ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫЙ КОМПЕНСАТОР ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК G05F1/30 H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам компенсации реактивной мощности, и может быть использовано при создании электротехнических систем и комплексов с повышенным коэффициентом мощности и стабильным напряжением.

За прототип выбран трансформаторно-тиристорный компенсатор (патент РФ N 1793514, H 02 J 3/18, 15.11.93), который содержит датчик реактивной мощности сети, датчик отклонения напряжения нагрузки, два трехфазных вольтодобавочных трансформатора, два трехфазных инвертора напряжения с общим входом и трехфазный рекуперативный выпрямитель, включающий в себя вентильный блок с системой импульсно-фазового управления, входной трехфазный автомат и выходной LC-фильтр.

Известный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности построен по принципу фазового регулирования двух составляющих добавочного напряжения, формируемых трехфазными инверторами напряжения. Фаза выходного напряжения первого трехфазного инвертора регулируется в функции реактивной мощности сети, а фаза второго трехфазного инвертора напряжения - в функции отклонения напряжения нагрузки.

Для четырехквадрантного формирования добавочного напряжения в прототипе применен трехфазный рекуперативный выпрямитель, который обеспечивает двухсторонний обмен энергией без регулирования выпрямленного напряжения. В первом и втором квадрантах энергия в звене постоянного напряжения направлена от трехфазного рекуперативного выпрямителя к трехфазным инверторам напряжения, а в третьем и четвертом квадрантах в обратном направлении за счет смены полярности выпрямленного тока. Это обстоятельство обуславливает необходимость обеспечения выпрямительного и инверторного режимов работы трехфазному рекуперативному выпрямителю за счет применения в нем вентильного блока со специальным управлением.

К недостатком известного устройства прежде всего следует отнести большой процент высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения из-за отсутствия в общем потоке генерируемой реактивной мощности нерегулируемой части и расширенного в связи с этим диапазона регулирования действующего значения результирующего добавочного напряжения, а также низкое быстродействие, вызванное тем, что при интенсивном регулировании фазы выходного напряжения как первого, так и второго трехфазных инверторов наблюдается одностороннее подмагничивание вольтодобавочных трансформаторов. Кроме того, сложность управления стационарными режимами с ориентацией результирующего вектора добавочного напряжения во всех четырех квадрантах, в связи с отсутствием независимого регулирования продольной и поперечной составляющими этого вектора. И, наконец, сложность формирования динамики пуска с ограничением или полным отсутствием постоянных подмагничивающих составляющих в магнитных потоках первого и второго вольтодобавочных трансформаторах.

Задача изобретения - улучшить качество выходного напряжения, повысить быстродействие и упростить управление пусковыми и стационарными режимами.

Для решения поставленной задачи применен принцип независимого широтно-импульсного регулирования продольной и поперечной составляющих добавочного напряжения и суммирования его с напряжением сети.

В результате этого коэффициент гармоник улучшен примерно в 2 раза, а быстродействие в 3 раза. В устройстве не требуется специального блока амплитудно-фазовой ориентации вектора добавочного напряжения во всех четырех квадрантах. Переход от одного квадранта к другому происходит при смене знаков сигналов обратных связей, что существенно упрощает построение системы автоматического регулирования. Высокое качество и простота пусковых режимов обеспечивается обнулением на время пуска поперечной составляющей вектора вольтодобавки.

Решение поставленной задачи достигается тем, что управляющий вход системы управления вторым трехфазным инвертором напряжения подключен к общей точке переключателя, который шунтирует его на время пуска и затем подключает к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, а управляющий вход переключателя через таймер подключен к информационному выходу трехфазного автомата, при этом коэффициенты трансформации первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов неодинаковы и пропорциональны соответственно отклонению реактивной мощности сети и отклонению напряжения нагрузки, к входным зажимам устройства подключена батарея косинусных конденсаторов и вход блока синхронизации, ортогональный и синфазный выходы которого соответственно подключены к синхронизирующим входам систем управления первым и вторым трехфазными инверторами напряжения, которые выполнены по 180^o-ному алгоритму с широтно-импульсным регулированием и реверсом фазы поперечной и продольной составляющих добавочного напряжения в зависимости от знака сигналов, поступающих соответственно с датчика реактивной мощности сети и датчика отклонения напряжения нагрузки.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема трансформаторно-тиристорного компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности с четырехквадрантным управлением; на фиг. 2 - схема блока синхронизации и векторная диаграмма, поясняющая его подключение; на фиг. 3а,б - векторные диаграммы режимов работы устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит входные и выходные зажимы 1 и 2, первый и второй трехфазные вольтодобавочные трансформаторы 3 и 4, батарею косинусных конденсаторов 5, первый трехфазный инвертор напряжения 6 с системой управления 7, выполненной по 180^o-ному алгоритму с широтно-импульсным регулированием поперечной составляющей добавочного напряжения, второй трехфазный инвертор напряжения 8 с системой управления 9, выполненной по 180-градусному алгоритму с широтно-импульсным регулированием продольной составляющей добавочного напряжения, блока синхронизации 10, трехфазный рекуперативный выпрямитель 11 с управляемым вентильным блоком 12, входным трехфазным автоматом 13 и выходным индуктивно-емкостным фильтром 14, датчик реактивной мощности сети 15, датчик отклонения напряжения нагрузки 16, переключатель 17 и таймер 18.

В качестве вентильного блока 12 в трехфазном рекуперативном выпрямителе 11 может быть применен двухкомплектный тиристорный выпрямитель с естественной коммутацией и раздельным согласованным управлением, при котором в выпрямительном режиме работает прямой тиристорный мост с заданным и не регулируемым углом управления α, а в инверторном - обратный тиристорный мост с углом управления π-α. Переключение мостов производится при смене знака выпрямленного тока с выдержкой времени, необходимой для восстановления запирающих свойств тиристоров.

Вентильный блок 12 трехфазного рекуперативного выпрямителя 11 также может быть выполнен по трехфазной мостовой схеме на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью тока. В таком исполнении он может дополнить решение задачи компенсации реактивной мощности сети за счет опережающего регулирования углами коммутации тиристоров и не требует контроля знака выпрямленного тока при двухстороннем обмене энергией.

Элементы устройства соединены следующим образом. Входные зажимы 1 подключены к сети, а выходные зажимы 2 - к нагрузке. Первичные обмотки первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов 3 и 4 соединены пофазно последовательно и включены между входными и выходными зажимами 1 и 2. Вторичные обмотки первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов 3 и 4 подключены соответственно к выходам первого и второго трехфазных инверторов напряжения 6 и 8, выходы которых объединены и через трехфазный рекуперативный выпрямитель 11 подключены к входным 1 или выходным 2 зажимам устройства. Управляющий вход системы управления 7 первым трехфазным инвертором напряжения 6 подключен к выходу датчика реактивной мощности сети 15, управляющий вход системы управления 9 вторым трехфазным инвертором напряжения 8 через переключатель 17 подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки 16, а синхронизирующие входы систем управления 7 и 9 соответственно подключены к ортогональному и синфазному выходам блока синхронизации 10, вход которого и батарея косинусных конденсаторов подключены к входным зажимам 1. Управляющий вход переключателя 17 через таймер 18 подключен к информационному входу трехфазного входного автомата 13, входящего в состав трехфазного рекуперативного выпрямителя 11.

Блок синхронизации 10 (фиг. 2) содержит трехфазный трансформатор 19, активные фильтры 20 и 21, элементы фазового сдвига на 120 электрических градусов 22 и 23, сумматоры 24 и 25.

На ортогональном выходе блока синхронизации 10 формируется трехфазная синусоидальная система напряжений a₁, b₁, c₁, сдвинутая относительно трехфазной сети на 90 электрических градусов, а на синфазном выходе - трехфазная система напряжений a₂, b₂, c₂, совпадающих по фазе с напряжением сети.

На диаграммах (фиг. 3а,б) введены следующие обозначения: напряжения сети и нагрузки; токи сети и нагрузки; фазы токов сети и нагрузки; токи рекуперативного выпрямителя и батареи конденсаторов; добавочное напряжение и его поперечная и продольная составляющие.

Трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности (фиг. 1) работает следующим образом.

Выходное напряжение устройства складывается из напряжения сети и добавочного напряжения которое регулируется по величине и фазе за счет независимого регулирования амплитудных значений первых гармоник его поперечной и продольной составляющих. Оно определяется по выражению
(1)
Составляющие добавочного напряжения
(2)

где K_Т1, K_Т2 - коэффициенты трансформации первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов 3 и 4; δ₁, δ₂ - коэффициенты передачи напряжения первым и вторым инверторами 6 и 8, определяемые отношением длительности импульса к периоду коммутации, и обратно пропорциональны скважностям; α₁ - фаза напряжения первого трехфазного инвертора 6, которая в зависимости от знака реактивной мощности сети принимает два значения -90^o и +90^o; α₂ - фаза напряжения второго трехфазного инвертора 8, которая в зависимости от знака отклонения напряжения нагрузки принимает два значения - 0^o и 180^o.

Из выражений (1) и (2) получим

или с учетом отклонений напряжения в сети и падения напряжения на трансформаторах
(3)
Здесь z_K1, z_K2 - сопротивления короткого замыкания вольтодобавочных трансформаторов; I₁ - ток, потребляемый из сети, который совпадает по фазе с напряжением сети и определяется суммой токов нагрузки, трехфазного рекуперативного выпрямителя и батареи косинусных конденсаторов.

(4)
Угол между током нагрузки и напряжением сети регулируется фазой выходного напряжения в зависимости от фазы тока нагрузки, а также от угла управления и способа коммутации тиристоров трехфазного рекуперативного выпрямителя 11.

Из выражения (3) и из векторных диаграмм a,b (фиг. 2) видно, что амплитуду и фазу вектора напряжения можно регулировать изменением коэффициентов передачи δ₁ и δ₂ первого и второго трехфазных инверторов напряжения.

В устройстве изменение δ₁ осуществляется в функции отклонения от нуля реактивной мощности сети, а изменение δ_2/- в функции отклонения напряжения нагрузки от заданного уровня U₃ . Реверс поперечной и продольных составляющих вектора добавочного напряжения производится изменением соответственно фазы α₁ и фазы α₂ на 180^o.

При переходе от режима потребления к режиму генерации реактивной мощности меняются величина и знак сигнала обратной связи на выходе датчика 15 реактивной мощности сети. По знаку этого сигнала система управления 7 первым трехфазным инвертором напряжения 6 переключает алгоритм управления тиристорами и меняет знак поперечной составляющей вольтодобавки на противоположный, а по величине этого сигнала производится регулирование амплитуды вектора для компенсации фазы входного тока (фиг. 3). С выхода датчика отклонения напряжения нагрузки 16 снимается сигнал, пропорциональный отклонению напряжения нагрузки. По знаку этого сигнала, система управления 9 вторым трехфазным инвертором напряжения 8 изменяет знак продольной составляющей а в зависимости от величины этого сигнала регулирует амплитуду этой составляющей.

В результате такого продольно-поперечного регулирования напряжения вольтодобавки производится стабилизация выходного напряжения и компенсация реактивной мощности сети независимо от величины и характера нагрузки, а также от колебаний и отклонений напряжения в сети.

Пуск вольтодобавочных трансформаторов без постоянной составляющей в кривой намагничивающего тока и магнитного потока может быть произведен двумя способами: 1 - подключением вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора к напряжению, имеющему фазу 90^o по отношению к сети; 2 - шунтированием вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора. В предлагаемом устройстве реализованы оба способа.

Предлагаемое устройство как более совершенное, построенное по принципу прямой компенсации может заменить в системах электроснабжения известные компенсаторы реактивной мощности и стабилизаторы трехфазного напряжения.

Предложен компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности с четырехквадратным управлением, который отличает повышенное быстродействие, улучшенная форма выходного напряжения и простота реализации замкнутой системы авторегулирования как в пусковых, так и стационарных режимах, что является техническим результатом. Компенсатор построен по принципу независимого широтно-импульсного регулирования поперечной составляющей вольтодобавки в функции реактивной мощности сети и продольной составляющей вольтодобавки в функции отклонения напряжения нагрузки. Компенсатор выполнен на двух вольтодобавочных трансформаторах, двух трехфазных инверторах напряжения с общим для них трехфазным рекуперативным выпрямителем. В его состав также входят датчики реактивной мощности сети и отклонения напряжения нагрузки, батарея косинусных конденсаторов, фильтр, трехфазный автомат, пусковой переключатель и таймер. 3 ил.

Трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, содержащий датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, первый и второй трехфазные инверторы напряжения с индивидуальными для них системами управления, первый и второй трехфазные вольтодобавочные трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и включены в цепь нагрузки, а их вторичные обмотки соответственно подключены к выходам первого и второго трехфазных инверторов напряжения, при этом входы первого и второго трехфазного инверторов напряжения объединены и через трехфазный рекуперативный выпрямитель подключены к нагрузке, в состав трехфазного рекуперативного выпрямителя входит вентильный блок с системой управления, трехфазный автомат и выходной индуктивно-емкостный фильтр, а управляющий вход системы управления первым трехфазным инвертором напряжения подключен к выходу датчика реактивной мощности сети, отличающийся тем, что управляющий вход системы управления вторым трехфазным инвертором напряжения подключен к общей точке переключателя, который шунтирует его на время пуска и затем подключает к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, а управляющий вход переключателя через таймер подключен к информационному выходу трехфазного автомата, при этом коэффициенты трансформации первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов не одинаковы и пропорциональны соответственно отклонению реактивной мощности сети и отклонению напряжения нагрузки, к точкам соединения датчика реактивной мощности сети и первичной обмотки первого трехфазного вольтодобавочного трансформатора подключена батарея конденсаторов и вход блока синхронизации, ортогональный и синфазный выходы которого соответственно подключены к синхронизирующим входам систем управления первым и вторым трехфазными инверторами напряжения, которые выполнены по 180-градусному алгоритму с широтно-импульсным регулированием и реверсом фазы поперечной и продольной составляющих добавочного напряжения в зависимости от знака сигналов, поступающих соответственно с датчика реактивной мощности сети и датчика отклонения напряжения нагрузки.