Устройство электропитания с компенсацией искажений токов и напряжений системы электропитания Советский патент 1990 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к компенсации искажений токов и напряжений в системах за счет компенсации сдвига углов фаз между первыми и высшими гармониками тока и напряжения в общепромышленных и автономных электрических сетях с помощью .статических вентильных компенсато РОВ.

Цель изобретения - повышение точности регулирования в системе конечной мощности и несинусоидальных напряжениях и токах.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство содержит генератор 1 напряжения, дроссель 2, вентили , фильтр 7 конденсатор 8, вентили 9-12, фильтр 13, нагрузку 14, датчи

15напряжения генератора, датчик

16напряжения нагрузки, датчик 17 и

18 тока, делитель 19, интегратор 20, схему 21 дискретизации с запоминанием отсчетов, умножитель 22, сумматор 23, датчик 2k частоты, схему 25 синхронизации, схему 26 управления, сумматоры 27 и 28, блок 29 за- паздывания первого порядка, компаратор 30 с гистерезисом, формирователь 31 импульсов управления вентилями, устройство 32 выборки, блок 33 памяти, цифроаналоговый преобразователь 34Л сумматоры 35 и 36, блок 37 запаздывания первого порядка, компаратор 38 с гистерезисом, формирователь 39 импульсов управления вентилями.

В устройстве электропитания с

компенсацией искажений, включенном параллельно генератору 1 напряжения и нагрузке 14, первые четыре управляемых вентиля 3-6 включены по мостовой схеме, в одну диагональ которо включен дроссель 2, а узлы второй диагонали через первый выходной фильтр 7 включены параллельно генератору 1 напряжения, во второй группе из четырех управляемых вентилей вентили включены по мостовой схеме, в одну диагональ которой включены конденсатор 8, а узлы второй диагонали через второй выходной фильтр 13 включены последовательно с нагрузкой 14, датчики 17 и 18 тока включены соответственно последовательно с выходными зажимами первого фильтра 7 и нагрузки 14, выходные зажимы делителя 19 связаны с выходами датчика 15 напряжения генератора и первого датчика 18 тока, а выходной зажим делителя 19 через интегратор 20 подключен к выходному зажиму схемы 21 дискретизации с за- .поминанием отсчетов, выход которой подключен к первому входу умножителя 22, у которого второй вход связан с выходным зажимом датчика 15 напряжения генератора, выходная клемма умножителя 22 соединена с неинвертирующим входом сумматора 23, инвертирующий вход которого подклю

JQ 20

25

5055

30

35

40

45

чен к выходу первого датчика 18 тока, выходная клемма датчика 24 частоты связана с выходной клеммой датчика 15 напряжения генератора, а выходная клемма датчика частоты через схему 25 синхронизации подсоединена к схеме 26 управления, выходные зажимы которой соединены с регулирующими входами интегратора 20 и схемы 21 дискретизации с запоминанием отсчетов, выходная клемма сумматора 23 соединена с неинвертирующим входом второго сумматора 27, у которого инвертирующий вход подключен к выходу второго датчика 17 тока, а выход соединен с неинвертирующим входом третьего сумматора 28, у которого выходной зажим через первый блок 29 запаздывания первого порядка подключен к входному зажиму первого компаратора 30 с гистерезисом, выход которого связан с неинвертирующим входом третьего сумматора 28 и входом первого формирователя 31 импульсов управления вентилями, выходная клемма которого подключена к управляющим электродам первых четырех управляемых вентилей , входной зажим устройства 32 выборки, связанного с блоком 33 памяти, подключен к выходу схемы 25 синхронизации, а выходной зажим устройства 32 выборки через цифроаналоговый преобразователь 34 соединен с неинвертирующим входом четвертого сумматора 35, У которого инвертирующий вход подключен к выходу датчика 16 напряжения нагрузки, а выход соединен с неинвертирующим входом пятого сумматора 36, у которого выходной зажим через второй блок 37 запаздывания первого порядка подключен к входному зажиму второго компаратора 38 с гистерезисом, выход которого связан с неинвертирующим входом пятого сумматора 36 и входом второго формирователя 39 импульсов управления вентилями, выходная клемма которого подключена к управляющим электродам второй группы четырех управляемых вентилей .

Для описания процесса компенсации искажений тока генератора рассмотрим параллельное соединение эквивалентной ЭДС - e(t) и нестационарных (мгновенных) проводимостей gn(t) и gK(t), моделирующих соответственно электромагнитные процессы в последовательном соединении нагрузки с

продольной частью устройства компен сации, искажений и поперечной части устройства компенсации.

Поскольку при использовании компенсатора искажений ток генератора ir(t) должен совпадать по форме с напряжением генератора Ur(t), т.е. Ur(t)/ir(t) const, то суммарная проводимость относительно выходных узлов генератора 1 должна быть постоянна :

Щ Sn(t) + 8R(0 gjt) +

+ gnjt) + gK(t) g0 const,

+ gKj:t)

-

10

15

напряжения генератора связано с тем, что предлагаемое устройство компенсации искажений предназначено для систем с преобразователями при конечной мощности и несйнусоидаль- ных напряжениях генератора. Для таких систем в общем случае нельзя определить длительность периода, как длительность интервала времени, ограниченного двумя последовательными переходами функции U (() через ноль.

Алгоритмы, в соответствии с которыми осуществляются компенсация искажений тока генератора, заключаются в следующем.

Определение длительности периода

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является повышение точности регулирования при конечной мощности и несинусоидальных напряжениях и токах. Новым является разделение процесса компенсации искажений на отдельные составляющие. При компенсации тока, потребляемого от генераторов, форма тока должна совпадать с формой напряжения генератора. Фактически задача компенсации энергии, потребляемой нагрузкой от генератора, разделена на две задачи: компенсацию искажений тока и компенсацию искажения напряжения. Для этого измеряют мгновенные значения напряжения на выходных зажимах преобразователя и/или нагрузки. Измеряют частоту выходного напряжения генератора. Определяют период выходного напряжения генератора. Определяют частное отделения тока преобразователя и/или нагрузки и напряжения генератора, перемножают несинусоидальный сигнал напряжения генератора с первого датчика напряжения и выходной сигнал схемы дискретизации с запоминанием отсчетов. Опорный сигнал, пропорциональный напряжению на входе преобразователя и/или нагрузки на периоде работы, заносят в блок памяти. Выбирают в соответствии с сигналом от схемы синхронизации требуемое значение напряжения из блока памяти, определяют текущее значение выходного напряжения преобразователя и/или нагрузки, по которому формируют выходное напряжение продольной части компенсатора. Суммируют мгновенные значения напряжений на выходе поперечной части компенсатора и/или нагрузки в общем контуре. 1 ил.

где gn(t), gK(t), gn.(t), g KJt) - постоянные (переменные) составляющие значения мгновенной проводимости последовательного соединения нагрузки и продольной части устройства

компенсации, а также поперечной час- 25 Формирование тока iK(t) с помощью

ти устройства компенсации.

Компенсатор искажений не может генерировать активную энергию, т.е. постоянное значение gK-(t) проводимости компенсатора gK(t) не может быть отрицательным. Если предположить, что потери энергии в компенсаторе ничтожно малы и ими можно пренебречь, то имеет место равенство g -(t) 0. Тогда в соответствии с (1) для выполнения условия оптимального энергопотребления

т S0 8n(t) Y Sn(t) dt

(2)

gK(t) g

(t) -gn/-(t).

Ток компенсатора искажений iK(t) равен iK(t) Ur(t)gK(t) Un(t)

()) ur(t)(-8n(t) + 8e)

in(t) + g0Ur(t).(3

Таким образом, ели поперечная часть компенсатора искажений генерирует в систему ток iK(t), определяемый в соответствии с выражениями (2) и (3), то потребляемый ток от генератора совпадает по форме с напряжением генератора при- произвольном виде напряжения генератора.

Введение операций измерения частоты выходного напряжения генератора и определения периода выходного

Измерение величин in(t) и Ur(t). Вычисление g0(t) из выражения (2), Расчет тока поперечной части компенсатора в соответствии с выражением (3) .

. аь2) 40

модуляции сигнала дросселя поперечной части компенсатора. Для отслеживания текущего значения тока компенсатора искажений iK(t) по отноше- Зо нию к опорному (эталонному) значению этого тока применена замкнутая система регулирования.

Для описания компенсации искажений напряжений нагрузки с помощью продольной части компенсатора используют мгновенные текущие и опорные (эталонные) функции напряжения на нагрузке UH(t) и U(t)on. Работа продольной части компенсирующего устройства должна быть организована та35

3)

ипким образом, чтобы напряжение продольной части компенсатора UnK(t) удовлетворяло условию Ur(t) - (t) Urt(t), где U (t) - U(t),ЈX) д5 наперед заданное вещественное число, определяющее точность отслеживания функции U(t)on.

Необходимость введения операций компенсации по мгновенным значениям

50 части напряжения генератора, подаваемого на вход нагрузки, вызвана возможностью изменений напряжения генератора в пределах, превышающих допустимые пределы изменения напря,, жения на преобразователе, а также генерированием напряжения, форма которого не удовлетворяет требуемой форме напряжения на нагрузке. Значение эталонного сигнала заносится в

блок памяти. При этом все возможное множество изменений напряжений Ur(t), ), а также допустимое множество изменений параметров схемы нагрузки и их режимов разбиваются на подмножества, для каждого 1-го из которых заранее определяется требуемое эталонное значение напряжения на нагрузке UH(t)on ,, Выбор требуемого значения номера i-й таблично заданной функции UH(t)ол осуществляется заранее на основании априорной информации.

Компенсация искажений токов и напряжений систем электропитания с помощью предлагаемого устройства, структурная схема которого приведена на чертеже, производится следующим образом.

С помощью датчиков напряжения 15 и 16 и тока 17 и 18 осуществляется гальваническая развязка, согласование уровней сигналов энергетических цепей и измерительной части устройст ва, а также измерение мгновенных значений напряжения генератора ) напряжения на входе нагрузки 1А, тока нагрузки in(t) и текущее значение тока компенсатора на выходе фильтра 13- Выходное напряжение датчика 15 напряжения генератора UBt,,x,(t), пропорциональное измеряемому напряжению U Xt)tUBMXl(t) o(MUr(t)3, поступает на второй вход делителя 19, датчика 2k частоты, умножителя 22. Выходное напряжение второго датчика 17 тока UeMX (t), пропорциональное выходному току первого фильтра 7, поступает на вход первой замкнутой схемы управле- ния по отклонению содержащей сумматоры 27 и 28, блок 29 запаздывания первого порядка и компаратор 30 с гитерезисом. Выходное напряжение датчика напряжения нагрузки UeMX (t),. пропорциональное напряжению на входе нагрузки 14, поступает на вход второй замкнутой схемы управления по отклонению, содержащей сумматоры 35 и 36, блок 37 запаздывания первого порядка и компаратор 38 с гистерезисом.

На первый вход делителя 19 поступает выходное напряжение первого датчика 18 тока U fibix (t), пропорциональное измеряемому току нагрузки DW4(t) o(ilin(t)J, которое также одновременно поступает на инвертирующий вход сумматора Г.З. На выходе

делителя 19 в результате деления двух сигналов UB4fXi (t) и Ueb,M(t) будет сигнал, пропорциональный g (t)

е ft) -- -in(tl

Кп Ur(t)

Выходной сигнал с делителя 19 Cgpg(t)) поступает на вход интегратора 20. Начало и конец интегрирования интегратором 20 входного сигнала определяются импульсами управления со схемы 26 управления. В результате интегрирования входного сигнала на выходе интегратора 20 имеют сигналы, пропорциональные величине g0: т

г. 1

KjT

Bn(t)clt.

5 о ,

5

0

5

Когда интегрирование закончено, выход интегратора 20 подается на схему

21дискретизации с запоминанием отсчетов и затем выход интегратора сбрасывается в ноль. Выход схемы 21 дискретизации с запоминанием отсчетов остается постоянным (сигнал, пропорциональный g ) в течение следующего периода частотного спектра.

Моменты изменения выходного сигнала блока 21 задаются сигналами от схемы 26 управления. Моменты выдачи управляющих импульсов схемой 26 управления (двух последовательностей импульсов, период повторения которых равен Т) задаются схемой 25 синхронизации, которая на основе информации с выхода датчика 2k частоты определяет период выходного напряжения генератора ur(t).

Поскольку на два входа умножителя

22поступают сигналы, пропорциональные величинам g0 и Uf(t), на выходе умножителя 22 формируется сигнал, пропорциональный произведению g0 Ur(t), который поступает на неинвертирующий вход сумматора 23. Если учесть, что

на инвертирующий вход сумматора 23 поступает сигнал, пропорциональный in(t), то на выходе сумматора имеется мгновенное опорное (эталонное) значение тока компенсатора i(t) dn (схемная реализация выражения (3).

На неинвертирующий вход сумматора 27 поступает сигнал i(t)on , а на инвертирующий вход сумматора 27 CHI- нал i(t)T. Выходной сигнал этого сумматора, пропорциональный величине

Ai(t) i(t)on - i(t)T, поступает на иеинвертирующий вход сумматора 28, на инвертирующий вход которого поступает сигнал с выхода компаратора 30 с гистерезисом. На выходе компаратора 30 формируется сигнал, являющийся управляющим для формирователя 31 импульсов управления вентилями. Для осуществления замкнутой системы управления компенсации искажений тока выходной сигнал с сумматора 28 поступает на вход блока 29 запаздывания первого порядка, а из него на вход компаратора с гистерезисом, за счет релейной характеристики компаратора 30 с гистерезисом и обратной связи на инвертирующий вход сумматора 28 осуществляется непрерывное отслеживание текущим током поперечной части компаратора i(t)T опорного значения

on

i(t)

Для осуществления широтно-импульс ной модуляции сигналы управления с блока 31 управляют работой четырех вентилей , включение которых по мостовой схеме позволяет сформироват мгновенную функцию тока поперечной части компенсатора. При прохождении этого сигнала через первый выходной фильтр 7 из нее фильтруется гармонический сигнал, частота которого равн частоте модуляции выходного сигнала.

Суммирование токов ip(t) и i|(t) в общем узле позволяет на выходе генератора 1 получить ток ir(t), пропорциональный напряжению Ur(t).

Для формирования требуемой формы сигнала напряжения на входных зажимах нагрузки 1 в блок памяти первоначально заносится информация о значениях опорного сигнала UH(t)onj. . По команде из устройства 32 выборки, работа которого синхронизируется сигналами со схемы 25 синхронизации, значение опорного сигнала UH(t)0fl|, на протяжении всего периода Т работы нагрузки 1 через само устройство выборки 32 поступает на вход цифро- аналогового преобразователя 3, который преобразует значение опорного сигнала UH (t) ОП|,- из цифрового вида в аналоговую форму. Этот сигнал поступает на неинвертирующий вход сумматора 35 на второй вход которого поступает сигнал U(t) с выхода датчика 16 напряжения нагрузки. Работа второй замкнутой схемы управления по отклонению осуществляется анало0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

гично работе первой замкнутой схеме управления по отклонению, при этом блоками 35-38 осуществляется непрерывное отслеживание текущим значени ем напряжения U(t)T опорного значения u(t)onii.

Само отслеживание напряжения U(t) осуществляется за счет изменения напряжения на выходе продольной части компенсатора. Для этого сигнал с выхода компаратора 38 с гистерезисом поступает на второй формирователь 39 импульсов управления вентилями, работа которого аналогична работе формирователя 31. Сигналы управления с блока 39 управляют работой четырех вентилей , включение которых по мостовой схеме позволяет сформировать на конденсаторе 8 значение напряжения U (t)r являющегося напряжением продольной части компенсатора, суммирование которого в общем контуре с выходным напряжением генератора 1 напряжения приводит к формированию на входе нагрузки 14 требуемой формы напряжения UH(t). При прохождении сигнала с выхода блоков 8-12 через второй выходной фильтр 13 из нее формируется гармонический сигнал, частота которого равна частоте модуляции выходного сигнала.

Компенсация искажений токов и напряжений системы электропитания с помощью предлагаемого устройства позволяет повысить эффективность и оперативность управления работой энергосистемы с вентильными преобразователями за счет приближения формы потребляемого тока генератора к его выходному напряжению, а также формы входного напряжения нагрузки к опорному (эталонному) напряжению.

Формула изобретения

Устройство электропитания с компенсацией искажений токов и напряжений системы электропитания, содержащее четыре управляемых вентиля, включенных по мостовой схеме, в одну диагональ которой включен дроссель, а узлы второй диагонали через первый выходной фильтр подсоединены параллельно генератору напряжения, выводы для подсоединения к нагрузке, датчик напряжения генератора, два датчика тока, один из которых включен последовательно в выходную цепь нагрузки,

а другой - последовательно с выходными зажимами первого выходного фильтра, интегратор, выход которого через схему дискретизации с запоминанием отсчетов подключен к первому входу умножителя, у которого второй вход связан с входом первого датчика напряжения, схему управления, на первом выходе которой сформированы импульсы начала и конца периода, а на втором выходе сформирован импульс, соответствующий концу периода, при этом первый выход схемы управления соединен с управляющим входом интегратора, а второй выход соединен с управляющим входом схемы дискретизации с запоминанием отсчетов, выход умножителя подсоединен к неинвертирующему входу первого сумматора, инвертирующий вхо которого подключен к выходу второго датчика тока, а выход связан с неинвертирующим входом второго сумматора, у которого инвертирующий вход подключен к выходу второго датчика тока, а выход соединен с неинвертирующим входом третьего сумматора, выход которого через первый блок запаздывания первого порядка подключен к входному зажиму первого компаратора с гистерезисом, выход которого связан с неинвертирующим входом третьего сумматора и подключен к входу первого формирователя импульсов управления вентилями, выходы первого формирователя импульсов управления вентилями связаны с управляющими электродами четырех управляемых вентилей, отличающееся тем, что, с целью повышения точности регулирования в системе конечной мощности и несинусоидальных напряжениях и токах, в него введены датчик напряжения нагрузки, четыре управляемых вентиля, конденсатор, второй выходной Фильтр, делитель, датчик частоты, схема синхронизации, уст

5

0

5

0

5

0

ройство выборки, блок памяти, цифро- аналоговый преобразователь, четвертый и пятый сумматоры, второй блок запаздывания первого порядка, второй компаратор с гистерезисом, второй формирователь импульсов управления вентилями, причем четыре введенных управляемых вентиля включены по мостовой схеме, в одну диагональ которой включен конденсатор, а узлы второй диагонали через второй выходной фильтр соединены последовательно с генератором напряжения и выводами для подключения нагрузки, первый вход делителя соединен с выходом второго датчика тока, а второй вход делителя - с выходом датчика напряжения генератора, выход делителя подключен к входу интегратора, вход датчика частоты подсоединен к выходу датчика напряжения генератора, а выходная клемма датчика частоты через схему синхронизации связана с входом схемы управления, управляющий выход схемы синхронизации подключен к управляющему входу устройства выборки, которое соединено с блоком памяти, а также с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к неинвертирующему входу четвертого сумматора, у которого инвертирующий вход подключен к выходу датчика напряжения нагрузки, а выход соединен с неинвертирующим входом пятого сумматора, выход которого че- рез второй блок запаздывания первого порядка подключен к входу второго компаратора с гистерезисом, выход которого связан с неинвертирующим входом пятого сумматора и подключен к входу второго формирователя импульсов управления вентилями, у которого выход связан с управляющими элект- с родами введенных четырех управляемых вентилей.