СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ОТ n-ФАЗНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ (ВАРИАНТ 2) Российский патент 2012 года по МПК H02J3/26 

Способ относится к энергетике и может быть использован для повышения эффективности использования электроэнергии, при одновременном улучшении ее показателей качества, в энергосистемах со стационарными потоками мощности.

Известен способ (1) питания нагрузки постоянного тока от трехфазной системы энергоснабжения, принятый в качестве аналога, посредством неуправляемого трехфазного выпрямителя, при осуществлении которого, от каждой ее фазы, активная энергия отбирается практически в равных количествах.

Известен способ (2) питания нагрузки постоянного тока от трехфазной системы энергоснабжения, принятый в качестве прототипа, посредством управляемого трехфазного выпрямителя, при осуществлении которого, от каждой ее фазы, активная энергия извлекается в заданных, практически равных количествах. При этом в случае, если нагрузки энергосистемы являются нелинейными и несимметричными, известные способ-аналог и способ-прототип не позволяют исключить или снизить вызываемые ими негативные последствия, связанные непроизводительными потерями энергии.

Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности использования электроэнергии посредством снижения ее непроизводительных потерь, вызванных реактивными токами основной и высших гармоник и несимметрией фазных токов, с одновременным повышением ее показателей качества.

Это достигается тем, что согласно предложенному способу для питания нагрузки постоянного тока используют как активную составляющую мощности группы симметрируемых фаз n-фазной системы энергоснабжения, так и реактивную мощность, причем, сначала, из n-фаз извлекают реактивную мощность и используют как долю мощности, необходимую для питания упомянутой нагрузки, а затем минимум из одной фазы, составляющей группу симметрируемых фаз, извлекают активную мощность, причем таким образом, чтобы оставшийся в каждой из фаз упомянутой группы ток основной частоты, отбираемый несимметричной нелинейной нагрузкой, имел бы величину модуля, равную либо заранее заданной, либо равную величине модуля тока в опорной фазе, при этом опорную фазу предварительно выбирают из n-питающих фаз несимметричной системы энергоснабжения по условию максимального значения модуля тока.

На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявленного способа. При этом введены следующие обозначения.

ЭС - питающая трехфазная система энергоснабжения

1, 2, 3 - датчики тока фаз, А, В и С соответственно

4, 5 - фазокорректирующие цепи

6, 7 - фазоинверторы

8, 9 - блоки формирования разностных сигналов симметрируемых фаз

10 - трехфазный полностью управляемый ШИМ-выпрямитель

11 - емкостный накопитель

12 - нагрузка постоянного тока

13 - несимметричная нелинейная нагрузка системы энергоснабжения

14, 15, 16 - блоки формирования логического сигнала

17, 18, 19 - датчики питающего напряжения

20, 21, 22 - блоки формирования реактивной составляющей модулирующего сигнала

23, 24 - смесители

25 - блок задания пофазных, внешних регулирующих воздействий

Суть заявленного способа раскрывается на примере трехфазной системы. В процессе отбора мощности несимметричной нелинейной нагрузкой в фазах «А, В и С» энергосистемы протекают различные по модулю и фазе токи, спектр которых составляют основная и высшие гармоники. При этом знак мгновенной мощности их реактивных составляющих в течение четверти своего периода изменяется на противоположный. Этот факт связан с тем, что часть энергии, запасенная в электрическом или магнитном поле реактивной нагрузки, возвращается назад в источник в виде упомянутых реактивных составляющих тока. Протекание реактивных токов в индуктивных нагрузках обеспечивается действием ЭДС самоиндукции, в емкостных - напряжением, накопленным в электрическом поле емкости. При этом знаки питающего напряжения и ЭДС самоиндукции, а также питающего напряжения и напряжения на емкостной составляющей нагрузки, как известно, противоположны. Отрицательный эффект, связанный с реактивными токами, как известно, заключается в дополнительных непроизводительных потерях энергии в энергосистеме. В соответствии с заявленным способом, на первом его этапе, задача повышения качества и эффективности использования электроэнергии решается путем снижения ее непроизводительных потерь, обусловленных реактивными составляющими токов основной и высших гармоник. При этом в те моменты времени, когда нагрузка в энергосистеме проявляет реактивный характер, предлагается из потока мощности извлекать реактивный ток основной и высших гармоник, с целью дальнейшего использования его энергии, совместно с активной энергией гармоники основной частоты, для питания нагрузки постоянного тока. Задача извлечения упомянутых реактивных составляющих из фаз энергосистемы решается применением полностью управляемого n-фазного транзисторного ШИМ-выпрямителя, построенного на IGBT модулях. Протекание реактивных токов в каждом из его плеч, в каждый полупериод питающего напряжения, обеспечивается действием ЭДС самоиндукции или напряжением на емкостной составляющей нагрузки. Использование IGBT-транзисторов при выпрямлении тока позволяет использовать их управляющие свойства относительно токов. При этом осуществляется избирательное выпрямление только тех составляющих тока, которые задаются модулирующим сигналом управления с заданными характеристиками. При этом на выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, энергия которых эквивалентна извлекаемой из энергосистемы энергии реактивной составляющей токов основной и высших гармоник; а длительность которых изменяется по закону изменения ее огибающей, формируемой, для каждой из фаз, посредством соответствующего модулирующего сигнала.

В соответствии с заявленным способом реактивная мощность является частью мощности, используемой для питания нагрузки постоянного тока. Другую часть мощности нагрузка получает в виде активной мощности из симметрируемых фаз энергосистемы. При этом предполагается, что после осуществления первого этапа заявленного способа энергосистема практически симметрична относительно фазовых углов, а в ее фазах «А, В и С» протекают только активные токи с различными модулями. Далее осуществляется симметрирование n-фазной энергосистемы относительно модулей фазных токов. При этом выбирается фаза, по которой к несимметричной нагрузке протекает ток с наибольшим модулем. В этом случае предполагается, что данная фаза наиболее перегружена током, и она определяется как «опорная» фаза. При этом посредством отбора в нагрузку постоянного тока мощности минимум от одной из двух других недогруженных фаз, не являющихся опорной фазой, осуществляется выравнивание по величине модулей их токов. Таким образом, в энергосистеме осуществляют симметрирование относительно модулей фазных токов. При этом фазы, от которых осуществляют отбор активной мощности в нагрузку постоянного тока, определяются как симметрируемые фазы. Отбор мощности от симметрируемых фаз осуществляется посредством упомянутого полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяются по закону изменения величины извлекаемого симметрирующего тока. При этом управление транзисторами осуществляют посредством модулирующих сигналов, огибающие которых формируют пропорционально огибающим симметрирующих токов. Таким образом, модулирующий сигнал управления опорной фазы формируется пропорционально реактивному току, протекающему в ней, а модулирующие сигналы управления отбором мощности от каждой из симметрируемых фаз n-фазной системы энергоснабжения формируются из двух составляющих: реактивного тока и симметрирующего тока. При этом посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя осуществляется избирательное выпрямление симметрирующего тока в заданных количествах, определяемых сигналом управления.

Способ осуществляется следующим образом. С выходов датчиков токов 1, 2, 3 сигналы, пропорциональные токам, отбираемым от фаз «А, В и С», - несимметричной нелинейной нагрузкой 13, поступают на входы блоков 14, 15 и 16 формирования логического сигнала, которые совместно с блоками 20, 21 и 22 формирования реактивной составляющей модулирующего сигнала участвуют в формировании последней. При этом посредством упомянутых блоков реактивная составляющая модулирующего сигнала фаз «А, В и С» формируется следующим образом. Посредством пар блоков: датчиков тока 1, 2 и 3 и датчиков питающего напряжения 17, 18, 19 - формируют пропорциональные им сигналы. При этом в сигналах, присутствующих на выходе датчиков тока 1, 2 и 3, определяющих коэффициенты мощности в фазах энергосистемы и пропорциональных токам гармоники основной частоты и высших гармоник, генерируемых нагрузкой 13, отсутствует синфазность по отношению к «своим» питающим напряжениям. В связи с тем, что процесс формирования реактивной составляющей модулирующего сигнала аналогичен для всех фаз энергосистемы, рассмотрим его на примере фазы «А». В блоке формирования логического сигнала 14 сравниваются знаки сигналов, поступающих на его входы с выходов датчика тока 1 и датчика питающего напряжения 17, и на его выходе формируется цифровая последовательность нулей и единиц, причем при совпадении знаков сигналов, пропорциональных току и напряжению, на выходе блока 14 формируется логическая единица, а в остальных случаях - логический ноль. Таким образом, логическая единица соответствует той части периода, в течение которого нагрузка 13 отбирает из энергосистемы активную мощность. Далее, сигнал с выхода блока 14 поступает на один из входов блока 20 формирования реактивной составляющей модулирующего сигнала, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой 13. Таким образом, в те моменты, в течение которых логический ноль, поступающий с выхода блока 14, совпадает на входе блока 20 с положительной полуволной отбираемого нагрузкой 13 тока, на выходе блока 20 формируются модулирующие импульсы напряжения, пропорциональные реактивной составляющей тока, отбираемого нагрузкой 13, и синфазные по отношению к ней. В течение времени действия импульсов напряжения, сформированных блоком 20, на управляющих входах полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 10 питание последнего осуществляется за счет или ЭДС самоиндукции, или напряжения на емкостной составляющей нагрузки, в зависимости от ее характера. Таким образом, посредством управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 10 осуществляется извлечение реактивной составляющей тока, отбираемого активно-реактивной нагрузкой 13, в форме, способствующей ее накоплению. Как уже было сказано, в соответствии с заявленным способом реактивная мощность является частью мощности, используемой для питания нагрузки постоянного тока. Другую часть мощности нагрузка получает в виде активной мощности из симметрируемых фаз энергосистемы. Процесс отбора от энергосистемы активной мощности осуществляют следующим образом. Допустим, что из фаз энергосистемы фаза «А» выбрана в качестве опорной, т.е. в ней протекает ток с наибольшим значением модуля. При этом предполагается, что после осуществления первого этапа заявленного способа энергосистема практически симметрична относительно фазовых углов. Таким образом, сигнал, пропорциональный току опорной фазы, сформированный посредством датчика тока 1, откорректированный по фазе на 120 эл. градусов, посредством фазокорректора 4 поступает на один из входов блока формирования разностных сигналов симметрируемых фаз 8, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току фазы «В», сформированный посредством датчика тока 2 и проинвертированный по фазе фазоинвертором 6. Посредством фазокорректирующей цепи 5 сигнал, сформированный в блоке 4, дополнительно сдвигается на угол, равный 120 эл. градусов. При этом на один из входов блока формирования разностных сигналов симметрируемых фаз 9 поступает сигнал, пропорциональный току опорной фазы и откорректированный на 240 эл. градусов, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току фазы «С», сформированный посредством датчика тока 3 и проинвертированный по фазе фазоинвертором 7. Таким образом, на выходе блоков 8 и 9 присутствуют сигналы, пропорциональные соответственно арифметической разности сигнала опорной фазы «А» и симметрируемой фазы «В» и арифметической разности сигнала опорной фазы «А» и симметрируемой фазы «С». Данные сигналы являются активными составляющими модулирующих сигналов управления извлечением активной составляющей мощности из соответствующих симметрируемых фаз В и С. Далее реактивные и активные составляющие модулирующих сигналов управления соответствующих фаз суммируются в смесителях 23, 24. При этом модулирующий сигнал управления опорной фазой «А» формируется пропорционально реактивному току, протекающему в ней, а модулирующие сигналы управления отбором мощности от каждой из симметрируемых фаз «В и С» формируются пропорционально двум составляющим: реактивному току и симметрирующему току. Таким образом, посредством трехфазного транзисторного ШИМ-выпрямителя 10, управляемого модулирующими сигналами, сформированными описанным способом, осуществляется избирательное выпрямление реактивных токов основной и высших гармоник, и в заданных количествах, определяемых сигналом управления, - симметрирующего тока из симметрируемых фаз. При этом на каждом из его выходов формируются последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, энергия которых, за период их повторения, эквивалентна извлекаемой из соответствующей фазы энергосистемы энергии: для опорной фазы - реактивной составляющей токов основной и высших гармоник, для симметрируемых фаз - реактивной составляющей токов основной и высших гармоник и соответствующего симметрирующего тока. При этом длительность последних изменяется по закону изменения огибающей сформированного соответствующего модулирующего сигнала. Следует отметить, что посредством блока задания фазных, внешних регулирующих воздействий 25, изображенного на поясняющей заявленный способ схеме, в виде сигналов задания, для каждой из фаз энергосистемы формируют дополнительные ограничивающие воздействия на величины сформированных модулирующих сигналов управления соответствующими фазами ШИМ-выпрямителя для случая, если несимметрия токов в энергосистеме значительна, а мощность нагрузки постоянного тока по сравнению с ней мала. При этом в соответствии с заявленным способом степень симметрирования задается дополнительно, посредством воздействия на величину управляющего модулирующего сигнала (его уменьшения), с целью его стабилизации на заданном уровне. Блок 25 может быть построен по принципу устройства формирования заданных опорных напряжений, посредством сравнения с которыми задают величину модулирующих сигналов (в данном случае, когда опорной выбрана фаза «А», сформированных соответственно для фаз С и В блоками 23, 24). При этом управление величинами упомянутых модулирующих сигналов осуществляют по дополнительным управляющим входам, организованным в упомянутых блоках. Таким образом, оставшийся в каждой из симметрируемых фаз ток имеет величину модуля, равную либо заранее заданную посредством блока 25 либо равную величине модуля тока в опорной фазе. Блок 25 может отсутствовать, если изначально планируется, что ток, оставшийся в каждой из симметрируемых фаз, должен иметь величину модуля, равную величине модуля тока в опорной фазе. Далее, обе извлеченные составляющие энергии, одна из которых является энергией реактивного тока гармоники основной частоты и токов высших гармоник, а другая - активной энергией симметрирующих токов симметрируемых фаз, после накопления в емкостном накопителе 11 используются для питания нагрузки постоянного тока 12.

Таким образом, в результате последовательности действий, осуществляемых в соответствии с заявленным способом, повышения эффективности использования электроэнергии в энергосистемах со стационарными потоками мощности добиваются посредством снижения ее непроизводительных потерь, вызванных реактивными токами и несимметрией фазных токов. При этом указанной цели достигают тем, что для питания от несимметричной n-фазной системы нагрузок постоянного тока используют как реактивную мощность, так и активную составляющую мощности группы симметрируемых фаз.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. [Текст] - М.: Высш. шк., 1982, с.334.

2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. [Текст] - М.: Высш. шк., 1982, с.340.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении эффективности использования электроэнергии посредством снижения ее непроизводительных потерь. Согласно способу для питания нагрузки постоянного тока от несимметричной n-фазной системы энергоснабжения используют как реактивную мощность, так и активную составляющую мощности группы симметрируемых фаз. При этом первоначально из n-фаз энергосистемы извлекают реактивную составляющую мощности, а затем минимум из одной ее фазы, составляющей группу симметрируемых фаз, посредством симметрирующих токов извлекают активную составляющую мощности. При этом мощность реактивных и активных токов извлекают посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, пофазно управляемого соответствующими модулирующими сигналами, в виде эквивалентной мощности последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока. 1 ил.

Способ питания нагрузки постоянного тока от n-фазной несимметричной системы энергоснабжения, отличающийся тем, что в качестве мощности, необходимой для питания нагрузки постоянного тока, используют совместно как активную составляющую потока мощности в группе симметрируемых фаз n-фазной системы энергоснабжения, так и реактивную мощность, которую первоначально извлекают из n фаз, а затем минимум из одной фазы, составляющей группу симметрируемых фаз посредством симметрирующих токов, извлекают активную составляющую мощности, отбираемой n-фазной нелинейной несимметричной нагрузкой таким образом, чтобы оставшийся в каждой из фаз упомянутой группы ток основной частоты имел бы величину модуля, равную либо заранее заданной, либо равную величине модуля тока в опорной фазе, при этом опорную фазу выбирают из n питающих фаз системы энергоснабжения по условию максимального значения модуля тока основной частоты, причем мощность реактивных и активных токов извлекают посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, пофазно управляемого соответствующими модулирующими сигналами в виде эквивалентной мощности последовательности однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых для каждой фазы отдельно формируют, в том числе, посредством огибающей упомянутых модулирующих сигналов, каждый из которых для симметрируемой фазы формируют посредством тока, пропорционального векторной сумме реактивного тока и симметрирующего тока, который, в свою очередь, формируют пропорциональным току, равному либо арифметической разности тока опорной фазы и активной составляющей тока соответствующей симметрируемой фазы, либо току, равному упомянутой арифметической разности, ограниченному до заданной величины, при этом модулирующий сигнал для опорной фазы формируют как результат сравнения знаков двух составляющих - аналоговой, пропорциональной току, отбираемому от каждой из фаз нелинейной несимметричной нагрузкой, и составляющей, которую в случае равенства знаков сравниваемых напряжения, питающего соответствующую фазу нагрузки, и напряжения, пропорционального упомянутой аналоговой составляющей, формируют в виде логического сигнала, при этом в случае, если знаки составляющих формируемого модулирующего сигнала противоположны, посредством последнего осуществляют извлечение реактивной мощности в каждый полупериод напряжения, питающего соответствующую фазу нагрузки.