СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МНОГОФАЗНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ СИММЕТРИРОВАНИИ ТОКОВ ПО ОДНОЙ ИЗ ФАЗ Российский патент 2010 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для повышения качества электроэнергии в многофазных системах энергоснабжения с нагрузками, параметры которых изменяются во времени, за счет расширения диапазона регулирования реактивной мощности, стабилизации коэффициента мощности на уровне любого заранее заданного значения, осуществляемой совместно с повышением эффективности симметрирования за счет повышения быстродействия и упрощения реализации.

Известно устройство [1], используемое для повышения качества электрической энергии, содержащее тиристорный источник реактивной мощности, выполненный в виде тиристорного моста, в одну диагональ которого включены две обмотки управления управляемого реактора, а в другую диагональ включен резистор. Способ-аналог обладает недостатками, основными из которых являются низкая экономичность и ограниченный диапазон регулирования реактивной мощности.

Известен способ автоматического симметрирования напряжения на погружном асинхронном двигателе, реализованный в устройстве [2], посредством которого симметрируют напряжение на зажимах потребителя за счет регулирования сопротивления цепи питания отдельных фаз. Данный способ наиболее близок по технической сущности к заявленному и поэтому принят в качестве прототипа. Известный способ-прототип обладает недостатками, заключающимися в низком к.п.д. и низком быстродействии. Кроме того, в способе-прототипе не предусмотрена компенсация реактивной мощности.

Задача, решаемая изобретением, - повышение качества электрической энергии основной n-фазной системы путем расширения диапазона регулирования реактивной мощности, стабилизации коэффициента мощности на уровне любого заранее заданного значения, осуществляемой совместно с симметрированием, повышения эффективности которого достигают за счет увеличения быстродействия и упрощения реализации.

Это достигается тем, что предложенный способ осуществляют последовательно, в два этапа и при этом на первом этапе в основной n-фазной системе с помощью дополнительного n-фазного источника мощности стабилизируют коэффициент мощности на уровне необходимого значения посредством генерации в любую из ее фаз, выбранную предварительно и определенную в качестве опорной - тока, модуль и фазовый угол которого формируют предварительно таким образом, чтобы геометрическая сумма токов - генерируемого тока и тока нагрузки опорной фазы была бы равна модулю упомянутого тока нагрузки, а фазовый угол, образованный суммарным током опорной фазы и ее напряжением был бы равен заданному, а на втором этапе несимметричную n-фазную нагрузку симметрируют относительно тока в опорной фазе, равного суммарному току последней, путем генерации в каждую симметрируемую фазу основной n-фазной сети с помощью упомянутого n-фазного источника мощности - токов, у которых предварительно формируют модуль и фазовый угол таким образом, чтобы в каждой из симметрируемых фаз геометрическая сумма соответствующего упомянутого генерируемого тока и тока, являющегося током нагрузки соответствующей фазы, была бы равна модулю суммарного тока опорной фазы, полученного геометрическим сложением в опорной фазе - генерируемого в нее тока, и тока ее нагрузки, а угол, образованный суммарным током опорной фазы и током, равным геометрической сумме токов в фазе, следующей по порядку за опорной, при прямом чередовании фаз, а также между суммарными токами соседних (n-1) симметрируемых фаз, был бы равен эл. градусов.

Сущность способа определяется следующим. Как известно, для большинства потребителей переменного тока нормальная их работа связана с потреблением реактивной мощности. При этом факт потребления реактивной мощности связан с увеличением потерь электроэнергии в элементах энергоснабжения, обладающих реактивным сопротивлением, по которым осуществляется ее транзит, а также увеличением потерь напряжения на зажимах потребителя. То обстоятельство, что колебание реактивной мощности, необходимое для нормальной работы потребителя, можно сосредоточить в специальном контуре, освободив от нее полностью или частично питающий контур энергосистемы, привело к созданию ряда способов компенсации реактивной мощности.

В основе предлагаемого способа компенсации реактивной мощности в n-фазной системе заложен принцип, согласно которому необходимую потребителю реактивную мощность на первом этапе компенсируют только в одной фазе, выбранной в качестве опорной, доводя при этом коэффициент мощности до необходимой величины. Последнее осуществляют с помощью дополнительного n-фазного источника мощности посредством генерации в опорную фазу - тока, с необходимым модулем и фазовым углом. Недостающую реактивную мощность в остальных (n-1) фазах компенсируют симметрируя последние относительно тока опорной фазы.

На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявляемого способа.

На схеме введены следующие обозначения:

1 - опорная фаза

2 - несимметричная нагрузка

3 - датчик формы тока опорной фазы

4, 5 - датчики формы тока симметрируемых фаз

6 - первый фазосдвигающий блок

7 - второй фазосдвигающий блок

8 - первый блок формирования разностных сигналов

9 - дополнительный источник мощности

10 - датчик опорной фазы

11 - третий фазосдвигающий блок

12 - блок формирования заданного фазового угла

13 - второй блок формирования разностного сигнала

Предлагаемый способ рассмотрен на примере трехфазной системы и осуществляется следующим образом.

Первоначально задают любую фазу, относительно которой будет осуществляться симметрирование, и определяют ее в качестве опорной. В данном рассмотренном примере в качестве опорной произвольно выбрана фаза «А». При этом на первом этапе осуществления способа с помощью датчика опорной фазы 10 из напряжения опорной фазы формируют эталонный сигнал тока, который имеет нулевой сдвиг по отношению к напряжению опорной фазы и отождествляет чисто активную форму нагрузки опорной фазы. Посредством третьего фазосдвигающего блока 11 и блока формирования заданного фазового угла 12 задают фазовый угол эталонного сигнала и таким образом формируют необходимый коэффициент мощности основной n-фазной системы. Далее, посредством второго блока разностного сигнала 13 формируют разностный сигнал, являющийся результатом сравнения сигнала, пропорционального току опорной фазы, и скорректированного эталонного сигнала (в общем случае, эталонный сигнал может и не корректироваться, тогда будет достигнуто значение коэффициента мощности, равное единице, что будет соответствовать чисто активной нагрузке опорной фазы). При этом в зависимости от того, какая из фаз выбрана в качестве опорной, с выхода соответствующего блока 3, 4, или 5 сигнал, пропорциональный току нагрузки опорной фазы, поступает на вход блока 13, а эталонный сигнал поступает на другой вход упомянутого блока. В данном случае, на один из входов блока 13 поступает сигнал с выхода блока 3, соответствующего выбранной фазе «А». С выхода блока 13 сформированный разностный сигнал управления поступает на управляющий вход, соответствующий фазе «А», цепи управления дополнительного источника мощности 9, посредством которого подается в опорную фазу.

Таким образом, в результате последовательности действий, произведенных в соответствии с первым этапом заявленного способа, осуществляется регулируемая компенсация реактивной мощности в опорной фазе. При этом таким образом задается коэффициент мощности для всей основной симметрируемой n-фазной системы. Далее, в соответствии со вторым этапом реализации заявленного способа с выхода датчика формы тока опорной фазы 3 сигнал, пропорциональный форме сигнала тока опорной фазы, в которой после первого этапа реализации способа уже задан коэффициент мощности основной n-фазной системы, т.е. суммарный ток в опорной фазе имеет заданный фазовый сдвиг относительно своего напряжения, поступает в первый фазосдвигающий блок 6. Данный блок, в общем случае, состоит из (n-1) фазосдвигающих цепочек, каждой из которых сигнал, пропорциональный сигналу тока опорной фазы, сдвигается соответственно на угол

где m - порядковый номер фазы при прямой последовательности чередования фаз, n - количество фаз в системе. Для данного случая, при количестве фаз, равном трем, таких фазосдвигающих цепочек две: одной из цепочек упомянутый сигнал сдвигается соответственно на 120 эл. градусов, - другой - на 240 эл. градусов, в зависимости от номера фазы, для симметрирования которой он будет использован. С выхода блока 6 сигналы, пропорциональные току опорной фазы и сдвинутые на 120 и 240 эл. градусов соответственно, поступают на первую группу входов первого блока формирования разностных сигналов 8, на вторую группу входов которого поступают сигналы, пропорциональные форме токов нагрузок симметрируемых фаз, сформированные в датчиках формы тока симметрируемых фаз 4 и 5 и проинвертируемые по фазе во втором фазосдвигающем блоке 7.

В первом блоке формирования разностных сигналов 8 сигналы, поступающие к первой и второй группам входов последнего, попарно сравниваются: опорный сигнал тока, сдвинутый на 120 эл. градусов, сравнивается с проинвертируемым на 180 эл. градусов сигналом, пропорциональным форме тока нагрузки фазы «В», а опорный сигнал тока, сдвинутый на 240 эл. градусов сравнивается с проинвертируемым на 180 эл. градусов сигналом, пропорциональным форме тока нагрузки фазы «С». Таким образом, на выходе блока 8 формируются сигналы, пропорциональные векторной разности сигнала опорной фазы и сигналов нагрузки симметрируемых фаз. Данные две пары векторных разностей токов и являются сформированными сигналами симметрируемых фаз, геометрическая сумма которых и токов нагрузки каждой из соответствующих симметрируемых фаз и дает токи, пропорциональные току опорной фазы, а фазовый угол, образованный упомянутой геометрической суммой токов и током опорной фазы, составляет 120 эл. градусов. Таким образом, мы получаем полностью симметричную систему сформированных сигналов токов, пропорциональных токам симметрируемой трехфазной системы относительно тока фазы «А», с заданным коэффициентом мощности. С выхода блока 8 сформированные сигналы управления поступают на управляющие входы, соответствующие симметрируемым фазам «В» и «С», цепей управления дополнительного источника мощности 9, посредством которого подаются в симметрируемые фазы. В качестве источника 9 может быть, использована, например, система с двойным преобразованием энергии, включающая ШИМ - выпрямитель, ШИМ - инвертор и содержащая промежуточное звено постоянного тока.

Таким образом, в результате поэтапной последовательности действий, произведенных в соответствии с заявленным способом, посредством дополнительного источника мощности, в основной n-фазной сети производится компенсация реактивной мощности, осуществляемая на уровне любого предварительно заданного значения совместно с симметрированием системы.

При этом повышения качества электрической энергии основной n-фазной системы, при использовании заявленного способа добиваются путем расширения диапазона регулирования реактивной мощности, стабилизации коэффициента мощности на уровне любого заранее заданного значения, осуществляемой совместно с повышением эффективности симметрирования многофазной системы за счет повышения быстродействия и упрощения реализации.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. А.С. СССР № 1823072, Бюл. № 23, 23.06.1993, Кл. Н02J 3/18, 3/26, 1993.

2. А.С. СССР № 562038, Бюл. № 22, 14.07.1977, Кл. Н02J 3/26, 1977.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении быстродействия и упрощении реализации. Согласно способу процесс регулирования коэффициента мощности в основной n-фазной сети и процесс симметрирования последней осуществляют совместно и последовательно, в два этапа. При этом необходимую потребителю реактивную мощность на первом этапе компенсируют только в одной фазе, выбранной в качестве опорной, доводя при этом коэффициент мощности до необходимой величины. Последнее осуществляют с помощью дополнительного n-фазного источника мощности посредством генерации в опорную фазу - тока с необходимым модулем и фазовым углом. Недостающую реактивную мощность в остальных (n-1) фазах компенсируют с помощью упомянутого дополнительного n-фазного источника мощности, симметрируя последние относительно тока опорной фазы. 1 ил.

Способ повышения качества электрической энергии основной n-фазной сети путем компенсации реактивной мощности, потребляемой n-фазной нагрузкой последней, отличающийся тем, что процесс регулирования коэффициента мощности в основной n-фазной сети и процесс симметрирования последней осуществляют совместно и последовательно в два этапа, при этом на первом этапе в основной n-фазной сети предварительно определяют в качестве опорной любую из ее фаз, выделяют в ней сигнал, пропорциональный току ее нагрузки, сравнивают последний с эталонным сигналом, который, в свою очередь, формируют из сигнала, пропорционального питающему напряжению опорной фазы, получают при этом разностный сигнал, последний корректируют таким образом, чтобы фазовый сдвиг между ним и эталонным сигналом был равен предварительно заданному, и генерируют посредством дополнительного n-фазного источника мощности в опорную фазу ток, пропорциональный скорректированному разностному сигналу, таким образом, чтобы ток в опорной фазе, равный геометрической сумме генерируемого тока и тока нагрузки опорной фазы, был бы равен модулю тока нагрузки последней, а фазовый угол, образованный током полученной геометрической суммы токов в опорной фазе и ее напряжением, был бы равен заданному, на втором этапе с помощью упомянутого дополнительного n-фазного источника мощности генерируют в каждую из оставшихся (n-1) фаз токи, предварительно формируя каждый из них таким образом, чтобы в каждой из симметрируемых (n-1) фаз основной n-фазной сети геометрическая сумма токов - генерируемого в симметрируемую фазу и током ее нагрузки - была бы равна по модулю току, равному упомянутой геометрической сумме токов в опорной фазе, а угол, образованный суммарным током последней и током симметрируемой фазы, следующей за опорной при прямом чередовании фаз, а также между суммарными токами соседних (n-1) симметрируемых фаз был бы равен эл. градусов.