Способ плавного регулирования реактивной мощности в электрических цепях Советский патент 1992 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования реактивной мощности в промышленных электрических сетях и в цепях резонансных контуров мощных радиотехнических устройств.

Известен способ регулирования реактивной мощности статических конденсаторов путем изменения времени включенного и закороченного состояния конденсаторов в течение периода 1, в котором предусмотрена возможность расширения диапазона регулирования путем компенсации третьей гармоники. Однако этот способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что для его осуществления требуется сложная цифровая система управления и

использованием мини-ЭВМ и неизвестны пределы расширения диапазона регулирования.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является способ 2 и устройство для его осуществления, приведенное в 3. По этом способу регулирование реактивной мощности происходит путем изменения времени включения конденсаторов параллельно регулируемой сети в течение каждого периода питающего напряжения. Недостатком указанного способа является ограничение диапазона регулирования мощности (емкости) по предельно допустимому коэффициенту несинусоидальности напряжения или тока регулируемой цепи.

VI VI

ю

00

о

Целью изобретения является расширение диапазона и повышения качества регулирования реактивной мощности в электрических цепях.

Поставленная цель достигается тем, что для расширения диапазона регулирования с предельно допустимой регулируемой емкостью Ср в п раз и повышения качества регулирования, расширенный диапазон принимают равным п одинаковых поддиапазонов, в каждом из которых используют такой же величины регулируемую емкость Ср и изменяют ее в пределах от минимального КцСр до максимального КвСр значения, а при переходе на вышерасположенный поддиапазон при положительном угле р сдвига фаз регулируемую емкость с максимальным значением КвСр заменяют каждый раз на равную ей сумму емкостей: нерегулируемую емкость Снр и регулируемую емкость с минимальным значением КнСр. При отрицательном угле сдвига фаз регулируемую емкость снижают и при достижении ее минимального значения КцСр во время работы любого поддиапазона, кроме первого, переходят на нижерасположенный поддиапазон, для чего одновременно отключают регулируемую емкость с минимальным значением и одну группу нерегулируемой емкости, а регулируемую емкость с максимальным значением КвСр включают. Значение емкости Снр определяют по формуле: Снр(Кв-Кн)Ср, где Кв и Кн - максимальный и минимальный коэффициенты регулирования, соответствующие максимальному и минимальному времени включенного состояния конденсаторов в течение периода; Ср - регулируемая емкость, допустимое значение которой определяется опытным путем.

Возможность выполнения перечисленных выше основных операций и обеспечение щадящих переходных процессов достигается следующим. Регулируемые емкости Ср подготавливают в количестве двух одинаковых групп регулируемых конденсаторов, причем, каждую группу включают в регулируемую цепь поочередно. Через один поддиапазон, а невключенную группу подготавливают к включению для перехода на следующий поддиапазон, причем, при подготовке к переходу на вышерасположенный поддиапазон указанную группу заряжают до напряжения, соответствующего минимальному значению регулируемой емкости, а при подготовке к переходу на нижерасположенный поддиапазон заряжают до напряжения соответствующего максимальному значению регулируемой емкости, Нерегулируемые конденсаторы Снр

подготавливают в количестве п-1 одинаковых групп и включают в регулируемую цепь по одной группе каждый раз при переходе на вышерасположенный поддиапазон, при

этом до включения их заряжают до максимального амплитудного значения напряжения регулируемой цепи. Все переключения при переходах с одного поддиапазона на другой производят при значении мгновенного тока в цепи регулируемых конденсаторов равном нулю, для чего обеспечивают постоянное измерение и контроль указанного тока.

Из 3 известно, что регулирование реактивной мощности с помощью регулируемых конденсаторов сопровождается появлением высших гармоник, которые искажают напряжение или ток в регулируемой цепи, что приводит к ограничению регулируемой емкости Ср до предельно допустимого значения. Регулируемую емкость Ср можно рассматривать как генератор реактивной мощности QHC с периодическими несинусоидальными величинами. Абсолютные значения этих мощностей при равных значениях емкости Ср одинаковы в прототипе и в предлагаемом техническом решении и определяются выражением: С1нс и22л:тКвСр

Но в прототипе отсутствуют другие ис- точники реактивной мощности, поэтому относительное значение этой мощности , а в предлагаемом способе общая регулируемая мощность начинает увеличиваться на втором и последующих поддиапазонах за счет подключения групп нерегулируемых емкостей Снр, которые выдают реактивную мощность Qc в таком же количестве но с синусоидальными величинами напряжения и тока. Следовательно, относительное значение мощности QHC в предлагаемом способе уменьшается с увеличением числа включенных поддиапазонов и минимальная его величина

%1

UHC mln -

Таким образом предлагаемое техническое решение позволяет при равных с прототипом значениях регулируемой емкости

Ср расширить диапазон регулирования в п раз и, при этом в п раз уменьшить относительное значение реактивной мощности с несинусоидальными величинами, что приводит к значительному повышению качества регулирования, а следовательно, и к повышению качества электрической энергии в регулируемой цепи, особенно на более высоких поддиапазонах.

На фиг.1 показан пример схемы устройства регулирования, с помощью которого

можно реализовать предлагаемый способ при поддиапазонов регулирования; на фиг.2 - эпюры токов и напряжения в цепях устройства регулирования.

Приведенные ниже в тексте и на фиг,2 токи и напряжения имеют следующие условные обозначения:

Up, UQ, UUP - амплитудные значения напряжений на конденсаторах, соответственно, регулируемой работающей группы, регулируемой отключенной группы и нерегулируемой группы,

IP, нр, Ic - мгновенные значения тока в конденсаторах, соответственно, регулируемой группы, нерегулируемой группы и сум- марный ток устройства регулирования.

Уф, ф - соответственно фазное напряжение и фазный ток регулируемой цепи.

Us, Un амплитудные напряжения на регулируемых конденсаторах соответствен- но, на верхнем и нижнем пределах регулирования.

Устройство регулирования (фиг.1) содержит следующие основные узлы. Входной выключатель 1, включенный последователь- но с зарядным резистором 3, выключатель 2, две регулируемые группы конденсаторов 4 и 5, управляемые основными тиристорами 6 и 7 с коммутирующими устройствами 8 и 9. Зарядный трансформа- тор 10 с включенными в его цепи токоогра- ничивающим резистором 11 и тиристорами 12-18. Пять нерегулируемых групп конденсаторов 19-23, каждый из которых служит для замены отработанной регулируемой группы при переходе на вышерасположенный поддиапазон. Тиристоры 24-28, служащие для подключения нерегулируемых групп конденсаторов к регулируемой цепи, Диоды 29-33 вместе с выключателем 1 и резистором 3, предназначены для заряда нерегулируемых групп конденсаторов амплитудным напряжением регулируемой цепи.

Система управления состоит из следую- щих функциональных блоков, выполняемых из элементов, выпускаемых нашей промышленностью: формирователя импульсов 34, исполнительного устройства 35 и логических устройств 36-41. Логические устройст- ва выполняют следующие функции: устройство 36 выдает команду на заряд конденсаторов неработающей регулируемой группы до напряжения , при сочетании следующих величин: и ус- тройство 37 - выдает команду на разряд конденсаторов неработающей регулируемой группы до напряжения при сочетании величин: и устройство 38 выдает команду на заряд конденсаторов неработающей регулируемой группы до напряжения при сочетании величин: и устройство 39 выдает одновременно следующие команды для перехода на более высокий поддиапазон при сочетании величин: , и а) на включение нерегулируемой группы конденсаторов, б) на отключение отработавшей регулируемой группы конденсаторов, в) на включение нерзботавшей регулируемой группы конденсаторов;устройство 40 выдает одновременно команды для перехода на нижерасположенный поддиапазон при сочетании величин: , UpHJn и а) на отключение одной нерегулируемой группы конденсаторов, б) на включение неработающей регулируемой группы конденсаторов, в) на включение отработавшей регулируемой группы; устройство 41 выдает одну из следующих команд: а) при положительном угле у сдвига фаз между током ф и напряжением 1)ф регулируемой цепи - на увеличение угла регулирования Д б) при угле сдвига фаз близком к нулевому значению- на стабилизацию утла регулирования, в) при отрицательном угле сдвига фаз - на уменьшение угла регулирования Д.

Работа устройства регулирования происходит следующим образом. При пуске устройства замыкают цепь питания системы управления и включают контактор 1, который замыкает цепь заряда от регулируемой цепи через резистор 3 и диоды 29-33 на все нерегулируемые группы конденсаторов 19- 23 (фиг.1) и только после их полного заряда автоматически включается контактор 2. При положительном значении угла сдвига фаз логическое устройство 41 выдает команду на подачу импульсов управления тиристоров 6 и 8.

С этого момента начинается процесс регулирования реактивной мощности, заключающийся в следующем. Импульсы управления на тиристоры 6 и 8 сначала подают в момент ti (фиг.2б. в), определяемый минимальным углом Дм которому соответствует минимальный коэффициент регулирования Кн. В момент t2 подается импульс управления на тиристоры коммутирующего устройства 8 и тиристоры 6 запираются. В промежутке времени tz-ta напряжение up на регулируемой группе конденсаторов 4 остается постоянным. В момент т.з тиристоры 6 снова отпираются и происходит изменение по синусоиде напряжения на конденсаторах 4 в течение времени ta-t4. Таким образом, в интервалах времени ti-t2 и ts-tq изменяется напряжение up на конденсаторах 4, которое сопровождается появлением

тока Ip (фиг.2а), т.е. в указанных интервалах выдается в регулируемую цепь реактивная мощность. Если после включения минимальной реактивной мощности, соответствующей нижнему пределу регулирования (, угол сдвига фаз р продолжает оставаться положительным, то исполнительное устройство 35 продолжает выдавать команды на увеличение реактивной мощности путем увеличения угла регулирования /3 тиристоров 6. При достижении угла регулирования / Дв, соответствующего верх- нему пределу регулирования датчик логического устройства 36 выдает сигнал о достижении на работающей регулируемой группе конденсаторов напряжения и если при этом на неработающей регулируемой группе конденсаторов 5 напряжение , то логическое устройство 36 выдает команду на заряд неработающей регулируемой группы конденсаторов 5. По команде логического устройства 36 исполнительное устройство 35 замкнет цепи импульсов управления тиристоров заряда 13 и 17, в результате чего группа конденсаторов 5 зарядится до напряжения . Сочетание двух появившихся величин и приводит к срабатыванию логического устройства 39 в момент, когда в очередной период мгновенное значение тока в цепи конденсаторов и логическое устройство 39 выдает следующие команды:

1)на включение тиристора 24 нерегулируемой группы конденсаторов 19;

2)на отключение тиристоров 6 регулируемой группы конденсаторов 4;

3)на включение тиристоров 7 неработающей регулируемой группы конденсаторов 5 с углом регулирования Д . После выполнения перечисленных операций устройство регулирования снова увеличивает вводимую регулируемую емкость (мощность) путем изменения угла регулирования от РН до Дв тиристоров 7 при наличии положительного угла сдвига фаз р. При значении напряжения снова сработает логическая система подготовки к переключению на более высокий поддиапазон. Но теперь при окончании работы на втором или другом более высоком поддиапазоне может сработать одна из двух логических систем 36 или 37. Если напряжение на конденсаторах отключенной регулируемой группы 4 нб упало до значения , то срабатывает логическая система 37 и выдает команду на разряд этих конденсаторов, т.е. выдает команду на отпирание тиристоров 16 и 14 для разряда конденсаторов 4 по цепи 4-16-И 1-14-4. После разряда конденсаторов 4 до напряжения при появлении в очередной период момент, когда срабатывает логическое устройство 39 и выдает команды: 1} на включение нерегулируемой группы конденсаторов 20 (включение тиристора 25); 2) - на отключение отработавшей регулируемой группы конденсаторов 5 (тиристоры 7) и 3) - на включение регулируемой неработающей группы 4

(тиристоры 6).

При работе устройства в режиме увеличения регулируемой емкости угол сдвига фаз может получить нулевое значение, а затем - отрицательное. При отрицательном

угле логическое устройство 41 выдает команду на уменьшение угла регулирования Д в результате чего напряжение up на конденсаторах регулируемой работающей группы уменьшается. Когда напряжение на

конденсаторах работающей регулируемой группы, например, при работе на третьем поддиапазоне уменьшится до значения срабатывает логическая система 38 и выдает команду на заряд неработающей

регулируемой группы 5 путем включения импульсов управления тиристоров 12 и 17. После заряда конденсаторов 5 по цепи 12- 11-17-5-12 до напряжения срабатывает логическая система 40, которая при

мгновенном значении тока выдает следующие команды: а) на отключение нерегулируемой группы конденсаторов 20 (отключение тиристора 25), б) на включение группы конденсаторов 5 (включение тиристоров 7), в) на отключение группы конденсаторов 4 (отключение тиристоров 6). После выполнения перечисленных операций устройство регулирования начнет работу на втором поддиапазоне с максимальным углом регулирования/3 Дв соответствующим верхнему пределу регулирования с коэффициентом Кв..

Аналогично происходят переходы на любой другой нижерасположенный или вышерасположенный поддиапазоны.

Использование предлагаемого способа плавного регулирования мощности статических конденсаторов обеспечивает следующие преимущества:

1) Возможно регулирование реактивной мощности в автоматическом режиме практически с любым заданным диапазоном при условии обеспечения заданного коэффициента несинусоидальности напряжения или

тока без применения дополнительной компенсации или фильтрации высших гармоник.

2) Наличие преимущества по п. 1 позволяет утверждать, что устройства регулирования большой мощности, выполненные с использованием предлагаемого способа, при условии обеспечения высокой надежности системы управления могут стать конкурентноспособными с синхронными компенсаторами, используемыми в промышленных электросетях.

3) Использование предлагаемого способа регулирования в резонансьых RLC-кон- турах мощных радиотехнических устройств позволить применить беспрерывную плавную настройку резонансного режима в пределах всего заданного диапазона изменения частоты, т.е. позволит многократно увеличить полосу пропускания, соответст- вующую одному поддиапазону при существующих устройствах регулирования.

Формула изобретения Способ плавного регулирования реак- тивной мощности в электрических .цепях, согласно которому измеряют угол сдвига фаз между током и напряжением и в зависимости от знака и величины этого угла изменяют емкость Ср конденсаторов путем изменения времени включенного состояния в течение периода питающего напряжения, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования с предельно допустимой регулируемой емко- стью Ср в п раз и повышения качества регулирования, в каждом из п одинаковых поддиапазонов расширенного диапазона регулирования используют конденсатор с такой же величиной регулируемой емкости Ср и при положительном угле сдвига фаз подключают одну из двух регулируемых групп конденсаторов и изменяют емкость в пределах от минимального КНСР до максимального значения КВСР, а при достижении максимального значения регулируемой емкости и сохранения положительного значения угла сдвига фаз переходят на второй, а затем на другие вышерасположенные поддиапазоны, для чего одновременно отключают отработавшую группу и включают неработавшую группу регулируемых конденсаторов, которую предварительно заряжают до напряжения, соответствующего минимальной емкости, и одновременно включают одну группу нерегулируемых конденсаторов, которую предварительно заряжают до напряжения регулируемой цепи, а в случае, если при работе на втором или другом вышерасположенном поддиапазоне угол сдвига фаз станет отрицательным, сначала уменьшают емкость группы регулируемых конденсаторов до минимального значения, а затем при сохранении отрицательного угла сдвига фаз переходят на нижерасположенный поддиапазон, для чего одновременно отключают отработавшую группу и включают неработавшую группу регулируемых конденсаторов, которую предварительно заряжают до напряжения, соответствующего максимальному значению емкости, и одновременно отключают одну нерегулируемую группу конденсаторов, при этом во время перехода с одного поддиапазона на другой контролируют ток в цепи конденсаторов и указанные выше переключения осуществляют в момент равенства нулю мгновенного тока, причем для эмпирически принимаемого значения емкости Ср величину емкости СМр нерегулируемых конденсаторов определяют из соотношения

Снр(Ко-Кц)Ср,

где Кв и Кн - максимальный и минимальный коэффициенты регулирования, соответствующие максимальному и минимальному времени включенного состояния конденсаторов в течение периода.

I

II

0 J JilXjU

«

4

Lc

Область использования: в промышленных электрических сетях и в цепях резонансных контуров мощных радиотехнических устройств. Сущность изобретения: для расширения диапазона регулирования с установленной регулируемой емкостью в п раз заданный расширенный диапазон принимают равным п одинаковых поддиапазонов, в каждом из которых осуществляют регулирование установленной регулируемой емкости. Для обеспечения нормальной работы устройства с одной системой управления образуют две одинаковые регулируемые группы конденсаторов, которые включают в работу поочередно через один поддиапазон, и п-1 одинаковых нерегулируемых групп конденсаторов, которые включают по одной в регулируемую цепь каждый раз при переходе на вышерасположенный поддиапазон взамен отработанной регулируемой группы. 2 ил.

29

25

50

25

szlsSZ SSZ Sfiltt

51

27

32

2

33

.19

20

Фиг.1

51

27

32

2

33

Л La

4P

а

Фие.2

k