ОДНОФАЗНЫЙ КОМПЕНСАТОР ПАССИВНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК H02J3/18 G05F1/70 

Устройство относится к преобразовательной технике, в частности к быстродействующим статическим компенсаторам, выполняемым на полупроводниковых двухоперационных ключах по схеме инвертора напряжения и предназначено для компенсации пассивных составляющих мгновенной мощности /мощности искажения и реактивной мощности/, появление которых связано с работой нелинейных искажающих и реактивных нагрузок.

Известны идея и схемные решения, суть которых состоит в использовании инвертора напряжения с конденсаторным накопителем электрической энергии в цепях постоянного тока в качестве управляемого компенсатора мгновенной мощности [1]. Для этого инвертор своим выходом подключается к сети переменного тока параллельно компенсируемой нагрузке, создающей как амплитудные, так и в общем случае, фазовые искажения сетевого тока. Работа инвертора сопровождается потреблением тока, величина и форма которого определяется алгоритмом переключения с высокой частотой силовых ключей, причем ток должен находиться в противофазе по отношению к пассивным составляющим тока нагрузки. Для этого управление инвертором осуществляется по принципу автоматического слежения за формой сетевого напряжения и величиной тока нагрузки так, чтобы результирующий сетевой ток, образованный сложением токов нагрузки и компенсатора, имел такую же форму, как и напряжение, а его величина была равна активной составляющей основной /сетевой/ гармоники тока нагрузки. Одним из главных достоинств подобных компенсаторов следует отметить возможность работы в условиях меняющегося спектра высших гармоник тока нагрузки, в связи с чем в зарубежных разработках они получают применение в качестве активных /адаптивных/ фильтров высших гармоник. Дело в том, что функциональные возможности рассматриваемых компенсаторов как источников реактивной мощности весьма ограничены, что является их основным недостатком в настоящее время.

В качестве прототипа принимается компенсатор пассивных составляющих мгновенной мощности [2], силовые цепи которого содержат четыре транзисторных ключа по схеме однофазного мостового инвертора, четыре силовых диода, собранных по аналогичной мостовой схеме, причем выводами переменного тока указанные мосты подключены посредством согласующего трансформатора и дросселя в параллель к зажимам питающей сети, а также накопитель электрической энергии в цепях постоянного тока упомянутых мостов, а управляющие цепи выполнены в виде системы автоматического управления, основными элементами которой являются устройство задания тока компенсатора с подключенными на входе датчиками напряжения сети и тока нагрузки, узел сравнения сигнала задания тока с сигналами обратных связей, поступающих с датчиков тока компенсатора и сети, модулятор длительности управляющих импульсов в цепи ошибки регулирования с подключенными на выходе цепями усиления и распределения этих импульсов по силовым транзисторным ключам.

Недостатком указанного устройства следует признать ограниченный диапазон регулирования реактивной мощности, определяемый свойствами конденсаторного накопителя изменять уровень напряжения конденсатора в процессе двухстороннего обмена энергией между компенсатором и нагрузкой. В связи с отмеченным свойством данное устройство получает ограниченное применение в качестве корректора коэффициента мощности нелинейных и искажающих нагрузок, создающих сравнительно небольшие фазовые сдвиги тока относительно сетевого напряжения [3] . Известные технические решения, направленные на устранение отмеченного недостатка прототипа, сводятся к созданию так называемых, гибридных компенсаторов. Данные устройства представляют собой конструктивное объединение компенсатора мощности искажения и компенсатора реактивной мощности, что ведет к неизбежному усложнению и увеличению установленной мощности устройства в целом.

Суть предлагаемого решения связана с заменой в схеме инвертора конденсаторного накопителя энергии секционированными аккумуляторными батареями и соответствующими конструктивными изменениями в силовой схеме компенсатора при сохранении алгоритма управления силовыми ключами. Таким образом, целью изобретения являлось расширение диапазона регулирования реактивной мощности на выходе компенсатора за счет введения в его схему накопителя электрической энергии с жесткой разрядной характеристикой.

Поставленная задача решается тем, что в качестве накопителя электрической энергии используют, в общем случае, n ≥ 2 аккумуляторных батарей, а выводы постоянного тока указанных мостов развязаны таким образом, что эти батареи вместе с дополнительными диодами образуют n параллельных цепей, включенных между выводами постоянного тока моста силовых диодов и вместе с n-1 дополнительными транзисторными ключами образуют последовательную цепь, включенную между выводами постоянного тока моста силовых транзисторов, при этом все аккумуляторные батареи своими положительными клеммами подключены к общим катодам силовых диодов, причем первые i = 1,..n-1 батарей подключаются каждая посредством дополнительного диода, открывающегося в направлении тока заряда аккумуляторов, а отрицательными клеммами все батареи подключаются к общим анодам силовых диодов, причем каждая батарея, кроме первой, подключается с помощью дополнительного диода, открывающегося в направлении тока заряда аккумуляторов, а указанная первая батарея своей положительной клеммой соединяется также с общими коллекторами силовых транзисторных ключей, а последняя батарея своей отрицательной клеммой соединяется также с общими эмиттерами силовых транзисторных ключей, при этом каждая батарея с порядковым номером i+1 своей положительной клеммой связана с отрицательной клеммой i-ой батареи с помощью дополнительного транзисторного ключа, присоединенного в направлении тока разряда аккумуляторов, а управляющая цепь каждого дополнительного транзисторного ключа соединена с выходом модулятора длительности управляющих импульсов.

На фиг. 1 изображена схема известного варианта компенсатора, а на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие его работу в режиме компенсации реактивной мощности; на фиг. 3 изображена принципиальная схема силовых цепей и блок-схема цепей управления заявленного устройства.

Силовые цепи компенсатора выполнены на транзисторных ключах 1-4 по схеме однофазного мостового инвертора и силовых диодах 5-8, собранных по аналогичной мостовой схеме. Выводы переменного тока указанных мостов объединены и посредством дросселя 9 и согласующего трансформатора 10 подключены к питающей сети параллельно нагрузке 11. В цепях постоянного тока указанных мостов в качестве накопителя электрической энергии используется, в общем случае, n ≥ 2 аккумуляторных батарей 12-14, а выводы постоянного тока указанных мостов развязаны между собой для того, чтобы все аккумуляторы вместе с дополнительными диодами 15-18 образовывали в общем случае, n параллельных цепей, включенных между выводами постоянного тока моста силовых диодов в направлении тока заряда аккумуляторов. Вместе с n-1 дополнительными транзисторными ключами 19, 20 указанные аккумуляторы образуют последовательную цепь, подключенную между выводами постоянного тока моста силовых транзисторов в направлении тока разряда аккумуляторов. Управляющие цепи компенсатора содержат устройство 21 задания тока компенсатора с подключенными на входе датчиками напряжения сети 22 и тока нагрузки 23, узел сравнения 24 сигнала задания тока с сигналами обратных связей, поступающими с датчика 25 тока компенсатора и датчика 26 тока сети, модулятор 27 длительности управляющих импульсов в цепи ошибки регулирования с подключенными на выходе цепями 28-30 усиления и распределения управляющих импульсов. Управляющие входы дополнительных транзисторных ключей подключены к выходу модулятора длительности управляющих импульсов.

Для выяснения причин недостатка известного устройства предлагается рассмотреть случай параллельной работы компенсатора с линейной активно-индуктивной нагрузкой, имеющей коэффициент мощности cosϕ_н< 1.
Полагается, что сетевое напряжение сохраняет синусоидальную форму, а потери мощности в схеме компенсатора равны нулю. Как показано на диаграммах фиг. 2, отстающий на угол ϕ_н от напряжения сети U ток нагрузки i_н может быть представлен в виде суммы активной i_на и реактивной i_нр составляющих
i_н = i_на + i_нр. (1)
Здесь i_н= I_мsin(v-ϕ_н);
i_на= I_мcosϕ_н•sinv;
i_нр= I_мsinϕ_н•sin(v-π/2),
где v = ωt - угловая текущая координата;
I_м - амплитудное значение тока нагрузки.

При условии, что ток компенсатора изменяется в противофазе по отношению к реактивной составляющей тока нагрузки
i_к= -i_нр= I_мsinϕ_нcosv, (2)
рассматриваемая система "нагрузка - компенсатор" будет потреблять из сети только активную мощность. Работа компенсатора на каждом периоде происходит в два этапа. Начало первого этапа совпадает в включением соответствующей пары транзисторных ключей в схеме инвертора. Тогда конденсатор, заряженный до уровня, превышающего амплитуду сетевого напряжения, начнет разряжаться возрастающим по величине током компенсатора /дросселя/ по цепи, содержащей указанные транзисторы, дроссель и нагрузку. На втором этапе транзисторы выключаются, и реактивный ток дросселя будет вынужден замыкаться по цепи с обратными диодами, где он будет, уменьшаясь, вновь заряжать компенсатор. Путем аналогичных многократных переключений и соответствующего изменения длительности указанных интервалов разряда и заряда конденсатора можно приблизить реальную форму тока компенсатора к желаемому виду.

Однако длительная работа компенсатора возможна лишь в условиях поддержания энергетического баланса в процессе обмена реактивной мощностью между накопительным компенсатором и индуктивными элементами компенсатора и нагрузки. В связи с высокой частотой переключений в схеме инвертора пульсациями тока i_к и напряжения конденсатора U_с можно пренебречь. Тогда мгновенная мощность на сетевых зажимах определится:
для компенсатора

для нагрузки

где U_м - амплитудное значение напряжения сети.

Выражение для P_к(3) и второе слагаемое правой части уравнения (4) представляют собой реактивную мощность P_к, которой обмениваются нагрузка и конденсатор, а первое слагаемое уравнения (4) - активную мощность P_на, потребляемую системой из сети. Гармоническая кривая P_K(v) дважды меняет знак на периоде сети /см. фиг. 2/. На интервалах потребления мощности P_к > 0 заряд накопительного конденсатора на каждом такте осуществляется под воздействием суммарного значения напряжения сети и ЭДС индукции дросселя, поэтому имеет место тенденция к возрастанию уровня напряжения на конденсаторе от одного такта к другому. На интервалах отдачи мощности конденсатором P_к < 0 заряд конденсатора каждый раз происходит реактивным током под воздействием разности ЭДС индукции дросселя и напряжения сети, в связи с чем уровень напряжения на конденсаторе понижается. Таким образом, работа устройства протекает в условиях колебаний уровня напряжения на накопительной емкости, которые происходят с удвоенной частотой сети и имеют амплитуду, зависящую от мощности P_к, а значит от тока I_м и фазового угла нагрузки ϕ_н. Однако указанные колебания ΔU_c, также, как и начальный или средний уровень Uc₀ напряжения конденсатора не могут быть произвольными. Работоспособность компенсатора на интервалах P_к < 0 сохраняется при условии, что указанный уровень напряжения не менее, чем в 2 раза превышает амплитуду сетевого напряжения, так как напряжение конденсатора должно уравновесить суммарное напряжение сети и ЭДС индукции дросселя. В противном случае включения вентилей на интервалах P_к < 0 не происходит, и ток компенсатора снижается до нуля. Получим граничную зависимость между емкостью накопителя и параметрами нагрузки. Для этого запишем выражение реактивной энергии, которую должен отдать компенсатор на каждом интервале P_к < 0 длительностью π/2

Значение этой энергии можно также выразить через параметры емкостного накопителя

где C - емкость конденсатора;
Uc₀ - средний за интервал π/2÷π уровень напряжения на конденсаторе;
ΔU_c - полное изменение /размах колебаний/ напряжения на конденсаторе на интервале π/2÷π.
С учетом (5, 6), а также возможных потерь энергии условие энергетического баланса запишется

Задаваясь реальными значениями параметров однофазной нагрузки: I_м ≤ 100 А; ϕ_н≤ 60 - 80^o; ω = 314 с, можно по правой части неравенства (7) оценить требуемую для данного интервала времени Δt = 0,01 с энергию компенсации 50-100 Дж, что соответствует 5-10 кВАр мощности. Пределы располагаемой энергии можно оценить по левой части неравенства (7). Задаваясь, к примеру, Uc₀ ≤ 800 В, ΔU_c≤ 0,1 Uc₀; C = 500 мкФ, получаем ΔW_c≤ 30 Дж, что также с учетом времени передачи энергии Δt = 0,01 с соответствует 3 кВАр мощности. Таким образом, поставленное условие энергетического баланса не выполняется. Следует отметить, что попытки получить большую энергию за счет увеличения емкости конденсатора C не могут дать результата, так как одновременно с этим понизится уровень среднего напряжения Uc₀. Приравнивая левую и правую части выражения (7), оценим возможный размах колебаний напряжения на обкладках конденсатора при тех же параметрах, в результате получаем ΔU_c≥ 100 - 250 В. Реальные колебания напряжения могут быть еще большими, так как при анализе не учитывались потери энергии. Известно, что процессы заряда конденсатора под воздействием быстро меняющегося напряжения характеризуются низкими значениями КПД, не превышающими 50% [4]. Проведенные испытания опытного образца конденсатора с конденсаторным накопителем полностью подтвердили данное предположение и показали, что компенсация реактивной мощности с помощью рассмотренного устройства возможна лишь при фазовых углах нагрузки, не превышающих несколько градусов.

Значительно большую энергию при постоянстве напряжения можно получить с помощью химических источников тока - гальванических элементов и аккумуляторных батарей. Для них характерно наличие исчезающе малого внутреннего сопротивления, составляющего десятые и сотые доли ома, а также способность работы при частых переключениях с разряда на заряд, в том числе под воздействием импульсных токов в диапазоне нагрузок от холостого хода до короткого замыкания. Для большинства типов щелочных аккумуляторов, в том числе, для серебряно-цинковых, ртутно-цинковых и даже наиболее дешевых марганцево-цинковых свойственно наличие жестких разрядных характеристик, позволяющих от 60% до 80% запасенной энергии отдать в нагрузку при почти неизменном напряжении. Возможная просадка напряжения при этом составляет единицы процентов [5]. Задаваясь величинами тока и времени разряда, а также допустимой просадкой напряжения, можно выбрать приемлемый тип аккумулятора, а также его емкость, которая по прикидочным расчетам для указанных выше параметров нагрузки составляет не более единиц A•час.

Вместе с тем, введение в схему компенсатора аккумуляторных батарей требует соответствующего изменения конструкции устройства и прежде всего в связи с необходимостью согласования номинального напряжения аккумулятора с сетевым напряжением, для чего во входной цепи предлагаемого устройства устанавливается согласующий трансформатор. Положенный в основу принцип формирования тока в выходной цепи компенсатора путем его накапливания от одного такта к другому возможен лишь при наличии в этой цепи достаточной индуктивности, поэтому кроме трансформатора в этой цепи в общем случае включается дроссель. В свою очередь, наличие дросселя требует, чтобы уровень напряжения на зажимах аккумулятора на каждом этапе разряда не менее, чем в 2,3,..n раз превышал сетевое напряжение /напряжение вторичной обмотки трансформатора/. Это необходимо также для получения требуемой скорости нарастания тока компенсатора, которая должна превышать любую возможную скорость изменения компенсируемой составляющей тока нагрузки. С этой целью в предложенной схеме накопитель электрической энергии выполнен в общем случае в виде n ≥ 2 аккумуляторных батарей. При этом выводы постоянного тока моста силовых транзисторов и моста силовых диодов инвертора развязаны таким образом, чтобы на интервалах заряда все n аккумуляторов оказались подключенными с помощью вспомогательных диодов в параллель к выводам постоянного тока моста силовых диодов, а на интервалах разряда с помощью вспомогательных транзисторных ключей эти аккумуляторные батареи оказывались включенными последовательно между выводами постоянного тока силовых транзисторных ключей /см. фиг. 3/. При этом данное решение не требует каких-либо изменений в цепях управления компенсатором.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Подключение компенсатора к сети приводит к заряду всех аккумуляторных батарей 12-14 с помощью силовых диодов моста 5-8 и вспомогательных диодов 15-18 до уровня, обусловленного суммой средневыпрямленного напряжения на выходе моста силовых диодов и ЭДС индукции дросселя 9. Поступающая информация о напряжении сети и токе нагрузки с датчиков 22, 23 приводит к появлению на выходе устройства 21 задающего сигнала, повторяющего форму сетевого напряжения с амплитудой, зависящей от активной составляющей основной /сетевой/ гармоники тока нагрузки. Принцип действия данного узла рассматривается в [2, 3]. В результате сравнения сигнала задания тока с сигналами обратных связей, поступающих с датчиком 25, 26, на выходе узла сравнения 24 формируется сигнал ошибки регулирования, поступающий далее на вход модулятора 27 длительности управляющих импульсов. Будем считать, что в качестве последнего используется двухпозиционный релейный элемент. Тогда при условии, что сигнал ошибки регулирования имеет положительный знак и превышает пороговый уровень релейного элемента, данный элемент переключится в состояние 1 и управляющие импульсы будут подаваться с помощью логической схемы совпадения 28 на первую пару силовых транзисторных ключей 1, 2. Одновременно с этим управляющие импульсы с выхода модулятора будут поданы также на вспомогательные транзисторные ключи 19, 20. Если сигнал ошибки регулирования уменьшится и релейный элемент вернется в состоянии 0, все указанные транзисторные ключи выключатся. При условии, что сигнал ошибки регулирования изменит знак на отрицательный и также превысит пороговый уровень релейного элемента, управляющие импульсы будут поданы с помощью схемы инверсии 30 и схемы совпадения 29 на вторую пару силовых транзисторных ключей 3, 4 и одновременно на вспомогательные транзисторные ключи 19, 20. При уменьшении сигнала ошибки все указанные ключи аналогичным образом выключатся.

В силовой схеме компенсатора указанные переключения транзисторных ключей приведут к следующему чередованию разряда и заряда аккумуляторных батарей. Предположим, что во включенном состоянии находятся транзисторы 1, 2 и 19, 20. Тогда аккумуляторные батареи 12-14 окажутся включенными между собой последовательно согласно, и в результате превышения суммарного напряжения аккумуляторов над напряжением сети во вторичной обмотке трансформатора, они начнут разряжаться по цепи, содержащей следующие элементы: положительную клемму аккумулятора 14, транзистор 20, аккумулятор 13, транзистор 19, аккумулятор 12, транзистор 1, дроссель 9, трансформатор 10, транзистор 2, отрицательную клемму аккумулятора 14. Благодаря превышению напряжения аккумуляторов над сетевым напряжением скорость нарастания тока разряда аккумуляторов будет превышать возможную скорость изменения сигнала задания тока, поэтому через некоторое время сигнал ошибки регулирования уменьшится, и все указанные транзисторы выключатся. Тогда реактивный ток дросселя 9, сохраняя направление, перейдет в цепь диодов 5-8 и аккумуляторных батарей, включенных между собой параллельно. При этом ток будет замыкаться по цепи с элементами: дроссель 9, трансформатор 10, диод 8, диод 15, аккумулятор 12, параллельно включенные диод 16 и аккумулятор 13, параллельно включенные аккумулятор 14 и диод 18, диод 7. На данном этапе накопленная в индуктивных элементах электромагнитная энергия начнет поступать в аккумуляторы, и они перейдут в режим заряда. В результате ток компенсатора начнет снижаться, а это вновь приведет к возрастанию ошибки регулирования и повторению рассмотренных процессов. Аналогичным образом будет происходить работа при изменении знака ошибки регулирования и вступлении в работу второй пары силовых ключей 3, 4.

Таким образом, предложенное устройство позволяет использовать в качестве накопительного элемента аккумуляторы или гальванические элементы. В зависимости от типа и емкости последних предложенное устройство может найти применение как для индивидуальной, так и групповой компенсации и тем самым будет способствовать выполнению рекомендаций и решений Международной электротехнической комиссии по обеспечению электромагнитной совместимости нелинейных, искажающих и реактивных нагрузок с питающей сетью [6].

Источники информации
1. Зиновьев Г.С. Анализ инвертора напряжения как компенсатора реактивной мощности. - В сб. Преобразовательная техника. - Новосибирск. Новосибирск. электротехн. ист., 1978 г.

2. Лабунцов В.А., Чжан Дайжун. Однофазные полупроводниковые компенсаторы пассивных составляющих мгновенной мощности. - Электричество, 1993, N 12, с. 20-32.

3. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. Пер. с польск. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 133.

4. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. Том 1. - Л.: Энергоиздат, 1981, на с. 335.

5. Романов В.В., Хашев Ю.М. Химические источники тепла. - М.: Сов. Радио 1978, на с. 256.

6. Бернард К., Коул. Решение проблемы коррекции коэффициента мощности. - Электроника, 1989, N 13, с. 48-50.

Устройство предназначено для компенсации пассивных составляющих мгновенной мощности (мощности искажения и реактивной мощности), появление которых связано с работой нелинейных, искажающих и реактивных нагрузок. Выполнено по схеме однофазного инвертора напряжения, в виде транзисторного и диодного мостов, подключенных зажимами переменного тока к питающей сети параллельно компенсируемой нагрузке с накопителем электрической энергии в цепях постоянного тока. Для расширения диапазона регулирования реактивной мощности, что является техническим результатом, накопитель выполнен в виде нескольких аккумуляторных батарей, а зажимы постоянного тока транзисторного и диодного мостов развязаны между собой таким образом, что на интервалах заряда батареи оказываются включенными параллельно к выводам постоянного тока диодного моста, а на интервалах разряда с целью создания превышения суммарного напряжения аккумуляторов над уровнем сетевого напряжения эти батареи включаются последовательно согласно к зажимам постоянного тока транзисторного моста. В зависимости от типа аккумуляторов и их емкости может использоваться как для индивидуальной, так и групповой компенсации реактивных и искажающих нагрузок. 3 ил.

Однофазный компенсатор пассивной мощности, силовые цепи которого выполнены на четырех транзисторных ключах по схеме однофазного мостового инвертора, четырех силовых диодах, собранных по аналогичной схеме, причем выводами переменного тока указанные схемы подключены посредством согласующего трансформатора и дросселя к зажимам питающей сети параллельно с компенсируемой нагрузкой, а также накопитель электрической энергии в цепях постоянного тока упомянутых схем, а их управляющие цепи выполнены в виде системы автоматического управления, основными элементами которой являются устройство задания тока компенсатора с подключенными на входе датчиками напряжения сети и тока нагрузки, узел сравнения сигнала задания тока с сигналами обратных связей, поступающих с датчиков тока компенсатора и сети, модулятор длительности управляющих импульсов в цепи ошибки регулирования с подключенными на выходе цепями усиления и распределения этих импульсов по силовым транзисторным ключам, отличающийся тем, что в качестве накопителя электрической энергии используют n ≥ 2 аккумуляторных батарей, а выводы постоянного тока указанных схем развязаны таким образом, что аккумуляторные батареи вместе с дополнительными диодами образуют n параллельных цепей, включенных между выводами постоянного тока схемы, собранной на силовых диодах, и вместе с n - 1 дополнительными транзисторными ключами образуют последовательную цепь, включенную между выводами постоянного тока схемы, выполненной на силовых транзисторных ключах, при этом все аккумуляторные батареи своими положительными клеммами подключены к общим катодам силовых диодов, причем первые i = 1, ..., n - 1 батарей подключаются каждая посредством дополнительного диода, открывающегося в направлении тока заряда, а отрицательными клеммами все аккумуляторные батареи подключаются к общим анодам силовых диодов, причем каждая аккумуляторная батарея, кроме первой, подключается с помощью дополнительного диода, открывающегося в направлении тока заряда, а указанная первая аккумуляторная батарея своей положительной клеммой соединяется также с общими коллекторами силовых транзисторных ключей, а последняя аккумуляторная батарея своей отрицательной клеммой соединяется также с общими эмиттерами силовых транзисторных ключей, при этом каждая аккумуляторная батарея с порядковым номером i + 1 своей положительной клеммой связана с отрицательной клеммой i-й аккумуляторной батареи с помощью дополнительного транзисторного ключа, присоединенного в направлении тока разряда аккумуляторов, а управляющая цепь каждого дополнительного транзисторного ключа соединена с выходом модулятора длительности управляющих импульсов.