ОДНОФАЗНЫЙ КОМПЕНСАТОР ПАССИВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ МГНОВЕННОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2005 года по МПК H02J3/18 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, области устройств, повышающих эффективность потребления электроэнергии, в частности устройств компенсации реактивной мощности и мощности искажения, которые в некоторых источниках называют “пассивными составляющими мгновенной мощности” [1].

Наиболее распространенными устройствами компенсации являются батареи конденсаторов, подключаемые параллельно нагрузке и обеспечивающие требуемые нагрузкой пассивные составляющие мгновенной мощности на месте потребления, без загрузки сети соответствующей составляющей тока. Недостатки таких устройств связаны с требованиями регулирования величины емкости конденсаторной батареи.

Другой разновидностью компенсаторов являются устройства, выполняемые на основе мостовых схем инверторов напряжения на двухоперационных ключах с обратными диодами и накопительной емкостью в диагонали моста постоянного тока. Такое устройство [2] было предложено в виде последовательного соединения с нагрузкой для формирования в ней синусоидального тока. Такое соединение имеет весьма ограниченную область применения, так как нарушает режим естественного для данной нагрузки способа потребления электроэнергии. Подключение же такого устройства параллельно нагрузке, а следовательно, и параллельно источнику питания делает его достаточно универсальным, так как он не нарушает режим естественного потребления тока нагрузки, а может разгрузить источник питания от реактивных токов, а также токов высших гармоник, что и требуется для повышения эффективности потребления электроэнергии, то есть повышения коэффициента мощности источника питания. В связи с этим прототипом предлагаемого изобретения является рассмотренный в статье [1] компенсатор пассивных составляющих мгновенной мощности.

Недостатком существующей схемы компенсатора на основе инвертора напряжения является склонность его к постепенному снижению среднего значения напряжения накопительного конденсатора, что, в конечном счете, приводит к срыву процесса разряда-заряда его и нарушению условий генерирования тока компенсации i_к(t) требуемых формы и величины. Это объясняется тем, что для обеспечения устойчивости процессов разряда-заряда конденсатора колебательный контур из дросселя и конденсатора с вносимыми в него активными сопротивлениями полупроводниковых приборов, дросселя и проводов должен иметь высокую добротность, что для силовых устройств, к которым относится рассматриваемый компенсатор, добиться довольно сложно. Технический результат, получаемый от предлагаемого изобретения, состоит в преодолении указанного недостатка, то есть в повышении надежности работы компенсатора за счет устранения возможности срыва процесса разряда-заряда накопительного конденсатора при скачках тока нагрузки и, как следствие, - расширение диапазона регулирования тока компенсации.

Схема предлагаемого изобретения приведена на фиг.1.

На этой схеме:

1, 2, 3, 4 - транзисторы компенсатора, соединенные по мостовой схеме и обеспечивающие его инверторный режим;

5, 6, 7, 8 - обратные диоды, также образующие мостовую схему, через них происходит заряд конденсатора 9;

9 - накопительный конденсатор;

10 - дроссель (индуктивность), который в отличие от прототипа выполняется секционированным, то есть вся обмотка состоит из двух секций и имеет вывод посредине;

11, 12 - ключ на двух тиристорах, один из которых анодом соединен с выводом второй секции дросселя, катод его соединен с анодом другого тиристора, катод которого соединен с выводом первой секции дросселя, а управляющие электроды соединены с блоком управления 24;

13 - датчик тока нагрузки;

14 - датчик тока, потребляемого из сети;

15 - датчик напряжения нагрузки, совпадающего с напряжением сети;

16 - нагрузка;

17 - задающее устройство компенсатора, которое вырабатывает сигнал задания тока, потребляемого из сети, и сигнал задания формы тока компенсации;

18 - устройство сравнения сигналов задания потребляемого тока и его измеренной величины;

19 - регулятор тока сети;

20 - модулятор длительности управляющих импульсов транзисторов 1-4 компенсатора;

21 - формирователь и усилитель импульсов управления транзисторами 1-4 компенсатора;

22 и 23 - распределители импульсов управления парами транзисторов 1, 4 и 2, 3;

24 - блок управления тиристорами 11 и 12.

Компенсатор по схеме фиг.1 представляет собой систему автоматического управления током компенсации i_к(t) из условия потребления минимального тока из сети i_c(t).

На фиг.2 приведены временные диаграммы изменения основных координат компенсатора для случая “неискажающей” форму тока нагрузки. Кривые фиг.2,а показывают ток нагрузки i_н(t), отстающий от напряжения сети е_с на угол ϕ, и его составляющие: i_a(t) - активную, совпадающую по фазе с напряжением сети, и i_p(t) - реактивную, сдвинутую от е_с на угол π/2.

Основное назначение компенсатора - сформировать ток i_к(t)=i_р(t). Тогда реактивная составляющая тока нагрузки не будет потребляться из сети, а будет производиться в месте потребления, а сеть (источник питания) оказывается разгруженной от нее. Это и позволяет повысить эффективность потребления электроэнергии, так как в линии электропередачи будут снижены потери на величину, определяемую реактивными токами.

Потери мощности в линии без компенсатора определяются выражением

где I_н, I_a, I_p - действующие значения соответственно тока нагрузки и его активной и реактивной составляющих;

ΔР_л, ΔР_ла, ΔР_лр - общие потери мощности в линии (сети электроснабжения) и их составляющие от активного и реактивного токов;

R_л - общее активное сопротивление сети электроснабжения от источника питания e_с до точки потребления электроэнергии нагрузкой.

Потери мощности в линии с компенсатором

Так как активная I_a и реактивная I_p составляющие тока I_н - соизмеримы, то снижение потери в линии на величину ΔР_лр оказывается весьма эффективным: снижаются не только потери, но и увеличивается пропускная способность линии за счет возможности подключения других нагрузок.

На фиг.2,б показаны кривые изменения напряжения на накопительном конденсаторе U_ск(t) и модули э.д.с. сети |е_с| в стационарном режиме формирования нужного значения тока компенсации i_к(t) (фиг.2,в). На фиг.2,г приведена кривая изменения э.д.с. самоиндукции дросселя 10 e_L(t), которая определяется состоянием тиристоров 11 и 12:

если открыт тиристор 12, а 11 закрыт, то ток i_к(t), протекает по первой секции дросселя 10 и

если открыт тиристор 11, а 12 закрыт, то ток i_к(t) протекает по обеим секциям дросселя 10, которые включены согласно, при этом e_L(t) определяется выражением

Все координаты компенсатора i_к(t), U_ск(t), e_L(t) состоят из средних значений (“гладких составляющих”) i_к0(t), U_cк0(t), e_L0(t) и переменных величин Δi_к, ΔU_cк0, Δe_L

Средние значения изменяются с частотой сети f_c=1/T_c, где Т_c - период изменения напряжения питания сети e_с(t), а переменные составляющие изменяются с частотой коммутации транзисторов 1-4 компенсатора (частотой переключения)

f_П=1/T_П,

где Т_П - период коммутации транзисторов.

На этом периоде коммутации у транзисторов есть интервал открытого состояния εТ_П и интервал закрытого состояния (1-ε)Т_П,

где ε=t_в/T_П - относительная продолжительность открытого состояния (скважность) транзисторов.

Изменение скважности ε и позволяет формировать ток компенсации i_к(t) нужных величины и формы.

Частота коммутации транзисторов f_П задается входящим в состав блока 21 генератором несущей частоты.

Компенсатор по схеме фиг.1 работает следующим образом.

После включения компенсатора в сеть происходит начальный заряд накопительной емкости 9 через обе секции дросселя 10 (открыт тиристор 11, а 12 - закрыт) и обратные диоды 5-8 до напряжения, близкого к двойному значению амплитудного напряжения э.д.с. сети e_c(t). Этот процесс начинается строго с момента e_c=0, что обеспечивается работой блока 24, и занимает по длительности интервал времени не более полупериода Т_c/2 (на фиг.2 не показан).

В зависимости от характера нагрузки 16, т.е. от величины и формы потребляемого тока i_н(t), задающее устройство 17 с помощью датчика тока 13 и датчика напряжения 15 вырабатывает заданное значение тока компенсации i_к0(t), отклонение от которого на допустимую величину Δi_кдоп контролируется регулятором тока 19. Выходной сигнал звена 19 и сигнал задания формы тока компенсации из задающего устройства 17 определяют выходной сигнал на выходе блока 20 модулятора длительности сигналов управления транзисторами 1-4. Процесс разряда конденсатора 9 в стационарном режиме начинается с момента времени, угловая оценка которого соответствует значению θ₁=ωТ_с/2=π/2, где ω=2πf_c - угловая частота изменения напряжения питания; θ=ωt - угловое измерение текущего времени.

В этот момент соответствующая пара транзисторов 1-4 или 2-3 открывается и на интервале времени εT_П начинает нарастать ток i_к(t) (фиг.2,в). При отклонении его от заданного значения i_к0(t) на допустимую величину транзисторы закрываются и на интервале (1-ε)Т_П ток начинает уменьшаться, стремясь к отрицательному установившемуся значению. При отклонении от i_к0(t) в отрицательную сторону на допустимую величину Δi_кдоп пара транзисторов вновь включается и ток начинает нарастать. Далее такие процессы повторяются с частотой f_П и изменяющейся скважностью ε.

При положительной полуволне тока i_к(t), когда он идет из компенсатора в сеть, - напряжение на конденсаторе 9 U_ск(t) уменьшается (разряд конденсатора), а при отрицательной полуволне i_к(t), когда он идет из сети в конденсатор (заряд конденсатора), - напряжение U_ск(t) увеличивается.

Изменение всех координат компенсатора фиг.1 подчиняются уравнениям

где rΣ=r_к+Σr_пп - суммарное активное сопротивление, через которое замыкается ток коммутации i_к;

r_к - сопротивление дросселя;

Σr_пп - суммарное сопротивление полупроводниковых приборов;

LΣ=L_л+L_к - индуктивность сети и дросселя.

Находя решения уравнений (5) и выделяя из них средние значения (гладкие составляющие), получаем

Следовательно, среднее за период несущей частоты значение э.д.с. самоиндукции дросселя 10 e_L0 находится в фазе с напряжением источника питания e_с, а среднее значение переменной составляющей напряжения ΔU_скo на накопительном конденсаторе 9 - в противофазе с е_с(θ). Выражение для текущего значения тока i_ко(θ) в инверторном режиме компенсатора (разряд конденсатора 9) можно записать так:

где k=0, 1, 2, ..., ∞.

Выражение для текущего значения тока i_ко(θ) в выпрямительном режиме компенсатора (заряд конденсатора 9) записывается так:

где k=0, 1, 2, ..., ∞.

Из выражений (7) и (8) следует, что в инверторном режиме, когда ток i_ко идет из конденсатора в сеть через транзисторы 1-4, абсолютное значение |U_ск(θ)| должно быть больше суммарного значения |е_с+е_L0|, а в выпрямительном режиме, когда ток i_ко идет в конденсатор 9 через обратные диоды, сумма э.д.с. |е_с+е_L0| должна быть больше, чем абсолютное значение напряжения на конденсаторе |U_ск(θ)|. Так как значение e_с(θ) не может быть изменено, то для получения желаемого соотношения между |U_ск(θ)| и |e_c+e_L0| целесообразно изменять значение e_L0: в инверторном режиме его делать меньше, чем в выпрямительном. В этом суть предлагаемого изобретения: в инверторном режиме, когда e_L0 препятствует формированию тока i_к(θ), его значение следует сделать малым, а в выпрямительном режиме, - когда e_L0 способствует протеканию тока i_к(θ), его следует сделать большим. Это достигается путем изготовления дросселя 10 двухсекционным (двухобмоточным) и переключением согласно включенных секций с помощью тиристоров 11 и 12, которые переключают дроссель с одной обмотки на две последовательно включенные в зависимости от направления тока i_к(θ). Использование предлагаемого изобретения позволяет устранить основной недостаток существующих схем компенсатора с однообмоточным дросселем, заключающийся в том, что часто возникают ситуации при включении и выключении нагрузок, когда возникает условие

При этом срывается процесс заряда конденсатора 9 и компенсатор перестает выполнять свою функцию - генерировать ток компенсации

i_к(θ)=i_р(θ).

При правильно выполненной системе управления и возникновении условия (9) должен начаться такой процесс: конденсатор 9 должен быть разряжен практически до нуля путем надлежащего управления парами транзисторов 1-2 и 3-4 (которые в нормальном режиме в таких сочетаниях не включаются), далее производится начальный заряд конденсатора до максимального напряжения и последующее управление парами транзисторов 1-4 и 2-3 для обеспечения нормального режима компенсации. Однако такая процедура сопровождается появлением интервала времени с потерей компенсации тока i_p(θ) и соответствующими дополнительными потерями в сети электроснабжения ΔР_рл.

Применение предлагаемого изобретения позволяет исключить возможность появления описанных ситуаций, а следовательно, повысить надежность работы компенсатора и расширить диапазон регулирования тока компенсатора i_к(θ).

Источники информации

1. Лабунцов В.А., Чжан Дайжун. Однофазные полупроводниковые компенсаторы пассивных составляющих мгновенной мощности // Электричество. 1993. №12. С.20-32.

2. А.С. 1128350. Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное /Зиновьев Г.С., Коновалов А.Н., Красиков Н.А.// Открытия. Изобретения. 1984. №45.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области устройств компенсации пассивных составляющих мгновенной мощности, появление которых связано с особенностями потребителей электроэнергии. Технический результат заключается в расширении диапазона регулирования пассивных составляющих мгновенной мощности и повышении надежности работы компенсатора. Компенсатор по схеме однофазного инвертора напряжения в виде транзисторного моста с обратными диодами, в диагональ постоянного тока которого включен накопительный конденсатор, а диагональ переменного тока подключена к сети параллельно нагрузке через дроссель, обмотка дросселя выполняется секционированной, то есть состоящей из двух секций с выводом посредине, в компенсатор вводится ключ на двух тиристорах, посредством которого при разрядах накопительного конденсатора подключается одна секция обмотки дросселя, а при зарядах - обе секции. 2 ил.

Однофазный компенсатор пассивных составляющих мгновенной мощности, силовые цепи которого выполнены на четырех транзисторах с обратными диодами, в диагональ постоянного тока включен накопительный конденсатор, диагональ переменного тока подключена к питающей сети параллельно нагрузке через дроссель, а система управления компенсатором состоит из датчиков тока и напряжения нагрузки, датчика тока сети, содержит задающее устройство компенсатора, которое вырабатывает сигнал задания тока, потребляемого из сети, и сигнал задания формы тока компенсации, на вход которого подключены датчики напряжения и тока нагрузки, узел сравнения сигнала задания тока с сигналом датчика тока сети, регулятор тока сети, который контролирует отклонение тока сети от заданного значения, выходной сигнал регулятора тока и сигнал задания формы тока компенсации из задающего устройства определяют выходной сигнал модулятора длительности импульсов управления транзисторами компенсатора, отличающийся тем, что обмотка дросселя выполняется секционированной, компенсатор снабжен ключом на двух тиристорах и блоком управления ими, причем анод одного тиристора соединен с выводом второй секции дросселя, а его катод соединен с анодом второго тиристора и с диагональю переменного тока компенсатора, катод второго тиристора соединен с выводом первой секции дросселя, а управляющие электроды тиристоров соединены с блоком управления ими, на вход которого поступает сигнал задания формы тока компенсации.