АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к устройствам, повышающих эффективность потребления электроэнергии, а именно к устройствам, обеспечивающим централизованную компенсации реактивной мощности и уменьшения сдвига фаз в условиях переменных нагрузок.

Все потребители электроэнергии на предприятии, а также средства преобразования электроэнергии (асинхронные двигатели, трансформаторы, различные типы преобразователей), чей режим сопровождается постоянным возникновением электромагнитных полей нагружают сеть как активной, так и реактивной составляющими полной потребляемой мощности. Эта реактивная составляющая необходима для работы оборудования содержащего значительные индуктивности и в то же время является дополнительной нагрузкой на сеть.

Реактивная мощность не позволяет полностью использовать всю расчетную мощность источников переменного тока для выработки полезно используемой электрической энергии. Бесполезная циркуляция реактивной составляющей электрической энергии между источником переменного тока и приемником, обусловленная наличием в нем реактивных сопротивлений, приводит к потерям определенного количества энергии, которая теряется в проводах всей электрической цепи. Повышенная загрузка сетей реактивным током приводит также к понижению напряжения в сети, а резкие колебания реактивной мощности - к колебаниям напряжения в сети. При этом у трансформаторов при увеличении сдвига фаз между током и напряжением сети, уменьшается пропускная способность по активной мощности вследствие увеличения реактивной нагрузки, а у электроприемников предприятия снижается производительность и даже нарушается работоспособность.

Для компенсации реактивной мощности, применяются специальные компенсирующие устройства, являющиеся источниками реактивной энергии преимущественно емкостного характера.

Из уровня техники известны устройства компенсации реактивной мощности в электрических сетях предприятий, которые выполняются в основном с использованием следующих средств:

шунтирующих реакторов;

статических тиристорных компенсаторов;

косинусных конденсаторов.

Известны [пат. РФ №2641643 от 19.01.2018, пат США № US 9257844 B2 от 14.04.2010] компенсаторы реактивной мощности, выполненные на базе не перестраиваемых шунтирующих реакторов. Недостатком таких компенсаторов является возможность возникновения перекомпенсации и паразитных резонансов при изменении нагрузки в линии, а также низкая надежность, инерционность и высокая стоимость.

Известны [пат. РФ №2280934 от 27.07.2006 г., пат США № US 8154896 от 10.04.2012 г.] компенсаторы реактивной мощности, в которых в качестве средства компенсации используют тиристорно-реакторная группа, фильтры высших гармоник и статический компенсатор реактивной мощности на полностью управляемых вентилях (СТАТКОМ), в котором частично устранены указанные выше недостатки. Однако недостатком такого компенсатора реактивной мощности является высокая стоимость, значительное потребление активной мощности и высокий уровень гармоник, источником которых является СТАТКОМ.

Наиболее перспективными направлением компенсации реактивной мощности в сетях напряжением до 0,4 кВ являются устройства энергосбережения, выполненные на базе косинусных конденсаторов.

Основными преимуществами компенсаторов реактивной мощности, выполненных с использованием батарей косинусных конденсаторов в устройствах энергосбережения, являются: отсутствие механически перемещаемых частей в процессе эксплуатации, отсутствие в них источников нелинейных искажений, простота монтажа и эксплуатации и возможность установки в любых точках электросети предприятия.

Известно [пат. РФ №2334336 от 20.09.2008 г.] устройство компенсации реактивной мощности, выполненное на базе конденсаторной установки содержащее косинусные конденсаторы, подключаемые в различной совокупности посредством механических трехполюсных переключателей между линейными и проводом нейтрали сети. Однако это устройство имеет ограниченный диапазон и низкую точность регулирования из-за малого числа ступеней регулирования, а также низкую надежность из-за отсутствия возможности оперативной замены вышедших из строя конденсаторов. Кроме того, быстродействие регулирования ограничено временем срабатывания трехполюсных переключателей

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является адаптивное устройство энергосбережения [пат. США № US 8339111 В2 от 25.12.2012 г.], содержащее регулятор реактивной мощности, модуль датчиков напряжения и тока, подключаемый к линейному проводу сети, измеритель реактивной мощности, вход которого подключаются к выходу модуля датчиков напряжения и тока, а выход, которого подключен к соответствующему информационному входу регулятора реактивной мощности, первый и второй коммутаторы, первые силовые выводы которых подключаются к линейному проводу сети, n базовых косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены ко второму силовому выводу первого коммутатора, n электронных ключей, первые силовые выводы подключены ко вторым выводам соответствующих из базовых косинусных конденсаторов, а вторые силовые выводы которых объединены и подключаются к проводу нейтрали сети, m резервных косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены ко второму силовому выводу второго коммутатора, m электронных ключей, первые силовые выводы которых подключены ко вторым выводам соответствующих из резервных косинусных конденсаторов, а вторые выводы которых объединены и подключаются к проводу нейтрали сети, при этом соответствующие управляющие выводы регулятора реактивной мощности подключены к управляющим входам: первого и второго коммутаторов, n базовых косинусных конденсаторов и m резервных косинусных конденсаторов.

Известное устройство содержит совокупность из n косинусных конденсаторов емкость которых выбирается из соотношения Cⁱ=2Cⁱ⁺¹ (где 1≥i≤n), что позволяет обеспечить уменьшение шага емкости подключаемых конденсаторов и, как следствие улучшить точность компенсации реактивной мощности по сравнению с устройством из пат. РФ №2641643. Известное устройство содержит m резервных косинусных конденсаторов, которые оперативно могут быть подключены вместо вышедших из строя конденсаторов базового блока, что позволяет повысить надежность функционирования.

Однако известное устройство имеет ограниченную точность компенсации вследствие ограниченного числа используемых косинусных конденсаторов и, соответственно - ступеней компенсации. При этом точность компенсации ограничена величиной емкости конденсатора Cⁿ. По этой причине в известном устройстве возможна как недокомпенсация, так и перекомпенсация реактивной мощности. Кроме того, недостатком данного устройства являются большая нагрузка на тиристорные коммутаторы, обеспечивающие подключение конденсаторов высших разрядов (с наибольшим номинальным значением емкости) и, как следствие, что приводит к их пробоям, и как следствие - снижению надежности функционирования. При этом имеет место перегрузка как по току (обусловленная номинальным значением емкости), так и по напряжению в силу максимальных значений реактивной мощности на начальном этапе процессов компенсации.

Технической задачей заявленного устройства является улучшение качества электрической энергии за счет повышения надежности функционирования и повышения точности компенсации реактивной мощности.

Поставленная задача решается за счет того, что в адаптивное устройство энергосбережения, содержащее регулятор реактивной мощности, модуль датчиков напряжения и тока, подключаемый к линейному проводу сети, измеритель реактивной мощности, вход которого подключаются к выходу модуля датчиков напряжения и тока, а выход, которого подключен к соответствующему информационному входу регулятора реактивной мощности, первый и второй коммутаторы, первые силовые выводы которых подключаются к линейному проводу сети, n базовых косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены ко второму силовому выводу первого коммутатора, n электронных ключей, первые силовые выводы подключены ко вторым выводам соответствующих из базовых косинусных конденсаторов, а вторые силовые выводы которых объединены и подключаются к проводу нейтрали сети, m резервных косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены ко второму силовому выводу второго коммутатора, m электронных ключей, первые силовые выводы которых подключены ко вторым выводам соответствующих из резервных косинусных конденсаторов, а вторые выводы которых объединены и подключаются к проводу нейтрали сети, при этом соответствующие управляющие выводы регулятора реактивной мощности подключены к управляющим входам: первого и второго коммутаторов, n базовых косинусных конденсаторов и m резервных косинусных конденсаторов, введены: первый и второй дополнительные электронные ключи, первые силовые выводы которых подключаются к линейному проводу сети, элемент с плавно регулируемой емкостью, первый вывод которого подключен ко второму силовому выводу первого дополнительного электронного ключа, а второй вывод которого подключается к проводу нейтрали сети, элемент с плавно регулируемой индуктивностью, первый вывод которого подключен к второму силовому выводу второго дополнительного электронного ключа, а второй вывод которого подключается к проводу нейтрали сети, первый интерфейсный модуль, выход которого подлечен к управляющему входу элемента с плавно регулируемой емкостью, второй интерфейсный модуль, выход которого подключен к управляющему входу элемента с плавно регулируемой индуктивностью, контроллер, первый и второй информационный входы которого подключены, соответственно: к выходу измерителя реактивной мощности и к дополнительно организованному информационному выходу регулятора реактивной мощности, соответствующие управляющие выходы которого подключены: к управляющим входам первого и второго дополнительных электронных ключей, первого и второго интерфейсных модуля, а информационный выход, которого подключен к дополнительно организованному информационному входу регулятора реактивной мощности, k силовых контакторов, первые силовые выводы которых подключаются к линейному проводу сети, k силовых косинусных конденсаторов, первые выводы которых подключаются к проводу нейтрали сети, а вторые выводы которых подключаются ко вторым силовым выводам соответствующих из силовых контакторов, дополнительно организованные управляющие выходы регулятора реактивной мощности, подключаются к управляющим входам соответствующих из силовых контакторов.

При этом элемент с плавно регулируемой емкостью и элемент с плавно регулируемой индуктивностью могут быть выполнены в виде перестраиваемого последовательного LC контура.

Технический результат заявленного устройства заключается в том, что компенсация реактивной мощности осуществляется тремя группами реактивностей в соответствии с составляющими структуры реактивной мощности предприятия. Первая группа - постоянно присутствующая (фоновая) составляющая реактивной мощности при функционировании предприятия в штатном режиме в любое время суток, а также составляющая реактивной мощности, возникающая при начале рабочего времени на предприятии. Вторая группа - изменения режима работы оборудования или групп оборудования в отдельных подразделениях предприятия в течении суток. Третья группа - динамически изменяющая составляющая, обусловленная подключением или отключением отдельных единиц оборудования. В заявленном устройстве предлагается осуществлять компенсацию составляющую реактивной мощности первой группы - подключением косинусных конденсаторов одинаковой большой емкости посредством силовых контакторов с дугогаящими камерами. Составляющая реактивной мощности второй группы компенсируется подключением косинусных конденсаторов из ряда Cⁱ=2Cⁱ⁺¹ (где 1≥i≤n) посредством быстродействующих тиристорных ключей. Составляющая реактивной мощности третьей группы компенсируются путем изменения плавно регулируемой реактивности соответствующего знака. Изобретение поясняется чертежом, который не охватывает и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а является лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения. Связи, указанные между функциональными блоками, в общем случае являются многоканальными, для обеспечения алгоритма функционирования, отраженного в формуле и описании изобретения. Питание функциональных блоков осуществляется от источника бесперебойного питания, который на чертежах не показан.

На фиг. 1 приведена функциональная схема адаптивного устройства энергосбережения.

Адаптивное устройство энергосбережения содержит регулятор реактивной мощности 1, модуль датчиков напряжения и тока 2, измеритель реактивной мощности 3, первый коммутатор 4 и второй коммутатор 5, базовые косинусные конденсаторы 6, электронные ключи 7, резервные косинусные конденсаторы 8, первый дополнительный электронный ключ 9, второй дополнительный электронный ключ 10, элемент с плавно регулируемой емкостью 11, элемент с плавно регулируемой индуктивностью 12, первый интерфейсный модуль 13, второй интерфейсный модуль 13, контроллер 14, силовые контакторы 15, силовые косинусные конденсаторы 16. Элемент с плавно регулируемой емкостью 11, элемент с плавно регулируемой индуктивностью 12 могут быть выполнены в виде последовательных LC контуров, содержащих конденсаторы 17, 18 и дроссели с подмагничиванием 19, 20.

Адаптивное устройство энергосбережения работает следующим образом. При включении устройства, по сигналу с измерителя реактивной мощности 3, выработанному по информации с датчиков напряжения и тока 2, регулятором 1 формируется соответствующая управляющая команда на включение соответствующих из силовых контакторов 15, подключающих силовые косинусные конденсаторы 16. При этом силовые косинусные конденсаторы 16 могут размещаться как в общем шкафу устройства, так и в непосредственной близости от основных источников реактивной мощности, что позволит дополнительно снизить токовую нагрузку на сети предприятия.

После подключения силовых косинусных конденсаторов 16 и обусловленного этим снижения реактивной мощности по команде с регулятора реактивной мощности 1 включается первый коммутатор 4, после чего в соответствии с уровнем остаточной реактивной мощности, информация о котором поступает с измерителя реактивной мощности 3, посредством электронных ключей 7, между линейным проводом сети и проводом нейтрали сети включается соответствующая совокупность базовых косинусных конденсаторов 6.

После подключения базовых косинусных конденсаторов 6, с блока регулирования 1 на контроллер 5 выдается команда на включение контура точной компенсации. По этой команде контроллер 5 производит анализ сигнала с выхода измерителя выходной мощности на предмет знака рассогласования (преобладание емкостной или индуктивной составляющей в линейном проводе сети) и величины рассогласования и посредством электронных ключей 9 и 10 включает элемент с плавно регулируемой емкостью 17 или элемент с плавно регулируемой индуктивностью 18. Управляющий сигнал с контроллера 5 на элемент с плавно регулируемой емкостью 17 и элемент с плавно регулируемой индуктивностью 18 подается через соответственно первый интерфейсный модуль 13 и второй интерфейсный модуль 14, которые обеспечивают необходимое преобразование управляющего сигнала для обеспечения необходимой характеристики перестройки номинального значения реактивности этих элементов. Первый и второй интерфейсные модули 13, 14, выполняются в зависимости от конкретной реализации элемента с плавно регулируемой емкостью 11 и элемента плавно регулируемой индуктивностью 12. Так, например, при выполнении элемента с плавно регулируемой емкостью 11 и элемента плавно регулируемой индуктивностью 12 с использованием емкости 17 и дросселя подмагничивания 18, образующих последовательный LC контур, первый и второй интерфейсные модули 13, 14 могут содержать в своем составе, такие элементы, как аналого-цифровой преобразователь, аналоговые усилители и другие элементы сопряжения. Возможна реализация элемента с плавно регулируемой емкостью 11 и элемента плавно регулируемой индуктивностью 12 на едином последовательном LC контуре. В этом случае ниже резонансной частоты LC контур будет обеспечивать компенсацию индуктивной составляющей реактивной мощности, а выше резонансной частоты - емкостной составляющей. В этом случае потребуется расширение диапазона перестройки и защита последовательного LC контура от перегрузки на резонансной частоте.

Значение емкости и индуктивности, вносимых в сеть элементом с плавно регулируемой емкостью 11 и элементом плавно регулируемой индуктивностью 12 задаются контроллером 5 и превышении при перестройке их реактивного сопротивления более чем 1,2-1,8 раза в течении заданного времени (например 2-10 секунд) значения реактивности наименьшей ступени базового косинусного конденсатора 6, контроллером 11 на блок регулирования реактивной мощности 1 выдается сигнал, в соответствии с которым блоком управления реактивной мощностью 1 выдается управляющий сигнал на подключение (недокомпенсация) или отключение (перекомпенсация) соответствующего из базовых косинусных конденсаторов 6.

В процессе функционирования, при выходе из строя базовых косинусных конденсаторов 6, также как и в устройстве, использованном в качестве прототипа, блоком управления реактивной мощностью 1 посредством второго коммутатора 5 и электронных ключей 7 обеспечивается подключение соответствующих из резервных косинусных конденсаторов 8.

В предложенном устройстве коммутация косинусных конденсаторов большой емкости производится силовыми контакторами 15 достоинством которых являются: устойчивость к импульсным перенапряжениям и разрушающим помехам, появляющимся при разрядах молний и в результате коммутационных процессов, исключительная электрическая изоляция между управляющей цепью контактной группой, малое падение напряжения на замкнутых контактах, и, как следствие, малое (на порядок меньше чем тиристорные коммутаторы) выделение тепла. При этом недостаток силовых контакторов заключающийся в большом времени срабатывания, в предложенном устройстве не существенен, так как в соответствии с описанным выше алгоритмом они будут осуществлять коммутацию не более 2-х раз в сутки.

В связи с тем, что коммутаторы 4, 5 в процессе функционирования, в соответствии с описанным выше алгоритмом остаются постоянно включенными, представляется целесообразным их выполнение также на базе, например, магнитных пускателей, которые также относятся к силовым коммутирующим устройствам и имеют описанные выше достоинства.

Электронные ключи 7, а также первый и второй дополнительные электронные ключи 9, 10 могут быть выполнены на тиристорах с обеспечением оптронной развязки от цепи управления, что обеспечит необходимое быстродействие устройства.

Модуль датчиков тока и напряжения 2 может быть выполнен в виде выносного элемента и простейшем виде может представлять собой совокупность трансформатора тока и делителя напряжения.

Таким образом, в предложенном техническом решении обеспечивается улучшение качества электрической энергии и повышение устойчивости функционирования за счет повышения точности компенсации реактивной мощности и уменьшения нагрузки на полупроводниковые коммутационные устройства, что позволит повысить надежность и увеличить время эксплуатации оборудования на предприятии.

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к устройствам, повышающим эффективность потребления электроэнергии, а именно к устройствам, обеспечивающим централизованную компенсацию реактивной мощности и уменьшения сдвига фаз в условиях переменных нагрузок. Техническим результатом является улучшение качества электрической энергии и повышение надежности функционирования за счет повышения точности компенсации реактивной мощности и снижения нагрузки на полупроводниковые коммутирующие устройства и обеспечиваемый тремя взаимосвязанными уровнями компенсации реактивной мощности, два из которых являются дискретными, а один аналоговым, что позволяет обеспечить повышение точности компенсации. В устройстве обеспечено «горячее» резервирование косинусных конденсаторов, что повышает надежность функционирования. Изобретение содержит регулятор реактивной мощности 1, измеритель реактивной мощности 2, контроллер 5, первую, вторую и третью группу косинусных конденсаторов 6, 8, 16, а также элемент с плавно регулируемой емкостью 11 и элемент с плавно регулируемой индуктивностью 12. 1 ил.

Адаптивное устройство энергосбережения, содержащее регулятор реактивной мощности, модуль датчиков напряжения и тока, подключаемый к линейному проводу сети, измеритель реактивной мощности, вход которого подключаются к выходу модуля датчиков напряжения и тока, а выход которого подключен к соответствующему информационному входу регулятора реактивной мощности, первый и второй коммутаторы, первые силовые выводы которых подключаются к линейному проводу сети, n базовых косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены ко второму силовому выводу первого коммутатора, n электронных ключей, первые силовые выводы подключены ко вторым выводам соответствующих из базовых косинусных конденсаторов, а вторые силовые выводы которых объединены и подключаются к проводу нейтрали сети, m резервных косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены ко второму силовому выводу второго коммутатора, m электронных ключей, первые силовые выводы которых подключены ко вторым выводам соответствующих из резервных косинусных конденсаторов, а вторые выводы которых объединены и подключаются к проводу нейтрали сети, при этом соответствующие управляющие выводы регулятора реактивной мощности подключены к управляющим входам: первого и второго коммутаторов, n базовых косинусных конденсаторов и m резервных косинусных конденсаторов, отличающееся тем, что введены: первый и второй дополнительные электронные ключи, первые силовые выводы которых подключаются к линейному проводу сети, первый перестраиваемый последовательный LC-контур, первый вывод которого подключен к второму силовому выводу первого дополнительного электронного ключа, а второй вывод которого подключается к проводу нейтрали сети, второй перестраиваемый последовательный LC-контур, первый вывод которого подключен к второму силовому выводу второго дополнительного электронного ключа, а второй вывод которого подключается к проводу нейтрали сети, первый интерфейсный модуль, выход которого подключен к управляющему входу первого перестраиваемого последовательного LC-контура, второй интерфейсный модуль с плавно регулируемой индуктивностью, выход которого подключен к управляющему входу второго перестраиваемого последовательного LC-контура, контроллер, первый и второй информационный входы которого подключены, соответственно: к выходу измерителя реактивной мощности и к дополнительно организованному информационному выходу регулятора реактивной мощности, соответствующие управляющие выходы которого подключены: к управляющим входам первого и второго дополнительных электронных ключей, первого и второго интерфейсных модуля, а информационный выход которого подключен к дополнительно организованному информационному входу регулятора реактивной мощности, k силовых контакторов, первые силовые выводы которых подключаются к линейному проводу сети, k силовых косинусных конденсаторов, первые выводы которых подключаются к проводу нейтрали сети, а вторые выводы которых подключаются ко вторым силовым выводам соответствующих из силовых контакторов, дополнительно организованные управляющие выходы регулятора реактивной мощности подключаются к управляющим входам соответствующих из силовых контакторов.