Устройство компенсации реактивной мощности 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.

Минимизация потерь электроэнергии является одной из важнейших задач энергосбережения. Современные промышленные предприятия все чаще обращают внимание на данную проблему по причине непосредственной возможности уменьшить экономические расходы и значительно улучшить технико-экономические показатели своих систем электроснабжения.

Основными источниками потерь электроэнергии на предприятии являются реактивная мощность. Реактивная мощность, обусловленная индуктивным или емкостным характером нагрузки, приводит к снижению уровней напряжения в электрической сети, увеличению потерь активной мощности в элементах сети, увеличивает токовую нагрузку, снижает резерв пропускной способности и устойчивость сети.

Известные и устройства компенсации реактивной мощности, выполняются в основном с использованием следующих средств:

шунтирующих реакторов;

статических тиристорных компенсаторов;

косинусных конденсаторов.

На значительной части предприятий характер реактивной мощности в течение суток, в зависимости от рабочего цикла, меняется с индуктивного на емкостной и обратно. Источниками индуктивной составляющей преимущественно являются электродвигатели, емкостной - мощные бестрансформаторные источники питания. В этом случае устройство компенсации реактивной мощности должно обеспечивать компенсацию как емкостной, так индуктивной составляющей реактивной мощности.

Из уровня техники известно (пат РФ №2335056 опубл. 27.09.2008 г.) устройство компенсации реактивной мощности, содержащее трехфазный управляемый подмагничиванием реактор, подключенный к сети высокого напряжения, трехфазную конденсаторную батарею с выключателями, выполненную из двух секций и подключенную параллельно фазам реактора, а также систему автоматического управления, отличающийся тем, что источник реактивной мощности дополнительно снабжен выключателем, через который реактор и конденсаторная батарея подсоединены к сети высокого напряжения, а выключатели обоих секций конденсаторной батареи подсоединены к системе автоматического управления. К недостаткам такого устройства относятся сложная конструкция управляемого шунтирующего реактора и цепей его управления, наличие дополнительных потерь в стали сердечника и нелинейных искажений в кривой тока управляемого шунтирующего реактора, что требует применения дополнительных фильтров высших гармоник и приводит к усложнению схемы управляемого шунтирующего реактора. Кроме того недостатком устройства является его высокая стоимость низкое быстродействие и большие габариты, а также отсутствие возможности компенсации реактивной мощности разного знака.

Известно устройство (пат. РФ №2337424 от 17.08.2007 г.) централизованной компенсации реактивной мощности в n-фазной сети, содержащее регулятор реактивной мощности, измеритель реактивной мощности, выход которого подключен к управляющему входу измерителя реактивной мощности, трансформатор напряжения, выводы первичной обмотки которого подключены к соответствующим линейным проводам n-фазной высоковольтной сети, а выводы вторичной обмотки которого подключены к общей шине и соответствующим входам измерителя реактивной мощности, n батарей косинусных конденсаторов, каждая из которых включает m косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине, n блоков контакторов, каждый из которых включает m контакторов, первые силовые выводы которых подключены к вторым выводам соответствующих косинусных конденсаторов из n батарей косинусных конденсаторов, вторые выводы которых объединены, а управляющие входы которых подключены к соответствующим управляющим выходам регулятора реактивной мощности.

Отличительной особенностью данного устройства компенсации реактивной мощности является то, что в нем в качестве средства компенсации реактивной мощности используются автоматически коммутируемые батареи косинусных конденсаторов.

Основными преимуществами использования батарей косинусных конденсаторов над перестраиваемыми реакторами для компенсации реактивной мощности являются:

небольшие, практически постоянные в зоне номинальной температуры окружающей среды, удельные потери активной мощности косинусных конденсаторов, не превышающие 0,5 Вт на 1 квар компенсационной мощности, т.е. не более 0,5%.

отсутствие механически перемещаемых частей в процессе эксплуатации;

простота монтажа и эксплуатации;

относительно невысокие капиталовложения;

большой диапазон подбора требуемой мощности;

относительная простота схемы регулирования реактивной мощности;

возможность установки в любых точках электросети, бесшумность работы.

Однако данное устройство не может обеспечить компенсацию реактивной мощности разного знака.

Известно (пат. США № US 8339111 В2 опубл. 25.12.2012 г.) устройство компенсации реактивной мощности, 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 компенсацию реактивной мощности разного знака.

Известно (пат. РФ №2280934 опубл. 27.07.2006 г.) устройством компенсации реактивной мощности СТАТКОМ содержащее параллельно подключенные к шинам переменного тока тиристорно-реакторную группу, конденсаторные батареи - фильтры высших гармоник и статический компенсатор реактивной мощности на полностью управляемых вентилях, заключающийся в том, что измеряют напряжение и на шинах переменного тока, сравнивают напряжение и с уставками U_max и U_mjn, формируют управляющие сигналы, причем при превышении напряжением и уставки U_max отключают конденсаторные батареи - фильтры высших гармоник, измеряют величины и фазы гармоник тока в цепи тиристорно-реакторной группы и формируют в токе статического компенсатора гармоники, пропорциональные и противофазные измеренным гармоникам, а при снижении напряжения и ниже уставки U_mjn отключают тиристорно-реакторную группу и включают конденсаторные батареи - фильтры высших гармоник.

Данное устройство может обеспечить компенсацию как индуктивную, так и емкостную составляющую реактивной мощности.

Однако недостатком такого компенсатора реактивной мощности является высокая стоимость, значительное потребление активной мощности и высокий уровень гармоник источником которых является СТАТКОМ. Это обусловлено тем обстоятельством, что СТАТКОМ фактически представляет собой инвертор, выполненный на мощных полевых транзисторах, который из напряжения источника постоянного тока формирует синусоидальное напряжение, изменяемое по фазе за счет использования широтно-импульсной модуляции. Использование в качестве компенсирующих устройств СТАТКОМ может привести к отрицательному эффекту - затраты активной энергии на компенсацию могут превысить экономию от снижения затрат на реактивную энергию.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является устройство энергосбережения 3-фазной сети выполненное с использованием коммутируемых косинусных конденсаторов (пат. РФ №2768366 опубл. 24.03.2022 г., 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.

Выполнение регулируемых конденсаторных установок на базе конденсаторной группы, коммутируемой тиристорами, позволило обеспечить улучшение надежности и динамических свойств устройства. При этом высокие быстродействие и дискретность регулирования регулируемой конденсаторной установки обеспечивается благодаря применению полупроводниковых приборов, чей коммутационный ресурс и быстродействие существенно выше механических коммутационных аппаратов.

Недостатком данного устройства является невозможность обеспечить компенсацию реактивной мощности разного знака.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение компенсации реактивной мощности в 3-фазной сети с резкопеременной нагрузкой, имеющей как индуктивную, так емкостную составляющую.

Технический результат, получаемый в результате осуществления и использования заявленного изобретения заключается в повышении качества электроэнергии на предприятии с резкопеременными нагрузками разного знака за счет повышения точности компенсации реактивной мощности.

Повышение точности компенсации реактивной мощности обеспечивается введением элементов для компенсации реактивной мощности емкостного характера, подключением дополнительных модулей компенсации и организации двухуровневой (грубой и точной) компенсации.

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 фигуре приведена функциональная схема устройства компенсации реактивной мощности 3-фазной сети.

Устройство компенсации реактивной мощности 3-фазной сети содержит: 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 5, первый модуль компенсации 6, первый, второй и третий входы которого подключены к соответствующим фазным проводам, содержащий три реактивных элемента 7, отличающийся тем, что введены: второй контактор 8, батарея косинусных конденсаторов 9, соединенная треугольником, вершины которого подключены к соответствующим выходам первого контактора 5, батарея силовых дросселей 10, соединенная треугольником, вершины которого подключены к соответствующим выходам второго контактора 8, n-1 дополнительных модулей компенсации 6i-6n, первые, вторые и третьи входы которых подключены к соответствующим фазным проводам, первый, второй и третий выходы первого 6 и n-1 дополнительных модулей компенсации 6i - 6n подключены к нулевому проводу, первый, второй и третий входы первого 5 и второго контакторов 8 подключены к соответствующим фазным проводам, каждый из реактивных элементов 7 первого 6 и n-1 дополнительных модулей компенсации 6i - 6n содержит: косинусный конденсатор 11 и силовой дроссель 12, первые выводы которых объединены и являются, выходами, соответствующих из первого, второго и третьего выходов первого 6 и n-1 дополнительных модулей компенсации 6i - 6n, токоограничивающий резистор 13 первый вывод которого подключен ко второму выводу косинусного конденсатора 11, первый ключ 14, первый вывод которого подключен ко второму выводу токоограничивающего резистора 13, а второй вывод подключен ко второму входу силового дросселя 12, второй 15, третий 16 и четвертый 17 ключи, первые выводы которых объединены и являются соответствующими из первого, второго и третьего входов первого 6 и n-1 дополнительных модулей компенсации 6i-6n, второй вывод второго ключа 15 подключен ко второму выводу силового дросселя 12, второй вывод третьего ключа 16 подключен к второму выводу токоограничивающего резистора 13, второй вывод четвертого ключа 17 подключен ко второму входу косинусного конденсатора 11, управляющие выходы блока управления 1 подключены к управляющим входам первого 5 и второго 8 контакторов, а также к управляющим входам первого 14, второго 15, третьего 16 и четвертого 17 ключей первого 6 и n-1 дополнительных модулей компенсации 6i-6n.

Устройство компенсации реактивной мощности 3-фазной сети работает следующим образом.

При включении устройства блоком управления один по информации с модуля датчиков тока 2 и модуля датчиков напряжения 3 вычисляется значение реактивной мощности в сети. Если это значение превышает величину которая может быть скомпенсирована первым 6 и n-1 дополнительными модулями компенсации 6i-6n, то по команде с блока управления 1 на первый 5 или второй 8 контакторы (в зависимости от характера реактивной мощности - индуктивная или емкостная) к фазным проводам подключается батарея косинусных конденсаторов 9 или батарея силовых дросселей 10. После этого, если реактивная мощность в сети носит емкостной характер, то через вторые ключи 15 подключается необходимое для компенсации число дросселей 12 из первого 6 и дополнительных модулей компенсации 6i-6n. Если реактивная мощность в сети носит индуктивный характер, то через третьи ключи 16 через токоограничивающие резисторы 13 подключается необходимое для компенсации число дросселей косинусных конденсаторов 11 из первого 6 и дополнительных модулей компенсации 6i-6n. После окончания переходного процесса коммутации косинусных конденсаторов 11, четвертым ключом 17, косинусные конденсаторы 11 подключаются непосредственно к фазным проводам.

При изменении знака реактивности с емкостной на индуктивную в каждом из подключенных реактивных элементов 7, второй ключ 15 размыкается, первый ключ 14 замыкается. При этом ток из силового дросселя 12, через косинусный конденсатор 11 направляется на нулевой провод. Через промежуток времени, определяемый блоком управления 1 индивидуально для каждого из реактивных элементов 7, первый ключ 14 размыкается и осуществляется подключение косинусного конденсатора 11 к фазному проводу по описанному выше алгоритму.

При изменении знака реактивности с индуктивной на емкостную в каждом из подключенных реактивных элементов 7, четвертый ключ 17 размыкается, первый ключ 14 замыкается. Происходит разряд косинусного конденсатора 11 через токоограничивающий резистор 13 и силовой дроссель 12. После чего первый ключ 14 размыкается, второй ключ 15 замыкается и подключает силовой дроссель 12 к соответствующему фазному проводу.

Такой алгоритм работы позволяет обеспечить компенсацию реактивной мощности произвольного (индуктивного или емкостного) характера и снизить нагрузки по напряжению и току реактивных элементов 7.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к 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 и обеспечения компенсации реактивной мощности, имеющей емкостной и индуктивный характер, а также повышения надежности за счет снижения нагрузки на реактивные элементы. Технический результат достигается за счет того, что устройство содержит модуль датчиков тока, модуль датчиков напряжения, блок управления, а также контур грубой компенсации, содержащий блок косинусных конденсаторов и блок силовых дросселей, подключаемых контакторами к сети и контур точной настройки, состоящий из n коммутируемых модулей компенсации, содержащих косинусные конденсаторы и силовые дроссели. В зависимости от характера реактивной мощности в сети компенсация осуществляется или с использованием силовых дросселей, или косинусных конденсаторов. 1 ил.

Устройство компенсации реактивной мощности 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, первый модуль компенсации, первый, второй и третий входы которого подключены к соответствующим фазным проводам, содержащий три реактивных элемента, отличающийся тем, что введены второй контактор, батарея косинусных конденсаторов, соединенная треугольником, вершины которого подключены к соответствующим выходам первого контактора, батарея силовых дросселей, соединенная треугольником, вершины которого подключены к соответствующим выходам второго контактора, n-1 дополнительных модулей компенсации, первые, вторые и третьи входы которых подключены к соответствующим фазным проводам, первый, второй и третий выходы первого и n-1 дополнительных модулей компенсации подключены к нулевому проводу, первый, второй и третий входы первого и второго контакторов подключены к соответствующим фазным проводам, каждый из реактивных элементов первого и n-1 дополнительных модулей компенсации содержит: косинусный конденсатор и силовой дроссель, первые выводы которых объединены и являются выходами соответствующих из первого, второго и третьего выходов первого и n-1 дополнительных модулей компенсации, токоограничивающий резистор, первый вывод которого подключен ко второму выводу косинусного конденсатора, первый ключ, первый вывод которого подключен ко второму выводу токоограничивающего резистора, а второй вывод подключен ко второму входу силового дросселя, второй, третий и четвертый ключи, первые выводы которых объединены и являются соответствующими из первого, второго и третьего входов первого и n-1 дополнительных модулей компенсации, второй вывод второго ключа подключен ко второму выводу силового дросселя, второй вывод третьего ключа подключен к второму выводу токоограничивающего резистора, второй вывод четвертого ключа подключен ко второму входу косинусного конденсатора, управляющие выходы блока управления подключены к управляющим входам первого и второго контакторов, а также к управляющим входам первого, второго, третьего и четвертого ключей первого и n-1 дополнительных модулей компенсации, при этом n>1.