Компенсатор реактивной мощности Советский патент 1992 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для стабилизации напряжения и компенсации реактивной мощности в электрических сетях.,

Известен компенсатор реактивной мощности, содержащий трансформатор, ти- ристорный преобразователь напряжения с диодами обратного тока, к выходу которого подключен конденсатор, схему управления и дополнительный компенсатор, состоящий из последовательно соединенных реакторов и двунаправленных ключей, причем выводы переменного тока преобразователя напряжения через реакторы и выводы дополнительного компенсатора подключены к вентильным обмоткам трансформатора, соединенного через выключатель с сетью 1.

Высшие гармоники составляющих первичного тока, определяемые работой преобразователя напряжения и дополнительного компенсатора, за счет фазового Сдвига частично бзаимокомпенсируются.

Однако устройство не обеспечивает полной взаимокомпенсации высших гармоник 1 суммар ном сетевом токе, что является его недостатком.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является компенсатор реактивной мощности на основе преобразователя переменного напряжения в постоянное, состоящий из диодного Моста, силового моста на запираемых тиристорах с фазосмещающим узлом, трансформатора, вентильные обмотки которого связаны с выводами переменного тока указанных мостов, и двух бл оков рекуперации энергии, каждый из которых содержит LC-фильтр, датчик напряжения, регулятор напряжения и ведомый инвертор с фазосмещающим узлом, подключенный выводами переменного тоха к допШШитель- ным обмоткам трансформатора, выводами постоянного тока - к LC-фильтру, конденсатор которого включен между однополярны- ми выводами диодного и силового мостов и связан с датчиком напряжения. Подключен- ным выходом к входу фазосмещающего узла ведомого инвертора через регулятор напряжения, на задающий вход которого поступает постоянный сигнал уровня перенапряжения 2.

Коммутация запираемых тиристоров силового моста с опережающими углами управления обеспечивает генерацию реактивной мощности в питающую сеть. Блоки рекуперации энергии обеспечивают вывод в сеть электромагнитной эноргии, запасенной в контурах коммутации, при заданном уровне перенапряжений на элементах схемы. При этом напряжение Vc на конденсаторах LC-фильтров и угол у коммутации запираемых тиристоров связаны выражением

yVc-Eam cos(a + y)-cosa 2Xald, (1)

где Еат - амплитуда коммутирующего напряжения вентильных обмоток трансформатора;

Ха - приведенное индуктивное сопротивление рассеяния фазы;

Id - ток нагрузки силового моста; а -угол управления ( 0)запираемых тиристоров,

За счет поддержания напряжения Vc постоянным угол у коммутации изменяется в зависимости от тока Id.

Компенсатор обладает предельным быстродействием, но имеет повышенный уровень высших гармоник в первичном токе, коэффициент искажения которого приближается к значению 0,955.

Целью изобретения является улучшение формы первичного тока компенсатора

реактивной мощности за счет поддержания заданного угла коммутации во всем диапазоне регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что в компенсатор реактивной мощности, состоящий из трансформатора, вентильные обмотки которого соединены с выводами переменного тока диодного моста и силового моста на запираемых тиристорах с фазосмещающим узлом и нагрузкой, двух блоков

рекуперации энергии, каждый из которых содержит емкостно-индуктивный фильтр, датчик напряжения, регулятор напряжения и ведомый инвертор с фазосмещающим узлом, подключенный выводами переменного

тока к дополнительным обмоткам трансформатора, выводами постоянного тока - к ем- костно-индуктивному фильтру, конденсатор которого включен между однополярными выводами диодного и силового мостов и связан с датчиком напряжения, подключенным выходом к входу фазосмещающего узла ведомого инвертора через регулятор напряжения, введены датчик тока, регулятор тока и функциональный преобразователь, реализующий зависимость

Vc - EamCOS(a + y)-EamCOSCt + 2Xald,

(2)

где Vc - напряжение на конденсаторе филь- тра;

Earn - амплитуда номинального напряжения вентильных обмоток трансформатора;

Ха - приведенное индуктивное сопротивление рассеяния фазы вентильных обмоток;

id - ток нагрузки силового моста компенсатора;

а- угол управления запираемых тиристоров;

у - заданный угол коммутации запираемых тиристоров,

при этом датчик тока входом связан с цепью нагрузки силового моста, выходом подключен к входу обратной связи регулятора тока и первому входу функционального преобразователя, выход которого подключен к задающим входам регулятором напряжения каждого из блоков рекуперации энергии, второй вход функционального преобразователя и вход фазосмещающегоузла силового моста соединены с выходом регулятора тока, на задающий вход которого поступает сигнал задания тока нагрузки силового- моста компенсатора.

На фиг.1 приведена схема компенсатора реактивной мощности; на фиг.2 - схема функционального преобразователя

Устройство содержит трансформатор 1, диодный мост 2, силовой мост 3 на запираемых тиристорах с фазосмещающим узлом

4и нагрузкой 5, два блока 6 рекуперации энергии, в каждый из которых входит емко- стно-индуктивный фильтр 7, ведомый инвертор 8 с фазосмещающим узлом 9, датчик 10 напряжения и регулятор 11 напряжения, функциональный преобразоватепь 12, датчик 13 тока и регулятор 14 тока

Вентильные обмотки трансформатора 1 соединены с выводами переменного тока диодного моста 2 и силового моста 3 на запираемых тиристорах. Вентили последнего управляющими электродами связаны с выходами фазосмещающего узла 4. В блоке

5рекуперации энергии выводы переменного тока ведомого инвертора 8 подключены к дополнительным обмоткам трансформатора 1,

Выводы постоя иного тока ведомого инвертора 8 соединены с емкостно-индуктив- ным фильтром 7, конденсатор которого включен между однополярными выводами диодного 2 и силового 3 мостов и связан с датчиком 10 напряжения. Регулятор 11 напряжения подключен входом обратной связи с выходом датчика 10 напряжения, а выходом соединен с входом фазосмещаю щего узла 9, выходы которого подключены к управляющим электродам вентилей ведомого инвертора 8. Датчик 13 тока связан с цепью нагрузки 5 силового моста 3, вход фазосмещающего узла 4 которого соединен

с выходом регулятора 14 тока и вторым входом функционального преобразователя 12. Задающие входы регуляторов 11 напряжения каждого из блоков 5 рекуперации

энергии подключены к выходу функционального преобразователя 12, первый вход которого и выход датчика 13 тока соединены с входом обратной связи регулятора 14 тока. На задающий вход регулятора 14 тока поступает сигнал задания тока нагрузки силового моста 3.

Функциональный преобразователь 12 может выполняться на дискретных элементах или в виде программного блока при реализации системы управления на базе микропроцессора. Схема функционального преобразователя 12 на дискретных элементах приведена на фиг.2.

Функциональный преобразователь 12

содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12.1, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 12.2, элемент 12.3 задержки, запоминающие регистры 12.4 и 12.5, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

12,6 и 12.7, сумматор 12,8 и пропорциональный усилитель 12.9.

АЦП 12.1 и ЦАП 12.6, 12.7 могут быть выполнены, например, на элементах серии УК572.

ПЗУ 12,2 реализуется на элементах серии К556.

Запоминающие регистры 12.4, 12.5 могут быть выполнены, например, на триггерах К155 ТМ8.

Сумматор 12.8 и пропорциональный усилитель 12.9 выполняются на операционных усилителях с соответствующими цепями обвязки (не показаны).

Первым входом функционального преобразователя 12 является вход пропорционального усилителя 12.9, вторым входом служит измерительный вход АЦП 12.1, а выходом - выход ЦАП 12.7.. .„ Функциональный преобразователь 12

(фиг.2) работает следующим образом.

На входы опорного напряжения АЦП 12.1 и ЦАП 12.6 поступает сигнал, пропорциональный амплитуде Earn номинального напряжения вертикальных обмоток трансформатора 1 (фиг.1). На измерительный вход АЦП 12.1 поступает напряжение с выхода регулятора 14 тока. Вследствие этого на выходе АЦП 12.1 формируется цифровой код cos а, преобразуемый ПЗУ 12.2 в два

-1

цифровых сигнала cos(ct + y)-cos а и -,

причем у- заданный параметр. По фронту импульса Конец преобразования с выхода АЦП 12.1, задержанного элементом 12.3 на

время т, выходные сигналы ПЗУ 12.2 записываются в запоминающие регистры 12.4 и 12.5. Время т выбирают из условия гарантированного срабатывания элемента ПЗУ

12.2,

Выходной код регистра 12.4 преобразуется ЦАП 12.6 в напряжение, соответствующее величине (a + y)-cos a.

Сигнал, пропорциональный току Id нагрузки силового моста, поступает на вход усилителя 12.9, коэффициент передачи которого равен 2Ха.

Сумматор 12.8 суммирует выходные сигналы ЦДЛ 12.6 и усилителя 12.9 и служит источником опорного напряжения EamCOS(a+y)-EamCOSa+2Xald a ЦАП 12.7, на входы управления которого подается

цифровой код - с выхода регистра 12.5.

Выходной сигнал ЦАП 12.7 соответствует напряжению

Vc - EamCOs(a+ y EamCOS «+ 2Xald, У(2)

где у- заданная величина;

Earn, Ха- величины, определяемые параметрами питающей сети и трансформатора 1 соответственно;

Id, cos а- измеряемые параметры.

Компенсатор реактивной мощности (фиг.1) работает следующим образом.

Компенсатор подключен к питающей сети через трансформатор 1, у которого амплитуда напряжения вентильных обмоток ниже соответствующего напряжения дополнительных обмоток. Регулятор 14 тока и датчик 13 тока входят в контур регулирования тока Id нагрузки 5 силового моста 3 в зависимости от сигнала задания 3ад. Фазосме- щающий узел 4 обеспечивает отпирание запираемых тиристоров силового моста 3 с передающими углами управления, что соответствует генерации реактивной мощности в питающую сеть. В компенсаторе осуществляется двухступенчатая коммутация запи- раемых тиристоров: на первом этапе коммутируют выходящий из работы запираемый тиристор и соответствующий ему диод моста 2, на втором - диод моста 2 и вступающий в работу запираемый тиристор силового моста 3. Длительность первого этапа минимальна (единицы (МКС) и определяется характеристиками запираемых тиристоров. На втором этапе в короткозамкнутый контур включается конденсатор фильтра 7, входящего в состав блока 6 рекуперации энергии,

Полярность напряжения Vc на конденсаторе фильтра 7 соответствует указанной

на фиг.1 На интервале коммутации длительностью у конденсатор фильтра 7 подзаряжается. По окончании коммутации избыток запасенной энергии сбрасывается в сеть с

помощью ведомого инвертора 8, управляемого посредством фазосмещающего узла 9. Регулятор 11 напряжения и датчик 10 напряжения, входящие в состав блока 6, позволяют поддерживать напряжение Vc на

конденсаторе фильтра 7 на определенном уровне, ограничивая перенапряжение на элементах схемы.

Описанный процесс соответствует коммутации запираемых тиристоров катодной

группы силового моста 3. Аналогичным образом работает второй блок б рекуперации энергии при коммутации вентилей анодной группы силового моста 3.

Выражение (1) устанавливает связь

между углом у коммутации запираемых тиристоров и напряжением Vc конденсатора фильтра 7.

Функциональный преобразователь 12 по первому входу получает сигнал, пропорциональный текущему значению Id тока нагрузки силового моста 3. На втором входе функционального преобразователя 12 присутствует напряжение, пропорциональное параметру cos а.. При заданном значении

угла у коммутации на уровне 40-55 эл. град функциональный преобразователь 12 в соответствии с выражением(2) формирует сиг- нал требуемого напряжения Vc на конденсаторе фильтра 7. Выходной сигнал

функционального преобразователя 12 поступает на задающий вход регулятора 11 напряжения.

Из изложенного следует, что величина генерируемой в питающую сеть реактивной мощности определяется значением тока Id в цепи нагрузки 5, регулируемого в соответствии с сигналом задания 3ад. Форма первичного тока компенсатора определяется заданным значением угла у коммутации и напряжением Vc конденсаторах фильтров 7, причем за счет приближения формы полуволны первичного тока к трапеции с одина- ковыми по длительности фронтом, вершиной и срезом содержание высших гармоник снижается в 5-8 раз.

Таким образом, компенсатор реактивной мощности обладает улучшенной фор- мой первичного тока, что исключает, например, установку резонансных фильтров на первичной стороне для уменьшения искажающих воздействий устройства на питающую сеть.

Формула изобретения

Компенсатор реактивной мощности, состоящий из трансформатора, вентильные обмотки которого связаны с выводами пере- менного тока диодного моста и силового моста на запираемых тиристорах с фазосме- щающим узлом и нагрузкой, двух блоков рекуперации энергии, каждый из которых содержит емкостно-индуктивный фильтр, датчик напряжения, регулятор напряжения и ведомый инвертор с фазосмещающим узлом, подключенный выводами переменного тока к дополнительным обмоткам трансформатора, выводами постоянного тока - к ем- костно-индуктивному фильтру, конденсатор которого включен между однополярными выводами диодного и силового мостов и связан с датчиком напряжения, подключенным выходом к входу фазосмещающего узла ве- домого инвертора через регулятор напряжения, отличающийся тем. что, с целью улучшения формы первичного тока путем поддержания заданного угла коммутации во всем диапазоне регулирования, в него дополнительно введены датчик тока, регу- лятфтока и функциональный преобразователь, реализующий зависимость

Vc - EamCOS(a + }/)-EamCOS a + 2Xald,

где Vc - напряжение на конденсаторе фильтра;

Еат - амплитуда линейного напряжения вентильных обмоток трансформатора;

Ха - приведенное индуктивное сопротивление рассеяния фазы вентильных обмоток;

Id - ток нагрузки силового моста компенсатора;

а - угол управления запираемых тиристоров;

у- заданный угол коммутации запираемых тиристоров.

при этом датчик тока входом связан с цепью нагрузки силового моста, выходом подключен к входу обратной связи регулятора тока и первому входу функционального преобразователя, выход которого подключен к задающим входам регуляторов напряжения каждого из блоков рекуперации энергии, второй вход функционального преобразователя и вход фазосмещающего узла силового моста соединены с выходом регулятора тока, задающий вход которого предназначен для подключения сигнала задания тока нагрузки силового моста компенсатора.

Сущность изобретения. В соответствии с заданным током регулятор тока 13 с учетом напряжения с датчика 12 формирует сигнал управления на входе фазосмещаю- щего блока 4, который управляет вентилями моста 3. В компенсаторе двухступенчатая коммутация запираемых тиристоров на первом этапе коммутируют вентили, на втором - тиристор и диод. На втором этапе в короткозамкнутый контур включается конденсатор фильтрации б из блока рекуперации энергии 5. Компенсатор содержит два блока 5, обеспечивающих вывод в сеть запасенной электромагнитной энергии. Вывод обеспечивается инвертором 7. Напряжение на конденсаторе фильтра б регулируется с помощью датчика 9 и регулятора напряжения 10 преобразователем 11 по специальной зависимости, обеспечивающей поддержание угла коммутаций на постоянном уровне 45-55 эл.град. Такой угол комму- тации обеспечивает снижение уровня внешних гармоник в первичном токе компенсатора. 2 ил. сл С VJ СЛ со сл 4 Јь

fff/n

/7.3

Earn

&, I бмДООД 1

N V

Ч

11.1