Устройство компенсации реактивной мощности Советский патент 1992 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к преобразовательной технике (электротехника) и предназначено для улучшения качества потребляемой электроэнергии путем компенсации реактивной мощности в сетях с резкодинамической нагрузкой.

Цель изобретения - повышение динамических показателей устройства.

Нафиг.1 представлена электрическая схема устройства; на фиг.2 и 3 - электрические схемы зарядного и разрядного тиристорно- конденсаторных блоков; на фиг.4 -трехфазный вариант устройства; на фиг.5 и 6 - диаграммы, поясняющие работы схем фиг.1 и 4; на фиг.7 - гармонический состав тока по фиг.5.

Устройство компенсации реактивной мощности и его трехфазный вариант (фиг.1 и 4) содержат зарядный 1 и разрядный 2 тиристорно-конденсаторные блоки, накопительный конденсатор 3, выводы 4 и 5 переменного тока зарядного блока 1, выводы 6 и 7 переменного тока разрядного блока 2, конденсаторные выводы 8 (положительный) и 9 (отрицательный) блока 1, конденсаторные выводы 10 (положительный) и 11 (отрицательный) блока 2, а также дроссели 12 и 13. Кроме того, на фиг.1 показаны не входящие в состав заявленного устройства источник питания в виде источника 14 переменной ЭДС с внутренними реактивными сопротивленияXI

СА XI О

00

ми 15 индуктивного характера и шины 16 питания.

В состав зарядного 1 и разрядного 2 ти- ристорно-конденсаторных блоков (фиг.2 и 3) входят реверсор 17, коммутирующее устройство 18 и диод 19. Реверсор 17 состоит из четырех резисторов 20-23, а коммутирующее устройство 18 содержит четыре коммутирующих тиристора 24-27 и коммутирующий конденсатор 28.

На фиг.1-3 и 5 для наглядности приведены буквенные обозначения: е - напряжения на шинах 16 питания; U - ток компенсаторов; fo - опорный сигнал; t - текущее время; vtp

-интервалы заряда и разряда накопительного конденсатора 3. Стрелками на фиг.2 и 3 показаны направления токов и напряжений, принятые за положительные. На фиг.4 обозначены фазы питающей сети А, В, С и нулевая шина О системы питания. На фиг.6 обозначены; &д - ток нагрузки фазы A; fcAa

-активная составляющая основной гармоники этого тока; 10д - опорный сигнал управления компенсатором фазы А.

Блоки 1 и 2 соединены между собой так, что их выводы объединены попарно: 4 и 6, 5 и 7, 8 и 10, 9 и 11. К парам выводов 4,6 и 5,7 подключены дроссели 12,13, свободные концы которых служат для подключения к шинам переменного тока. Между парами выводов 8,10 и 9,11 включен накопительный кояденса-ор 3. Реверсор 17, входящий в состав блоков 1 и 2 (фиг.2,3), образован четырьмя тиристорами 20-23, соединенными между собой по однофазной мостовой схеме, выводы переменного тока которой соединены с выводами переменного тока в соответствующем блоке. Коммутирующее устройство 18, которое также входит в состав обоих блоков, состоит из четырех коммутирующих тиристоров 24-27, содранных по однофазной мостовой схеме, а диагональ переменного тока которой включен коммутирующий конденсатор 2. В блоке 1 (фиг.2) однофазные мосты реверсора 17 ти коммутирующего устройства 18 соединены между собой встречно-параллельно по постоянному току, причем общая точка тиристоров 21,23 соединена с отрицательным конденсаторным выводом 9 блока 1 непосредственно, а общая точка тиристоров 20.22 соединена с положительным конденсаторным выводом 8 этого блока через диод 19, включенный согласно-последовательно с мостом реверсора 17, В блоке 2 (фиг.З)диод 19 соединен встречно-параллельно с мостом реверсора 17, причем общая точка тиристоров 20,22 соединена с отрицательным конденсаторным выводом 11 блока 2 непосредственно, а общая точка тиристоров 21,23

соединена с положительным конденсаторным выводом 10 этого блока через коммутирующее устройство 18, соединенное с реверсором 17 согласно-последовательно

по постоянному току. Трехфазный вариант устройства (фиг,4) образован тремя однофазными группами, каждая из которых выполнена по схеме фиг.1. Одноименные выводы постоянного тока всех групп объе0 динены и соединены с общим накопительным конденсатором 3. Концы дросселей 12, предназначенные для подключения к источнику питания, объединены и соединены с нулевой шиной О, а аналогичные концы

5 дросселей 13 предназначены для подключения соответствующим фазам сети.

Принцип действия устройства заключается в формировании кривой тока компенсатора IK путем однопозиционного слежения

0 за задающим сигналом 0. На фиг.5 представлен случай, когда в качестве задающего сигнала выбрана синусоида сетевой частоты, опережающая питающее напряжение е на 1 /4 периода сети, что соответствует гене5 рированию в сеть реактивной мощности. Если же задающий сигнал будет отставать на 1/4 периода сети от питающего напряжения, то устройство будет потреблять из сети реактивную мощность. Регулируя амплиту0 ду опорной синусоиды, можно регулировать величину генерируемой (потребляемой) реактивной мощности. Ток компенсатора к повторяет форму задающего сигнала 10 с определенной степенью точности, опреде5 ляемой частотными возможностями элементов схемы. На каждом полупериоде изменения задающего сигнала 10 можно выделить два одинаковых интервала: интервал разряда tp и интервал заряда ts накопитель0 ного конденсатора 3. На первом интервале мгновенная мощность компенсатора Р е-1к отрицательна, что соответствует передаче электрической энергии- из накопительного конденсатора в питающую сеть. В резуль5 тате напряжение на этом конденсаторе уменьшается, т.е. конденсатор частично разряжается. На втором указанном интервале мгновенная мощность компенсатора положительна, что соответствует передаче

0 электрической энергии из сети в накопительный конденсатор. В результате напряжение на этом конденсаторе повышается, т.е. конденсатор дозаряжается. В конце полупериода напряжение на конденсаторе должно

5 восстановить свой начальный уровень. На каждом полупериоде блоки 1,2 работают поочередно: на интервале tp работает блок 2, а на интервале t3 - блок 1.

Рассмотрим процесс формирования тока компенсатора на первой половине его

положительного полу периода (на интервале tp) с помощью блока 2. Будем считать, что накопительный конденсатор 3 предварительно заряжен до напряжения, превышающего амплитуду фазного напряжения питающей сети. Полярность напряжения на этом конденсаторе показана знаками + и - на фиг.1-4. Процесс заряда накопительного конденсатора 3 будет пояснен ниже. Пусть коммутирующий конденсатор 28 раз- ряжен. Включив любую пару накрест лежащих коммутирующих тиристоров, например 24,27 и тиристоры 21,22 реверсора 17, можно осуществить один такт передачи электрической энергии из накопительного конденсатора 3 в питающую сеть. Напряжение е на интервале tp отрицательно, а ток компенсатора IK положителен, поэтому мгновенная мощность компенсатора отрицательна, что соответствует передаче электрической энергии из ком- пенсатора в сеть. Если выбрать емкость накопительного конденсатора 3 значительно больше (например, на два порядка величины) емкости коммутирующего конденсатора 28, то напряжение на конденсаторе 3 будет из- меняться значительно медленнее напряжения на конденсаторе 28. В некоторый момент вращения напряжение на конденсаторе 28 окажется равным напряжению на конденсаторе 3. В этот момент времени открывается диод 19, а проводившие ранее коммутирующие тиристоры 24,27 обесточиваются. Ток компенсатора к спадает, протекая по контуру: дроссель 13 - тиристор 22 - диод 19 - тиристор21 -дроссель 12. В момент време- ни, когда ток компенсатора спадет до величины тока нагрузки, включают очередную пару накрест лежащих коммутирующих тиристоров 25,26 (тиристоры 21,22 реверсора 17 были включены ранее). Чередуй иьтерва- лы нарастания тока компенсатора либо через тиристоры 24,27, либо через тиристоры 25 и 26) с интервалами спада (через диод 9), обеспечивают слежение за опорным сигналом lo на интервале tp положительного пол- упериода опорного сигнала (фиг.5). На отрицательном полупериоде изменения опорного сигнала процессы повторяются, только в реверсоре 17 необходимо включать тиристоры 20,23. На интервале tp напря..е- ние на накопительном конденсаторе 3 уменьшается. Емкость этого конденсатора должна быть достаточнр большой для того, чтобы напряжение на нем оставалось выше фазного.

Рассмотрим процесс формирования тока компенсатора 1К на второй половине его положительного полупериода (на интервале ts), с помощью блока 1. Коммутирующее устройство 18 этого блока функционирует так

же, как и б блоке 2. На каждом такте коммутации включают пару накрест лежащих коммутирующих тиристоров (либо 24 и 27, либо 25 и 26). На интервале ti положительного полупериода изменения тока компенсатора реверсора 17 и на аналогичном интервале отрицательного полупериода изменения тока компенсатора включаются тиристоры 20,23 этого реверсора. При работе коммутирующих тиристоров ток компенсатора возрастает, замыкаясь через эти тиристоры и тиристоры реверсора 17. При этом коммутирующий конденсатор 23 заряжается. В тот момент, когда напряжение на коммутирующем конденсаторе 28 сравняется с напряжением на накопительном конденсаторе 3, открывается диод 19 и оба конденсатора оказываются включенными параллельно. В результате ток компенсатора уменьшается. В момент времени, когда ток компенсатора IK уменьшается до величины опорного сигнала lo, включают очередную пару коммутирующих тиристоров. На интервале Тз кондгнсатор 3 дозаря; -ается из сети, вое- станавливая свой н сальный уровень напряжения. Чередуя интервалы нарастания тока компенса-ора fnf оводит пара накрест лежащих коммутирующих тиристоров) с интервалами спада (проводит диод 19), обеспечивают слежение ЗР воличиног опорного сигнала на интервале 1з (фиг.5). Ыюк l можно использовать и для первоначального заряда накопительного конденсатора 3 до заданного уровни напряжения. Для этого необходимо первоначально только заряжать этот конденсатор с помоч ю блока 1 (блок 2 при этом не работает).

Трехфазный вариант предложенного устройства (фиг.4) позволяет не только компенсировать реактивную мощность в каждой из фаз питающей среды, но и осуществлять симметрирование нагрузки по фазам. Для пояснения принципа действия этою устройства рассмотрим конкретный пример.

Пусть нагрузка подключена только к одной фазе сети (например, к фазе А), а две другие фазы работают на холостом ходу. При этом ток нагрузи..; фазы А, т.е. ток UA имеет несинусоидальную f орму фиг.6). Активная составляющая основной гармоники этого равна bCAa. Для компенсации реактивной мощности в фазе А и осуществления равномерной загрузки фаз сети активной мощностью необходимо для управления компенсатором фазы А задать опорный сигнал, равный разности

1оА - 3 КАа - &,

а для управления компенсаторами фаз В и С задать опорные сигналы в виде синусоид

19яг

(uH+;-);

1

12jr

().

где (О- круговая частота питающей сети.

Как было показано выше (фиг.5), ток компенсатора с определенной погрешностью, определяемой частотными возможностями элементов схем, повторяет опорный сигнал. Поэтому ток компенсатора фазы А в сумме с током нагрузки даст ток фазы, равный 1/3 активной составляющей тока нагрузки. Из фаз В и С будут потребляться только активные токи. В результате такого управления реактивная мощность нагрузки фазы А будет скомпенсирована и все фазы сети равномерно загружены активной мощностью.

Применение предложенного устройства позволит повысить динамические показатели. Напряжение на накопительном конденсаторе 3 в процессе работы при всех изменениях опорного сигнала и колебаниях реактивной мощности в сети остается больше напряжения фазы сети. При этом нет необходимости обеспечивать выполнение двух указанных выше условий, необходимых для обеспечения работоспособности прототипа.

На фиг.7 приведена огибающая дискретного спектра тока компенсатора IK при синусоидальной форме опорного сигнала 0(фиг.5). В спектре тока компенсатора присутствуют высшие гармоники с нечетными номерами, Значения высших гармоник приведены в относительных единицах (за единицу принята величина основной гармоники). Приведенный на фиг.7 график получен расчетным путем при следующих условиях: ток компенсатора составляет 20% тока, так как фазы сети, емкость накопительного конденсатора 3 в 100 раз больше емкости коммутирующего конденсатора 28; индуктивности компенсатора (12,13) и индуктивности источника 15 равны; начальное напряжение на накопительном конденсаторе 3 в 2 раза превосходит амплитуду фазного напряжения.

Формула изобретения

1.Устройство компенсации реактивной мощности, содержащее накопительный конденсатор и зарядный тиристорно-кон- денсаторный блок с одним конденсаторным выводом для подключения к накопительному конденсатору и с одним выводом переменного тока для подключения к сети через

дроссель, причем в состав этого блока входят четыре коммутирующих тиристора, собранные по однофазной мостовой схеме с коммутирующим конденсатором в диагонали переменного тока, отличающееся тем, что, с целью повышения динамических показателей устройства, введен второй дроссель и разрядный тиристорно-кондён- саторный блок, зарядный и разрядный блоки снабжены дополнительно одним выводом переменного тока и одним конденсаторным выводом, причем один из конденсаторных выводов является, положительным, а другой - отрицательным, одноименные выводы этих блоков соединены между собой попарно, выводы переменного тока подключены к дросселям, один из которых введен дополнительно, а к конденсаторным выводам подключен накопительный конденсатор, в

каждый из тиристорно-конденсаторных блоков введены дополнительно диод и реверсор, собранный из четырех тиристоров по однофазной мостовой схеме, выводы переменного тока которой соединены с выводами переменного тока тиристорно-конденсаторного блока, причем в зарядном блоке реверсор и коммутирующие тиристоры соединены между собой выводами постоянного тока встречно-параллельно, отрицательный вывод

постоянного тока реверсора соединен с отрицательным конденсаторным выводом зарядного блока непосредственно, а положительный вывод постоянного тока реверсора соединен с положительным конденсаторным выводом этого блока через диод, включенный согласно-последовательно с реверсором по постоянному току, в разрядном блоке диод соединен с выводами постоянного тока реверсора встречнопараллельно, положительный вывод постоянного тока реверсора соединен с отрицательным конденсаторным выводом разрядного блока непосредственно, а отрицательный вывод постоянного тока

реверсора соединен с положительным конденсаторным выводом этого блока через коммутирующие тиристоры, включенные согласно-последовательно с реверсором по постоянному току.

2.Устройство по п.1,отличающееся тем, что. с целью компенсации реактивной мощности в трехфазной сети, дополнительно введены две пары за рядно-разрядных блоков со своими дросселями, одноименные конденсаторные выводы всех блоков объединены и соединены с выводами общего накопительного конденсатора.

«

fjJl

Область использования: устройство может быть использовано в системах электроснабжения для повышения качества потребляемой электроэнергии. Сущность изобретения: устройство содержит два ти- ристорно-конденсаторных блока и накопительный конденсатор. С помощью одного из этих блоков осуществляется заряд накопительного конденсатора, а с помощью другого - частичный разряд этого конденсатора. В результате осущргтрпп-тсч свободный энергообмен между питающей сетью и накопительным конденсатором. Устройство позволяет формировать ток компенсатора путем однопозиционного слежения за опорным сигналом. Для этого в состав блоков входят реверсор, коммутирующее устройство и диод. Трехфазный вариант предложенного устройства содержит три пары указанных блоков (по одной паре на каждую фазу сети). За счет управления можно обеспечить не только компенсацию реактивной мощности в фазах сети, но и симметрирование активной мощности по фазам. 1 з.п.ф- лы, 7 ил. со

J Фив 4

« /

/

Фиг.5

А

Фиг. 6

Номера гармоник Фиг. 7