Способ регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощностей в трехфазных цепях Российский патент 2025 года по МПК H02J3/18 

Способ относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике и может быть использован для компенсации реактивной мощности в трехфазных электроэнергетических сетях потребителей 0,4 кВ.

Абсолютное большинство электроустановок потребителей в современных условиях питается от трёхфазных сетей переменного тока. Изменяемое напряжение и ток необходимы для трансформации параметров передаваемой электроэнергии и электроснабжения географически удалённых регионов и потребителей с относительно небольшими технологическими потерями.

При этом вся электрическая сеть разделяется на ряд гальванически развязанных участков, имеющих только электромагнитную связь между обмотками повышающих или понижающих трансформаторов. Каждый из таких участков, по сути, является отдельным колебательным RLC-контуром.

Ёмкостную составляющую такого RLC-контура в основном вносят линии электропередачи, индуктивную составляющую - обмотки трансформаторов и электродвигателей, активную составляющую - омическое сопротивление элементов участка сети и чисто активная нагрузка потребителей. Указанные ёмкостные и индуктивные элементы считаются реактивными и могут насыщаться энергией с последующей отдачей её в сеть.

Данная часть энергии не идёт на полезную работу устройств и механизмов потребителей и следовательно, не расходуется. Поэтому часть электроэнергии, которой обмениваются между собой ёмкостные и индуктивные элементы участка сети для своего насыщения, называют реактивной.

Доля реактивной энергии в единицу времени контролируется параметром тангенс угла фи (tg φ), равным отношению реактивной мощности к активной, где φ - угол между векторами полной и активной мощности.

Применяемые способы регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощности имеют ряд недостатков. Наиболее распространённым способом регулирования является применение батарей статических конденсаторов. Данный способ в условиях переменного характера нагрузки имеет недостаточную манёвренность и может приводить к ухудшению условий работы электроприёмников.

Другой общепризнанный способ точного регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощностей - применение синхронных компенсаторов. Массовое их использование ограничено сравнительно высокой стоимостью и сложностью эксплуатации вращающегося оборудования, особенно в условиях протяжённых энергосистем с большим количеством центров питания.

Также из уровня техники, в частности, из патента RU 197031 U1, кл. МПК H02M 7/155, опубл. 26.03.2020 известен способ регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощностей в трехфазных цепях, в котором используют генератор полупериода, который содержит трехфазную катушку индуктивности со сталью, нагрузку, тиристоры и конденсаторы. В данном генераторе полупериода конденсаторы, соединённые треугольником, подключают параллельно трехфазному источнику переменного тока, к которому также параллельно, через тиристоры, подключают трехфазную катушку индуктивности со сталью, другие конденсаторы, соединённые треугольником, конденсаторы, соединённые в звезду, и нагрузку.

Недостатком известного решения является протекание постоянного тока от нейтрали трёхфазной катушки индуктивности к нейтрали питающего силового трансформатора, что вызывает подмагничивание обмоток низшего напряжения питающего силового трансформатора. Также недостаток известного технического решения заключается в отсутствии согласования величины реактивной мощности в цепи нагрузки с ёмкостью подключаемых конденсаторов, что снижает эффективность регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощностей в трёхфазных цепях.

Таким образом, техническая проблема заключается в создании эффективного способа регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощностей в трёхфазных цепях.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощностей в трёхфазных цепях, выраженная в улучшении соотношения активной и реактивной мощностей на клеммах электроприёмников потребителя, а также в снижения объёма активной электроэнергии, потребляемой из сети, без изменения режима работы электроприёмников потребителя.

Техническая проблема решается за счет того, что параллельно к электрической нагрузке подключают по меньшей мере один блок конденсаторов, соединённых в треугольник, а также через по меньшей мере один силовой полупроводниковый ключ подключают резонансный колебательный контур, состоящий из дросселя трёхфазного тока с соединением обмоток в звезду и по меньшей мере одного блока конденсаторов, соединённых в треугольник, включённых параллельно друг другу, при этом нейтраль дросселя трёхфазного тока подключают к нейтрали питающего трансформатора через реостат с переменным сопротивлением, измеряют величины фазных токов и напряжений в цепи нагрузки, а также углов между векторами фазных токов и напряжений и формируют управляющий сигнал на подключение по меньшей мере одного блока конденсаторов.

Подключение к электрической нагрузке резонансного колебательного контура, состоящего из дросселя трёхфазного тока с соединением обмоток в звезду и по меньшей мере одного блока конденсаторов, соединённых в треугольник, включённых параллельно друг другу, необходимо для возможности накоплении энергии в конденсаторах и отдаче её в нагрузку с запаздыванием с помощью по меньшей мере одного силового полупроводникового ключа.

Подключение параллельно к электрической нагрузке по меньшей мере одного блока конденсаторов, соединённых в треугольник, размещенного до полупроводникового ключа, позволяет регулировать количество реактивной мощности при регистрации неизменной активной нагрузки и увеличении количества реактивной мощности.

Измерение величины фазных токов и напряжений в цепи нагрузки, а также углов между векторами фазных токов и напряжений и формирование управляющего сигнала на подключение по меньшей мере одного блока конденсаторов необходимо для возможности подключения по меньшей мере одного блока конденсаторов, которые запасают в себе реактивную составляющую электроэнергии и разряжают её в нагрузку потребителя.

В качестве блока контроля напряжений и токов может быть использовано любое известное из уровня техники устройство, в частности, преобразователь измерительный напряжения, силы тока и мощности трехфазных электрических сетей фе1892-а (https://vibrator.nt-rt.ru/images/manuals/FE1892-AD.pdf), блок контроля и управления Micrologic_A_E_2014.pdf (promelteh.ru).

Дроссель трёхфазного тока с соединением обмоток в звезду и по меньшей мере один блок конденсаторов, соединённых в треугольник, представляют собой колебательный контур, где дроссель трёхфазного тока является индуктивностью, а по меньшей мере один блок силовых конденсаторов - ёмкостью.

Наличие силовых полупроводниковых ключей, через которые параллельно друг другу подключены дроссель трёхфазного тока с соединением обмоток в звезду и по меньшей мере один блок конденсаторов, соединённых в треугольник, необходимо для обеспечения возможности протекания тока к колебательному контуру в режиме открытого полупроводникового ключа, при протекании тока в обратную сторону - в режиме закрытого полупроводникового ключа. При этом в качестве силовых полупроводниковых ключей могут быть использованы диоды или тиристоры.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена схема устройства, предназначенного для использования в способе регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощностей в трехфазных цепях.

На фиг.2 изображен график нагрузки потребителя по активной и реактивной мощностям (профиль мощности).

Компенсатор реактивной мощности содержит корпус, в котором размещён блок контроля напряжений и токов 1, а также по меньшей мере один блок конденсаторов 2, соединённых в треугольник, выполненный с возможностью параллельного подключения к электрической нагрузке 6.

Резонансный колебательный контур оснащается комплектом реле 8-10, с помощью которых блок контроля напряжений и токов 1 контролирует количество реактивной составляющей мощности в цепи нагрузки и элементов, подключая и отключая требуемое количество блоков конденсаторов 3-5 соответственно.

Блоки конденсаторов 2-5 представляют собой ступени, при этом каждую ступень оснащают комплектом коммутационных аппаратов, в частности, реле 7-10 для возможности подключения и отключения их к схеме с целью контроля количества реактивной составляющей мощности в цепи нагрузки.

Эквивалентную реактивную мощность дросселя 11 трехфазного тока выбирают равной максимальной реактивной мощности в сети, а суммарную эквивалентную реактивную мощность блоков конденсаторов 3-5 меньшей или равной эквивалентной реактивной мощности дросселя 11 трехфазного тока.

Дроссель 11 трёхфазного тока с соединением обмоток в звезду состоит из трёх обмоток, расположенных на магнитопроводе.

Дроссель 11 трёхфазного тока с соединением обмоток в звезду и по меньшей мере один блок конденсаторов 3-5, соединённых в треугольник, выполнены с возможностью подключения к электрической нагрузке 6 через по меньшей мере один силовой полупроводниковый ключ 12 параллельно друг другу.

При этом нейтраль дросселя 11 трёхфазного тока выполнена с возможностью подключения к нейтрали питающего трансформатора 13 через реостат 14 с переменным сопротивлением.

Корпус устройства заземляется (точка заземления показана на чертеже позицией 15). Устройство рассчитано на работу в трёхфазных сетях 0,4 кВ.

Блок контроля напряжений и токов 1 содержит микроконтроллер, который обеспечивает управление процессом измерения и всеми функциональными узлами осуществляется блоком контроля напряжений и токов 1, а также реализует измерительные и управляющие алгоритмы в соответствии со специализированной программой, помещённой в его внутреннюю память программ. Управление узлами осуществляют через аппаратно-программные интерфейсы, реализованные на портах ввода/вывода микроконтроллера. Измерения выполняют с помощью многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в микроконтроллер.

АЦП осуществляет выборки мгновенных значений величин напряжения и тока параллельно по шести аналоговым каналам. Микроконтроллер по выборкам мгновенных значений напряжения и тока производит вычисление средних за период сети значений частоты, напряжения, тока, активной, полной и реактивной мощности в каждой фазе сети.

Предложенный способ регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощностей в трехфазных цепях реализуют следующим образом.

Параллельно к электрической нагрузке 6 подключают по меньшей мере один блок конденсаторов 2, соединённых в треугольник, а также через по меньшей мере один силовой полупроводниковый ключ 12 подключают резонансный колебательный контур, состоящий из дросселя 11 трёхфазного тока с соединением обмоток в звезду и по меньшей мере одного блока конденсаторов 3-5, соединённых в треугольник, включённых параллельно друг другу.

При этом нейтраль дросселя 11 трёхфазного тока подключают к нейтрали питающего трансформатора 13 через реостат 14 с переменным сопротивлением.

С помощью блока контроля напряжений и токов 1 измеряют величины фазных токов и напряжений в цепи нагрузки, а также углов между векторами фазных токов и напряжений, фиксируют почасовой график нагрузки потребителя по активной и реактивной мощностям (фиг.2), рассчитывают медианную нагрузку по активной и реактивной мощностям, фиксируют пики активной и реактивной мощностей.

После чего с помощью микроконтроллера блока контроля напряжений и токов 1 формируют импульс управления и с помощью реле 8-10 подключают или отключают блоки конденсаторов 3-5, размещённые после силовых полупроводниковых ключей 12, одновременно пропорционально увеличивая или уменьшая сопротивление реостата 14 в нейтрали соответственно. При регистрации блоком контроля напряжений и токов 1 неизменной активной нагрузки и увеличения количества реактивной мощности регистрации с помощью блока контроля напряжений и токов 1 подключают с помощью реле 7 блоки конденсаторов 2, размещенных до силовых полупроводниковых ключей 12, без изменения сопротивления реостата 14 нейтрали.

Способ основан на накоплении энергии в конденсаторах и отдаче её в нагрузку с запаздыванием за счёт запирания силового полупроводникового ключа 12, выполненного в виде диода или тиристора. Запаздывание обеспечивают тем, что по меньшей мере один блок конденсаторов 3-5, соединённых в треугольник, подключают к нагрузке 6 со схемой соединения фаз «звезда». Эффект отдачи электроэнергии в сеть обеспечивают также наличием в схеме трёхфазного дросселя 11.

Если tg φ превышает единицу, то избыток реактивной мощности компенсируют блоками конденсаторов 2 (ёмкостными элементами) на входе подключаемого колебательного контура.

Электрическая мощность, отдаваемая в нагрузку, должна находиться в диапазоне 10-60% от фактически потребляемой нагрузкой мощности. Эквивалентная реактивная мощность дросселя не должна превышать 40% от полной мощности питающего трансформатора.

Ниже приведён пример реализации способа регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощностей в трехфазных цепях.

Фиксируют почасовой график нагрузки потребителя по активной и реактивной мощностям, при этом измерения активной мощности осуществляют в киловаттах (кВт), реактивной мощности - в киловольт-амперах реактивных (кВАр), фиг.2.

Определяют медианную нагрузку A+, равную 58 кВт и R+, равную 37 кВАр. Фиксируют пики активной и реактивной мощностей - 72,8 кВт и 44,8 кВАр соответственно.

Параметры индуктивности и ёмкостей подбирают по реактивной мощности. Производители дросселей и конденсаторов как правило указывают реактивную мощность, которой они соответствуют, поэтому достаточно подобрать мощность равную или немного бóльшую медианной реактивной мощности, зафиксированной по профилю мощности (фиг.2).

При этом реактивная мощность в цепи нагрузки связана с величинами индуктивности и ёмкости следующими соотношениями:

,

где I - ток в нагрузке, А;

Х - реактивное сопротивление дросселя или конденсатора, Ом

f - частота тока, равная 50 Гц

L - индуктивность дросселя, Гн

C - суммарная емкость конденсаторов, Ф.

Параметры силовых полупроводниковых ключей 12 подбирают по номинальному току, равному трёхкратному току I, протекающему в нагрузке.

Количество блоков конденсаторов 2-5 (ступеней регулирования) зависит от набора конденсаторов, может изменяться от 2 до 10.

Блоки конденсаторов подключают таким образом, чтобы мощность подключённых конденсаторов максимально соответствовала текущей реактивной мощности на нагрузке. Чем больше число ступеней, тем точнее будет регулирование.

Если реактивная мощность в нагрузке (кВАр) численно превышает величину активной мощности (кВт), то разницу активной и реактивной мощностей компенсируют блоками конденсаторов 2, подключёнными до силовых полупроводниковых ключей 12.

Пример работы компенсатора реактивной мощности с дросселем трёхфазного тока 100 кВАр и ёмкостью, набранной конденсаторами по 20 кВАр.

Активная нагрузка,
кВт Реактивная нагрузка, кВАр tg φ
R, кВАр / A, кВт Мощность блоков конденсаторов после диодов, кВАр Мощность блоков конденсаторов до диодов, кВАр Снижение потребления из сети, кВт 50 20 0,40 20 (1 × 20) 0 10 40 20 0,50 20 (1 × 20) 0 10 30 20 0,67 20 (1 × 20) 0 10 20 20 1 20 (1 × 20) 0 10 30 30 1 40 (2 × 20) 0 20 40 40 1 40 (2 × 20) 0 20 50 50 1 60 (3 × 20) 0 30 60 60 1 60 (3 × 20) 0 30 70 70 1 80 (4 × 20) 0 40 80 80 1 80 (4 × 20) 0 40 100 100 1 100 (5 × 20) 0 50 100 110 1,1 100 (5 × 20) 20 (1 × 20) 50 100 120 1,2 100 (5 × 20) 20 (1 × 20) 50

Сопротивление реостата в нейтрали меняют пропорционально току, протекающему в нейтрали, исходя из соотношения 10 Ом на каждый 1 ампер тока.

Эффективность применения компенсатора реактивной мощности оценивают снижением потребления активной электроэнергии из сети при соблюдении нормативного значения tg φ ≤ 0,4.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощностей в трехфазных электроэнергетических сетях потребителей 0,4 кВ. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощностей в трёхфазных цепях, выраженная в улучшении соотношения активной и реактивной мощностей на клеммах электроприёмников потребителя, а также в снижения объёма активной электроэнергии, потребляемой из сети, без изменения режима работы электроприёмников потребителя. Для этого параллельно к электрической нагрузке подключают по меньшей мере один блок конденсаторов, соединённых в треугольник. Также через по меньшей мере один силовой полупроводниковый ключ подключают резонансный колебательный контур, состоящий из дросселя трёхфазного тока с соединением обмоток в звезду и по меньшей мере одного блока конденсаторов, соединённых в треугольник, включённых параллельно друг другу. При этом нейтраль дросселя трёхфазного тока подключают к нейтрали питающего трансформатора через реостат с переменным сопротивлением. Измеряют величины фазных токов и напряжений в цепи нагрузки, а также углов между векторами фазных токов и напряжений и формируют управляющий сигнал на подключение по меньшей мере одного блока конденсаторов. 2 ил.

Способ регулирования соотношения потребления активной и реактивной мощностей в трёхфазных цепях, заключающийся в том, что параллельно к электрической нагрузке подключают по меньшей мере один блок конденсаторов, соединённых в треугольник, а также через по меньшей мере один силовой полупроводниковый ключ подключают резонансный колебательный контур, состоящий из дросселя трёхфазного тока с соединением обмоток в звезду и по меньшей мере одного блока конденсаторов, соединённых в треугольник, включённых параллельно друг другу, при этом нейтраль дросселя трёхфазного тока подключают к нейтрали питающего трансформатора через реостат с переменным сопротивлением, измеряют величины фазных токов и напряжений в цепи нагрузки, а также углов между векторами фазных токов и напряжений и формируют управляющий сигнал на подключение по меньшей мере одного блока конденсаторов.