторые выводы третьей обмотки соединены с резистором, отношение числа витков второй обмотки W₂ к числу витков первой обмотки W₁ выбирают из равенства , где ω угловая частота питающей сети; C емкость фазы конденсаторной батареи; L - индуктивность фазы реактора. 1 ил.

ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, содержащее конденсаторную батарею, реактор и резистор, отличающееся тем, что в него дополнительно введен трехстержневой трехобмоточный трансформатор, обмотки каждой фазы которого расположены на одном стержне, при этом первые одноименные выводы первой и второй обмоток предназначены для подключения питающей сети системы электроснабжения, первые выводы третьей обмотки соединены по схеме "звезда", вторые выводы первой обмотки соединены с конденсаторной батареей, вторые выводы второй обмотки с реактором, вторые выводы третьей обмотки с резистором, отношение числа виткой второй обмотки W₂ к числу витков первой обмотки W₁ выбирают из равенства

где ω угловая частота питающей сети;
C емкость фазы конденсаторной батареи;
L индуктивность фазы реактора.