СПОСОБ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам и устройствам, обеспечивающим энергосбережение за счет повышения качества электроэнергии в 3-х фазных сетях предприятия в условиях переменных нагрузок.

Основными направлениями энергосбережения на предприятии являются повышения качества электроэнергии путем компенсации реактивной мощности и снижение несимметрии питающих токов и напряжений сети.

В чисто резистивной схеме сигналы напряжения и тока находятся в фазе, изменяя полярность в один тот же момент времени в каждом цикле. В такой схеме коэффициент мощности равен единице. В цепи, имеющей реактивные нагрузки, такие как схема, имеющая емкостные или индуктивные нагрузки, может существовать разность во времени (фазовая задержка) между сигналами тока и напряжения мощности переменного тока. В частности, емкостная и/или индуктивная нагрузки поочередно сохраняют и выделяют энергию и могут изменять фазу между током и напряжением. В такой схеме коэффициент мощности может быть меньше единицы. Поскольку накопленная энергия возвращается к своему источнику и недоступна для работы при нагрузке, схема с более низким коэффициентом мощности будет получать более высокие токи для заданного количества принимаемой реальной мощности, чем схема с более высоким коэффициентом мощности. Циркуляция реактивной составляющей электрической энергии между источником переменного тока и приемником, обусловленная наличием в нем реактивных сопротивлений, приводит к потерям энергии, в том числе в проводах электрической сети предприятия. Повышенная загрузка сетей реактивным током приводит также к понижению напряжения в сети, а резкие колебания реактивной мощности - к колебаниям напряжения в сети, снижается производительность и даже нарушается работоспособность.

При нарушении симметрии («перекосе фаз») происходит недоиспользование пропускной способности трехфазных элементов сети, возникают дополнительные потери мощности в обмотках электрических машин, особенно асинхронных двигателей - даже небольшая асиметрия напряжения в единицы процентов на зажимах асинхронного двигателя приводит к значительному увеличению потерь мощности, что в свою очередь, вызывает дополнительный нагрев обмоток и снижение срока их службы, а общие потери возрастают в 1,5 раза и, соответственно, растет потребляемый ток. Еще одно отрицательное действие несимметрии напряжения выражается в возникновении дополнительной вибрации, вследствие чего сокращается срок службы отдельных деталей двигателей, в том числе и его обмоток. Однофазные электроприемники на предприятии воспринимают несимметрию напряжения как его значительное отклонения от номинального со всеми вытекающими последствиями.

Из уровня техники известен (пат. US 7183752 В2 от 27.02.2007 г.) способ и устройство энергосбережения в котором обеспечивается динамическая адаптация системы энергосбережения при изменении нагрузки путем коммутации нескольких расположенных параллельно друг другу реактивных элементов. При этом для подключения реактивных элементов к рабочему напряжению их сначала подключают последовательно друг за другом к рабочему напряжению через добавочное сопротивление. Только после этого реактивные элементы подключают к рабочему напряжению без добавочного сопротивления. Это позволяет, как обеспечить автоматическую компенсацию реактивной мощности, так и защитить реактивные элементы от перенапряжений. Недостатком данного способа и устройства является отсутствие возможности системы к изменению межфазных сдвигов в 3-х фазной сети, а также потери мощности в добавочных сопротивлениях.

Известен (пат. US 8339111 В2 от 25.12. 2012 г.) компенсатор реактивной мощности, выполненный с использованием трех групп коммутируемых косинусных конденсаторов. При этом коммутация косинусных конденсаторов осуществляется управляемыми тирристорными ключами, что позволяет в значительной степени повысить быстродействие и надежность функционирования устройства. Однако в нем отсутствует функциональная возможность устранения «перекоса фаз».

Наиболее близким по технической сущности к заявленному, является способ и устройство энергосбережения (пат РФ №2229766 от 27.05.2004) в котором обеспечивается компенсация реактивной мощности и регулировка симметрирования путем управления коммутацией элементов трех пофазных батарей косинусных конденсаторов. Положительной отличительной особенностью известного способа и устройства, принятого за прототип, является также то, что в нем в качестве средства компенсации используются косинусные конденсаторы, что позволяет обеспечить минимизацию потерь в регулирующих элементах.

Однако недостатками данного способа и устройства являются:

- низкая точность компенсации реактивной мощности и симметрирования напряжений, обусловленная, прежде всего тем, что и компенсация реактивной мощности и симметрирование межфазных напряжений производятся одной и той же совокупностью ограниченного числа реактивных элементов;

- возможность выхода из строя косинусных конденсаторов в момент подключения их к фазным проводам, при значительном перекосе фаз, когда межфазные напряжения могут возрасти в 1,5-2 раза от номинальных;

- низкое быстродействие регулирования вследствие отсутствия системы автоматического управления.

Технической задачей заявленного изобретения является улучшение качества электрической энергии и повышение устойчивости функционирования за счет повышения точности компенсации реактивной мощности и несимметрии межфазных напряжений, а также обеспечения защиты реактивных элементов от перенапряжений.

1. Поставленная задача решается за счет того, что в способе энергосбережения в 3-х фазной сети с нулевым проводом, при котором осуществляют коммутацию реактивных элементов между фазными проводами, а также между фазными проводами и нейтралью, реактивные элементы разделяют по функциональному признаку на две группы - первая группа реактивных элементов на начальном этапе регулирования включается между фазными проводами и общей шиной, при этом реактивные элементы в ней коммутируются в соответствии с алгоритмом компенсации реактивной мощности, после завершения процесса регулирования реактивные элементы этой группы включаются по схеме «звезда» с изолированной нейтралью и коммутируются только по алгоритму компенсации «перекоса фаз», при этом включается регулирование второй группы реактивных элементов, подключенных между фазными проводами и нейтралью, только по алгоритму компенсации реактивной мощности.

2. Поставленная задача решается за счет того, что в устройство энергосбережения в 3-х фазной сети с нулевым проводом, содержащее первую группу реактивных элементов, первые выводы которых подключены к соответствующим фазным проводам 3-х фазной сети, первую группу коммутаторов, первые выводы которых подключены ко вторым выводам соответствующих из первой группы реактивных элементов, вторую группу реактивных элементов, вторую группу коммутаторов, первые выводы которых подключены к первым выводам соответствующих из второй группы реактивных элементов, контактор, первый вывод которого подключен к проводу нейтрали, введены блок регулирования, мултиплексор, измеритель реактивной мощности, информационный выход которого подключен к первому входу переключателя, измеритель разности фаз, информационный выход которого подключен ко второму входу переключателя, первый, второй и третий блоки датчиков, которые включены между соответствующими фазными проводами и нагрузкой, а информационные выходы которых, подключены к соответствующим информационным входам измерителя реактивной мощности и измерителя разности фаз, формирователь управляющего сигнала, выход которого подключен к управляющему входу контактора, первая группа выходов блока регулирования, подключена к входам управления соответствующих из первой группы коммутаторов,, вторая группа выходов блока регулирования подключена к управляющим входам соответствующих из коммутаторов второй группы, выход переключения режима блока управления соединен с управляющими входами переключателя и формирователя управляющего напряжения, первый и второй выходы переключателя соединены с соответственно со с первым и вторым информационными входами блока управления, вторые выводы первой группы коммутаторов объединены и подключены ко второму входу контактора, вторые выводы второй группы реактивных элементов подключены к соответствующим фазным проводам 3-х фазной сети, вторые выводы второй группы коммутаторов объединены и подключены к проводу нейтрали, каждый из коммутаторов первой группы коммутаторов выполнен в виде совокупности из n единичных коммутаторов, каждый из коммутаторов второй группы коммутаторов выполнен в виде совокупности из m единичных коммутаторов, каждый из реактивных элементов первой группы реактивных элементов выполнен в виде совокупности n единичных реактивных элементов, каждый из реактивных элементов второй группы реактивных элементов выполнен в виде совокупности m единичных реактивных элементов, при этом каждый из единичных реактивных элементов первой и второй групп реактивных элементов содержат итеративный трансформатор, начала первичных и вторичных обмоток которого являются соответственно первым и вторым выводом единичного реактивного элемента, а также косинусный конденсатор, который включен между концами первичной и вторичной обмоток итеративного трансформатора, где n>1 и m>1.

Технический результат в заявленном способе и устройстве энергосбережения заключается улучшении качества тока в сети за счет: повышения быстродействия процессов компенсации реактивной мощности и симметрирования напряжений в условиях переменных нагрузок; уменьшения перегрузок реактивных элементов и элементов коммутации по причине снижения зарядно-разрядных токов и, как следствие, повышение надежности функционирования устройства энергосбережения. В отличие от способа и устройства, использованных в качестве прототипа, в предложенном изобретении процессы регулирования компенсации реактивной мощности и симметрирования являются слабо коррелированными, так как выполняются двумя фактически автономными контурами, что также повышает быстродействие и точность регулирования, и как следствие - повышение качества тока в сети и улучшение параметров энергосбережения.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются 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 может осуществляться от внешнего источника бесперебойного питания, который на чертежах не показан.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства энергосбережения, являющаяся одним из возможных вариантов реализации предложенного способа энергосбережения.

реактивные элементы разделяют по функциональному признаку на две группы - первая группа реактивных элементов на начальном этапе регулирования включается между фазными проводами и общей шиной, при этом реактивные элементы в ней коммутируются в соответствии с алгоритмом компенсации реактивной мощности, после завершения процесса регулирования реактивные элементы этой группы включаются по схеме «звезда» с изолированной нейтралью и коммутируются только по алгоритму компенсации «перекоса фаз», при этом включается регулирование второй группы реактивных элементов, подключенных между фазными проводами и нейтралью, только по алгоритму компенсации реактивной мощности.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема реализации единичного реактивного элемента из первой группы реактивных элементов 1 и второй группы реактивных элементов 7. Единичный реактивный элемент содержит итеративный трансформатор 19 и косинусный конденсатор 20.

На фиг. 3 приведена принципиальная схема единичного коммутатора из первой группы коммутаторов 3 и второй группы коммутаторов 9. Единичный коммутатор содержит силовой семистор 21, первый резистор 22, второй резистор 23 и оптронный семистор 24.

На фиг. 4 приведена структурная схема возможной реализации первой группы реактивных элементов 1 и первой группы коммутаторов 3. Каждый из реактивных элементов 2 первой группы реактивных элементов 1 выполнен в виде совокупности из n единичных реактивных элементов 2₁-2n. Каждый из коммутаторов 4 первой группы коммутаторов 3 выполнен в виде совокупности из n единичных коммутаторов 4₁-4n. Реализация второй группы реактивных элементов 7 и второй группы коммутаторов аналогична, отличие заключается только в числе единичных элементов, которое равно m, а также подключению вторых выводов непосредственно к нейтрали.

Устройство энергосбережения работает следующим образом.

В исходном состоянии все единичные коммутаторы 2₁-2n первой группы коммутаторов 1 и единичные коммутаторы 10₁-10m второй группы коммутаторов 9 выключены (разомкнуты), а контактор 6 включен (замкнут). При включении питания модулей устройства энергосбережения, измеритель реактивной мощности 12 и измеритель разности фаз 13 по сигналам с, первого второго и третьего блока датчиков 14, 15, 16 формируют информацию о величине реактивной мощности в каждой из фаз и величине межфазового сдвига, которая поступает на первый второй информационные входы блока переключателя 18. На начальном этапе переключатель 18 обеспечивает подачу сигнала с измерителя реактивной мощности 12 на второй вход блока управления 11 в соответствии с которым блок регулирования 11 формирует управляющие сигналы на последовательное включение единичных реактивных элементов 2₁-2n из первой группы реактивных элементов 1 по алгоритму уменьшения значения реактивной мощности в каждой из фаз. При этом на первом информационном входе блока управления 11 управляющий сигнал отсутствует. После того как с блока управления 11 будут выданы команды на включение единичных реактивных элементов 2₁-2n в каждом из реактивных элементов 2 первой группы реактивных элементов 1, по сигналу с выхода переключения режима блока управления 11, включается контактор 6 при этом реактивные элементы 2 первой группы реактивных элементов 1 отключаются от провода «нейтрали» и включаются по схеме «звезда». Контактор 6 может быть выполнен в виде электромеханического контактора и должен иметь большее время включения, чем единичные коммутаторы первой группы коммутаторов 3. Такая последовательность включения реактивных элементов 2 первой группы реактивных элементов 1 (сначала по схеме «фазных», а затем «межфазных») позволяет значительно снизить перенапряжения, как на них, так и на элементах коммутаторов 4 первой группы коммутаторов 3 и повысить надежность функционирования устройства энергосбережения.

Сигнал с выхода переключения режима поступает также на управляющий вход переключателя 18, который обеспечивает подачу сигнала с выхода измерителя реактивной мощности 12 на первый информационный вход блока управления 11, а сигнала с измерителя разности фаз 13 - на второй информационный вход блока управления 11. При этом блок регулирования 11 изменяет алгоритм управления с одноконтурного на двухконтурный - коммутация единичных реактивных элементов 2₁-2n первой группы реактивных элементов 1 производится по информационным сигналам с выхода измерителя разности фаз 13, а коммутация единичных реактивных элементов 8₁-8m второй группы реактивных элементов 7 производится по информационным сигналам с измерителя реактивной мощности 12. Это позволяет обеспечить повышение точности компенсации реактивной мощности и симметрирования фаз, и, как следствие - повышение качества электрической энергии на предприятии.

Включение итеративных трансформаторов 19 (фиг. 2) позволяет обеспечить дополнительную защиту косинусных конденсаторов 20 от перегрузок по зарядно-разрядным токам. Кроме того, итеративный трансформатор 19 является также элементом обеспечивающим компенсацию реактивной мощности и сдвига фаз, что позволят обеспечить более эффективное решение поставленной задачи. Реализация итеративного трансформатора 19 может быть выполнена в соответствии решениями, предложенными в Патенте США №7573253 от 11.08.2009.

Единичные коммутаторы 4₁-4n первой группы коммутаторов 3 и единичные коммутаторы 10₁-10m второй группы коммутаторов 9 (фиг. 4) выполнены на силовом семисторе 21, включаемом оптронным семистором 24. При этом первый резистор 22, второй резистор 23 и оптронный семистор 24 образуют управляемый делитель напряжения, задающий необходимый режим функционирования силового семистора 21.

Формирователь управляющего сигнала 17 обеспечивает формирование необходимого напряжения для включения контактора 7. В простейшем случае он может быть выполнен в виде усилителя мощности управляющего сигнала поступающего из блока управления 11.

Блок управления 11, формирователь управляющего сигнала 17 и переключатель 19 могут быть выполнены на базе единого контроллера.

Использование: в области электротехники. Технический результат - улучшение качества тока в сети за счет повышения быстродействия процессов компенсации реактивной мощности и симметрирования напряжений в условиях переменных нагрузок. Согласно способу реактивные элементы разделяют по функциональному признаку на две группы - первая группа реактивных элементов на начальном этапе регулирования включается между фазными проводами и общей шиной, при этом реактивные элементы в ней коммутируются в соответствии с алгоритмом компенсации реактивной мощности, после завершения процесса регулирования реактивные элементы этой группы включаются по схеме «звезда» с изолированной нейтралью и коммутируются только по алгоритму компенсации «перекоса фаз», при этом включается регулирование второй группы реактивных элементов, подключенных между фазными проводами и нейтралью, только по алгоритму компенсации реактивной мощности. Устройство содержит первую группу реактивных элементов (1), первую группу коммутаторов (3), контактор (6), вторую группу реактивных элементов (7), вторую группу коммутаторов (9), блок регулирования (11), измеритель реактивной мощности (12), измеритель разности фаз (13), первый, второй и третий блоки датчиков (14, 15, 16), формирователь управляющего сигнала (17), переключатель (18). 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ энергосбережения в 3-фазной сети с нулевым проводом, при котором осуществляют коммутацию реактивных элементов между фазными проводами, а также между фазными проводами и нейтралью, отличающийся тем, что реактивные элементы разделяют по функциональному признаку на две группы - первая группа реактивных элементов на начальном этапе регулирования включается между фазными проводами и общей шиной, при этом реактивные элементы в ней коммутируются в соответствии с алгоритмом компенсации реактивной мощности, после завершения процесса регулирования реактивные элементы этой группы включаются по схеме «звезда» с изолированной нейтралью и коммутируются только по алгоритму компенсации «перекоса фаз», при этом включается регулирование второй группы реактивных элементов, подключенных между фазными проводами и нейтралью, только по алгоритму компенсации реактивной мощности.

2. Устройство энергосбережения в 3-фазной сети с нулевым проводом, содержащее первую группу реактивных элементов, первые выводы которых подключены к соответствующим фазным проводам 3-фазной сети, первую группу коммутаторов, первые выводы которых подключены ко вторым выводам соответствующих из первой группы реактивных элементов, вторую группу реактивных элементов, вторую группу коммутаторов, первые выводы которых подключены к первым выводам соответствующих из второй группы реактивных элементов, контактор, первый вывод которого подключен к проводу нейтрали, отличающееся тем, что с целью улучшения качества электрической энергии и повышения надежности функционирования в него введены блок регулирования, переключатель, измеритель реактивной мощности, информационный выход которого подключен к первому входу переключателя, измеритель разности фаз, информационный выход которого подключен ко второму входу переключателя, первый, второй и третий блоки датчиков, которые включены между соответствующими фазными проводами и нагрузкой, а информационные выходы которых подключены к соответствующим информационным входам измерителя реактивной мощности и измерителя разности фаз, формирователь управляющего сигнала, выход которого подключен к управляющему входу контактора, первая группа выходов блока регулирования подключена к входам управления соответствующих из первой группы коммутаторов, вторая группа выходов блока регулирования подключена к управляющим входам соответствующих из коммутаторов второй группы, выход переключения режима блока управления соединен с управляющими входами переключателя и формирователя управляющего напряжения, первый и второй выходы переключателя соединены с соответственно первым и вторым информационными входами блока управления, вторые выводы первой группы коммутаторов объединены и подключены ко второму входу контактора, вторые выводы второй группы реактивных элементов подключены к соответствующим фазным проводам 3-фазной сети, вторые выводы второй группы коммутаторов объединены и подключены к проводу нейтрали, каждый из коммутаторов первой группы коммутаторов выполнен в виде совокупности из n единичных коммутаторов, каждый из коммутаторов второй группы коммутаторов выполнен в виде совокупности из m единичных коммутаторов, каждый из реактивных элементов первой группы реактивных элементов выполнен в виде совокупности n единичных реактивных элементов, каждый из реактивных элементов второй группы реактивных элементов выполнен в виде совокупности m единичных реактивных элементов, при этом каждый из единичных реактивных элементов первой и второй групп реактивных элементов содержат итеративный трансформатор, начала первичных и вторичных обмоток которого являются соответственно первым и вторым выводом единичного реактивного элемента, а также косинусный конденсатор, который включен между концами первичной и вторичной обмоток итеративного трансформатора, где n>1 и m>1.