Система автоматического управления статическим источников реактивной мощности Советский патент 1978 года по МПК H02J3/18 

- (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ по специальной ко.мапде включение или отключение тиристорного выключателя конденсаторной батареи источника управляющих импульсов тока. Такая система управления содержит датчики режима сети и усилитель, образующие регулятор, блоки унравле П1я тиристора и генерирующие сигналы управ.ления (импульсы), подаваемые на управляюил,ий электрод тиристора в опреде.юипой ,фазе, задаваемой регулятором. Недостатком ИРМ является то, что в режиме больщих углов, когда ИРМ генерирует минимальную мощность, работа источника становится неэффективной, так как а.мплитуда генерируе.мой им первой i армоники тока становит ся соизмери.мой с амплитудами высщих гармоник. Установка фильтров высщих гармоник сопряжена с дополнительными затратами и увеличением потерь активной мощности. Целесообразней в этих режимах, когда мощность, генерируемая ИРМ,незначительна, закрывать г;1авные и вспо.могательные (инвертор) вентили и тем са.мым отключать все устройство от сети. Другой недостаток ИРМ связан с режимом малых углов регулирования, когда ИРМ выдает наибольшую в диапазоне плавного регулирования мо1дность. При малых углах регули))ования сунгествует такой диапазон, при котором работа источника управляющих и.мпульсов тока уже не приводит к изменению угла нроводимости главных тиристорных выключателей без того, чтобы не ухудщить гармонический состав тока ИРМ, в то вре.мя, как его первая гармоника тока остается практически неизменной. В этом режиме становится неэффективной работа источника управляющих импульсов тока, н он может быть отключен, т. е. его тиристоры закрыты. Если после этого будет включен тиристорный вык.чючатель источника управляющих импульсов тока, т. е. его конденсаторная батарея, то ИРМ будет генерировать мощность, равную моплюстн его главной конденсаторной батареи, п. мощность бата)еи источника унравляющпх имну.чьсов тока. Этот режим характеризуется отсутствие.м ВЫСН111Х гармоник тока.. Таким образом, недостатком указанных систем стоматического управления ИРМ является то, что они, обеспечивая п.чавное регулнрованне режима ИРМ в заданном дианазоне, исключают воз.можность выбора состава включенного оборудования, отвечаюнгую как напбо,iee экономичному режиму работы ИРМ в целом, так и наи.меньщему составу высших гармоник в выходном токе ИРМ. Целью изобретения является расширение диапазона регули1)ования реактивной мощности и улучи1ение электрических и экономических характеристик ИРМ. Это достигается тем, что система автоматического уг1равле1п- я статическим ИРМ, состоящим из главного тиристорного выключателя н трехфазной конденсаторной батареи, соединенной через имг1 льсный трансформатор с источиико.м управляющих импульсов тока, образоnaiiiibiM конденсаторной батареей, ее тпрпсторпы.м выключателем и по, крайней мере, двухступенчатым управляемым вынря.мителем и инвертором, содержащая блоки управления указанными тиристорными выключателями, каждой ступенью выпрямителя и инвертором, а также датчики режи.ма сети и усилитель, содержит фор.мирователь синхронизированных сетью контрольных импульсов, вход которого соединен с выходом усилителя (регулятора) (Фаза контрольного импульса соответствует фазе и.мпульсов блока управления инвертором в пронессе плавного регулирования реактивной мощности)ступенчатый диодный ограничитель на выходе усилителя, с помощью которого устанавливается весь диапазон плавного регулирования н поддиапазоны, на интервале которых вступает в работу заданная ступень выпрямителя; функциональные каналы управления, число которых на один больще числа ступеней вынрямителя, например три, в каждом из которых соединены последовательно синхронизированный сетью формирователь опорных и.мпульсов, логнческий элемент И, вторым входом связанный с фор.мирователем контрольных импульсов, и исполнительный орган, причем блок управления главного тиристорного выключателя конденсаторной батареи соединен с выходом нервого исполнительного органа, блоки управлепия выпрямителем своими входа.ми связаны с блоком выбора, входы которого соединеь ы с выходами остальных исполнительных органов, а блоки управления инвертора соединены с выходами первого и последнего исполнительных органов, кроме того, вход блока управления тиристорного выключателя конденсаторной батареи источника управляюнхих импульсов тока через (блок задержки соединен с выходом последнего исполнительного органа. Предлагаемая система управления оборудована блокировкой от многократных срабатываний на границе сближения контрольного импульса с соответствующим опорным, выход первого исполнительного органа связан со входо.м своего формирователя опорных импульсов, а выход последнего исполнительного органа - со входом формирователя контрольных импульсов, причем в цепн указанных связей введены элементы расширения длительности импульсов. Ца фиг. 1 представлена принципиа.чьная схема ИРМ, основным геверируюн1им реактивную мощность элементом которого является конденсаторная батарея. Здесь же ноказаны блоки .системы управления (без регулятора), которыми оборудован известный ИР.; на фиг. 2 - блок-схе.ма системы управления и регулирования; на фиг. 3 -- днагра.м.ма расноложения контрольных и опорных нмнульсов снстемы управления и регулирования и соответствующее это.му расположению состояние тиристорных блоков. Конденсаторная батарея 1, включается в сеть через б.юк главных вентилей (Т1фистор 1ый выключатель 2) и связана с источником управ,1яюших импульсов тока импульсными трансформатора.ми 3. Источник управляющих импу.ii,c()B тока выполнен в виде резонансного контура, управляемого инверторо.м 4 и образованного импульсными трансформаторами 3 и конденсаторной батареей 5. Резонансный контур 3-4 о 1Н1тается от двухстуленчатого выпрямителя, включенного в сеть, каждая стуиснь которого собрана на мостовой схеме так, что тиристорный мост 6 заряжает конденсаторы 5 до напряжения большего, чем тиристорный мост 7. При закрытых тиристорных блоках 4,6,7 конденсаторная батарея 5 может включаться в сеть через свой тиристорный выключатель 8, Каждый из указанных тиристорных блоков оборудован своим блоком унравления, имеющим HiecTb выходов по числу тиристоров в блоке. Блок управления 9 тиристорами 2 имеет два входа: синхронизирующий - а, которым задается частота и начальная фаза импульсо ; управления тиристорами, и вход в «Закрыть. Блок управления 10 инвертором 4, кроме вхо,дов а и «, имеет управляюгций вход с. :о которому осупхествляетсярегулирование фазы им пульсов инвертора, т. е. угла регулирования ИРМ. Блоки управления 11 и 12 выпрямителями 6 и 7 кроме входа а имеют вход d «Открыть. Блок управления 13 тиристорным выключателем 8 имеет два входа айв. Блок регулирования выполнен в виде усилителя 14 с датчиками 15 и 16 режима сети на входе и двухступенчатым диодным ограничителем17 на выходе. Прямоугольные импульсы генерируются в формирователях контрольного 18 и опорных 19-21 импульсов и сравниваются в блоках сравнения 22-24 соответственно, выполненных по принципу логических элементов И. При совпадении контрольного импульса с одним из опорных срабатывает состветствх ющнй исполнительный орган 25, 26 или 27. Таким образом формируются три функциональных канала. В общем случае число их на один больше числа ступеней выпрямителя. На фиг. 2 первый канал образо(ан элементами 19, 22, и 25, второй - элементами 21, 24 и 27, а третий - элементами 20. 23 и 26. При этом принятое обозначение каналов соответствует по следовательности их срабатывания по мере увеличения мощности ИРМ в процессе регулирования. Последовательность обозначения каналов соответствует расположению импульсов (19 21 и 20), показанному на фиг. 3. Через исполнительный oprafi 26 и блок 28 выбора стунени выпрямителя подается открывающий сигнал на блоки управ.тепия 1 и 12 выпрямителями 6 и 7, Перебрасывание блока выбора 28 осуществляется ис1 олнительным органом 27. Закрытие блока управ.ления 13 производится через блок задержки 29. В таком ИРМ система управления (9 и 10) главными 2 и вспомогательн1 1М11 4 тиристорами представлена унифицированными блоками управления, формируюпиши прямоугольные синхронизированные с сетью, импульсы. Количество формирователей импульсов в блоке соответствует числу тиристоров. Выход каждого формирователя через разделительный трансформатор соединен с управляюн.1.им электродом тиристора. Вход блока управления 10 связан с системой регулирования (14-17) веномогательными тиристорами так, что с пзменепием режима сети импульсы изменяют свою фазу. Диапазон изменения фазы импульсов задается путем ограничения величины выходного сигнала системы регулирования. При неремеИ1ении импульсов вспомогательных тприсгоров влево реактивная мощность уменьнтется. Импульсы управления главными тиристорами в процессе регулирования своей фазы не изменяют. Полной аналогией с блоком главных тирист,оров 2 является тиристорный выключатель 8 конденсаторной батареи 5 источника управляющих импульсов тока. Система регулирова-. ПИЯ (14-17) ИРМ обеспечивает стабилизацию на заданном уровне одного или нескольких параметров (например, напряжения, реактивиого тока или мощности, коэффициента мощности). Исиолнительным силовым органом ИРМ, -на систему управления которого и воздействует регулятор, является источпик управляюпшх импульсов тока, образованный вспомогательными тиристорами 4, собранными по схеме резонансного инвертора. Такие инверторы, применяются в качестве тиристорных преобразовател -й частоты. Инвертор 4 питается от выпрямителя 6 и 7, вк.тюченного в сеть на общие с главной конденсаторйой батареей 1 щины. Конденсаторная батарея 5 источника управляющих импульсов тока совместно с импульсными трансформаторами 3 образует резонансный контур инвертора. При открытии очередного тиристора инвертора происходит ко.чебательный разряд в контуре. Ток разряда через импульсный трансформатор 3 подзаряжает главный конденсатор (1) в соответствующей фазе тогда, когда этот конденсатор заря ;ается основным током через главный тиристор (2). В результате действия источ|щка управляющих импульсов тока выключается очередной главный тиристор. Изменяя момент открытия тиристоров 4 инвертора в указанном диаиазопе регулирования, изменяют MOMefiT выключения главного тиристора 2. Это в результате приводит к измепению реактивной мощности, генерируемой ИРМ. Ес.ти угол опережения зажигания инвертора (угол ре1Ллированпя ИР.| отсчитывать справа налево (фиг. 3), то бо.п. угло.м соответстует меньи1ее значение IHактивиой мощности ЙРЛ. Работа ИРМ в диапазоне регулирования характеризуется на/;пчием в кривой основного тока высн1их гармоник, что приводит к снижению качества наиряжения на njnHax ИРМ. В режиме, при котором ИРМ выдает иостояпные значенпя реактивной монхиости. необходимость в источнике управ.1яющих импульсов тока отиадает. В этом случае его конденсаторную батарею отключают от резонансного .контура, включают в сеть , генерируют реактивную моилность, определяемую емкостью всех его конденсаторных батарей, причем высщие гармоники тока в этом режиме отсутствуют. Работе системы управления и ре-улирования ИРМ предшествует определенная на стройка ее элементов.

Пусть весь диапазон регулирования tpi - ф4 ИРМ, в котором возможна его работа, разбит иа два частично иерекрывающихся ноддианазона р - ф2 и ф; - ip4 (фиг. 3). Каждый из ноддиаиазонов допускает работу только с определенной ступенью выпрямителя: ц- - (f4 со ступенью высокого напряжения В1з1прямителя 6, (i - р; со ступенью низкого напряжения выпрямител-я 7. Так обеспечивается при со.чранении работоспособности ИРМ наиболее экономичный режим работы источника управляющих импульсов тока. Опорные импульсы (19 и 20) располагаются соответственно у границ (fi и (р., так, что их передние фронты опережают фазу своей границы, а задние фронты отстают от нее на время не меньшее, чем длительность контрольного импульса (18).

Иередиие фронты опорных импульсов (19 и 20) могут и совпадать с соответствующими границами, однако указанное ранее расположение импульсов делает систему управления более гибкой в наладке.

Опорный импульс (21) располагается практически в поддиапазоне ;f3 - ;р4 высокого напряжения. Его передний фронт находится между границами «рз и ф2 вплоть до совпадения с любой из них, а задний фронт отстает от фазы границы ;р4 не менее, чем на длительность контрольного импульса (18). Для определенности будем считать, что контрольный и.мпульс (18) ио свои.м параметрам (длительности и фазе) дублирует один из рабочих импульсов инвертора 4. iloTopbie формируются в блоке управлепия 10.

Работа системы управлешя и регулирования протекает следующим образом. Пусть все тиристорные блоки ИРМ находятся под напряжением, а дефицит реактивной .мощности в сети отсутствует. При этом соответствующий сигнал поступает от датчиков 15 и 16 режима сети иа вход усилителя 14. Выход усилителя воздействует на управляющий вход с блока управления 10 инвертором 4 и вход формирователя контрольных импульсов (18) (фиг. 2), определяя угол регулирования а i инвертора, близкий к наибольшему значник в пределах поддиапазона ф| - фг (фиг. 3). При это.м контрольный импульс (18) совпадает с опорным (19). Признак совпадения фиксируется в логическо.м блоке И 22, который запускает исполнительный орган 25. Последний по входам в «Закрыть блоков управления 9 и 10 закрывает главный тиристорный блок 2 и инвертор 4. ИРМ закрыт, и,мощность, генерируемая им, равна нулю. Одновременно исполнительный орган 25 самоблокируется от многократных срабат)ва11ий путем увеличения длительности опорного и.мпульса 19 (на фиг. 3 показано пунк тиром). Такпсключается возможность работы ИРМ в режиме, при котором первая гармоника тока незначительна по сравнению с высшими.

При нарастающем дефиците реактивной мощности система регулирования (14-17) выдает сигнал на у.меньшение угла регулирования инвертора а и одновременно контрольного импульса (18). Пусть этот угол станет равным ct2. При таком соотнощении фаз контрольного и опорных импульсов все блоки сравнения 22-

24 закрыты. Следовательно, блоки управления

9и 10 тиристоров 2 и 4 открыты. ИРМ выдает реактивную мощность, определяющуюся углом регулирования az, и работает в соответствии с известным принципо.м действия в режиме плавного регучтированпя. Работа ИРМ осуществляется в поддиапазоне ф1-(рг- При дальнейшем уменьщении угла регулирования а вблизи границы ф2 в результате совпадения кон трольного импульса (18) с опорны.м (21) происходит сначала переключение выпрямителя со ступени (7) на ступень (6),-а затем переключение диодного органичителя 17 с поддиапазона (| i-ip2 на поддиапазон рз-1(4. Эта операция настунает в результате срабатывания исполнительного органа 27. Последний перебрасывает блок выбора 28, снимая сигнал «Открыть с входа d блока управления 12 и подавая его на вход d блока И. Сигнал «Окрыть поступает при этом через исполнительный орган 26, когда он находится в отключенном состоянии. Одновременно с перебросом блока выбора 28 перебрасывается и диодный ограничитель 17, при это.м изменяется напряжение смещения на диодах, установленных на выходе усилителя 14. Таким образом, в поддиапазоне рз - ф4 при угле (хз работа ИРМ происходит так же, как и при угле а г, но с повышенным напряжением на конденсаторах 5. Переключение поддиапазонов является блокировкой, исключающей возможность работы ИРМ с повышенным, напряжением на выпрямителе при больших углах регулирования.

Дальнейшее уменьшение угла регулирования, вызванное продолжающи.мся ростом дефицита реактивной .мощности в сети приводит к совпадению контрольного импульса (18) (угол 0.4) с опорным импульсом(20). Передний фронт последнего определяет границу, когда работа источника управляющих импульсов тока становится неэффективной и способствует увеличению потерь при незначительно.м изменении первой гармоники тока ИРМ. Поэтому здесь целесообразно закрыть инвертор 4. Закрытие инвертора наступает в результате срабатьшания исполнительного органа -26, который воздействует на вход в блока управления

10инвертора. Одновременно с эти.м снимается сигнал «Открыть с блока 28 выбора ступени выпрямителя, что приводит к закрытию обоих его тиристорых блоков 6 и 7. Однако готовность к работе выпрямителя в поддиапазоне сохраняется по каналу 18, 21, 24, 27. Исполнительный орган 26 самоблокируется от многократных срабатываний путем расширения контрольного импульса (18).

В результате совпадения импульсов (18) и (20) ИРМ выдает при синусоидально.м токе мощность, равную установленной мощности главной конденсаторнойбатареи 2. Если же дефицит реактивной мощности в сети сохраняется в течение времени больщего, чем задано блоком задержки 29,то в сеть дополнительно включается конденсаторная батарея 5 источника управляющих им.пульсов тока. При это.м блок 29 снимает сигнал «Закрыть с входа в блока управления 13 тиристо)пым выключаTcviCM 8. Таким образом, предлагаемая система автоматического управления статическим ИРМ, сохраняя известные принципы плавного регулирования реактивной мощности, генерируемой конденсаторной батареей, приобретают новые качественные признаки. Увеличивается на 20% величина генерируемой ИРМ мощности за счет отключения источника управляющих импульсов тока, т. е. pacnJиpяeтcя диапазон регулирования. Ограничивается состав высщнх гар моник тока (по амплитуде) в пределах, допустимых ГОСТом без установки дополнительных фильтров, т. е. улучщаются электрические характеристики ИРМ. Такое устройство одновременно ведет к снижению потерь активной мощности, основная доля которых приходится на источник унравляющи.х и.мпульсов тока, которЬш отключается при крайних значениях диапазона регулирования реактивной MOUIHOCTH, что положительно отражается на экономических показателях как самого ИРМ, так и сети в которую он включен. Формула изобретения 1. Система автоматического управления статическим источником реактивной мощности, состоящим из главного тиристорного выключателя и трехфазной конденсаторной батареи, соединенной через импульсный трансформатор с источником управляющих импульсов тока, образованным конденсаторной батареей, ее тиристорным выключателем и, по крайней мере, двухступенчатым управляемым выпрямителем и инвертором, содержащая блоки управления указанными тиристорными выключателями, каждой ступенью выпрямителя и инвертором, датчики режима сети и усилитель, отличающаяся тем, что, с целью расщирения диапазона регулирования реактивной мощности, она дс)но.,1ьно ссиержит (|ор -Г те.и) синхронизированных сетью контрольных нмпульсов, вход которого соединен с выходом указанного усилителя, ступенчатый диодный ограничитель на выходе усилителя, функциональные каналы управления, число которых на один больще числа ступеней выпрямителя, например три, в каждом из которых соединены последовательно синхронизирс)ванн1)1й сетью формировате.1ь опорных имну,1ЬС()в. .ioiHniccKiiit элемент И, вторым входом связанный с формирователем контрольных НМИ.1ЬСОВ, и llCHd.Iнительный орган, причем блок ун П1вленпя павного тпристорного выключателя конденсаторной батареи соединен с выходом нервого ncHo.iннтельного органа, блоки унравлепия вын)ямителя свои.ми входами связаны с блоком выбобора, входы которого соединены с выходами остальных исполнительных органов, а блоки управления инвертора соединены с выходами первого и последнего исполнительных органов, кроме того, вход блока управления тиристорного выключателя конденсаторной батареи источника управляющих импульсов тока че-рез блок задержки соединен с выходом юследнего исполнительного органа. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью блокировки исполнительных органов от многократных срабатываний на границе сб:1пжения контрольного имну.1ьса с соответствующим опорным, выхсхл iiei)Boro исполнительного органа связан со входом своего (|)()|)мирователя опорных импульсов, а выход последнего исполнительного органа - со входом формирователя контрольных импульсов, приче.м в цепи указанных связей введены элементы расшнрения длительности импульсов. Источники информации, прннятые во внимание при экспертизе: 1.Иатент США № 3703680, кл. 323/111, 1972. 2.Авторское свидетельство СССР Л 275212. кл. Н 02 J 3/18, 1964. 3.Авторское свидетельство СССР Л 396787, кл. Н 02 J 3/18, 1973.

9u,.i

f.i