Трансформаторно-тиристорный компенсатор реактивной мощности

 

Изобретение может быть использовано для стабилизации переменного напряжения и компенсации реактивной мощности в устройствах с плавным регулированием амплитуды и фазы напряжения нагрузки. Компенсатор содержит трансформатор, инвертор, реверсивный выпрямитель, датчики реактивной составляющей тока или мощности сети и напряжения нагрузки, вычитатель. Сущность изобретения: задающий сигнал и сигнал с датчика напряжения нагрузки подаются на входы вычитателя. Разностный сигнал подается на систему управления инвентором. Изменяя угол управления тиристорами инвентора, осуществляют регулирование амплитуды обобщенного вектора напряжения нагрузки. Сигнал с датчика реактивной составляющей тока или мощности сети поступает на систему импульсно-фазового управления реверсивным выпрямителем, и изменяя угол управления тиристорами выпрямителя, осуществляет регулирование потребляемой из сети реактивной мощности. Это позволяет осуществлять компенсацию мощности с обеспечением заданного стабильного напряжения нагрузки независимо от внешней характеристики сети, а также от величины и характера нагрузки. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам компенсации реактивной мощности, и может быть использовано при создании энергоблоков промышленных и сельскохозяйственных объектов с высокой эффективностью использования и потребления электроэнергии и стабильным напряжением.

Известно трансформаторно-тиристорное регулирующее устройство [1] которое содержит первый трехфазный трансформатор, включающий первичную, одну управляющую и две вторичные обмотки, второй трехфазный трансформатор, включающий первичную, управляющую и вторичную обмотки, и тиристорный коммутатор. Первичные обмотки трансформаторов соединены последовательно и подключены к нагрузке, а две вторичные обмотки первого трансформатора соединены между собой, подключены к сети и вторичной обмотке второго трансформатора, при этом управляющие обмотки обоих трансформаторов замыкаются посредством тиристорного коммутатора.

Устройство обеспечивает взаимосвязанное регулирование амплитуды и фазы выходного напряжения. При этом целенаправленно можно воздействовать только на один из этих параметров, в то время как характер изменения другого определяется схемой включения обмоток.

К основным недостаткам устройства следует отнести большие вес и габариты, установленную мощность и стоимость трансформаторов. Устройство требует специальных, сложных по конструкции трансформаторов, что усложняет его производство.

Известно также трансформаторно-тиристорное устройство для регулирования реактивной мощностью [2] содержащее два трехфазных трансформатора и два тиристорных коммутатора с системами управления. Первичные обмотки обоих трансформаторов соединены последовательное и включены между сетью и нагрузкой, а вторичные обмотки объединены через первый тиристорный коммутатор, в то время как второй тиристорный коммутатор осуществляет переключение секций только вторичной обмотки первого трехфазного трансформатора. Данное устройство предназначено для регулирования фазы напряжения нагрузки относительно напряжения сети.

Однако и это устройство обладает недостатками, среди которых большой вес и габариты, установленная мощность и стоимость трансформаторов, а также необходимость проектирования и изготовления специальных трансформаторов.

Известный трансформаторно-тиристорный компенсатор реактивной мощности, взятый за прототип [3] содержит два трехфазных трансформатора, два инвертора с системами управления и выпрямитель. Первичные обмотки обоих трансформаторов включены последовательно в цепь нагрузки, а вторичные соединены в звезду и подключены соответственно к первому и второму инверторам, входы которых объединены и через выпрямитель подключены к сети или к нагрузке. Синхронизирующие входы систем управления первым и вторым инверторами подключены к сети, а их управляющие входы соответственно к выходу датчика реактивной мощности сети и к выходу вычитателя. Входы вычитателя соответственно подключены к блоку задающего сигнала и выходу датчика напряжения.

Устройство обеспечивает полную компенсацию входной реактивной мощности и стабилизацию действующего значения выходного напряжения независимо от внешней характеристики сети, а также от величины и характера нагрузки.

Однако и оно имеет недостатки, к которым прежде всего следует отнести необходимость применения специальных трансформаторов, требующих опытно-конструкторской проработки, а также большой вес, габариты и установленная мощность трансформаторов, что удорожает как разработку, так и производство таких устройств. Указанные недостатки вызваны двумя обстоятельствами. Во-первых, эти трансформаторы при быстром регулировании реактивной мощности и действующего значения выходного напряжения склонны к одностороннему подмагничиванию вследствие большого размаха фазы выходного напряжения первого и второго инверторов и для исключения насыщения при требуемом быстродействии требуют применения магнитопроводов с расчетной индукцией заниженной примерно на 20-25% т.е. следующего габарита из стандартного ряда. Во-вторых, в устройстве применены два трансформатора.

Цель изобретения улучшение массогабаритных показателей и снижение установленной мощности трансформаторного оборудования и, как следствие, уменьшение стоимости устройства при сохранении быстродействия и функциональных возможностей.

Цель достигается тем, что другие выводы первичной обмотки трансформатора подключены к сети и в качестве выпрямителя применен реверсивный выпрямитель, в состав которого входят вентильный блок, выходной индуктивно-емкостный фильтр и синхронизированная с напряжением на выходных зажимах выпрямителя система импульсно-фазового управления, причем управляющий вход системы импульсно-фазового управления подключен к выходу датчика реактивной мощности (реактивного тока) сети.

Преимуществом устройства является то, что, сохраняя быстродействие, оно требует меньших затрат на трансформаторное оборудование как при проектировании, так и при производстве. В нем может быть применен широко распространенный сухой преобразовательный трансформатор защищенного или незащищенного исполнения с коэффициентом трансформации, равным 1/ 1/, при котором устройство обеспечивает полную компенсацию среднестатистического значения коэффициента мощности пром- и агропромпредприятий. В предлагаемом устройстве высвобождается один инвертор и возможно применение стандартного рекуперативного тиристорного преобразователя со звеном постоянного тока, что также относится к снижению затрат на такие изделия. За счет изменения в устройстве способа амплитудно-фазового формирования напряжения вольтодобавки устраняется подмагничивание трансформатора и уменьшается его установленная мощность и, как следствие, улучшаются массогабаритные показатели устройства в целом.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема силовой части трансформаторно- тиристорного компенсатора реактивной мощности; на фиг. 2 и 3 векторные диаграммы режимов работы компенсатора.

Компенсатор содержит трансформатор 1, инвертор 2 с синхронизированной с сетью системой 3 управления, реверсивный выпрямитель 4, в состав которого входят вентильный блок 5, выходной индуктивно-емкостный фильтр 6 и синхронизированная с напряжением на входных зажимах выпрямителя система 7 импульсно-фазового управления. Кроме того, компенсатор содержит датчик 8 реактивной мощности или тока сети, датчик 9 напряжения нагрузки, вычитатель 10 и нагрузку 11.

На фиг. 2 и 3 , и соответственно напряжения сети, нагрузки и инвертора; , и соответственно токи потребления сети, нагрузки и выпрямителя; ϕ₁ и ϕ₂ углы между током и напряжением соответственно сети и нагрузки; α_в и α_и углы управления тиристорами соответственно выпрямителя и инвертора; К_т коэффициент трансформации.

Трансформаторно-тиристорный компенсатор реактивной мощности работает следующим образом.

Выходное напряжение компенсатора формируется из напряжения сети и напряжения инвертора 2 регулируемого по величине и фазе соответственно углами α_в и α_и Напряжение на выходе инвертора 2 = K_в·K_и·U₁·F(α_в) (1) где F( α_в) передаточная функция реверсивного выпрямителя 4; К_в и К_п коэффициенты передачи напряжения соответственно выпрямителя 4 и инвертора 2.

При помощи трансформатора 1 выходное напряжение инвертора 2 уменьшается в коэффициент трансформации К_т раз и прибавляется к напряжению сети В результате этого выражение для напряжения нагрузки 11 имеет вид =+K_т·K_п·U₁·F(α_в)e- (2) где сопротивление короткого замыкания трансформатора; K_п=K_в˙K_и коэффициент передачи напряжения тиристорного преобразователя со звеном постоянного тока.

Имея в ввиду, что для мостовых схем выпрямителя и инвертора с одинаковым числом фаз K_п ≈ 1, получают =U1+K_т·F(α_в)e- Из выражения (2) и векторных диаграмм (фиг. 2 и 3) видно, что модуль и аргумент вектора напряжения нагрузки можно регулировать изменением углов управления выпрямителем α_в и инвертором α_и В компенсаторе изменение угла α_в осуществляется в функции отклонения реактивной мощности сети от нулевого уровня, а изменение угла α_и в функции отклонения напряжения нагрузки от заданного уровня, например, равного минимальному напряжению сети. При активно-индуктивной нагрузке и потреблении (генерации) компенсатором реактивной мощности сигнал с выхода датчика 8 реактивной мощности (тока) сети поступает на управляющий вход системы 7 импульсно-фазового управления реверсивным выпрямителем 4 и, уменьшая (увеличивая) угол управления реверсивного выпрямителя α_в осуществляет увеличение (уменьшение) действующего значения выходного напряжения инвертора и соответственно увеличивая (уменьшая) фазу вектора выходного напряжения , опережающего вектор напряжения сети . При этом датчик 9 напряжения, осуществляя контроль за изменением напряжения нагрузки 11, подает сигнал обратной связи на первый вход вычитателя 10, характеризующего уменьшаемое, на второй вход которого, характеризующего вычитаемое, подается сигнал, пропорциональный заданному значению напряжения нагрузки, например соответствующему номинальному напряжению сети. Разность этих сигналов с выхода вычитателя 10 подается на управляющий вход системы 3 управления инвертором 2, которая, изменяя угол управления тиристорами инвертора 2 α_и осуществляет регулирование фазы выходного напряжения инвертора 2 и действующего значения выходного напряжения . В результате такого амплитудно-фазового воздействия на выходное напряжение инвертора 2 вектор этого напряжения так формирует свой модуль и аргумент, и что вектор напряжения нагрузки 11 . является радиусом заданной окружности.

При активно-емкостной нагрузке компенсатор работает аналогично, но при этом формирование выходного напряжения инвертора 2 осуществляется в области отставания этого напряжения от напряжения сети.

В процессе стабилизации выходного напряжения при пониженном (повышенном) значении напряжения сети относительно заданного, например номинального значения, реверсивный выпрямитель 4 работает в выпрямительном (инверторном) режиме, обеспечивая трансформатору 1 и всему устройству работу в режиме вольтодобавки (вольтовычета) с потреблением дополнительной энергии из сети (с рекуперацией энергии в сеть).

На время процесса перехода реверсивного выпрямителя 4 из выпрямительного режима в инверторный режим и наоборот энергия, поступающая в звено постоянного тока, накапливается в фильтре 6 и далее в режиме вольтодобавки разряжается через инвертор 2 и трансформатор 1 на нагрузку 11, в режиме вольтовычета через реверсивный выпрямитель 4 возвращается в сеть.

Использование компенсатора позволяет осуществлять полную компенсацию реактивной мощности в различных системах переменного тока с обеспечением заданной стабильности действующего значения выходного напряжения независимо от жесткости внешней характеристики сети, а также от величины и характера нагрузки.

Формула изобретения

ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, содержащий выпрямитель с входными зажимами, подключенными к сети или нагрузке, инвертор с синхронизированной с сетью системой управления, трансформатор с первичной обмоткой, подключенной одними выводами к нагрузке и вторичной обмоткой соединенной в звезду и подключенной к выходу инвертора, вычитатель, датчик реактивной составляющей тока или мощности сети, в состав которого входят два однофазных трансформатора тока с первичными обмотками, включенными в разрыв двух фаз сети, датчик напряжения нагрузки, выход которого подключен к первому входу вычитания, характеризующему уменьшаемое, а его второй вход, характеризующий вычитаемое, подключен к задающему сигналу, выход, характеризующий разность, - к управляющему входу системы управления инвертором, отличающийся тем, что другие выводы первичной обмотки трансформатора подключены к сети, в качестве выпрямителя применен реверсивный выпрямитель, в состав которого входит вентильный блок с синхронизированной с напряжением на входных зажимах выпрямителя системой импульсно-фазового управления и введен индуктивно-емкостный фильтр, включенный между выходом выпрямителя и входом инвертора, причем управляющий вход системы импульсно-фазового управления реверсивным выпрямителем подключен к выходу датчика реактивной составляющей тока или мощности сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3