Устройство энергосбережения 3-фазной сети Российский патент 2025 года по МПК H02J3/18 

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

Технический результат заключается в повышении качества электроэнергии за счет повышения точности компенсации реактивной мощности, уменьшения уровня гармоник и уменьшение несимметрии напряжений (перекоса фаз).

Основными направлениями энергосбережения на предприятии являются повышения качества электроэнергии путем компенсации реактивной мощности, снижение уровня гармоник в сети, а также снижение несимметрии питающих токов и напряжений сети.

Из уровня техники известны устройства компенсации реактивной мощности и симметрирования токов и напряжений в электрических сетях, которые выполняются в основном с использованием специальных силовых конденсаторов, называемых «косинусными конденсаторами». Снижение уровня гармоник обеспечивается включением фильтров гармоник.

Известно (пат. Великобритании №GB2604117 A, опубл. 31.08.2022 г.) устройство энергосбережения, содержащее батареи косинусных конденсаторов, которые посредством силовых тиристорных ключей подключаются параллельно нагрузке по командам с блока управления. Однако данное устройство не решает задачу фильтрации гармоник и симметрирования напряжений и токов.

Известно (пат. США №US8339111 В2, опубл. 25.12.2012 г.) устройство энергосбережения содержащее блок конденсаторных батарей, включающий в себя три конденсаторные батареи, соответствующей емкости, кратные основной емкости в соответствии с числовой последовательностью n-й степени числа 2. Одна из конденсаторных батарей имеет основную емкость, остальные две конденсаторные батареи включают в себя по две подбатареи каждая. Емкость подбанка устанавливается равной емкости, кратной основной емкости в соответствии с числовой последовательностью m-й степени 2. Однако данное устройство также не решает задачу фильтрации гармоник и симметрирования напряжений и токов.

Известно (патент РФ № 2807035, опубл. 09.11.2023 г.) устройство энергосбережения, выполненное в виде трехфазное симметрирующее устройства с входными зажимами, подключенными к фазам и нулевому проводу четырехпроводной электрической сети, содержащее трехфазный симметрирующий трансформатор, обмотки которого включены встречно в зигзаг, причем три первых крайних вывода этих обмоток соединены с тремя входными зажимами устройства, подключенными к фазам электрической сети, а три вторых крайних вывода соединены между собой, содержащее дополнительный трехфазный трансформатор с первичными обмотками, соединенными в звезду и подключенными к фазам и нулевому проводу четырехпроводной электрической сети, а три его вторичные обмотки соединены в открытый треугольник и своими свободными концами подключены между общей точкой соединения трех вторых крайних выводов обмоток симметрирующего трансформатора и нулевым проводом четырехпроводной электрической сети. Однако это устройство не обеспечивает компенсацию реактивной мощности.

Наиболее близким по технической сущности является устройство энергосбережения, описание которого приведено в пат. РФ № 2768366, опубл. 24.03.2022 г. Данное устройство, содержит модуль компенсации, содержащий три регулируемых реактивных элемента, выполненных в виде батарей коммутируемых косинусных конденсаторов, каждая из которых входным зажимом подключена к соответствующей фазе питающей сети, а выходным зажимом подключена к соответствующим входным зажимам первого, нормально разомкнутого, трехфазного выключателя, три выходных зажима которого замкнуты между собой и подключены к нулевому проводу питающей сети, модуль датчиков тока и модуль датчиков напряжения, информационные выходы которых подключены к соответствующим информационным входам блока управления, выходы которого, в свою очередь, подключены к управляющим входам трех регулируемых реактивных элемента и к управляющему входу первого трехфазного выключателя, второй трехфазный выключатель, три входных зажима которого подключены к соответствующим трем общим точкам соединения регулируемых реактивных элемента и первого трехфазного выключателя, а три выходных зажима вспомогательного трехфазного выключателя соединены с разноименными по отношению к его входным зажимам входными зажимами трех регулируемых реактивных элемента.

В данном устройстве на основе информации о токах каждой из фаз питающей сети и информации о фазных напряжениях питающей сети, поступающих от датчиков тока и от датчиков напряжения, блок управления выдает команды изменения значения емкости косинусных конденсаторов, подключенных к сети. Блок управления может обеспечить режим полной компенсации реактивной мощности нагрузки, частичной компенсации реактивной мощности нагрузки, частичной или полной компенсации нулевой последовательности тока нагрузки или напряжения, или обратной последовательности тока или напряжения (режимы симметрирования). В случае, если текущие уровни напряжений питающей сети не выходят за пределы нормируемых диапазонов, приоритет режима полной компенсации реактивной мощности может быть снижен, а приоритет режимов симметрирования повышен.

Недостатком известного устройства является то обстоятельство, что в нем не может быть обеспечена одновременно и полная компенсация реактивной мощности и полное симметрирование, фактическое значение этих параметров является результатом компромисса. Кроме того, в известном устройстве не обеспечивается фильтрация гармоник.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение энергосбережения в 3-фазной сети с резкопеременной нагрузкой.

Технический результат, получаемый в результате осуществления и использования заявленного изобретения заключается в повышении качества электроэнергии на предприятии с резкопеременными нагрузками за счет повышения точности компенсации реактивной мощности, уменьшения уровня гармоник, уменьшение несимметрии напряжений и токов и повышение надежности функционирования.

Повышение точности компенсации реактивной мощности и фильтрация гармоник обеспечивается как подключением дополнительных модулей компенсации, часть которых постоянно подключена к проводу нейтрали, так и обеспечением штатного режима функционирования итеративного трансформатора,

Уменьшение несимметрии напряжений и токов обеспечивается за счет наличия п итеративных трансформаторов, подключенных к каждой из фаз сети, одним из свойств которого является решение данной проблемы, а также является следствием повышения точности компенсации реактивной мощности.

Повышение надежности функционирования обеспечивается за счет исключения перегрузок косинусных конденсаторов по напряжению и току посредством индивидуально подключенному к каждому из них итеративного трансформатора.

Включение итеративных трансформаторов позволяет обеспечить дополнительную защиту косинусных конденсаторов от перегрузок по зарядно-разрядным токам. Кроме того, одним из свойств итеративного трансформатора является подавление гармоник.

Изобретение поясняется чертежом, 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 чертеже не показан.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства энергосбережения 3-фазной сети.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство энергосбережения 3-фазной сети, содержащее блок управления 1, подключенные к 3-фазной сети модуль датчиков тока 2 и модуль датчиков напряжения 3, выходы которых соединены с соответствующими информационными входами блока управления, первый контактор 4₁, выход которого подключен к проводу нейтрали, первый модуль компенсации 5₁, первый, второй и третий входы которого подключены к соответствующим фазным проводам, а выход которого подключен к входу первого контактора 4₁, введены n-1 дополнительные контакторы 4₂…4_n, выходы которых подключены к проводу нейтрали, дополнительные n-1 модули компенсации 5₂…5_n, первые, вторые и третьи входы которых подключены к соответствующим фазным проводам, а выходы которых подключены к входам соответствующих контакторов 4₁…4_n, измеритель перекоса фаз 6 и измеритель уровня гармоник 7, информационные входы, которых подключены к соответствующим дополнительным выходам модуля датчиков напряжения, контроллер 8, информационные входы которого подключены к соответствующим информационным выходы измерителя перекоса фаз 6, измерителя уровня гармоник 7 и дополнительному информационному выходу блока управления 1, а выход которого, подключен к управляющим входам соответствующих контакторов 4₁…4_n, при этом каждый модуль компенсации 5₁…5_n содержит три коммутируемых реактивных элемента 9, первые выводы, которых объединены и являются выходами соответствующего модуля компенсации 5₁…5_n, а вторые выводы которых являются, соответственно первым, вторым и третьим входами соответствующего модуля компенсации 5₁…5_n, каждый коммутируемый реактивный элемент 9 содержит коммутатор 11, итеративный трансформатор 12 с первичной обмоткой 12.1…12.1 и вторичной обмоткой 12.2…12.2, косинусный конденсатор 13, который включен между концами первичной 12.1…12.1 и вторичной обмоток 12.2…12.2 итеративного трансформатора 12, начало первичной обмотки 12.1…12.1 итеративного трансформатора 12 подключено к выходу соответствующего коммутатора 11, входы всех коммутаторов 11 каждого из коммутируемых реактивных элементов являются вторыми выводами соответствующего из коммутируемых реактивных элементов 9, концы вторичных обмоток 12.2…12.2 всех итеративных трансформаторов 12 являются первыми выводами соответствующего из коммутируемых реактивных элемента 9, управляющие выходы блока управления 1 подключены к управляющим входам коммутаторов 11, управляющие выходы контроллера 9 подключены к управляющим входам соответствующих контакторов 4₁…4_n, при этом n > 1.

Устройство энергосбережения 3-фазной сети работает следующим образом. Компенсация реактивной мощности, перекоса фаз (симметрирование) и фильтрация гармоник осуществляется путем изменения режима работы модулей компенсации 5₁…5_n и подключением необходимого числа коммутируемых реактивных элементов 9.

В исходном состоянии контакторы 4₁…4_n замкнуты и выходы модулей компенсации 5₁…5_n подключены к проводу нейтрали. Блоком управления 1 по информационным сигналам с модуля датчиков тока и датчиков напряжения определяется уровень реактивной мощности в сети и величина необходимой емкости косинусных конденсаторов 13. для ее компенсации по каждой из фаз. После чего выдается команда на подключение их необходимого набора из модулей компенсации 5₁…5_n. При этом для каждой из фаз в общем случае может быть задействовано различное число модулей компенсации 5₁…5_n.

Контроллером 8 по информационным сигналам, получаемым с измерителя перекоса фаз 6 и измерителя уровня гармоник 7 вычисляются весовые коэффициенты этих сигналов, установленные по заранее определенному алгоритму.

Например, это может быть расчетное значение экономии потребляемой мощности при компенсации этого параметра. Математические зависимости экономии для различных значений уровня гармоник и перекоса фаз могут быть получены экспериментальным путем.

Для конкретной реализации заявляемого устройства они определены как:

значение экономии за счет компенсации гармоник:

где δ_г - значение экономии электроэнергии за счет компенсации гармоник,

k_г - измеренное значение коэффициента гармоник, значение экономии за счет компенсации перекоса фаз:

где δ_пн - значение экономии электроэнергии за счет компенсации перекоса напряжений,

U_max и U_min - максимальное и минимальное значение фазного напряжения,

Р_эп - мощность, потребляемая электроприводом,

P_∑ - общая потребляемая мощность,

Может быть использован и иной алгоритм определения весовых коэффициентов.

Далее контроллером 8 формируется команды на коммутацию контакторов 4₁…4_n. При этом число замкнутых и разомкнутых контакторов 4₁…4_n, устанавливается в соответствии полученным соотношением весовых коэффициентов.

При замкнутых контакторах 4₁…4_n, соответствующим модулем компенсации 5₁…5_n производится компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник, при разомкнутых - компенсация реактивной мощности и устранение перекоса напряжений.

При изменении нагрузки в сети и связанных с этим изменениями характера и уровня реактивной мощности, перекоса фаз и уровня гармоник по сигналам модуля датчиков тока 2 и модуля датчиков напряжения 3 блоком управления 1 формируются команды на подключение посредством коммутаторов 11 через итеративные трансформаторы 12 косинусных конденсаторов 13 к соответствующим фазным проводам. При этом как номинальные значения емкостей косинусных конденсаторов 13, так и их число, определяются величиной рассогласования в каждой из фаз сети в конкретный момент времени. При этом в общем случае число коммутируемых реактивных элементов 10 подключенных к каждому из фазных проводов будет различным.

При замыкании контакторов 4₁…4_n, соответствующим модулем компенсации 5₁…5_n производится компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник, при отключении - компенсация реактивной мощности и устранение перекоса напряжений.

Контроллер 8 в процессе функционирования 3-фазной сети предприятия анализирует весовые коэффициенты гармоник и перекоса напряжений и включает нужную комбинацию модулей компенсации 5₁…5_n посредством контакторов 4₁…4_n, что и позволяет обеспечить полную компенсацию реактивной мощности, полное симметрирование и фильтрацию гармоник.

Подключение каждого из косинусных конденсаторов 13 через индивидуальный итеративный трансформатор 12 и выполнение их в едином легкосъемном конструктиве позволяет обеспечить оптимальную настройку и ремонтопригодность заявленного устройства. При этом обеспечивается, во всем диапазоне изменения нагрузок в каждой из фаз сети, в том числе из-за свойств итеративных трансформаторов 12, защита косинусных конденсаторов 13, компенсация реактивной мощности, уменьшение несимметрии напряжений и токов, компенсация бросков тока и кратковременных падений напряжения в сети, уменьшение уровня гармоник.

Один из возможных вариантов реализации итеративных трансформаторов 12₁…12_m приведен в пат. США № 7573253, опубл. 11.08.2009 г.

Контакторы 4₁…4_n и коммутаторы 11 могут быть выполнены на силовых симисторах включаемых оптроном.

Блок управления 1, измеритель перекоса фаз 6, измеритель уровня гармоник 7 и контроллер 8 могут быть конструктивно и схемотехнически выполнены в виде единого модуля.

Устройство энергосбережения 3-фазной сети относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении качества электроэнергии за счет повышения точности компенсации реактивной мощности, уменьшения уровня гармоник и уменьшения несимметрии напряжений (перекоса фаз). Такой результат обеспечивается за счет того, что устройство энергосбережения содержит модуль датчиков тока, модуль датчиков напряжения, блок управления, измеритель уровня гармоник и измеритель перекоса фаз, контроллер, n модулей компенсации, каждый из которых содержит три коммутируемых реактивных элемента, первые выводы которых объединены и являются выходами соответствующего модуля компенсации, а вторые выводы которых являются соответственно первым, вторым и третьим входами соответствующего модуля компенсации, при этом каждый коммутируемый реактивный элемент содержит коммутатор, итеративный трансформатор и косинусный конденсатор, входы модулей компенсации подключены к соответствующим фазным проводам, а выходы через соответствующие контакторы подключены к проводу нейтрали. 1 ил.

Устройство энергосбережения 3-фазной сети, содержащее: блок управления, подключенные к 3-фазной сети модуль датчиков тока и модуль датчиков напряжения, выходы которых соединены с соответствующими информационными входами блока управления, первый контактор, выход которого подключен к проводу нейтрали, первый модуль компенсации, первый, второй и третий входы которого подключены к соответствующим фазным проводам, а выход которого подключен к входу первого контактора, отличающееся тем, что введены n-1 дополнительных контактора, выходы которых подключены к проводу нейтрали, дополнительные n-1 модули компенсации, первые, вторые и третьи входы которых подключены к соответствующим фазным проводам, а выходы которых подключены к входам соответствующих контакторов, измеритель перекоса фаз и измеритель уровня гармоник, информационные входы которых подключены к соответствующим дополнительным выходам модуля датчиков напряжения, контроллер, информационные входы которого подключены к соответствующим информационным выходам измерителя перекоса фаз, измерителя уровня гармоник, а выход которого подключен к управляющим входам соответствующих контакторов, при этом каждый модуль компенсации содержит три коммутируемых реактивных элемента, первые выводы которых объединены и являются выходами соответствующего модуля компенсации, а вторые выводы которых являются соответственно первым, вторым и третьим входами соответствующего модуля компенсации, каждый коммутируемый реактивный элемент содержит коммутатор, итеративный трансформатор и косинусный конденсатор, который включен между концами первичной и вторичной обмоток итеративного трансформатора, начало первичной обмотки итеративного трансформатора подключено к выходу соответствующего коммутатора, входы коммутаторов каждого из коммутируемых реактивных элементов являются входом соответствующего коммутируемого реактивного элемента, начала вторичных обмоток всех итеративных трансформаторов являются первыми выводами соответствующего из коммутируемых реактивных элементов, управляющие выходы блока управления подключены к управляющим входам коммутаторов, управляющие выходы контроллера подключены к управляющим входам контакторов, при этом n > 1.