Устройство компенсации реактивной мощности Советский патент 1991 года по МПК H02J3/18 

(46) 07.09.91. Бил. N 33

(21)3604331/07

(22)15.06.83

(71)Научно-исследовательский инстн тут по передаче электроэнергии тоянным током высокого напряжения

(72)А.Б.Альбертинский, В.А.Иванченко, Н.А.Канащенко, А.В.Посев

и М.А.Степанова

(53) 621.316.728 (088.8)

(56) Вентильные преобразователи с

улучшенным крэффициентом мощности.

Компенсационные способы улучшения

коэффициента мощности вентильньгх преобраэовйтелей, М.: Информэлектро.

1980.

Авторское свидетельство СССР У 448536, кл. Н 02 J 3/18, 1971. (54) (57) 1.УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, содержащее трех фазный трансформатор, первичная об мотка которого подключена к сети переменного тока, а вторичная обмотка . с числом витков Wj подкдйочена к ти ристорам, а также конденсаторную батарею, отличающее ся тем, что, с целью удешевления, трансформатор содержит третичную обмотку с

, числом витков W и промежуточным отводом, а все тиристоры вьтолнены в виде симметричных тиристоров-симистороп, причем первичная обмотка соединена по схеме треуголг иика, а вторичная и третичная обмоткн соединены по схеме звезды, между их нейтральными точками включена кoH - pнcaтopнaя батарея, фазные выяоды третичной обмотки нодключены через симисторы к нейтральной точке вторичной обмотки, а каждый фазньй вывод вторичной обмотки подключен через два симистр;;- ра к промежуточным отводам других фаз третичной обмотки, причем число витков третичной-обмотки от нейтрали до промежуточного отвода w 0,395Wj, а v;,0,742W..

2.Устройство по П.1, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования, конденсаторная батарея выполнена в виде паралл1ельно соединенных секций, причем все -секции, кроме одной, емкость которой наименьшая, содержат последовательно включенные контакторы.

3.Устройство по пп. t и2, о т л и - чающееся тем, что, с целью повышения ресурса конденсаторной батареи, она в режиме потребления устройством реактивной мощности .затун- тирована контактором.

С

оо

О)

00

1 1376887

Изобретение относится к электротехнике п может быть использовано ия электрических подстанциях трехфазного тока для выдачи и потребления реактивной мощности и быстрого регу- jlnpoBaHHn ее величины.

Целью изобретения является удешевление yr.TpoilCTBa.

ila фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства;, на фиг.2 - времен™ нме кривые токов и напряжений; на фиг.З и 4 - векторные диагракгмы ЗДС,

Устройство включает трехфазный

и число витков вторичной обмотки 4

W,

( sin

40°),742W,

5

JO

При таком соотйошении витков на входе устройства возникает перемеи- Н11Й ток, которьпТ по своей форме такой ж.е, как переменный ток, потребл из трехфазной сети фазным выпр мителем.

Работу устройства можно рассматривать по временным кривым токов и

выключатель 1, через который трехфаз-.с - P а фиг.2 по

f,I .ч,..О/. ПГЧ ..W..-, I

ныи трансформатор с

присоединяется к шинам трехфазного переменного тока,, первичную обмотку 3, соединенную треугольником, вторичную обмотку 4с

нейтральным выводом 5 и фазными пыво- jQ дамп 6А, 6В, 6Cj третичную обмотку 7. с нейтральным выводом 8, промежу- точнь М11 отводами 9А, 9В, УС и фазны-. ми выводами 10А, 10В, ЮС, симметр1(1ч- ные,тиристоры (симисторы) 11-19,кон- 25 дез саторь 20 и 21 и контакторы 22 и 23 J образующие конденсаторную бата- рею. Как видно из схемы (фиг.О фазные выводы 10А, 10В, ЮС третичной обмотки 7 через симисторы 11,17,14 rt соединены с нейтралью вторичной обмотки 4, а каждьЫ фазный вывод б вторичной обмотки 4 через два cи fflcтopa 12 и 13, 15 и 16, 18 и 19 соединен с двумя промежуточными oтвoдa ffl третич™ ной обмотки 7, принадлежащими двум - фазам. Например, фазный вывод 6А фазы А вторичной обмотки 4 через два симистора 19 и 12 соединен соответственно с промежуточными отводами 9В и 90 фаз В и С третичной обмотки 7. На выходе .устройства между нейтральными вьтодами 5 и 8 вторичной 4 и третичной 7 обмоток включен ковден-. сатор 20 и может.быть подключен кон денсатор 21.

Напряжение и соответственно число витков Wg третичной обмотки 7 трансформатора 2 выбираются D зависимое- . ти от заданной мощности устройства и выбранного тока, по кoтopo fy а пер-50 вую очередь определяется необходимый для устройства тип симисторов 11-19, По выбранному числу витков W находится число витков от нейтрали третичной .обмотки 7 до промежуточного 55 отвода

40

45

осям 24-30. В первом приближении счи тается, что коммутации тока с одног симистора на другой происходят мгно венно и значение тока, проходящего через симистор в промежутке проводи мости в одном направл ешш остается постоянным. Как показали экспериментальные исследования на физической модели устройства, коммутации тока в действительности происходят почти мгновенно, а импульсы тока через вен тили немного отлича(отся от прямот уголыгых, т.е. они имеют на своих верхушках небольшую выпуклость. Таким образом допущения, принятые при построении фиг.25 приводят лишь к небольшим изменениям действительных электромагнитных процессов, протекающих в устройстве. На оси 24 (фиг.2) показан ток сим истора 11. Он протека ет 20° (1/18 периода переменного напряжения на входе устройства) в одном положительном направлении и чере половину периода также 20 в обратном (отрицательном) направлении. Порядок отпирания симисторов 11-19 в положительном и отрицательном направ лениях и, следовательно, порядок их проводимости определяется векторными диаграммами ЭДС обмоток трансформатора 2j построенными на фиг.З и 4. а диаграмме фиг.З по схеме (фиг.1) по.строены векторы ЭДС между нейтраль ным выводом 5 вторичной обмотки 4 и нейтральным выводом 8 третичной об- мотки 7 при проводимости нечетных симисторов 11,13,15,17 и 19 в положительном направлении и четных симис торов 12,14,16 и 18 в отрицательном направлении (на фиг.1 возле симисторов 11-19 стрелками укт.(аны положи- тельные направления их проводимости) На диаграмме фиг.4 также по схеме (фиг.1) построены векторы ЭДС между нейтральным выводом 8 третичной обw;- 20°),395W,

и число витков вторичной обмотки 4

W,

( sin

40°),742W,

При таком соотйошении витков на входе устройства возникает перемеи- Н11Й ток, которьпТ по своей форме такой ж.е, как переменный ток, потребля- из трехфазной сети фазным выпрямителем.

Работу устройства можно рассматривать по временным кривым токов и

с - P а фиг.2 по

.ч,..О/. ПГЧ ..W..-, I

Q 5 rt -

0 5

0

5

осям 24-30. В первом приближении считается, что коммутации тока с одного симистора на другой происходят мгновенно и значение тока, проходящего через симистор в промежутке проводимости в одном направл ешш остается постоянным. Как показали экспериментальные исследования на физической модели устройства, коммутации тока в действительности происходят почти мгновенно, а импульсы тока через вентили немного отлича(отся от прямот уголыгых, т.е. они имеют на своих верхушках небольшую выпуклость. Таким образом допущения, принятые при построении фиг.25 приводят лишь к небольшим изменениям действительных электромагнитных процессов, протекающих в устройстве. На оси 24 (фиг.2) показан ток сим истора 11. Он протекает 20° (1/18 периода переменного напряжения на входе устройства) в одном положительном направлении и через половину периода также 20 в обратном (отрицательном) направлении. Порядок отпирания симисторов 11-19 в положительном и отрицательном направлениях и, следовательно, порядок их проводимости определяется векторными диаграммами ЭДС обмоток трансформатора 2j построенными на фиг.З и 4. а диаграмме фиг.З по схеме (фиг.1) по.строены векторы ЭДС между нейтральным выводом 5 вторичной обмотки 4 и нейтральным выводом 8 третичной об- мотки 7 при проводимости нечетных симисторов 11,13,15,17 и 19 в положительном направлении и четных симисторов 12,14,16 и 18 в отрицательном направлении (на фиг.1 возле симисторов 11-19 стрелками укт.(аны положи- . тельные направления их проводимости). На диаграмме фиг.4 также по схеме (фиг.1) построены векторы ЭДС между нейтральным выводом 8 третичной обto

3. . 1376887

мотки 7 и нейтральным выводом 5 вторичной обмотки А при проводимости четных симисторов 12,14,16 и 18 в положительном направлении и нечетных симисторов 11,13,15,17 и 19 в отрицательном направлении. Из векторных диаграмм получаем следующий порядок отпирания и проводимости симисторов 11-19, В положительном направлении ток проводят симисторы 11-19 и эатем в таком-же порядке симисторы 11-19 Проводят ток в отрицательном направлении. Этот порядок проводимости симисторов 11-19 указан на фиг.2 между кривыми, построен ныьп на осях 25 и 26,

По схеме фиг,1 легко проследить, что в промежутках проводимости еимис- тора 11 ток проходит в фазе А третичной обмотки 7 трансформатора 2 и через конденсатор 20 (или конденсаторы 20 и 2.1). При этом в промежутке

(фиг,2) этот ток проходит в фазе А третичной обмотки 7, симисторе 11 и

конденсаторе 20 в положительном на правлении, а в промежутке tgt - в отрицательном направлении. В момент

fS

20

25

в з н дл м х н

гд

ны и де но ня мо об ил ди та из в Та да по хо тр на мо Су на пе 29 i ;, ед то пр на фо то ве сг

t отпирается и начинает пропускать ток в прямом направлении симистор 12 В результате этого ток через симисто 11 прекращается и аступает промежуток tjt, в течение которого ток проходит в фазе А вторичной обмотки А в положительном направлении, между выводом 9С и нейтралью 8 третичной обмотки 7 и через конденсатор 20 - в отрицательном направлении. Такие, коммутации тока возникают через каждые 20. В результате через конденсатор 20 на выходе устройства проходит переменный ток iс, кривая которого построена на оси 25. Как видно, этот ток изменяется с девятикратной частотой по сравнению с. частотой напряжения на входе устройства. При частоте на входе, равной 50 Гц, на выходе устройства возникает частота 450 Гц, При прохождении тока i на конденсаторе 20 возникает напряжение и, треугольная форма которого показана на оси 25, При формировании на- пряже1гий на симисторах 11-19 напряжение конденсатора 20 добавляется к напряжениям вторичной и третичной 7 обмоток трансформатора 2, В результате напряжения на симисторах 11-19 приобретают такую форму, при которой симисторы 11-19 . производить коммутацию тока при работе устройст

to

S

0

5

0

5

0

5

0

ва в режиме вьвдачи peaiyирной мощно-- сти, когда угол регулирования близок к -90, Как показали исследования на физической модели устройства, для надежной коммутации тока в режиме пыдачи реактивной мощности необходимо, чтобы максимальное значение напряжения конденсатора 20

Uer- 0,5UjH.,

где Uj - амплитуда фазного напряжения третичной обмотки 7 трансформатора 2. На осях 26-28 построены приведенные токи фазы А пторичной обмотки 4 и фазы А третичной обмотки 7. Приведение сделано к числу витков первичной обмотки 3. При построении было принято, что число витков первичной обмотки 3 равно числу витков третичной обмотки 7. По каким обмоткам в тот или другой промежуток времени проходит ток легко найти по схеме фиг,1, так как уже для каждого промежутка известно какой из симисторов 11-19 и в каком направлении пропускает ток. Так например, в промежутке , когда симистор 13 имеет проводимость в положительном направлении, ток ходит в третичной обмотке 7 от нейтрали 8 до отвода 9А в положительном направлении и в фазе С пторичной обмотки 4 в отрицательном направлении, Сумма приведенных токов, построенных . на осях 26-28, дает ток i }Д в фазе А первичной обмотки 3 (ось 29). На оси 29 кроме того пунктиром показан ток i ;,Р в фа зе С первичной обмотки 3, соединенной треугольником Переменный ток на входе устройства в линейном проводе фазы А ( ,д-i (-) построен на оси 30, Как видно, он по своей форме такой же как входной переменный ток фазного выпрямителя 18 (при мгновенной коммут ации токов и абсолютно сглаженном выпрямленном токе).

При рабЬте устройства в режиме выдачи реактивной мощности первая гармоника входного тока i.сдвинута относительно фазного напряжения U д сети переменного тока на угол i в сторону опережения, Угол v,;, равен углу регулирования с/ (углу отпирания симисторов 11-19) и имеет значение, близкое к -90°, В режиме потребления

реактивной мощности if, и о( близки к +90, .

У :тройстао может работать с одним ковденсатором 20 nmi с одной постояя- ПС включенной группой ковдепсатороя мэ вьгходе (без регулнроваиия величи™ грисордниенной емкости) . Однако при этом либо получается узкая область регулирования вьздаваемозЧ реактивной мощности, либо ухудшаются условия рйботы симнсторов 11 - 19 и ко1вденсато -ig ров 20. Надо учнтьшпть, что реактивная нощность пропоршгопальна входному и, следовательно, выходному току, проходящемуS конденсаторе 20, а напряжение конденсатора 20 пропорциональ- ., но его току. Если емкость конденсатора 20 выбрать так, чтобы его папря™ жение было достаточно для надексной коммутации тока в режиме, 6jifi3KOM к

номинальному, то устройство сможет JQ

работать при пьщаче номинальной реактивной мощности и .при перегрузка:, но не сможет работать при снижения тока и, следовательно, мы ) узкую область регулирования вьвдавае- 25 мой реактивной мощности. Если емкрсть конденсатора 20 выбрать так, чтоб.ы его напряжение было достаточным при. заданной нижней границе выдаваемой реактивной моп1;ности, то устройство сможет работать во всем эадаииом диапазоне регулирования. Однако с ростом тока (реактивной мощности) бyдef увеличиваться напряжение конденсатора 20 к напряжепия на симис- торах И- ГЭ. Это равносильно ухудша- 35 кию условий их работы и потребуется выбрать эти элементы устройства на более высокие напряжения. Для таго, чтобы избежать указанных недостатков, рекомендуется конденсаторы, включен иые на выхода устройства, разбивать на параллельные группы. Одна из групп с наименьшей емкостью должна быть присоединена постоянно, а в гих

30

реактивной мощности. На схеме фиг.1 показан простейший случай, когда кон денсаторы разделены яа Две группы.

группа 20 присоединена непосред ственно к выходу, а вторая группа 21 включается и отключается контактором 22.

Предлагаемое, устройство может ра ботать в режиме потребления реактивной мощности, имея на выходе вкпю менные конденсаторы 20 и 21. Однако, если для режима выдачи реактивной моцностн наличие ковдеибаторов 20 л 21 на выходе устройства является обязательным, то для режима потреб- лелпш реактивной мощности это необязательно. Для увеличения pecypr.;i ко оденсаторов целесообразно -.при работе устройства в режиме потребления реактнаной мощности, когда .угол регулирования близок к +90 , включать контактор 23 (фиг,1) и тем самым за- шунтировать конденсаторы. Ко№-1ута ция toKa при этом обеспечивается за счет напряжений вторичной А it третичной 7 обмоток трансформатора 2..

Преим ущество npeMJraraaMoro устройства состоит в высокоэффект1т- он использовании конденсаторов, ti п хорошей близкой к синусоидальной форме входного переменного тока. Повышение эф(1)ективнос7 И использования конде }саторов определяется тем, что |они работают при девятикратной , частоте по-с авнешто с частотой входного трехфазного напряжения. В предлагаемом устройстве конденсаторы используются более эффективно на часцепи дру- групп вводятся контакторы, кото-

рые подключают или отключают по мере

увеличения или уменьшения выдаваемой

- готе,450 Гц и затраты на них значительно ниже. В качестве вентилей можно использовать не только симметричные недагп раемые тиристоры (си- мисторы), по и обьтные тиристоры. При этом вместо одного симистора надо применять два тиристора, соединенные встречно-параллельно.

,

Q

5 5

0

реактивной мощности. На схеме фиг.1 показан простейший случай, когда конденсаторы разделены яа Две группы.

группа 20 присоединена непосредственно к выходу, а вторая группа 21 включается и отключается контактором 22.

Предлагаемое, устройство может ра ботать в режиме потребления реактивной мощности, имея на выходе вкпю менные конденсаторы 20 и 21. Однако, если для режима выдачи реактивной моцностн наличие ковдеибаторов 20 л 21 на выходе устройства является обязательным, то для режима потреб- лелпш реактивной мощности это необязательно. Для увеличения pecypr.;i ко оденсаторов целесообразно -.при работе устройства в режиме потребления реактнаной мощности, когда .угол регулирования близок к +90 , включать контактор 23 (фиг,1) и тем самым за- шунтировать конденсаторы. Ко№-1ута ция toKa при этом обеспечивается за счет напряжений вторичной А it третичной 7 обмоток трансформатора 2..

Преим ущество npeMJraraaMoro устройства состоит в высокоэффект1т- он использовании конденсаторов, ti п хорошей близкой к синусоидальной форме входного переменного тока. Повышение эф(1)ективнос7 И использования конде }саторов определяется тем, что |они работают при девятикратной , частоте по-с авнешто с частотой входного трехфазного напряжения. В предлагаемом устройстве конденсаторы используются более эффективно на час готе,450 Гц и затраты на них значительно ниже. В качестве вентилей можно использовать не только симметричные недагп раемые тиристоры (си- мисторы), по и обьтные тиристоры. При этом вместо одного симистора надо применять два тиристора, соединенные встречно-параллельно.

1шТшЛй1|

11 М7IT

у

Й1.

fl-f

rt

Z7

ZSU.

Фиг.1

n

гУ

гп

.

Iiiiu

(/Й-5Д) I L

я

Hf.-H j

и

I «№«

2i

,я-л,:.,ГЬП-П-±1 «

Фи.2

1376887

tt

0