ТРЕХФАЗНЫЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2011 года по МПК H02J3/18 

Устройство относится к электротехнике и предназначено для компенсации реактивной мощности и повышения коэффициента мощности трехфазных потребителей, в частности, промышленных предприятий.

Коэффициент мощности является одним из основных энергетических показателей приемников электрической энергии, определяющим потребление им непроизводительной реактивной мощности. В настоящее время коэффициент мощности энергоемких предприятий составляет 0,6-0,7. Низкое значение коэффициента мощности приводит к существенным потерям электроэнергии.

При несинусоидальной форме напряжения и тока коэффициент мощности К_м потребителя определяется по формуле [Л.А.Бессонов. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Учебник. - 10-е изд. - М.: Гардарики, 2000]:

где φ - угол сдвига между потребляемым током и питающим напряжением;

υ - коэффициент искажения формы потребляемого тока.

Последний коэффициент характеризует степень искажения тока и определяется отношением первой гармоники потребляемого тока I₁ к его действующему значению I_потр

Таким образом, коэффициент мощности К_м характеризует степень потребления нагрузкой активной и, соответственно, реактивной мощности. Увеличение К_м способствует повышению потребления активной мощности и одновременному уменьшению реактивной.

Компенсация реактивной мощности является эффективным средством повышения коэффициента мощности, значение которого зависит от приближения фазы потребляемого тока к питающему напряжению, а также симметрирования и улучшения формы потребляемого тока.

Известен трехфазный компенсатор реактивной мощности (Энергетическая электроника: Справочное пособие. Пер. с нем. Под ред. В.А.Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.243.), который компенсирует реактивную мощность за счет приближения фазы потребляемого тока к питающему напряжению.

Устройство содержит трехфазный управляемый выпрямитель, трехфазный автономный инвертор напряжения, а также трехфазный реактор и конденсатор. Ключевые элементы автономного инвертора напряжения выполнены в виде встречно-параллельного соединения тиристора и диода. Управление автономным инвертором напряжения осуществляется от синхронизированной с сетью системой управления.

Вход управляемого выпрямителя подключен к трехфазной сети переменного тока, а его выход через конденсатор связан с входом трехфазного автономного инвертора напряжения. Выводы автономного инвертора напряжения со стороны переменного тока через трехфазный реактор соединены с трехфазной сетью.

Устройство работает следующим образом. На ключевые элементы автономного инвертора напряжения подается управляющий сигнал, который формирует на его выходе переменную гармонику тока основной частоты. Эта гармоника тока на 90 эл.град. опережает сетевое напряжение. При индуктивном характере нагрузки опережающая по фазе гармоника тока, имеющая емкостный характер, компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки и приближает фазу φ потребляемого тока к питающему напряжению. Таким образом, компенсатор с нерегулируемой величиной тока компенсации повышает коэффициент мощности потребителя за счет увеличения Cosφ при определенных (номинальных) токах нагрузки.

Достоинство известного трехфазного компенсатора реактивной мощности заключается в увеличении коэффициента мощности энергоемких предприятий до 0,8-0,85 за счет увеличения Cosφ при номинальных токах нагрузки. Это обусловлено формированием емкостного тока компенсатора, компенсирующего противоположный по характеру индуктивный ток нагрузки.

Недостаток известного трехфазного компенсатора реактивной мощности заключается в недостаточно высоких значениях коэффициента мощности. Это обусловлено, во-первых, наличием фазового угла сдвига φ между потребляемым током и питающим напряжением, приводящим в отличных от номинального режимах работы к уменьшению Cosφ и, во-вторых, сохранением несинусоидальной формы потребляемого тока. Отклонение тока нагрузки от номинального значения вызывает неполную компенсацию реактивной мощности и увеличивает фазовый сдвиг φ между потребляемым током и питающим напряжением. Кроме того, в нерегулируемом компенсаторе симметрирование тока нагрузки и улучшение формы потребляемого тока осуществляется не в полной мере, вследствие чего вышеуказанный известный компенсатор имеет ограниченное применение.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является трехфазный компенсатор реактивной мощности [А.С. №2239271. Трехфазный компенсатор реактивной мощности. Авторы изобретения Ю.М.Кулинич, А.Н.Савоськин. - Опубл. В БИ №30, 2004 г., МКИ 7 Н02J 3/16, 3/18], который повышает коэффициент мощности за счет приближения фазы потребляемого тока к питающему напряжению, а также симметрирования и улучшения формы потребляемого тока,

Трехфазный компенсатор реактивной мощности, подключенный к трехфазной нагрузке, содержит трехфазную нагрузку, силовой инверторный блок, систему управления, устройство дозарядки источника реактивной мощности и источник заданного значения напряжения.

Силовой инверторный блок включает в себя последовательно соединенные трехфазный трансформатор, блок автономных инверторов напряжения и источник реактивной мощности. Входы трехфазного трансформатора являются первыми входами силового инверторного блока, входы блока автономных инверторов напряжения - его вторыми входами, обкладки конденсатора источника реактивной мощности являются первым выходом силового инверторного блока, а выходы блока автономных инверторов напряжения - его вторыми выходами.

Система управления включает в себя блок вычисления активной и реактивной мощности, блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, блок вычисления заданных значений фазных токов и блок управления автономными инверторами напряжения. Блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности выполнен в виде двух устройств, каждое из которых содержит интегратор и сумматор. В каждом устройстве вход интегратора соединен с первым входом соответствующего сумматора, а выход - со вторым входом соответствующего сумматора. Первый вход сумматора и вход интегратора являются, соответственно, первым и вторым входами блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, выходы сумматора - его первым и вторым выходами.

Первый и второй выходы блока вычисления активной и реактивной мощности системы управления соединены с первым и вторым входами блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности. Первый выход блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности подключен к второму входу блока вычисления заданных значений фазных токов, выход которого соединен с первым входом блока управления автономными инверторами напряжения.

Первые входы блока вычисления активной и реактивной мощности и блока вычисления заданных значений фазных токов являются первыми входами системы управления. Вторые входы блока вычисления активной и реактивной мощности являются вторыми входами системы управления. Третий вход блока вычисления заданных значений фазных токов является ее третьим входом. Второй вход блока управления автономными инверторами напряжения является ее четвертым входом. Второй выход блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности являются первым выходом системы управления, выход блока управления автономными инверторами напряжения - ее вторым выходом.

Первые входы системы управления, первые входы силового инверторного блока, а также трехфазная нагрузка подключены непосредственно к питающей сети. Вторые входы системы управления связаны с трехфазной нагрузкой. Третий вход системы управления соединен с выходом устройства дозарядки источника реактивной мощности, первый вход которого подсоединен к первому выходу системы управления. Четвертый вход системы управления соединен со вторым выходом силового инверторного блока. Второй выход системы управления подключен ко второму входу силового инверторного блока.

Выход источника заданного значения напряжения связан со вторым входом устройства дозарядки источника реактивной мощности, третий вход которого подключен к первому выходу силового инверторного блока.

Трехфазный компенсатор реактивной мощности работает следующим образом.

Сигналы фазных токов и напряжений подаются на входы блока вычисления активной и реактивной мощности, в котором по величине этих сигналов формируется напряжение, пропорциональное активной и реактивной мощности нагрузки. В блоке вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности производится вычисление значений переменных составляющих активной и реактивной мощности. В блоке вычисления заданных значений фазных токов формируются сигналы заданного значения тока компенсатора, обеспечивающего приближение фазы потребляемого тока к питающему напряжению, а также симметрирование и синусоидальную форму этого тока. Управляющий сигнал с выхода блока управления автономными инверторами напряжения подается на вход блока автономных инверторов напряжения, в котором за счет энергии источника реактивной мощности формируются токи компенсатора. Сигналы текущего значения тока компенсатора, полученные на выходе блока автономных инверторов напряжения, сравниваются в блоке управления автономными инверторами напряжения с заданными значениями этих токов, поступающими на его вход с выхода блока вычисления заданных значений фазных токов.

Энергия источника реактивной мощности W_ист выбирается из условия работы компенсатора в номинальном режиме. Величина W_ист должна быть равна суммарной реактивной мощности Q_Σ, потребляемой нагрузкой в номинальном режиме, т.е. W_ист=Q_Σ. Суммарная реактивная мощность нагрузки Q_Σ=Q+Q_иск складывается из реактивной мощности основной частоты Q и мощности искажения Q_иск. Первая составляющая реактивной мощности Q определяется величиной несимметрии потребляемых токов и степенью приближения фазы этих токов к питающему напряжению. Мощность искажения Q_иск пропорциональна степенью несинусоидальности формы потребляемого тока. Принятая в компенсаторе постоянная величина энергии источника реактивной мощности

поддерживается за счет постоянного напряжения U_ист на зажимах конденсатора С источника реактивной мощности.

Устройство дозарядки источника реактивной мощности поддерживает постоянное значение напряжения на конденсаторе источника реактивной мощности. Значение напряжения на конденсаторе задается выходным сигналом источника заданного значения напряжения.

В номинальном режиме работы компенсатора по значениям сигналов потребляемого тока и питающего напряжения, поступающими на вход блока вычисления активной и реактивной мощности, рассчитываются значения активной и реактивной мощности. В блоке вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности с помощью интегратора и сумматора осуществляется выделение значений высших гармоник активной и реактивной мощности. При этом из сигналов активной и реактивной мощности, поступающих на вход этого блока, с помощью интегратора вычисляется инверсное значение активной и реактивной мощности основной частоты. На выходе сумматора формируется сигнал, пропорциональный высшим гармоническим составляющим активной и реактивной мощности. По величине этих сигналов, а также значениям фазных напряжений в блоке вычисления заданных значений фазных токов формируются сигналы заданных значений фазных токов. Заданные значения фазных токов компенсатора определяются переменной составляющей активной и реактивной мощности трехфазной нагрузки, а также значениями фазных напряжений трехфазного источника напряжения. Сигналы текущего и заданного значений фазных токов сравниваются в блоке управления автономными инверторами напряжения, где в зависимости от соотношения этих сигналов происходит управление блоком автономных инверторов напряжений. Управление этим блоком заключается в формировании фазных токов, которые, протекая в противофазе с индуктивной составляющей тока нагрузки, компенсируют переменные составляющие активной и реактивной мощности, тем самым осуществляют приближение фазы потребляемого тока к питающему напряжению, а также симметрирование и улучшение формы потребляемого тока. Если суммарная реактивная мощность нагрузки Q_Σ соответствует энергии W_ист источника реактивной мощности, то происходит полная компенсация реактивной мощности нагрузки и повышение коэффициента мощности. В случае отличия тока нагрузки от номинального режима изменяется величина реактивной мощности нагрузки, что приводит к ее неполной компенсации.

Достоинством известного устройства является повышение коэффициента мощности в номинальном режиме работы нагрузки до 0,85-0,92. Увеличение коэффициента мощности обусловлено, во-первых, приближением фазы потребляемого тока к питающему напряжению, а, во-вторых, симметрированием и улучшением формы этого тока в номинальном режиме работы нагрузки. Это обусловлено полной компенсацией суммарной реактивной мощности нагрузки. Благодаря этому значительно повышается величина коэффициента мощности К_м.

Недостатком известного устройства являются недостаточно высокие показатели коэффициента мощности в отличных от номинальных режимах работы (0,82) из-за отклонения нагрузки от номинальной, что приводит к неполной компенсации реактивной мощности. Это обусловлено увеличением суммарной реактивной мощности, превышающей фиксированную энергию источника реактивной мощности, что вызывает неполную компенсации реактивной мощности нагрузки. Неполная компенсация реактивной мощности является причиной появления фазового угла сдвига φ между потребляемым током и питающим напряжением, уменьшающего значения Cosφ, а также нарушения симметрии и синусоидальности формы потребляемого тока, снижающего величину коэффициента искажения формы потребляемого тока υ. Это приводит к снижению коэффициента мощности К_м.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке трехфазного компенсатора реактивной мощности, в котором обеспечивается достижение максимального значения коэффициента мощности при любом режиме работы, включая номинальный и отличный от номинального режимы работы, при одновременном повышении уровня напряжения на трехфазной нагрузке за счет компенсации реактивной мощности благодаря регулированию энергии источника реактивной мощности.

Для решения поставленной задачи в трехфазный компенсатор реактивной мощности, подключенный к трехфазной нагрузке, содержащий силовой инверторный блок, включающий последовательно соединенные трехфазный трансформатор, блок автономных инверторов напряжения и источник реактивной мощности, в котором входы трехфазного трансформатора являются первыми входами силового инверторного блока, входы блока автономных инверторов напряжения - его вторыми входами, обкладки конденсатора источника реактивной мощности являются первым выходом силового инверторного блока, а выходы блока автономных инверторов напряжения - его вторыми выходами, систему управления, включающую блок вычисления активной и реактивной мощности, блок вычисления заданных значений фазных токов, блок управления автономными инверторами напряжения и блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, выполненный в виде двух устройств, содержащих интегратор и сумматор, в которых вход каждого интегратора соединен с первым входом соответствующего сумматора, выход - со вторым входом соответствующего сумматора, и в которых первый вход сумматора и вход интегратора являются соответственно первым и вторым входами блока вычисления, а выходы сумматоров - его первым и вторым выходами, при этом первый и второй выходы блока вычисления активной и реактивной мощности системы управления соединены с первым и вторым входами блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, первый выход блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности подключен второму входам блока вычисления заданных значений фазных токов, выход которого соединен с первым входом блок управления автономными инверторами напряжения, первые входы блока вычисления активной и реактивной мощности и блока вычисления заданных значений фазных токов являются первыми входами системы управления, вторые входы блока вычисления активной и реактивной мощности являются ее вторыми входами, третий вход блока вычисления заданных значений фазных токов - ее третьим входом, второй вход блока управления автономными инверторами напряжения - ее четвертым входом, второй выход блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности является первым выходом системы управления, выход блока управления автономными инверторами напряжения - ее вторым выходом, а также устройство дозарядки источника реактивной мощности, при этом первые входы системы управления и трехфазная нагрузка подключены непосредственно к питающей сети, ее вторые входы - к трехфазной нагрузке, ее третий вход - к выходу устройства дозарядки источника реактивной мощности, первый вход которого подсоединен к первому выходу системы управления, четвертый вход системы управления соединен со вторым выходом силового инверторного блока, выход системы управления подключен ко второму входу силового инверторного блока, в него дополнительно введены устройство вычисления заданного напряжения, элемент сравнения, ПИ-регулятор, блок управления устройством дозарядки источника реактивной мощности и датчик напряжения, при этом первый выход блока вычисления активной и реактивной мощности системы управления подключено к входу устройства вычисления заданного напряжения, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, выход которого через последовательно соединенные ПИ-регулятор и блок управления устройством дозарядки источника реактивной мощности подключен к второму входу устройства дозарядки источника реактивной мощности, а второй вход элемента сравнения - к выходу датчика напряжения, первый и второй входы которого соединены с первыми выходами силового инверторного блока.

Введение в трехфазный компенсатор реактивной мощности новых блоков и образование новых взаимосвязей между блоками устройства являются существенными отличительными признаками, свидетельствуют о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Введение в трехфазный компенсатор реактивной мощности совокупности новых блоков: устройства вычисления заданного напряжения, элемента сравнения, ПИ-регулятора, блока управления устройством дозарядки источника реактивной мощности и датчика напряжения, - и новые взаимосвязи блоков обеспечивают достижение максимального значения коэффициента мощности при любом режиме работы, включая номинальный и отличный от номинального режимы работы, при одновременном повышении уровня напряжения на трехфазной нагрузке за счет полной компенсации реактивной составляющей входного тока и полной компенсации высших гармонических составляющих входного тока потребителя в широком диапазоне токовых нагрузок.

Это обусловлено тем, что направленный противофазно высшим гармоническим составляющим и реактивной составляющей входного тока ток компенсации компенсирует их, что приводит к одновременному приближению потребляемого тока к синусоидальной форме и приближению фазы потребляемого тока к питающему напряжению. Это в свою очередь увеличивает как коэффициент искажения тока υ, так и Cosφ и соответственно коэффициента мощности К_м. Таким образом, за счет изменения одного фактора, а именно изменения тока компенсации, увеличиваются обе составляющие коэффициента мощности К_м. Увеличение обеих составляющих коэффициента мощности К_м приводит к максимального увеличению коэффициента мощности при любом режиме работы.

Кроме того, компенсация реактивной составляющей входного тока за счет улучшения формы входного тока приводит к уменьшению в его составе реактивной составляющей тока и тока высших гармонических составляющих. Уменьшение реактивной составляющей тока нагрузки снижает потери напряжения в индуктивном сопротивлении линии электропередачи. Благодаря этому происходит увеличение уровня напряжения на входе потребителя.

Причинно-следственная связь «Введение в трехфазный компенсатор реактивной мощности совокупности новых блоков: устройства вычисления заданного напряжения, элемента сравнения, ПИ-регулятора, блока управления устройством дозарядки источника реактивной мощности и датчика напряжения и новые взаимосвязи блоков влияют на достижение максимального значения коэффициента мощности за счет полной компенсации реактивной составляющей входного тока и полной компенсации высших гармонических составляющих входного тока в номинальном режиме работы благодаря номинальному значению тока компенсации» известна в уровне техники, следовательно, она явным образом следует из уровня техники.

Однако, причинно-следственная связь «Введение в трехфазный компенсатор реактивной мощности совокупности новых блоков: устройства вычисления заданного напряжения, элемента сравнения, ПИ-регулятор, блока управления устройством дозарядки источника реактивной мощности и датчика напряжения и новые взаимосвязи блоков влияют на достижение максимального значения коэффициента мощности за счет полной компенсации реактивной составляющей входного тока и полной компенсации высших гармонических составляющих входного тока в режимах, отличных от номинального режима, при одновременном повышении уровня напряжения на трехфазной нагрузке благодаря регулированию энергии источника реактивной мощности, не обнаружена в уровне техники, следовательно, она явным образом не следует из уровня техники. Следовательно, она является новой и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его воплощения со ссылками на сопровождающий чертеж, где представлена схема заявляемого устройства, подтверждающая соответствие заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «промышленная применимость».

Трехфазный компенсатор реактивной мощности, подключенный к трехфазной нагрузке 1, содержит силовой инверторный блок 2, систему управления 3, устройство дозарядки источника реактивной мощности 4, устройство вычисления заданного напряжения 5, элемент сравнения 6, ПИ-регулятор 7, блок управления устройством дозарядки источника реактивной мощности 8 и датчик напряжения 9.

Силовой инверторный блок 2 включает в себя последовательно соединенные трехфазный трансформатор 10, блок автономных инверторов напряжения 11 и источник реактивной мощности 12. В силовом инверторном блоке входы трехфазного трансформатора 10 являются первыми входами силового инверторного блока 2, входы блока автономных инверторов напряжения 11 - его вторыми входами, обкладки конденсатора источника реактивной мощности 12 являются первым выходом силового инверторного блока 2, а выходы блока автономных инверторов напряжения 11 - его вторыми выходами,

Система управления 3 включает в себя блок вычисления активной и реактивной мощности 13, блок вычисления заданных значений фазных токов 14, блок управления автономными инверторами напряжения 15 и блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности 16. Блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности 16 выполнен в виде двух устройств, содержащих интегратор 17 и сумматор 18. В каждом устройстве вход каждого интегратора 17 соединен с первым входом соответствующего сумматора 18, а выход - со вторым входом соответствующего сумматора 18. Первый вход сумматора 18 и вход интегратора 17 являются, соответственно, первым и вторым входами блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности 16, а выходы сумматоров 18 - его первым и вторым выходами.

Первый и второй выходы блока вычисления активной и реактивной мощности 13 системы управления 3 соединены с первым и вторым входами блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности 16. Первый выход блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности 16 подключен к второму входу блока вычисления заданных значений фазных токов 14, выход которого соединен с первым входом блока управления автономными инверторами напряжения 15. Первые входы блока вычисления активной и реактивной мощности 13 и блока вычисления заданных значений фазных токов 14 являются первыми входами системы управления 3. Вторые входы блока вычисления активной и реактивной мощности 13 являются вторыми входами системы управления 3, третий вход блока вычисления заданных значений фазных токов 14 - ее третьим входом, второй вход блока управления автономными инверторами напряжения 15 - ее четвертым входом. Второй выход блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности 16 является первым выходом системы управления 3, выход блока управления автономными инверторами напряжения 15 - ее вторым выходом.

Первые входы системы управления 3, первые входы силового инверторного блока 2, а также трехфазная нагрузка 1 подключены непосредственно к питающей сети. Вторые входы системы управления 3 связаны с трехфазной нагрузкой 1. Третий вход системы уравнения 3 подключен к выходу устройства дозарядки источника реактивной мощности 4, первый вход которого подсоединен к первому выходу системы управления 3. Четвертый вход системы управления 3 соединен со вторым выходом силового инверторного блока 2. Второй выход системы управления 3 подключен ко второму входу силового инверторного блока 2. Первый выход блока вычисления активной и реактивной мощности 13 системы управления 3 подключен к входу устройства вычисления заданного напряжения 5, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения 6. Выход элемента сравнения 6 через последовательно соединенные ПИ-регулятор 7 и блок управления устройством дозарядки источника реактивной мощности 8 подключен к второму входу устройства дозарядки источника реактивной мощности 4. Второй вход элемента сравнения 6 подключен к выходу датчика напряжения 9, первый и второй входы которого соединены с первыми выходами силового инверторного блока 2.

Блок автономных инверторов напряжения 11 выполнен по схеме трехфазного инвертора напряжения на базе силовых IGBT-транзисторов. Блок вычисления активной и реактивной мощности 13 и устройство вычисления заданного напряжения 5 реализованы на базе PIC-контроллера 16F877. В качестве датчика напряжения 9 использован датчик, выпускаемый фирмой LEM. Остальные элементы трехфазного компенсатора реализованы на базе операционных усилителей 140 серии и цифровых элементов средней степени интеграции 155 серии.

Трехфазный компенсатор реактивной мощности работает следующим образом.

Сигналы фазных токов i_a, i_b, i_c и напряжений u_a, u_b, u_c подаются на входы блока вычисления активной и реактивной мощности 13 системы управления 3, в котором по величине этих сигналов формируется напряжение, пропорциональное активной р и реактивной q мощности нагрузки.

Вычисление мощностей р и q производится в α-β плоскости в соответствии с соотношениями:

где е_α, e_β и i_α, i_β - соответственно приведенные к α-β плоскости значения фазных напряжений и токов.

В блоке вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности 16 интегратором 17 и сумматором 18 производится вычисление значений переменных составляющих активной р_≈ и реактивной q_≈ мощности. В блоке вычисления заданных значений фазных токов 14 формируются сигналы заданного значения токов компенсатора i^* _a, i^* _b, i^* _c, обеспечивающего приближение фазы потребляемого тока к питающему напряжению, а также симметрирование и синусоидальную форму этого тока. Расчет заданных токов i^* _a, i^* _b, i^* _c производится на основании полученных значений переменных составляющих мощности р_≈ и q_≈ по формулам:

где p_v - составляющая активной мощности, обусловленная напряжением конденсатора источника реактивной мощности 12.

Управляющий сигнал с выхода блока управления автономными инверторами напряжения 15 подается на вход блока автономных инверторов напряжения 11, в котором за счет энергии источника реактивной мощности 12 формируются токи компенсатора. Сигналы текущего значения тока компенсатора, полученные на выходе блока автономных инверторов напряжения 11, сравниваются в блоке управления автономными инверторами напряжения 15 с заданными значениями i^* _a, i^* _b, i^* _c этих токов, поступающими на его вход с выхода блока вычисления заданных значений фазных токов 14.

Выходной ток блока автономных инверторов напряжения 11 формируется за счет энергии источника реактивной мощности 12, которая должна быть равна суммарной реактивной мощности Q_Σ высших гармонических составляющих входного тока и мощности реактивной составляющей входного тока. Для компенсации суммарной реактивной мощности Q_Σ напряжение U_ист источника реактивной мощности 12 должно удовлетворять уравнению (3).

Суммарная реактивная мощность Q_Σ=q=e_αi_β-е_βi_α вычисляется с помощью блока вычисления активной и реактивной мощности 13, а необходимое для ее компенсации напряжение V_ист на зажимах источника реактивной мощности 12 рассчитывается устройством вычисления заданного напряжения 5 в соответствии с выражением (3). С помощью блока управления устройством дозарядки источника реактивной мощности 8 происходит регулирование напряжения на зажимах источника реактивной мощности 12. Для этого на вход блока управления устройством дозарядки источника реактивной мощности 8 через ПИ-регулятор (пропорционально-интегрирующий регулятор) 7 подается разностный сигнал ΔU=U_зад-U_ф, пропорциональный разности заданного U_зад и фактического U_ф значений напряжения источника реактивной мощности 12. Датчик напряжения 9 определяет фактическое значение напряжения U_ф. Элемент сравнения 6 сравнивает заданное и фактическое значения напряжений. ПИ-регулятор 7 обеспечивает изодромное регулирование и нулевое установившееся значение ошибки по положению (разности напряжений ΔU=U_зад-U_ф) по закону регулирования:

где k, T - соответственно коэффициент усиления и постоянная времени ПИ-регулятора.

При изменении тока трехфазной нагрузки 1 происходит изменение реактивной составляющей ее мощности. Увеличение тока трехфазной нагрузки 1 приводит к увеличению реактивной мощности, что требует повышения уровня напряжения источника реактивной мощности 12, затрачиваемого для компенсации реактивной мощности. Снижение тока трехфазной нагрузки 1, наоборот, должно сопровождаться уменьшением напряжения источника реактивной мощности 12. Устройство вычисления заданного напряжения 5 для постоянной емкости конденсатора источника реактивной мощности 12 рассчитывает необходимое значение напряжения U_зад на обкладках конденсатора. Если это напряжение не равно фактическому значению напряжения U_ф, то появляется разностный сигнал ΔU на выходе элемента сравнения 6. В соответствии с уравнением (6) ПИ-регулятор 7 преобразует входную координату ΔU в управляющий сигнал y для блока управления устройством дозарядки источника реактивной мощности 8. На выходе этого блока формируется сигнал р_v, величина которого пропорциональна разностному сигналу заданного и фактического напряжения на конденсаторе источника реактивной мощности 12. В устройстве дозарядки источника реактивной мощности 4 корректируется величина переменной составляющей активной мощности р_≈ с учетом уровня напряжения источника реактивной мощности 12. На основании сигналов, поступающих на вход блока вычисления заданных значений фазных токов 14, в соответствии с формулами (5) вычисляются заданные значения фазных токов i^* _a, i^* _b, i^* _c. Блок управления автономными инверторами напряжения 15 сравнивает значения этих токов с фактическими значениями, получаемыми на выходе блока автономных инверторов напряжения 11. Управление блоком автономных инверторов напряжения 11 сводится к тому, чтобы заданные и фактические значения фазных токов совпадали. В этом случае из питающей сети через трехфазный трансформатор 10 и блок автономных инверторов напряжения 11 силового инверторного блока 2 в цепь источника реактивной мощности поступает такой ток, который при изменении тока трехфазной нагрузки 1 обеспечивает требуемое значение напряжения на конденсаторе источника реактивной мощности 12. В этом случае осуществляется полная компенсация реактивной мощности во всех режимах работы трехфазной нагрузки 1, включая номинальный.

Опытный образец трехфазного компенсатора реактивной мощности испытан в электроаппаратном цехе депо Белогорск Забайкальской железной дороги. Испытания показали, что коэффициент мощности потребителей цеха составляет 0,96 при различных режимах (токах) нагрузки потребителей, превышая на 6,6% этот показатель по сравнению с прототипом. При этом уровень напряжения на трехфазной нагрузке, измеренный на вводе распределительного щита цеха, увеличился на 2-3%.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для компенсации реактивной мощности и повышения коэффициента мощности трехфазных потребителей, в частности, промышленных предприятий. Технический результат состоит в повышении коэффициента мощности до 0,96 при любом режиме работы, включая номинальный, при одновременном повышении уровня напряжения на трехфазной нагрузке на 2-3% благодаря регулированию энергии источника реактивной мощности. Трехфазный компенсатор реактивной мощности подключен к трехфазной нагрузке и содержит силовой инверторный блок, включающий в себя трехфазный трансформатор, блок автономных инверторов напряжения и источник реактивной мощности. Система управления включает блок вычисления активной и реактивной мощности, блок вычисления заданных значений фазных токов, блок управления автономными инверторами напряжения и блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, устройство дозарядки источника реактивной мощности, устройство вычисления заданного напряжения, элемент сравнения, ПИ-регулятор, блок управления устройством дозарядки и датчик напряжения. Первый выход блока вычисления активной и реактивной мощности подключен к входу устройства вычисления заданного напряжения, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, выход которого через последовательно соединенные ПИ-регулятор и блок управления устройством дозарядки подключен к второму входу последнего. Второй вход элемента сравнения подключен к выходу датчика напряжения, первый и второй входы которого соединены с источником реактивной мощности. 1 ил.

Трехфазный компенсатор реактивной мощности, подключенный к трехфазной нагрузке, содержащий силовой инверторный блок, включающий последовательно соединенные трехфазный трансформатор, блок автономных инверторов напряжения и источник реактивной мощности, в котором входы трехфазного трансформатора являются первыми входами силового инверторного блока, входы блока автономных инверторов напряжения - его вторыми входами, обкладки конденсатора источника реактивной мощности являются первым выходом силового инверторного блока, а выходы блока автономных инверторов напряжения - его вторыми выходами, систему управления, включающую блок вычисления активной и реактивной мощности, блок вычисления заданных значений фазных токов, блок управления автономными инверторами напряжения и блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, выполненный в виде двух устройств, содержащих интегратор и сумматор, в которых вход каждого интегратора соединен с первым входом соответствующего сумматора, выход - со вторым входом соответствующего сумматора и в которых первый вход сумматора и вход интегратора являются соответственно первым и вторым входами блока вычисления, а выходы сумматоров - его первым и вторым выходами, при этом первый и второй выходы блока вычисления активной и реактивной мощности системы управления соединены с первым и вторым входами блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, первый выход блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности подключен второму входам блока вычисления заданных значений фазных токов, выход которого соединен с первым входом блок управления автономными инверторами напряжения, первые входы блока вычисления активной и реактивной мощности и блока вычисления заданных значений фазных токов являются первыми входами системы управления, вторые входы блока вычисления активной и реактивной мощности являются ее вторыми входами, третий вход блока вычисления заданных значений фазных токов - ее третьим входом, второй вход блока управления автономными инверторами напряжения - ее четвертым входом, второй выход блока вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности является первым выходом системы управления, выход блока управления автономными инверторами напряжения - ее вторым выходом, а также устройство дозарядки источника реактивной мощности, при этом первые входы системы управления и трехфазная нагрузка подключены непосредственно к питающей сети, ее вторые входы - к трехфазная нагрузке, ее третий вход - к выходу устройства дозарядки источника реактивной мощности, первый вход которого подсоединен к первому выходу системы управления, четвертый вход системы управления соединен со вторым выходом силового инверторного блока, выход системы управления подключен ко второму входу силового инверторного блока, отличающийся тем, что в него введены устройство вычисления заданного напряжения, элемент сравнения, ПИ-регулятор, блок управления устройством дозарядки источника реактивной мощности и датчик напряжения, при этом первый выход блока вычисления активной и реактивной мощности системы управления подключен к входу устройства вычисления заданного напряжения, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, выход которого через последовательно соединенные ПИ-регулятор и блок управления устройством дозарядки источника реактивной мощности подключен к второму входу устройства дозарядки источника реактивной мощности, а второй вход элемента сравнения - к выходу датчика напряжения, первый и второй входы которого соединены с первыми выходами силового инверторного блока.