Устройство для автоматического симметрирования несимметричных нагрузок в трехфазных трехпроводных системах Советский патент 1984 года по МПК H02J3/26 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для комплексного повышения качес ва электрической энергии в трехфазных системах с изолированной нейтралью, а именно для автоматического симметрирования режима, снижения уровня высших гармоник, в распределительных сетях с мощнь ми несимметричными нагрузками, параметры которых изменяются в широких пределах. Известны устройства для бесконтактной коммутации секций конденсаторных батарей (KB), которые используются для стабилизации работы электрических сетей, питающих симметричную и несимметричную нагрузки, а также для компенсации реактив ной мощности сети 1. Недостатками этих устройств явля ются низкие быстродействие и регули рующая способность, невысокая точность. Известны устройства с контактным регулированием реактивных симметрируемых элементов (КБ и реакторов), которые осуществляют приемлемое сим метрирование изменякхцихся однофазных нагрузок и компенсацию реактивной мощности 2. Недостатками таких устройств являются невысокая точность симметрирования, низкие быстродействия и на дежность силовой схемы,.а также сло ность системы управления. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является уст ройство для симметрирования несимметричных нагрузок в трехфазных тре проводных системах, содержащее датчик линейных токов, датчик линейных напряжений, два двухвходовых множительных элемента, первые входико торых соединены соответственно с двумя выходами датчика линейных токов , а вторые входы - с двумя первы ми выхо7:1ами датчика линейных напряжений, двухвходовый сумматор, входы которого соединены с выходами множи тельных элементов, а также исполнительный орган, выполненный на регулируемых конденсаторных батареях, соединенных в треугольник З. Схема известного устройства пред ставляет собой замкнутую систему ав торегулирования, т.е. измеряемая в этом случае пульсирующая мощность, определяемая любым из приведенных в описании выражений, является суммар ной пульсирующей мощностью N узла сети, обусловленной как нагрузкой (1{ц ) , так и симметрирующими элементами устройства (NJ), а не одной лишь нагрузкой. Указанное обстоятельство усложняет устройство,/так как принципиально необходимо введение цепи обратной связи, в.ключающей орган сравнения, который непрерывно должен осуществлять вычитание сигналов, пропорциональных величинам суммарной пульсирующей мощности N узла сети и пульсирующей мощности нагрузки Пц- или симметрирующих элементов N устройства. В связи с этим устройство имеет низкую надежность. Цель изобретения - упрощение и повышение надежности. Поставленная цель достигается тем, что устройство для автоматического симметрирования несимметричных нагрузок в трехфазных трехпроводных системах, содержащее датчик линейных токов, датчик линейных напряжений, два двухвходовых множительных элемента, первые входы которых соединены соответственно с двумя выходами датчика линейных токов, а вторые входы - с двумя первыми выходами датчика линейных напряжений, двухвходовый сумматор, входы которого соединены с выходами множительных элементов, а также исполнительный орган, выполненный на регулируемых многосекционных конденсаторных батареях, соединенных в треугольник, дополнительно снабжено тремя удвоителями частоты, схемой фиксации нуля, трехканальным коммутатором фаз, состоящим из трех триггеров задержки, и делительным элементом, причем входы датчиков линейных токов и напряжений подключены к фазам питающей сети между выходными зажимами исполнительного органа и выводами нагрузки, вход -каждого из удвоителей частоты подсоединен к соответствующему выходу датчика линейных напряжений, а выход - к одному из первых трех входов трехканального коммутатора фаз, четвертый вход которого соединен с выходом схемы фиксации нуля, вход последней подключен к выходу двухвходового сумматора и входу делительного элемента, а выходы трехканального коммутатора фаз и делительного элемента служат для подключения к входам исполнительного органа. Сущность изобретения заключается в том, что при различных соотношениях величин нагрузки и изменении ее фазного угла i/,, в диапазоне от О до 2я, вектор пульсирующей мощности NI несимметричной нагрузки, занимающий произвольное положение на комплексной плоскости, может быть полностью или частично (с допустимой степенью точности)(скомпенсирован с помощью чисто емкостных элементов ХКБ), включаемых на различные линейные напряжения сети. В этом случае при равенстве мощностей каждой секции КБ и одинаковом количестве секций КБ .iCjj, Cj,, подключаемых к линейным напряжениям и ., U, , й, соответственно, можно получить inecTb

фиксированных значений компенсирующего вектора N,- :

Na,.,Ne, Nfl,; ,,;

31 17

При этом векторы N равны между собой по модулю, их начальные фазы сдвинуты относительно друг друга на J7/3, а вся область изменение аргумента VH; вектора пульсирующей мощности Нц нагрузки делится на шесть равных диапазонов (секторов). Устройство на основе получаемой из сети информации (линейные, напряжения и токи нагрузки) с помощью приведенного ниже алгоритма позволяет однозначно определить принадлежност вектора пульсирующей мощности N нагрузки одному из шести диапазонов (секторов) и обеспечить тем самым включение такой комбинации КБ, которой соответствует компенсирующий ве тор пульсирующей мощности й, , находящейся в противофазе с вектором и равный ему по величине. В данном случае автоматическое регулирование параметрами симметрирующих элементов (КБ) ведется по разомкнутой схеме, что способствует упрощению устройства и повышению надежности процесса симметрирования нагрузки.

Оптимальная компенсация вектора пульсирующей мощности нагрузки осуществляется при частичном симметрировании нагрузки в соответствии с таблицей переключения конденсаторны батарей (КН) в зависимости от изменения аргумента VH .

Пульсирующая мощность изменяется с двойной частотой сети ( идц, 2 w) , т.е. полный оборот вектора пульсирующей мощности соответствует полупериоду изменения вектора линейного напряжения сети основной частоты (u), LOj. ) . Это обстоятельство, а также тот факт, что пульсирующая мощность взаимосвязана с появлением токов и напряжений обратной последовательности в неуравновешенной, трехфазной системе, позволяют разработать на оснований таблицы простой и удобный алгоритм управления КБ, т.е. их переключения в зависимости от изменения аргумента VH вектора пульсирующей мощности нагрузки м„. Принцип алгоритма основывается на том, что моменты подключения КБ С, Cj и Cj при минимизации суммарной пульсирующей мощности нагрузочного узла сети N совпадают во времени с положительными полуволнами линейных напряжений Од. удвоенной частоты сет при следующем соответствии:

и;

- 23

С,

31 il 23

Указанное соответствие положитель ности линейных напряжений и удвоенной частоты, имеющих обратный порядок чередования фаз, является лишь необходимым условием реализации алгоритма переключения КБ. Достаточным же условием однозначного соответст5 ВИЯ положительности линейных напряжений Од ( 2wj.) требуемой, (истинноВ)) комбинации включения КБ в текущий момент времени является соответствие момента перехода через нулевое

0 значение кривой пульсирунвдей мощности n(t) нагрузки из Области ее отрицательных значений в положительную область, т.е. момента формирования положительной полуволны синусои5 ды пульсирующей мощности n(t) нагрузки - положительным полуволнам линейных напряжений Пд двойной частоты сети.

На фиг.1 представлена совмещенная

n векторная диаграмма пульсирующих мощностей Йн; и N Ki а также линейных напряжений СГд , изменяемых с удвоенной частотой ( U) ) сети, отсчет аргументов ведется в отрица5 тельном направления от вектора U напряжения в фазе 1; фиг. 2 - функциональная схема .предложенного устройства; на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие принцип работы основных узлов предложенного устрой0 ства.

Из рассмотрения совмещенных векторных диaгpa 1м (Лиг.1) следует, что, например, для вектора N „, компенсирующим является вектор N{j.,j,

5 |а для вектора Nнг вектор N(Nfl +Пд / Заштрихованные область бйнл - Для V3 и область для 4Ji/3 указывают на .то, что данному диапазону изменения аргу0 мента «нЛкг ) пульсирующей мощности нагрузки соответствует компенсирующий вектор ,.,+N(jJ.

Схема устройства (биг.) содержит фазы 1-3 сети, несимметричную

5 нагрузку 4, датчик 5 линейных токов, датчик б линейных напряжений, двухвходовые множительные элементы 7 и 8, двухвходовый сумматор 9 с инвертированием, схему 10 фиксации нуQ ля, делительный элемент 11, удвоители 12-14 частоты, трехканальный коммутатор 15 фаз, триггеры 16-18 задержки, исполнительный орган 19, конденсаторные батареи 20-20 , 21-21 и 22-22, силовые тиристорные выклю5 чатели 23-23 , 24-24 и 25-25 .

Устройство работает следующим образом.

Входными параметрг1ми устройства являются векторы линейных токов i

0 и напряжений йд нагрузочного узла сети. С помощью множительных элементов 7 и 8 h сумматора 9 с инвертированием формируется сигнал, пропорциональный пульсирующей мощности на5 грузки йц . Схема 10 фиксации нуля предназн чена для формирования последователь ности импульсов малой длительности (Гц ( 5 мкс) , передние фронты которы совпадают с положительным переходом через нулевое значение синусои ды пульсирующей мощности n(t) нагрузки, т.е. Фиксируют момент образования положительной полуволны синусоиды п (t). Для получения именно 100 герцовой и неискаженной синусои дальной кривой Hfj в датчиках 5 и 6 предусмотрены фильтры основной частоты сети. Делительный элемент 11 предназначен для деления непрерывно изменя щегося во времени сигнала, пропорционального пульсирующей мощности |N(,I-, на величину уставки напряжени которая пропорциональна 3|аданной . пульсирующей мощности ЛИ,(.-(1Т,) одной секции КБ ЛС, т.е. на выходах 11 устанавливается код числа, равного количеству m секций КБ (т ), которые необходимо подключить в текущий момент времени на одно или два.требуемые линейные напряжения сети для достижения минимальной вел чины остаточной пульсирующей мощнос .ти. Кроме того, делительный эле -:: мент 11 фиксирует изменение величины пульсирующей мощности 5„ в том или другом направлении, .т.е. опреде ляет момент выхода величины за пред лы зоны нечувствительности (H при колебании аргумента V в одном и том же секторе дУц с целью измене ния своего выходного кода в сторону повышения или снижения пульсирующей мощности IN,, включением или отключением соответствующих секций КБ. Удвоители 12-14 частоты служат для формирования из линейных напряжений и,2, Ujj и Uj импульсов относительно большой длительности ( 10 мс) - меандров напряжений, час ,тота повторения f 50 Гц,которых затем умножается в два раза с помощью соответствукяцей схемы выдержк на появление выходного импульса (f 100 Гц). Трехканальный коммутатор 15 фаз состоит из трех триггеров 16-18 задержки, на информационные входы подаются прямоугольные импульсы с выходов удвоителей 12-14 частоты, а на синхровходы - короткие синхроимпульсы длительностью t., с выхода схемы 10 фиксации нуля. Установка каждого триггера 16-18 из О в 1 происходит лишь при одновременном поступлении двух 1 на его информационный и синхрониэирующий входы, т.е. месторасположени синхроимпульса на временной оси в пределах оси в пределах одного периода изменения соответствующего линейного напряжения ; U двойной частоты сети определяется Фазой V вектора пульсирующей мощности ,ц нагрузки, т.е. управляющим параметром данной системы автоуправления. Отсюда следует, что при подаче.синхроимпульса с выхода схемы 10 на триггеры 16-18 трехканального коммутатора 15 фаз устанавливается определенная комбинация выходных единиц и нулей этих триггеров, которая однозначно и определяет принадлежность значения фазы одному из шести диапазонов полного периода ее изменения (1дУц1 Ji/S), т.е. триггеРН 16-18 -выполняют функцию элементов памяти, которые Фиксируют полученную комбинаций) включения КБ « С,1 ,,, в течение всего периода напряжения U полупериода основной частоты сети I. Если значение / находится неизменно в одном и том же диапазоне й протяжении определенного интервала времени (при отсутствии резких колебаний фазы V), то и комбинация выходных состояний, триггеров будет неизменной в том же интервале времени и переключения последних не будет происходить. При переходе значения V в другой сектор (зону нечувствительности по фазе ) переключение триггеров 16-18 происходит к течение не более чем за один полупериод напряжения сети. Таким образом. Функцией трехканал1 ного коммутатора 15 фаз является непрерывное слежение за изменением Фазы Цц( пульсирукэдей мощности нагрузки, но быстродействующее переключение триггеров 16-18 при колебаниях (случайных или регулярных) фазы VKJ вовсе не означает одновременного переключения соответствующих этим триггерам секций КБ (триггеру 16 соответствуют секции КБ 20-20, триггеру 17 - КБ 22-22 , триггеру 18 КБ 21-21 . . Для исключения резкопеременных и случайных колебаний вектора по аргументу, так и по модулю, в исполнительном органе 19 предусмотрена соответствующая схема выдержки времени (CBBI навключение КБ с автоматическим сбросом выдержки при недостаточно продолжительных (менее tj ) изменениях V и (Йн от предыду щего значения. Кроме того, в исполни тельном органе 19 предусмотрена также схема синхронизации с сетью, необходимая для уменьшения нежелательных переходных процессов в силовой части устройства при включении КВ. Работа основных узлов схемы устройства поясняется временными диаграммами, представленными на фиг.З, где показаны: а - напряжение и, в фазе 1 сети; б-г - линейные напряжения сети на выходах датчика 6 ли н ёйных напряжений, д-ж - линейные напряжения Ч удвоен ной частоты - и , и и uj, соответственно, меандры линейных напряжений сети л , Q Sjn. Л-Н меандры линейных напряжений y военной частоты ;5г , 57 Uj, U соответственно на выходе удво телей 12-14 частоты, о - синусоидальная кривая пульсирующей мощности п нагрузки для двух значений Фазы „л (сплошная линия) и V (штри ховая линия), взятых в качест ве иллюстративного примера, п - синхроимпульсы на выходе схе, мы 10 фиксации нуля, р-т - сигналы на выходах триггеров 16-18 (состояние триггеро по выходу); у-х - синусоидальные кривые пульсирующих мощностей секций КБ 20 ц - результирующая пульсирующая мощность исполнительного орга на 19 для случая компенсации с начальной фазой . Например, как видно из рассмотре ния временных диаграмм, при v только меандр напряжениями на эпю ре м- совпадает по положительной полярности (в данный момент времени) с синхроимпульсом (эпюра п), а следовательно, в 1 может установитьс только триггер 16 задержки (эпюра .h), что соответствует включению (после tjj,|) лишь секций КБ q (2020 - в зависимости от величины пульсирующей мощности N нагрузки определяется количество данных секций KR) - диаграмзча . . Аналогичным образом осуществляет ся процесс управления секциями КБ и для случая V V . При этом (как следует из рассмотрения фиг.З штриховые линии на эпюрах J на исполнительный орган 19 необходимо по дать сигналы управления для включения .соответствующих КБ с выходом триггеров 17 и 18 (эпюры си mj,.ко торые устанавливаются в единичное состояние меандрами я 25 uai (эпюры м и н ) при подаче на них синхроимпульсов (эпюра п) с выхода схемы 10 фиксации нуля (триггер 16 находится в нулевом состоянии, поскольку линейное напряжение U этот момент времени отрицательно I. Очевидно, что приведенное соответствие одновременной положительноети определенных линейных напряжений удвоенной частоты и синхроимпульса с выхода схемы фиксатши нуля (необходимые и достаточные условия однозначного соответствия требуемой комбинации установки триггеров 1618 задержки и тем самым включения секций КБ является справедливым для любых значений и весьма просто реализуется указанными аппаратурными средствами. Это нетрудно проследить из одновременного рассмотрения временных диагра м (фиг.ЗI, совмещенной диаграммы (Фиг.1), а также таблицы включения КБ в зависимости от фазы «, пулвсирующей мощности нагрузки. Точность симметрирования режима трехфазной системы в данном случае определяется величиной остаточной пульсирующей мощности N, которая изменяется в диапазоне (О - в зависимости от значения . Очевидно, что при Чщ K 2Tt/3 (к О, 1,2,...) Npj. О полное симметрирование ), в других случаях имеет место частичное симметрирование. Повышение точности симметрирования при таком методе минимизации пульсирующей мощности нагрузочного узла сети в целом достигается за счет введения специальных, более сложных алгоритмов управления секциями КБ. Применение схемы данного вида на основе только емкостных симметрирующих элементов наиболее эффективно при групповом подключении к сети ряда однотипных несимметричных нагрузок (установок Э1Л1, графитировочнкХ печей и т-.д. ) и значительных уровнях потребления реактивной мощности. В этом случае устанавливается только одно такое устройство на весь узел электрической сети, к которому подключены указанные нагрузки, что позволяет существенно снизить установленную мощность симметрирующих элементов по сравнению с вариантом индивидуального использования таких устройств с отдельными несимметричньэ и потребителями. Кроме того, в данном случае симметрирование осуществляется при различных уровнях генерируемой КБ реактивной мощности. Указанное обстоятельство обуславливает необходимость автоматического управления КБ по двум параметрам: параметру, однозначно определяющему уровень и характёр несимметрии трехфазной сети (модулю и фазе вектора пульсирующей мощности /, и одному из показателей ее режима (величине и направлению реактивной мощности или уровню напряжения в узле нагрузки). Таким образом, использование дополнительно введенных элементов выгодно отличает предлагаемое устрой ство от известного. Это обусловлено за счет повЕЛиения его эАфективности

практического использования, что. особенно важно для создания работосйособного-и надежного устройства, так как предложенный и реализованны на практике с помощью дополнительно симметричных элементов весьма простой алгоритм управления емкостными симметрирующими элементами достоверно определяет требуемую комбинацию включения КБ в зависимости от изменения аргумента V, вектора N, пульсирующей мощности нагрузки, В ре- зультате этого осуществляется-взаймокоМпенсация векторов пульсирующих мощностей нагрузки и устройства

( полное или частичное симметри эование ),

Устройство может быть использовано для нормализации показателей качества электрической энергии и обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования в трехфазнйх трехпроводных системах электроснабжения общего и специального назначения при подключении к ним несимметричных нагрузок (однофазных, двухплечевых, несимметричных трехфазных и т.д.), которые произвольно изменяются как по величине, так и фазовому углу.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО СИММЕТРИРОВАНИЯ НЕСИММЕТРИЧНЫХ НАГРУЗОК В ТРЕХФАЗНЫХ ТРЕХПРОВОДНЫХ СИСТЕМАХ; содержащее датчик линейных токов, датчик линейных напряжений, два двухвходовых множительных элемента, первые входы которых соединены соответственно с двумя выходами датчика линейных токов, а вторые входы - с двумя первыми выходами датчика линейных напряжений, двухвходовый сумматор, входы которого соединены с выходами множительных элементов, а также исполнительный орган, выполненный на регулируемых многосекционных конденсаторных батареях, соединенных в треугольник, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью упрощения и повышения надёжности, оно дополнительно снабжено тремя удвоителями частоты, схемой фиксации нуля, трехканальным коммутатором фаз, состоящим из трех триггеров задержки, и делительным элементом, причем входы датчиков линейных токов и напряжений подключены к фазам питающей сети между выходными зажимами исполнительного органа и выводами нагрузки, вход каждого из удвоителей час§ тоты подсоединен к соответствуннцему выходу датчика линейных напряжений, (О а выход - к одному из первых трех входов трехканального коммутатора фаз, четвертый вход которого соеди нен с выходом схемы фиксации нуля, вход последней подключен к выходу двухканального сумматора и входу делительного элемента, а выходы трехканального коммутатора фаз и делительного элемента служат для подклюсо чения к входам исполнительного ор о со гана. 4 оо

Диапазон ( ui 2и;.)

Состояние7t 21 21Г -33 т

Включены

с«, с

п

12 Л

Отключены С, Cj

23

931+НШ2

270°

NH2

Н2 JT . Ц-Щ if .с. С,,

с,1, с

31 21

-23

с,з, с.

Sl

-31

П

+t tf

-Zwr

NHi

Ш1+Нб23{Нк2)

W фиг. - 21Г

«М

X

ч

т°(

TfiWu Wc

-JJ :U

-и -и -и -и -и

-и и -и

-и

-и -и -и

и