Устройство для симметрирования токов трехфазных сетей Советский патент 1991 года по МПК H02J3/26 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для автоматического симметрирования токов и компенсации реактивной мощности в грехпроводной трехфазной цепи с переменными во времени параметрами.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет автоматической компенсации реактивной мощности, повышение точности и быстродействия.

На фиг,1 приведена блок-схема устройства для симметрирования токов трехфазных сетей; на фиг.2 - функциональная схема блока управления; на фиг.З - временные диаграммы его работы.

На фиг.1 изображены источник 1 питания и трехфазная нагрузка 2. в общем случае переменная.

Устройство для симметрирования токов трехфазных сетей содержит датчик 3 средне- квадратического значения фазного напряжения, переключатель 4 последовательности фаз, фильтрб симметричныхсоставляющих, измеритель 6 отношения напряжений, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, вычислитель 8 коэффициентов Фурье основной гармоники, буферные регистры 9-11, накапливающие сумматоры 12-14, исполнительный орган 15 из трех регулируемых реактивных элементов и блок 16 управления,

К трехфазной сети через переключатель 6 последовательности фаз подключен фильтр 5 симметричных составляющих, выход которого соединен с точкой, объединяющей первый вход (вход делимого) измерителя 6 отношения напряжений и первый вход блока 16 управления, К фазе А трехфазной сети подключен датчик 3 среднеквадратического значения фазного напряжения, соединенный по выходу с вторым входом (входом делителя) измерителя 6 отношения напряжений, к выходу которого подключен сигнальный вход АЦП 7. Вход запуска АЦП 7 соединен с первым входом блока 16 управления, а информационный его выход - с первым (информационным) входом вычислителя 8 коэффициентов Фурье основной гармоники, второй (управляющий) вход которого подключен к второму выходу блока 16 управления, а третий (управляющий) вход

объединен с управляющим входом переключателя 4 последовательности фаз и под- ключен к третьему выходу блока 16 управления. Три информационных (кодовых) выходы вычислителя 8 коэффициентов

Фурье основной гармоники соединены с информационными (кодовыми) входами буферных регистров 9-11 соответственно, управляющие входы которых подключены к третьему, четвертому и пятому выходам блока

10 управления. Информационные (кодовые) выходы буферных регистров 9-11 объединены в общую шину и подключены к информационным (кодовым) входам накапливающих сумматоров 12-14, а их знаковые выходы соединены с вторым, третьим и четвертым входами блока 16 управления. Информационные (кодовые) выходы накапливающих сумматоров 12-14 подключены к трем информационным входам исполнительного органа 15, три

выхода которого соединены с фазами сети. Управляющие входы накапливающих сумматоров 12-14 подключены к седьмому, восьмому и девятому выходам блока 16 управления, а входы записи сумматоров

объединены в точку, соединенную с десятым выходом блока 16 управления, одиннадцатый выход которого подключен к управляющему входу исполнительного органа 15.

В блок 16 управления входят умножитель 17 частоты, нуль-орган 18, триггеры 19 и 20, элемент 21 задержки, элемент 2И 22, триггер 23, элемент ЗИ 24, триггер 25, элемент 2 ИЛИ 26, элемент 27 задержки, формирователь 28 импульса, кнопка 29 Пуск, счетчик 30 импульсов, элемент31 задержки, триггер 32, элемент 33 задержки, элемент ЗИЛИ 34, формирователь 35 импульса, элементы 36-39 задержки, триггеры 40-42 и

блок 43 формирования импульсов управления накапливающих сумматоров 12-14.

Первый вход блока 16 управления подключен к точке, объединяющей входы умножителя 17 частоты и нуль-органа 18 Выход умножителя 17 частоты соединены с первым входом элемента 2И 22, второй вход которого подключен к прямому выходу триггера 23, а выход - к точке, объединяющей вход элемента 21 задержки, выход которого служит первым выходом блока 16 управле- , ния, второй выход блока 16 управления и вход счетчика 30 импульсов.

Выход счетчика 30 импульсов соединен с точкой, объединяющей счетный вход триггера 20, R-вход триггера 23, вход элемента 31 задержки и счетный вход триггера 32, прямой выход которого является третьим выходом блока 16 управления. Выход элемента ЗИ 24 подключен к точке, обьединяю- щей S-вход триггера 23 и R-вход триггера 25, который своим S-входом соединен с выходом элемента 2ИЛИ 26, подключенного первым и вторым входами к выходам элементов 31 и 27 задержки. Вход элемента 27 задержки объединен с шиной Сброс и подключен к выходу формирователя 28 импульса, вход которого соединен с точкой, объединяющей кнопку 29 Пуск, выход элемента 36 задержки и одиннадцатый выход блока 16 управления. Прямой выход триггера 20 подключен к S-входу триггера 19, инверсный выход которого соединен с третьим входом элемента ЗИ 24, подключенного своим первым входом к прямому выходу триггера 25, а третьим входом - к выходу нуль-органа 18 Прямой выход триггера 19 через формирователь 35 импульса соединен с точкой, объединяющей первый вход элемента ЗИЛИ 34, вход элемента 39 задержки и S- вход триггера 42. Выход элемента 39 задержки подключен к точке, объединяющей второй вход элемента ЗИЛИ 34, вход элемента 38 задержки, R-вход триггера 42 и S-вход триггера 41. Выход элемента 38 задержки соединен с точкой, объединяющей третий вход элемента 3 ИЛИ 34, вход элемента 37 задержки, R-вход трип па 41 и S-вход триггера 40, R-вход которого подключен к точке, объединяющей выход элемента 37 задержки и вход элемента 36 задержки. Выход элемента ЗИЛИ 34 через элемент 33 задержки соединен с десятым выходом блока 16 управления. Прямые выходы триггеров 42, 41 и 40 являются соответственно четвертым, пятым и шестым выходами блока 16 управления, они также подключены к первым трем входам блока 43 формирования импульсов управления накапливающих сумматоров 12-14,другие три входа которого соединены с вторым, третьим и четвертым входами блока 16 управления, а три выхода блока 43 формирования импульсов управления накапливающих сумматоров служат седьмым, восьмым и девятым выходами блока 16 управления 5Рассмотрим работу предлагаемого устройства

Она осуществляется в три этапа На первом этапе измеряется квадратурная составляющая (коэффициент Фурье) 1(1)у основной

0 гармоники тока прямой последовательности, на втором этапе измеряются синфазная и квадратурная составляющие (коэффициенты Фурье) l(2)x и l(2)v основной гармоники тока обратной последовательности, на

5 третьем этапе образуются коды проводимо- стей Ьвс, ЬСА и Ьдв которые затем вводятся в исполнительный орган 15

В исходном состоянии переключатель 4 последовательности фаз установлен в одно

0 из двух состояний, при котором на фильтр 5 симметричных составляющих подается прямая последовательность трехфазного напряжения и на его выходе выделяется напряжение, пропорциональное симметричной составля ющей

5 тока l(i) прямой последовательности, подаваемое на один вход измерителя 6 отношения напряжений и на первый вход блока 16 управления На другой вход измерителя 6 отношения напряжений поступает с датчика 3

0 постоянное напряжение, пропорциональное среднеквадратическому значению фазного напряжения U На выходе измерителя 6 образуется синусоидальное напряжение, амплитуда которого пропорциональна отно5 шению i(i)/3V. Это напряжение подается на сигнальный вход АЦП 7, работающего в ждущем режиме В режим преобразования он переводится в моменты времени tg импульсами, поступающими на его вход запуска с

0 первого выхода блока 16 управления на первом и втором этапах измерений

Напряжение с выхода фильтра 5 симметричных составляющих по первому входу блока 16 управления подается на входы ум5 ножителя 17 частоты и нуль-органа 18. На выходе умножителя 17 частоты образуется последовательность прямоугольных импульсов, которые используются для запуска АЦП 7 Коэффициент умножения умножите0 ля 17частоты выбран равным п -числу точек дискретизации (или отсчетов мгновенных значений) на период напряжения трехфазной сети. Тем самым за период этого напряжения на вход запуска АЦП 7 поступит п

5 импульсов запуска. Период напряжения выделяется по выходным импульсам нуль-органа 18, которые формируются в моменты перехода входного напряжения через один из нулей, например из отрицательной области в положительную.

Процесс измерений, его первый этап, начинается нажатием кнопки 29 Пуск. При этом на выходе формирователя 28 импульса образуется прямоугольный импульс, который поступает по цепи сброса (установки) всех элементов в исходное состояние. В частности, элемент 2И 22 и элемент ЗИ 24 в блоке 16 управления закрыты потенциалами соответственно триггеров 23 и 25, по третьему входу элемент ЗИ 24 открыт потенциалом триггера 19. Поэтому импульсы с умножителя 17 частоты через элемент 2И 22 и с нуль-органа 18 через элемент ЗИ 24 не проходят. С прямого выхода триггера 32 по третьему выходу блока 16 управления на третий вход вычислителя 8 коэффициентов Фурье основной гармоники подается сигнал, задающий режим вычислений только квадратурной составляющей (коэффициента Фурье) 1(1)у.

Импульс с выхода формирователя 28 поступает также через элемент 27 задержки, обеспечивающий задержку импульса пуска по отношению к импульсу сброса, и через элемент 2ИЛИ 26 подается на S-вход триггера 25, переводя его в единичное состояние. С прямого выхода триггера 25 на первый вход элемента ЗИ 24 поступает разрешающий сигнал, который готов к прохождению импульса с нуль-органа 18 по второму входу. Первый же импульс с нуль-органа 18 проходит через элемент ЗИ 24 и поступает на S-вход триггера 23 и на R-вход триггера 25, возвращая его в исходное состояние и закрывая тем самым элемент ЗИ 24 по первому входу. Сигналом с прямого выхода триггера 23 открывается элемент 2И 22 по второму входу, и на его выход проходят импульсы с умножителя 17 частоты. Эти импульсы поступают на второй выход блока 16 управления непосредственно, на первый его выход - через элемент 21 задержки и на счетчик 30 импульсов, которым осуществляется их суммирование.

Сигнал с второго выхода блока 16 управления подается на второй вход вычислителя 8 коэффициентов Фурье основной гармоники, в котором этим сигналом осуществляется задание кодов coso tq (q 1,n), записанных предварительно в ПЗУ вычислителя 8. С некоторой задержкой, необходимой для выполнения предыдущей операции, импульсы с умножителя 17 частоты по первому выходу блока 16 управления поступают на вход запуска АЦП 7, переводя его в режим преоб- разования в моменты времени tq(q l.n). В моменты времени Tq мгновенные значения входного напряжения АЦП 7 преобразуются в коды, пропорциональные i(i)q/3V. Эти коды подаются на первый, информационный

вход вычислителя 8, в котором образуются

коды произведений N(i)cq

l(1)q созоЛд 3 V

по

всем п точкам дискретизации tq и осуществ- 5 ляется их алгебраическое суммирование. В итоге в вычислителе 8 получается код

«)с

;,цуС05ЫЧ JT ) (Ц)

и

пропорциональный квадратурной составляющей (коэффициенту фурье) 1(1)у основной гармоники тока прямой последовательности. Этот код записывается в буферный регистр 9.

После поступления п импульсов запуска на счетчик 30 импульсов в блоке 16 управления на выходе этого счетчика образуется сигнал, которым он возвращается в исходное состояние. Этот же сигнал поступает на счетный вход триггера 32, на R-вход триггера 23 и через элемент 31 задержки и элемент 2ИЛИ 25 на S-вход триггера 25. Триггер 32 устанавливается в единичное состояние, сигнал с его прямого выхода поступает по третьему выходу блока 16 управления на переключатель 4 последовательности фаз и третий вход вычислителя 8 коэффициентов Фурье основной

гармоники. Переключатель 4 последовательности фаз устанавливается в другое состояние, при котором через него на фильтр 5 симметричных составляющих подается напряжение трехфазной сети, но с обратным

порядком чередования фаз. Триггер 23 возвращается в исходное, нулевое состояние, закрывая элемент 2И 22 по второму входу и прекращая прохождение импульсов с умножителя 17 частоты на первый и второй выходы блока 16 управления, что необходимо для синхронизации работы устройства по отношению к симметричной составляющей напряжения обратной последовательности, выделяемой на выходе фильтра 5 симметричных составляющих. Время задержки элемента 31 выбирается больше времени переходных процессов в этом фильтре, чтобы триггер 25, задающий начало цикла измерений, был переведен в единичное состояние

после завершения переходных процессов в устройстве. Сигналом с прямого выхода триггера 25 отключается элемент ЗИ 24 по первому входу (по третьему входу он открыт сигналом с инверсного выхода триггера 19).

На этом заканчивается первый этап и начинается второй этап измерений.

На выходе фильтра 5 симметричных составляющих выделяется напряжение, пропорциональное симметричной составляющей

тока 1(2) обратной последовательности, которое подается на вход измерителя 6 отношения напряжений и на первый вход блока 16 управления. На выходе измерителя 6 образуется синусоидальное напряжение, амплитуда которого пропорциональна отношению i(2)/3V. Это напряжение поступает на сигнальный вход АЦП 7. Первый же импульс с выхода нуль-органа 18, выделяющего на втором этапе измерений переходы составляющей тока обратной последовательности через нулевые значения из отрицательной области в положительную, проходят через элемент 3 И 22 на второй вход блока 16 управления непосредственно, на первый его выход через элемент 21 задержки и на вход счетчика 30 импульсов.

Работа устройства на втором этапе аналогична его работе на первом этапе, отличие состоит только в том, что в вычислителе 8 производится вычисление обоих составляющих (квадратурной и синфазной или коэффициентов Фурье) основной гармоники тока обратной последовательности. В такой режим работы вычислитель 8 переводится сигналом, поступающим на его третий вход с третьего выхода блока 16 управления. При этом сигналами, поступающими в моменты времени tq с второго выхода блока 16 управления на второй вход вычислителя 8, в нем задаются коды обоих опорных сигналов coscy tq и slnw tq (q 1,n), а по этим кодам и кодам )q/3V с АЦП 7 в нем вычисляются коды

(tia COSurtq I (, COSOrtq N(2) -N(2)sqrv (

которые алгебраически суммируются по всем п точкам дискретизации. В результате в вычислителе 8 образуются коды

N Н « («)-собюЦ „

(«„-2. -йVu 1

Ги-SP (ДЧ-5 ИЫЧ « .

-%ЛГ1«),

N

(их

И

пропорциональные синфазной 1р)х и квадратурной 1(2)у составляющим (коэффициентам Фурье) основной гармоники тока обратной последовательности. Коды N(2)y и N(2)x записываются в буферные регистры 10 и 11 соответственно.

В это же время на выходе счетчика 30 импульсов вторично образуется сигнал, который возвращает счетчик 30 и триггеры 20, 23 и 32 в исходное состояние. Сигналом с прямого выхода триггера 20, поступающим на S-вход триггера 19, последний устанавливается в единичное состояние и своим сигналом с инверсного выхода блокирует элемент ЗИ 24 по третьему входу для прохождения импульсов с нуль-органа 18. 5На этом завершается второй этап и начинается третий этап измерений. Сводится он к алгебраическому суммированию кодов, записанных в буферных регистрах 9-11. в накапливающих сумматорах 12-14. Осуще0 ствляется оно следующим образом.

Сигнал с прямого выхода триггера 19 подается на формирователь 35 импульса, на выходе которого генерируется короткий прямоугольный импульс (фиг. За). Этот им5 пульс поступает на S-аход триггера 42, на цепочку из последовательно соединенных элементов 39, 38, 37 и 36 задержки и через элемент ЗИЛИ 34 на элемент 33 задержки. Время задержки элементов 39, 38, 37 и 36

0 одинаково, обозначим его г.Оно выбрано равным удвоенному значению времени задержки элемента 33. Времн;енные диаг- оаммы выходных импульсов элементов 39, 38 и 37 задержки приведены на фиг. 36, в, г

5 соответственно. Выходные импульсы элементов 39 и 38 задержки через элемент ЗИЛИ 34 поступают на элемент 33 задержки. Временная диаграмма выходных импульсов элемента ЗИЛИ 34 изображена на

0 фиг. Зд, а выходных импульсов элемента 33 задержки - на фиг.Зе. Импульс с выхода формирователя 35, проходя последовательно через элементы 39, 38 и 47, поочередно переключает триггеры 42, 41 и 40 сначала в

5 единичное, а затем в нулевое состояние, При этом на прямых выходах триггеров 42, 41 и 40 образуются управляющие сигналы, временные диаграммы которых приведены на фиг.Зе, ж, з соответственно. Эти сигналы

0 подаются по четвертому, пятому и шестому выходам блока 16 управления на управляющие входы буферных регистров 9-11, подключая последовательно их информационные (кодовые) выходы через общую шину к ин5 формационным (кодовым) входам накапливающих сумматоров 12-14. Кроме того, сигналы с прямых выходов триггеров 42, 41 и 40 поступают в блок 43 формирования импульсов управления накапливающих

0 сумматоров, на который подаются также по второму, третьему и четвертому входам блока 16 управления сигналы со знаковых выходов (разрядов) буферных регистров 9-11. В блоке 43 формируются сигналы, подавае5 мые по седьмому, восьмому и девятому выходам блока 16 управления на управляющие входы накапливающих сумматоров 12-14, задавая режимы их работы - суммирование или вычитание. После этого выходными импульсами элемента 33 задержки, поступающими по десятому выходу блока 16 управления на объединенные между собой входы записи кодов накапливающих сумматоров 12-14, осуществляется последовательно ввод кода с каждого из буферных регистров 9-11 в соответствующие накапливающие сумматоры: код N(i)y вводится во все три сумматора 12-14 на вычитание: код 1М(2)у - в сумматор 12 на суммирование с умножением на два, а в сумматоры 13 и 14 - на вычитание: код N(2)x - в сумматор 13 на вычитание, а в сумматор 14 - на суммирование. В результате в накапливающих сумматорах 12-14 образуются соответственно коды

NBC--3- I((2)

NCA - - I (1 +1 (2 + vTl (2 ;

NAB - -3- 1()у +Т(2)у - (2)x ;

пропорциональные проводимости симмет- ризатора. Эти коды сигналом с выхода элемента 36 задержки, поступающим по одиннадцатому выходу блока 16управления на управляющий вход исполнительного органа 15, вводятся в исполнительный орган 15, где они воздействуют на регулируемые параметры симметризатора.

Выходной импульс с элемента 36 задержки поступает также на формирователь 38 импульса для автоматического запуска устройства и начала нового цикла симметрирования.

Формула изобретения Устройство для симметрирования токов трехфазных сетей, содержащее фильтр симметричных составляющих, датчик среднеквад- ратического значения фазового напряжения, подключенный к одной из фаз, измеритель отношения напряжений, входы которого соединены с выходами датчика среднеквадра- тического значения фазного напряжения и фильтра симметричных составляющих, а также исполнительный орган из трех регулируемых реактивных элементов, подключенных на линейные напряжения трехфазной сети, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет автоматической компенсации реактивной мощности, повышения точности и быстродействия, в него введены переключатель последовательности фаз, который подключен между трезфазной сетью и фильтром симметричных составляющих, аналого-цифровой преобразователь, вычислитель коэффициентов Фурье основной гармоники, три буферных регистра, три накапливающих сумматора и блок управления с четырьмя входами и одиннадцатью выходами, причем выход измерителя отношения напряжений

соединен с сигнальным входом аналого- цифрового преобразователя, вход запуска которого подключен к первому выходу блока управления, информационный выход

аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом вычислителя коэффициентов Фурье основной гармоники, второй вход которого подключен к второму выходу блока управления, его третий вход объеди0 нен с управляющим входом переключателя последовательности фаз, соединенного по выходу с первым входом блока управления, и подключен к третьему выходу блока управления, три выхода вычислителя коэффициентов

5 Фурье основной гармоники соединены с информационными входами первого, второго и третьего буферных регистров, управляющие входы которых подключены к третьему, четвертому и пятому выходам блока управле0 ния, знаковые выходы буферных регистров соединены с вторым, третьим и четвертым входами блока управления, а информационные выходы буферных регистров объединены в общую шину и подключены через нее

5 к информационным входам всех трех накапливающих сумматоров, соединенных своими управляющими входами с седьмым, восьмым и девятым выходами блока управления, входами записи, объединенными

0 между собой, с десятым выходом блока управления и своими выходами с первым, вторым и третьим информационными входами исполнительного органа, управляющий вход которого подключен к одиннадцатому

5 выходу блока управления, причем блок управления состоит из умножителя частоты, нуль-органа, счетчика импульсов, двух формирователей импульсов, блока формирования импульсов управления накапливающих

0 сумматоров, восьми триггеров, элемента ЗИ, элемента 2И, элемента 2ИЛИ, элемента ЗИЛИ, восьми элементов задержки и кнопки Пуск, при этом входы умножителя частоты и нуль-органа объединены в точку,

5 подключенную к первому входу блока управления, выход умножителя частоты соединен с первым входом элемента 2И, второй вход которого подключен к прямому выходу первого триггера, выход элемента 2И соеди0 нен с точкой, объединяющей вход первого элемента задержки, подключенного своим выходом к первому выходу блока управления, второй выход блока управления и вход счетчика импульсов, выход которого соеди5 нен с точкой, объединяющей счетный вход второго триггера, подключенного своим прямым выходом к третьему выходу блока управления, нулевой вход первого триггера, счетный вход третьего триггера, соединенного своим прямым выходом с единичным

входом четвертого триггера, и вход второго элемента задержки, подключенного по выходу к входу элемента 2ИЛИ, второй вход которого через третий элемент задержки и первый формирователь импульса подключен к кнопке Пуск, выход элемента 2ИЛИ соединен с единичным входом пятого триггера, который своим нулевым входом объединен с единичным входом первого триггера и подключен к выходу элемента ЗИ, соединенного своим первым входом с прямым выходом пятого триггера, вторым входом - с выходом нуль-органа и третьим входом - с инверсным выходом четвертого триггера, прямой выход которого через второй формирователь импульса подключен к точке, объединяющей первый вход элемента ЗИЛ И, единичный вход шестого триггера и вход последовательно соединенных четвертого, пятого, шестого и седьмого элементов задержки, выход четвертого элемента задержки подключен к точке, объединяющей второй вход элемента ЗИЛИ, нулевой вход шестого триггера и единичный вход седьмого триггера, выход пятого элемента задержки подключен к точке, объединяющей третий вход элемента ЗИЛИ, нулевой вход седьмого триггера

и единичный вход восьмого триггера, выход шестого элемента задержки соединен с нулевым входом восьмого триггера, прямые выходы шестого, седьмого и восьмого триггеров подключены к четвертому, пятому, шестому

0 выходам блока управления и к первым трем входам логического блока формирования импульсов управления накапливающих сумматоров, три других входа которого соединены с вторым, третьим и четвертым входами блока

5 управления, три выхода логического блока подключены к седьмому, восьмому, девятому выходам блока управления, который своим десятым выходом соединен через восьмой элемент задержки с выходом элемента ЗИЛИ,

0 а одиннадцатым выходом подключен к точке, объединяющей выход седьмого элемента задержки и вход первого формирователя импульса.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для автоматического симметрирования токов и компенсации реактивной мощности в трехпроводной трехфазной цепи с переменными во времени параметрами. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет автоматической компенсации реактивной мощности, повышение точности и быстродействия. Устройство содержит фильтр 5

От5

К в К7 Х6

4L

/г#

tfWft К12

кк

Kf4 „ От 9

и

Ll

Фиг.З