Устройство для компенсации реактивной мощности вентильного преобразователя Советский патент 1984 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для компенсации реактивной мощности потребляемой мощными многомостовыми вентильными преобразователями fi Электрических приводах постоянного тока, в частности в электрических приводах клетей прокатных станов. . Известна схема ступенчатого регулирования мощности конденсаторных установок путём автоматического изменения схемы соединения конденсаторов, В схеме осуществляется ступенчатое регулирование мощности путем подключения конденсаторов на различныв напрях ения при неизменном количестве их в установке Пэ. Недостатком данной схемы является узкий Диапазон ступенчатого регулирования реактивной мощности, определяемой числом возможных схем соедине ния конденсаторов, поэволяняцих подключить их на различные напряжения. Это не позволяет максимально прибЛизить величину реактивной мощности, генерируемой конденсаторами, к величине потребляемой реактивной мощности. Вследствие этого возникает либо неполная компенсация,либо избыточное генерирование реактивной мощности в сеть, что в равной, степени вызывает дополнительные потери электрической энергии. Известно устройство для динамической компенсации падения напряжения в. сети, содержащее трехфазную нагрузку индуктивного характера, под ключенную к сети переменного тока, соединенной с фазами вторичной обмо ки питающего трансформатора. Мезвду нулевой Точкой обмотки и фазами нагрузки включены компенсируквдие цепи состоящие из последовательно соединенных конденсатора и двух полупроводниковых управляемых вентилей, включенных встречно-параллельно. Уп равляющие электроды вентилей соедийены с выходами одного из трех регу ляторов, входы которых с помощью из мерительных трансформаторов тока ил взаимных индуктивностей подключены к фазам нагрузки С2. Недостатки указанного устройства сложность и относительно высокая стоимость.. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для ксалпенсации реактивной мощности вентильного преобразов теля, содержащее два преобразовател ных трансформатора, первичная обмот каждого из которых подключена к питакщей сети, а каждая из вторичных обмоток - к вентильному преобразователю, компенсирующие цепи, содержащие последовательно включенные конденсатор и реактор, каждая из которых одним выводом присоединена к одной из фаз вторичной обмотки первого преобразовательного трансформатора, а другим выводом - к одной из фаз вторичной обмотки второго преобразовательного трансформатора ГЗЗ. С помощью известного устройств осуществляется нерегулируемая компенсация реактивной мощности. Величина реактивной мощности, генерируемой компенсирующими цепями, не зависит от величины реактивной мощности, потребляемой вентильным преобразователем из сети. Если соотношение потребляемой реактивной мощности (вр , величина которой, в частности, определяется током нагрузки преобразователя, и генерируемой реактивной мощности Q.K в таково, что GtuB О.ва подключение компенсирующих цепей приводит к избыточному генерированию реактивной мощности в сеть. Избыточное генерирование реактивной мощности компенсируквдими цепями происходит постоянно при работе преобразователя на холостом ходу до момента наброса статической нагрузки на вал двигателя. . Кроме того, нерегулируемая компенсация реактивной мощности не позволяет увеличивать реактивную мощность, генерируемую компенсирующими цепями при условии О.вп UKS / НТо приводит к недоксмпенсации реактивной мощности, потребляемой вентильным преобразователем из сети. как избыточное генерирование реактивной мощности компенсирующими цепями, так и повышенное потребление ее вентильным преобразователем приводят к дополнительным потерям активной мощности аРр , вызванным перетоками избыточной генерируемой либо нескомпенсированной потребляемой реактивной мощности. Цель изобретения - Экономия электроэнергии путем обеспечения регулируемой компенсации реактивной мощности, потребляемой вентильным преобразователем из сети. Поставленная цель достигается тем, что устройство для кс тенсации реактивной мощности вентильного преобразователя, содержащее преобразовательные трансформаторы, первичная обмотка каждого из которых подключен к питающей сети, вентильный преобразователь, состоящий из двух мостов, компенсирующие цепи, содержащие последовательно включенные защитный реактор и конденсатор, каждая из которых одним выводе) присоединена к одной из фаз вторичной обмотки первого преобразовательного трансформатора, снабжено двумя блоками выделения реактивной мощности, потребляемой вентильным преобразовате лем, девятью блоками управления выключателями, логическим блоксм и девятью управляемыми цепями, каждая из которых содержит последовательно соединенные управд; яемый выключатель состоящий из двух встречно-параллел но соединенных тиристоров, и конденсатор, причем к другому выводу каждой компенсирующей цепи подключе ны по три управляемые цепи, свободные выводы которых подключены к разным фазам вторичной обмотки вто рого преобразовательного трансформа тора, параллельно каждому из управляемых выключателей включен первый вход одного из блоков управления вы ключателями, выход которого соединен с управляющими электродами тири торов, а второй вход соединен с выходом логического блока, подключенного своим входом к выходам блоков вьщеления реактивной мощности, потребляемой вентильным преобразовате лем, каждый из которых соединен с одной стороны с вторичной обмоткой соответственно первого и второго преобразовательных трансформаторов, а с другой - с соответствующим мостом вентильного преобразователя. На фиг.1 представлена блок-схема устройства для компенсации реактивн мсяцности вентильного преобразовател на фиг.2 - блок вьщеления реактивно мгацности; на фиг.З - блок-схема логического блока; на фиг,4 - блок управления выключателями; на фиг.З - векторная диаграмма напряжений, прикладываемых к конденсаторам. Устройство (фиг.1) содержит двухмостовой вентильный преобразователь 1, выход которого подключен к якорю двигателя 2, Преобразователь 1 включает в себя вентильный мост 3, подключенный через блок 4 выделения реактивной мсданости к вторичной обмотке преобразовательного трансформа тора 5, содержащего три фазы 5i, Sj, 5 , первичная и вторичная обмотки которого соединены по схеме звезда, и вентильный мост 6, подключенный через блок 7 вьзделеиия реактивной мощности к вторичной обмотке второг преобразовательного трансфсфматора 87 содержащего также три фазы Sj, %, 8g , первичная обмотка которого соединена по схеме треугольник, а вторичная - по схетле звезда, Устройство содержит также аналогичные компенсирующие цепи 9 - 111. состоящие из последовательно включен ных защитного реактора и конденсатора 15-17, дополнительно введенные управляемые цепи 18-26, каждая из которых содержит управлявмый выключатель 27-35, состоящий из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, например 36 и 37 в управляемом.выключателе 27, и конденсатор 38-46. Компенсирующие i цепи 9-11 подключены одним из своих выводов соответственно к фазам Si , 5j и 5g вторичной обмотки преобразовательного трансформатора 5. К свободному выводу компенсирующей цепи 9 подключено по одному выводу дополнительно введенных управляемых цепей 18 - 20, оставшиеся выводы которых подключены соответственно к фазам %, S| и б вторичной обмотки преобразовательного трансформатора 8. Мезкду свободным выводом компенсирующей цепи 10 и фаза.ми , 8j и &г включены соответствен- . но дополните5ц но введенные управляемые цепи 21 - 23, Между выводом компенсирующей цепи и фазами 8в, 8 и 8j включены дополнительно введенные управляемые цепи 24 - 26, Управляющие электроды тиристоров 36 и 37 управляемого выключателя 27 соединены с выходом блока 47 управления выключателями. Аналогично управ- ляющие электроды тиристоров управляемых выключателей 28 - 35 соединены с выходами блоков 48 - 55 управления выключателями. Один из входов каждого блока 47 - 55 управления выключателями включен.параллельно одному из управляемых выключателей соответственно 27 - 35, Другой вход блоков управления выключателями 47, 50 и 53 соединен с выходом 56 логического блока 57, два других выхода 58 и 59 которого подключены к свободным входам блоков управления выклю.чателями соответственно 48,51, 54 и 49, 52, 55, Вход логического блока 57 соединен с выходами блоков 4 и 7 выделения реактивной мсйцности. Блок вьаделения реактивной мощности (фиг.2) выполнен с использованием квадратируювдих элементов и содержит промежуточный трансформатор 60 напряжения с расщепленной вторичной обмоткой, внешние выводы которой через квадратируихцие элементы 61 и 62 подключены к внешним выводам расщепленной первичной обмотки выходного трансформатора 63, вторичная обмотка которого также расщеплена и ее внешние выводы через встречно включенные иоды 64 и 65 и нагрузочные резисторы 66 и 67 соединены в общую точку, которая вместе с внутренним выводом расщепленной вторичной обмотки выодного трансформатора 63 образует выход 68, Внутренние выводы вторичной обмотки промежуточного трансфоратора 60 и первичной обмотки выходHof-o трансформатора 63 соединены с ыводами вторичной обмотки трансректора 69, Логический блок 57 (фйг,3) предтавляет собой автоматический регуятор мощности конденсаторных батарей, содержащий измерительный орган 70 с элементом 71 изменения зоны на входе, два канала 72 и 73 управления Включить и Отключить соответственно, входы которых соединены с выходами измерительного органа 70,, а выходы - с входами кслумутйтора 74, имеющего выходы сигналов кс«мМутации по числу ступеней компенсации реактивной мощности, логический элемент ИЛИ 75, входы которого соединены с ,10 выходами каналов 72 и 73 управления, а выход через одновибратор 76 подключен к входу управления элемента 71 изменения зоны.

Кайодый из блоков 47 - 55 управле- 15 НИН (фиг.4) выключателями включает в себя нуль-индикатор 77, .к выходу которого подключен один из входов двух-, входового логического элемента И 78.

. Нуль-индикатор 77 содержит интег- 20 ральный операционный усилитель 79 с двумя входами - инвертирукяцим 80 и . неинвертируквдим 81. Неинвертирующий вход 81 с помсвдью резистора 82 соединен с выходом 83 усилителя 79, а 25 с другого резистора 84 - с общей точкой 85 усилителя 79. Меаду инвертирующим входом 80 и общей .Ь5 включен интегральный диодный ограничитель 86, состоящий из двух встречно-параллельно соединенных диодов 87 и 88. .

На диаграмме (фиг.5) обозначены: векторы 8.9, 90 и 91 фазных напряжений Usi , f Ujui вторичной обмртки преобразовательного трансформатора 5 5; векторы 92, 93 И 94 фазных напряжений U8X ,1 вторичной Обмотки преобразовательного трансформатора 8, сдвинутые на 30 эл.град. относительно соответствующих векторов Оат , 40 U5J , й.|В за счет соединения обмоток трансформаторов 5 и 8 по разным схемам; векторы 95, 96 и 97 межфазных напряжений соответственно UK-SI Я-аа векторы 98, 99 и 100 45 напряжений Ost-a.eiL Osi-si.ei rUsj-si.ei, приклсздываемых соответственно, к конденсаторам 15, 38 и 39, полученные в результате соединения точки пересечения медиан треугольника, . ел образованного вектсэрами межфазных напряжений Ogj-.g Ujj-ei вх-ва с его вершинами.

Устройство работает следукяцим образом,,

На вход логического блока 57 с выходов блоков 4 и 7 выделения реактивной мощности подается сигнал, пропорциональный реактивной мощности, потребляемой вентильным преобразователем,,60

Логический блок 57 представляет. собой устройство, которое в зависимости от величины входного сигнала подает управляющее напряжение на один или несколько своих выходов 56, 5

и 59 (фиг.1) и соответственно на три, шесть или девять блоков 47 55 управления тиристорными выключателями 27 - 35.

Каждый из блоков 47 - 55 управления выключателями обеспечивает включение управляемого тиристорного выключателя, управляющие электроды тиристоров которого подключены к его выходе при наличии напряжения на I входе, подключенном к выходу логи ческого блока 57 и при равенстве нулю мгновенного значения напряжения, подаваемого на второй вход, подключенный параллельно одному из управляемых тиристорных выключателей 27 35. За счет этого коммутация компенсирукячих цепей 9 - 11 и дополнительно введенных управляемых цепей 18 (26, включенных между фазами вторичных обмоток преобразовательных трансформаторов 5 и 8 происходит без бросков свободного тока и перена- . пряжений на управляемых тиристорных выключателях 27-35.

Так, в зависимости от величины реактивной мощности, потребля.емой вентильным преобразователем 1, собирается определенная схема подключения компенсирующих и дополнительно введенных управляенолх цепей между Фазами вторичных обмоток преобразовательных трансформаторов 5 и 8. Эти схемы содержат разное количество конденсаторов, подключаемых между фазами вторичных обмоток, преобразовательных трансформаторов и различаются сочетанием межфазных напряжений, на которые конденсаторы подключаются. Соответственно эти схемы отличаются друг от друга величиной реактивной мощности, генерируемой входящими в них конденсаторными батареями, которая определяется выражением .

CiK6 wOU .

где и - переменное напряжение, прикладываемое к конденсаторной батареи;.

а) - угловая частота напряжения; С, - емкость конденсаторной батареи.

В зависимости от числа возможных сочетаний выходов 56, 58 и 59 логического блока 57, на которых появляется напряжение, возможно семь скеывключения компенсирующих и дополнительно введенных управляемых цепей, которые отличаются друг от друга величиной генерируемой реактивной мощности..

Допустим, что емкости всех конденсаторов 15 - 17 и 38 - 46, входящих в устройство, одинаковы, действукадие значения напряжений вторичных обмоток преобразовательных трансформаторов 5, 8 равны и активные сопротивления элементов цепи в проводяще состоянии близки к нулю. Предпрложим, что величина потреб ляемой реактивной мсадности такова, что управляющий сигнал поступает только на выход 56 логического блока 57. В этом случае замкнута цепь управляемого выключателя 27 и между фазой 57 и фазой 8i вторичных обмоток преЪбразовательных трансформато ров 5 и 8 включены последовательно два конденсаторы 15 и 38. К каждому из них прикладывается половина ме,жфазного напряжения Uj.gj . Величина реактивной мощности,генерируемой конденсаторами 15 и 38, в этом случае определяется выражением qi, 2u)c(f Такую же по величине реактивную мощность генерируют конденсаторы 16 41 цепей компенсируннцей 10 и дополнительно введенной управляемой 21, включенных между фазами 5 и 8 , а также конденсаторы 17 и 44 цепей 9 и 20, включенных между фазами и 8/й вторичных обмоток преобраэователь ,них трансформаторов 5 и 8. Доэтому далее упоминаются элементы устрой- ства, подключенные только между фазой Sj и фазами 8 , 8п и 8а вторичных обмоток преобразовательных транс форматоров 5 и 8 и. подразумевается, что такая же по. величине реактивная мощность генерируется конденсаторам цепей, включенных междУ фазами 5 и фазами 8т, 8 и 8j, а также между фазами 5в и 8т , 8{ и 8 вторичных обмоток трансформаторов 5 и 8. Если величина потребляемой реактивной мощности такова, что управляющий сигнал поступает только на выход 59 логического блока 57/ то реактивная мощность, генерируемая конденсаторами 15 и 40 определяется выражением ai 2(oO(. Аналогично, если замкнут управляемый выключатель 28, в расчете на фазу 5т генерируется реактивная мощность, . a.(. где Urj.gj , ggi.aj и Оя-в - напряже ния меходу соответствукядими фазами вторичных обмоток преобразовательных трансформаторов 5 и 8. Теперь предположим, что управляющий сигнал подается одиовременно на вьходы 56 и 59 логической схемы 57 (замкнуты управляекФяе выключатели 27 и 29). В этом случае меящу фазой 51 и фазами 8; и 8| включено три конденсатора 15, 38 и 40. Они включе ны на различные по величине напряжения соответс1венно Usi-ei.e® %-а.в| и Uai.5j.8j . Реактивная мощность, генерируемая в этом случае (oC(ufj.6i,..I,8i) Аналогично, если замкнуты управляемые выключатели 27 и 28/ то генерируемая реактивная мощность определяетсяGl5 Си С (.eii ,ej UjjHji.e-,), и если замкнуты управляемые выключатели 28 и 29, то Qe -fe) С tuVei.ae uk-sLsa uSi-si ,fl), где Usi-ei.gi , U8i-Bt,9i и Uai-si.ei напряжения соответственно на конденсаторах 15, 38 и 40, если замкнуты управляемые выключатели 27 и 29; fel-ei.eli 4ei-5l,8 .M -напряжения на конденсаторах 15, 38 и 39, если замкнуты управляемые выключатели 27 и 28,ия-в|,аа ft ai-SLeS ,Чв«-5г.в« напряжения на конденсаторах 15/ 39 и 40 при замкнутых управляемых выклю,чателях 28 и 29. Предположим, что величина потребляемой реактивной мощности такова, что. управляющий сигнал поступает на все три выхода 56, 58 и 59 логического блока 57. В этом случае между каждой из фаз вторичной обмотки преобразовательного трансформатора 5 и тремя фазами 8i , 8в и 8gi вторичной обмотки преобразовательного трансформатора 8 включены одна коммутирующая 9 и три дополнительно введенные управляемые цепи 18 - 20, содержащие соответственно четыре конденсатора 15, 38 - 40. Конденсаторы .38 - 40 дополнительно введенных управляемых цепей 18 - 20 подключены на фазные напряжения Ugj ,Uj и Ugff вторичной обмотки преобразовательного трансформатора 8, равные друг другу по величине. Поскольку сумма фазных напряжений трехфазной симметричной системы равна нулю, конденсатор 15 компенсирующей цепи 9 оказывается включенным на фазное напряжение UjT вторичной обмотки преобразовательного трансформатора 5. Величина генерируемой реактивной мощности с учетом принятого выше допущения о равенстве фазных напряжений вторичных обмоток трансформаторов 5 и 8 равна Q,-4()CU. Величины всех напряжений, приклаываемых к конденсаторам компенсируюей 9 и дополнительно введенных упавляемых 18-20 цепей определяются из векторной диаграммы, приведенной а фиг.5,. На диаграмме фиг.5 показаны постоения для случая, когда замкнуты правляемые выключатели 27 и 28 (подключены компенсирующая 9 и допо нительно введенные управляемые 18 и 19 цепи). Величина реактивной мсяцнос ти для этого случая рассчитывается по зависимости (u|i.ei,4i; uV.i7,.5r,8l). Аналогично могут быть рассчитан все величины реактивной мощности а -а . . Работе блока вьвделения реактивно мсяцности () основана на реалиэ ции зависимостей 0,-и(х„3) + 2УниЛ51пф (.1 миа§1ПФ/ и последуквдем определении их разнос ти Ji-32« 4XMUagtnip-KHQo. где Oi и Ga постоянные составлякад выпрямленных токов двух частей расщеплен ной вторичной обмотки выходного трансформат ра; напряжение питающей сети; полный ток сети; сопротивление взаимоиндукции трансреактор угол сдвига междуФаз ми тока и напряжения питающей сети; коэффициент пропорцио нагтности; реактивная мощность сети. Сигнал, пропорциональный напряже нию сети, снимается с расщепленной вторичной обкотки промежуточного трансформатора 60 напряжения (фиг.2 Сигнал, пропорциональный току р , поступает с вторичной обмотки транс реактора 69, обладающего сопротивлением взаимоиндукции XKI. Напряжени , ид и Uj на входах квадраторов 61 и 62определяются выражениями , Oj-U-jXMJ, где ,. на выходах квадраторов 61 и 62 (фиг.2) формируются токовые сигналы пропорциональные U и U| . Постоянные составляющие и Jj этих токов получае 1ые в результате включения однополупериодной диодной схемы вы,прямления, реализова.нной с помощью диодов 64 и 65 (фиг.2), имеют встре ные направления..Благодаря этому на выходе 68 схемы формир уется сигнал выделения реактивной мощности, равный разности Ол и CJj , т.е. прогпорциональный реактивной мощности, потребляемой из сети. Логический блок (фиг.З) работав следующим образом . Когда контролируемый параметр, подаваемый через элемент 71 изменения зоны на вход измерительного органа 70, выходит из зоны нечувствительности логического- блока, с соответствующего выхода измерительного органа 70 на вход канала 72 или 73 поступает сигнал. Перепад напряжения, появляющийся на выходе канала с выдержкой времени после появления сигнала на входе и исчезающий одновременно с ним, подается на соответствующий вход коммутатора 74. При этом в коммутаторе 74 осуществляется цикл подготовки команды управления. Одновременно перепад напряжения с выхода канала управления 72 и 73 поступает на один из входов элемента ИЛИ 75 и запускает одновибратор 76. Импульс с выхода одновибратора 76 поступает на вход элемента 71 изменения зоны, который на время его действия увеличивает зону нечувствительности логического блока до заведомо больших предилов, и контролируемый сигнал оказывается в зоне нечувствительности. При этом сигнал на выходе, измерительного органа 70 пропадает. Одновременно напряжение на входе коммутатора 74 , и последний выдает сигнал управления на соответствующий управляемый выключатель 27,- 35. После окончания импульса одновибратора 76 зона нечувствительности логического элемента восстанавливается и сигнал на выходе измерительного органа 70 вновь определяется величиной контролируемого параметра. Так, в зависимости от величины входного сигнала подается управляющее напряжение на один или несколько выходов логического блока 57. OcHOBHbHvi элементом каждого из. блоков 47 - 55 управления выключателями является нуль-индикатор 77 (фиг.4). Работа нуль-индикатора 77 основана на действии положительной обратной связи, реализованной путем включения резистора 82 между инвертирующим входом 81 и выходом 83 усилителя 79. При появлении положительного сигнала на выходе усилителя 79 вследствие действия положительной обратной связи он суммируется с сигналом на инвертирующем входе 80, в результате чего реализуется релейный режим работы усилителя. Так на выходе нуль индикатора 77 в момент перехода подводимого к его входу переменного напряжения через нуль формируется импульс. Этот импульс подается на один из вхоцов двухвходового логического элемента И 78. Если на другой его вход подается сигнал с выхода логического блока 57(фиг.1,то управляющий импульс поступает на выход логического элемента

И 78,Т.е. на выход соответствующих блоков 47-55 управления выключателями.

Изобретение позволяет осуществить регулируемую компенсацию реактивной

мощности, потребляемой вентильным преобразователем из сети, что обеспечивает экономию электрической

энергии.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, содержащее преобразовательные трансформаторыj первичная обмотка каждого из котор х подключена к питающей сети, вентильный преобразователь, состоящий из двух мостов, компенсирующие цепи, содержащие последовательно включенные защитный реактор и конденсатор, каждая из которых одним выводом присоединена,к ОДНОЙ из фаз вторичной обмотки первого преобразовательного трансформатора, отличающееся тем, что, с целью экономии электроэнергии путем обеспечения регулируемой компенсации реактивной мощности, потребляемой вентильн1Ф4 преобразова телем из сети, оно снабжено двумя блоками выделения реактивной мощности, потребляемой вентильным лреобразоватедем, девятью блоками управления выключателями, логическим- блоком и девятью управляемыми цепями, каждая из которых содержит последовательно соединенные управляемый выключатель, состоящий из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, и конденсатор, причем к другому выводу каждой компенсирующей цепи подключены по три управляемые цепи, свободные выводы которых подключены к разным фазам вторичной i обмотки второго преобразовательного трансформатора, параллельно каждому (Л из управляемых выключателей включен первый вход одного из блоков управления выключателями, выход которого сое цинен с управляющими электродами тиристоров, а второй вход соединен с одним из трех выходов логического блока, подключенного своим входом к выходам блоков выделения реактивной мощности, каждый из которых соеди нен с одной стороны с вторичной обмоткой соответственно первого и О второго преобразовательных транс9д форматоров, а с другой - с соответствующим мостом вентильного преобра4i9k зователя. 0