Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности Советский патент 1991 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для повышения коэффициента мощности потребителей, имеющих в своем составе многозонные тиристорные выпрямительно-инверторные преобразователи.

Целью изобретения является повышение точности регулирования реактивной мощности и надежности.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для автоматического регулирования реактивной мощности; на фиг. 2, 3. 4 - временные диаграммы работы блока синхронизации; на фиг. 5, 6 - временные диаграммы работы блока управления.

Устройство содержит датчик 1 режима сети, включающий в себя трансформатор 2 напряжения, подключенный к питающей сети, и трансформатор 2 тока нагрузки, включенный в цепь нагрузки 4, в качестве которой используется многозвенные тиристорные выпрямительно-инверторные преобразователи, источник реактивной мощности 5, подключенный параллельно питающей сети и состоящий из последовательно соединенных индуктивности 6, емкости 7 и двух встречно-параллельных включенных тиристоров 8 и 9, управляющие электроды которых соединены с выходом блока 10 импульсно-фазового управления, включающего соединенные последовательно фаэосдвигающий узел 11 и формирователь-распределитель 12 импульсов, входы блока 10 импульсно-фазового управления подсоединены к выходу блока 13 управления и к выходу 14 синхронизации. Блок 13

О

VJ

Јь

СА) О (

управления, вход которого подключен к выходу трансформатора тока 3. содержит регулятор 15 сдвига фаз, один из пходов которого подключен к выходу задатчика 16 сдвига фаз, а другой - к выходу первого логического элемента ИЛИ 17, входы которого подключены к выходам первого и второго логических элементов И НЕ 18 и 19, подключенных первыми входами к входам триггера 20, мри этом второй вход элемента И НЕ IP подключен к выходу нуль-органа 21 и р/оду первого элемента НЕ 22, подключенного выходом к второму входу второго элемента V: НЕ 19, Вход нуль-органа 21 подключен через фильтр 23 первой гармо- ники тока к выходу трансформатора 3 тока. Блок 14 синхронизации содержит фильтр 24 первой гармоники питающего напряжения, соединенный последовательно с первым нуль-органом 25, управляемым элементом 26 задержки и формирователем 27 синхронизирующих сигналов, выход которого под- ключен к входам фазосдвигающего устройства 11 блока импульсно-фазового управления 10 и к счетному входу триггера 20, второй нуль-орган 28, присоединенный входом к выходу трансформатора напряжения 2 и соединенный последовательно с первым логическим элементом И 29, вторым логическим элементом ИЛИ 30, дифферен- диальным усилителем 31, второй вход КОТОРОГО подключен к выходу управляемого .элемента задержки 26, и интегратором 32, выход которого подключен к второму входу управляемого элемента 26 задержки, при- чем выходы нуль-органов 25 и 28 включены также через элементы НЕ 33 и 34 к входам логического элемента И 35, а вход третьего элементе НЕ 33 соединен с вторым входом элемента И 29.

Устройство Da6oidt i следующим образом.

При регулировании тока нагрузки 4 появляется сдвиг по фазе между выходными напряжениями трансформаторов 3 гока и напряжения 2, который характеризует меру потребления реактивной мощности нагрузкой 4.

Для автоматической компенсации реактивной мощности, потребляемой нагрузкой 4. устройство обеспечивает регулирование угла открытия тиристоров 8, 9, источника 5 реактивной мощности в зависимости от величины указанного сдвига фаз,

Блок 14 синхронизации, на вход которо- го поступают сигналы с трансформатора 2, обеспечивает получение сигналов точно в момент переходя через нуль питающего напряжения независимо от степени фазовых и амплитудных искажении послпдпею, которые используются для синхронизации блока 10 импульсно-фазового управления и для фиксации момента начала измерения фазового сдвига тока нагрузки относительно питающего напряжения в канале 13 управления.

Получение сигнала точно в момент пе- . рехода через ноль питающего напряжения происходит следующим образом,

Питающее напряжение Ui (фиг. 2-4) через измерительный трансформатор напряжения 2, подается на вход выделяющего первую гармонику фильтра 24. который управляет работой нуль-органа 25. На выходе нуль-органа 25 формируются импульсы прямоугольной формы U4 (на фиг. 4 показан процесс для одного полупериода, поэтому импульсы однополярные), длительность которых равна длительности полупериода напряжения U2 за фильтром 24, а фаза переднего и заднего фронтов определяется моментом перехода этого напряжения через ноль. Импульсы U-q используются затем для запуска (синхронизации) генэратора опорного напряжения, который включен на синхронизирующем входе элемента 26 задержки. На выходе элемента 26 задержки формируются импульсы прямоугольной формы Us, передний фронт которых совпадает с фронтом импульсов , т.е. с моментом изменения знака напряжения 1)2 за фильтром 24, а длительность Л и устанавливается такой, чтобы задний фронт совпадал с моментом изменения знака, питающего напряжение Ui. По заднему фронту импульсов Us блоком 27 формируются сигналы, которые используются затем для синхронизации блока 10 импульсно-фззово- го управления и канала 13 управления фазой открытия тиристоров 8 и 9 источника 5 реактивной мощности За счет установки определенной длительности Да импульсов Us (т.е. задержки начала формирования синхронизирующих сигналов; ,а выходе элемента задержки 26 компенсируется влияние на точность синхронизации постоянного фазового сдвига я- рмежду питающим напряжением Ui и напряжением за фильтром U2, величина которого обусловлена только параметрами используемого трансформатора 2 и элементов фильтра 24. Однако, как отмечалось выше, в условиях эксплуатации фазовый сдвиг определяется не только выбранными характеристиками фильтра 24. но в сильной степени зависит от изменения частоты и степени искажения формы питающего напряжения Ui, от температуры и технологических изменений параметров элементов схемы устройства.

прямо пропорционально изменению величины фазового сдвига будет менятся фаза синхронизирующих сигналов, что снижает показатели источника 5 реактивной мощности.-

Для компенсации влияния нестабильности фазового сдвига на точность синхронизации в предлагаемом устройстве выходное напряжение измерительного трансформатора 2 напряжения подается также на вход нуль-органа 28 (фиг. 1). На выходе нуль-органа 28 формируются импульсы прямоугольной формы, длительность которых равна длительности полупериода питающего напряжения Ui, a передний и задний фронт совпадают с точками перехода этого напряжения через нулевое значение (фиг. 2 ... фиг. 4).

Нуль-орган реагирует только на изменение знака входных сигналов и поэтому дли- тельность и форма импульсов из не зависит от уменьшения питающего напряжения в зоне углов коммутации. Импульсы из срав ниваются по длительности и по фазе с выходными импульсами LU нуль-органа 25. В один полупериод питающего напряжения сравнение осуществляется элементом совпадения, выполненном на логическом элементе И 29, а в другом полупериоде - элементом И 35, предварительно произведя инверсию в логических элементах НЕ 33, 34 Фаза переднего фронта сигналов сравнения на выходе элементов совпадения 29 и 35 определяется фазой переднего фронта сигналов Щ, а задний фронт совпадает с задним фронтом сигналов на выходе нуль-органа 28. В соответствии с этим длительность этих сигналов сравнения соответствует истинному (текущему) значе- ниюфазового сдвигая - (фиг, 2...4) между напряжением питания LH и напряжением Us за фильтром. Сигналы сравнения с выходов элементов И 29 и 35, проходя через логический элемент ИЛИ 30, подаются на прямой вход дифференциального усилителя 31, на второй (инверсный) вход которого подаются импульсы Us с выхода элемента 26 управляемой задержки. При равенстве амплитуд сигналов Ue и Us на выходе дифференциального усилителя 31 формируются импульсы прямоугольной формы U, длительность которых равна разнице между фактической (истинной) величиной фазового сдвига л-ф напряжения U2 за фильтром и установленной величиной задержки Лог начала формирования синхронизующих сигналов, причем, если Да я - р, импульсы U отрицательны и формируются в начале второй полуволны питающего напряжения Ui, если

Да тт р- они положительны и формируются я конце первой полуволны Ui (фиг. З..,фиг. 4). При соблюдении равенства л - р выходное напряу. ение U дифференциального усилителя 31 нулю (фиг, 2). Здесь определяется не только величина разницы между фазовым сдвигом л - р напряжения за фильтром 24 и величиной задержки Да начала формирования синхронизирующих сигналов, но и знак этой разницы. Импульсы с выхода дифференциального усилителя 31 подаются на вход интегрирующего элемента 32, для которого справедливо следующее соотношение:

/ U7dt.

о

где UBUX напряжение на выходе интегрирующего элемента;

г - постоянная времени интегрирования;

U - амплитуда входных сигналов.

Из приведенного соотношения следует, что при неизменной амплитуде импульсов Uv выходное напряжение интегратора 32 пропорционально усредненной за время г их длительности. Усреднение длительности сигналов Uy, которые формируются с использованием сигналов на выходе нуль- органа 28, эквивалентно также усреднению момента перехода через ноль питающего напряжения Ui. Выходные напряжения интегратора 32 подаются на управляющий вход элемента 26 задержки. В зависимости от его значения меняется величина задержки Даначала формирования синхронизирующих сигналов. Устойчивое состояние схемы наступает в том случае, если за период квантования I, равный длительности полупериода питающего напряжение, сумма всех сигналов на входе интегратора 32 равна нулю. Указанные условия равновесия имеют место только при наличии временного совпадения сигналов Us и U6 на входе дифференциального усилителя 31, когда на его выходе импульсы U отсутствуют. При этом Да п - р л момент формирования заднего фронта импульсов Us на выходе элемента задержки 5, а, следовательно, и момент формирования синхронизирующих сигналов на выходе формирователя 6 совпадают с моментом перехода питающего на- грижения через нулевое значение (фиг. 2). Любые изменения длительности Да импульсов Us на выходе элемента 26 задержки или фазы п - (/ напряжения U за фильтром 24 приводит к нарушению указанного устойчивого состояния, т.е. к появлению условий работы схемы, показанных на фиг. 3 или фиг. 4.

На выходе интегрирующего элемента 31 появляются изменяющиеся по величине напряжения, под действием которых начинает изменяться длительность Да выходных импульсов Us элемента 26 задержки. Это изменение продолжается до тех пор, пока длительность Да сигналов вновь станет равной величине фазового сдвига я - ф. Независимо от искажений формы кривой питающей напряжения Ui синхронизации блока 10 импульсно-фазового управления и блока 13 управления будет осуществляться по усредненному моменту перехода этого напряжения через нулевое значение. Следует иметь в виду, что при отсутствии фазовых искажений формы кривой питающего напряжения момент формирования синхронизирующих сигналов будет совпадать с текущим значением момента перехода через ноль этого напряжения.

В блоке 13 управления производится замер фазы первой гармоники тока относительно синхронизирующих сигналов и сигнал, пропорциональный фазе, поступает на вход регулятора 15 фазового сдвига в качестве обратной связи. В качестве уставки ре- гулятора 15 используется сигнал с задатчика 16, обеспечивающий при нулевом сигнале обрэтной связи сдвиг фазы открытия тиристоров 8 и 9 в тг(фиг. 5). Соответственно сигналу обратной связи на выходе регулятора 15 появляется напряжение, уровень которого обеспечивает сдвиг фазы импульсов управления тиристорами 8 и 9 от конца полупериода к началу на такую величину, которая обеспечивает компенсацию реактивной мощности в каждый конкретный момент времени работы нагрузки. Это обеспечивается следующим образом.

На выходе фильтра 24 выделяется синусоидальное напряжение (фиг. 6 б) первой гармоники тока, сдвинутое по фазе на угол р относительно синхронизирующих сигналов (фиг. 6 а), соответствующего моментам перехода через ноль питающего напряжения. Напряжение первой гармоники тока поступает на вход нуль-органа 21, на выходе которого формируются двухполярные сигналы прямоугольной формы, длительность которых равна длительности полупериода напряжения первой гармоники. Эти сигналы поступают на входы логических элементов И-НЕ 18 и 19, причем на элемент 18 - непосредственно, а на элемент 19 - через инвертор 22 для измерения величины сдвига фаз в оба полупериода. На другие входы элементов И-НЕ 18 и 19 подаются сигналы (фиг, 5, 6 г) прямоугольной формы с выходов триггера 20, длительность которых равна

О - л. а начальная фач-э опроделяется синхронизирующим см; налов подаваемым на счетный вход триггера 20 На РЫХОДЭХ элементов И- НЕ 18 и 19 формируются сигналы

(фиг. 6 д) прямо1) сгьнсй формы, длительность которых равня сдвшу по фазе между напряжением и током нагрузи в разные полупериоды питающего напряжения. Эти сигналы поступают на входы логического

элемента ИЛИ 17, на которчх формируются прямоугольные импульгы, рачные по длительности входным, но сдвинутые друг относительно друга на половину периода питающего напряжен чя (фиг. 6 д}. Эти сигналы используются в кэнес;ее сигналов обратной связи регулятора 15 сдвига фаз.

Выходное напряжение регулятора 15 подается на вход бг.пка 10 импульсно-фазо вого управления, где го вччвчетгя (фиг, 5, В

е)с пилообразным напряжен1 ем синхронизация которого осущесттяетсй импульса и синхронизации, поступающими с - .эналя 4 (фиг. 5, 6 а). В момент сравнения ык; дного напряжения регулятора 15 с пилообрдтным

блоком 10 импульсно-сЬ;-зсвого грзвлечия вырабатываете сигнал, пост/чающий на управляющий электро; соитгет тпующего тиристорз (8 ипи 9) ;сго4нь.з реактивной мощное-,и о (фиг. 5 б ж , Итменение ыходного напряжения рег/ляюр-: ib высевает сдвиг фазы управл ющих СИГНГ ГЮРЦФИГ. 6 ж) тиристсрсв 8 и Ч гс.тсчн.кд еактивно мощности 5. обеспечивая кот енсзцмю потребляемой реактивной мош -ости

Получение стабильнее игнала, соответствую цегс момеи. г/ перехода через ноль питающего напряжения, исключает сбои в работе тиристоров источника реактивной мощности, что повь шяет наце Ksocirb устройстеа и позволяет прои,вести точный отсчет сдвига по фазе .ска нагрузки относительно питающее напряжения -л с помощью регупятора сдвига фа., ырзвогать управляющее воздействие, . лае: таующее истинному сдвигу, ,оэы,, ,) тем :амым точность регулировании, Кроме огп, регулятор сдвига фаз исключает колебательные процессы в системе: сеть - источник реактивной мощность - нагрузки, и тем самым

предотвращает перенапряжение на элементах нагрузки и источника реактичной мощности, что также повышает надежность устройства.

Формула изобретения

Устройство для автоматического регулирования реактивной СУЩНОСТИ, содержащее датчик режима сети, включающий трансформаторы .спряжения и ока нагрузки, блок импуяьсни-фэзоьлго управления.

состоящий ио фазосдвигающегоузла, выход которого соединен с формирователем-распределителем импульсов управления, подключенным к входу источника реактивной мощности, имеющего выводы для подклю- чения к питающей сети, и блок синхронизации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности регулирования реактивной мощности и надежности, оно снабжено блоком управления, состоящим из регулятора сдвига фаз, эадатчика сдвига фаз, логического элемента ИЛИ, двух логических элементов И-НЕ, логического элемента НЕ, триггера, нуль-органа и фильтра первой гармоники тока, причем вход фильт- рэ первой гармоники соединен с выходом трансформатора тока нагрузки, а выход через нуль-орган подключен к первому входу первого элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с одним из выходов триггера, выход первого элемента И-НЕ соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И-НЕ, первый вход которого через элемент НЕ подключен к выходу нуль-орга- на, а второй вход - к второму выходу триггера, выход элемента ИЛИ соединен с первым входом регулятора сдвига фаз, второй выход которого соединен с выходом задатчика сдвига фаз, выход регулятора сдвига фаз подключен к управляющему входу фазосд- вигающего узла блока импульсно-фазового управления, источник реактивной мощности состоит из последовательно соединенных индуктивности, конденсатора и двух встречно-параллельно включенных тиристоров, управляющие электроды которых

соединены с входом источника реактивной мощности, общая точка их, а также агорой вывод индуктивности подключены к выводам для подключения сети, а блок синхрони зации выполнен из фильтра первой гармоники напряжения, двух нуль-органов, управляющего элемента задержки, формирователя синхронизирующих сигналов, двух логических элементов НЕ, двух логических элементов И, логического элемента ИЛИ. дифференциального усилителя и интегратора, выход фильтра первой гармоники напряжения через первый нуль-орган соединен с входами первого элемента И, первого элемента НЕ и управляемого элемента задержки, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя и входом формирователя синхронизирующих сигналов, выход которого соединен с входом фазосдвигающего узла блока импульсно-фазового управления и с входом триггера блока управления выход второго нуль-органа подключен к входу второго элемента НЕ и второму входу первого элемента И, выходы которого соединены с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, два входа которого подключены соответственно к выходам первого и второго элементов НЕ, выход элемента ИЛИ соединен с вторым входом дифференциального усилителя, выход которого через интегратор подключен к второму входу управляемого элемента задержки, входы фильтра первой гармоники напряжения и второго нуль-органа соединены с трансформатором напряжения.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для повышения коэффициента мощности потребителей, имеющих в своем составе многозонные тиристорные выпрямительно-инверторные преобразователи. Цель изобретения - повышение точности регулирования реактивной мощности и надежности. Это достигается тем, что блок 14 синхронизации, обеспечивающий получение сигнала в момент перехода через ноль питающего напряжения независимо от степени искажения последнего, своим входом подключен на выход трансформатора 2 напряжения, а выход - к синхронизирующему входу блока 10 импульснофазового управления и к счетному входу триггера 20 блока 13 управления, вход которого подключен к выходу трансформатора 3 тока, а выход - к управляющему входу блока 10 импульсно-фазового управления. Это позволяет получить автоматическую подстройку фазы синхроимпульса. 6 ил.

ицUi

К

ut

и.

у

.. Я-Y

ч

и,

6Jf

ЛоС

Uc

Л -У

CJ

ик

OJt

о,

«Jt

Фиг. 2

чл

M

v

-

Я-

b)t V

ОЯ

a)t

Act

(Jt

ьы

CJt

Я-v

ut

Ji-v

(Jt

(Jt

(Jt

щ;

П

«Jf

Ф«/г5

Фиг Л

II

IIfl

ж

II

Щи г. 5

Л

П

Фиг. 6