Компенсатор реактивной мощности

 

Изобретение предназначено для быстродействующей компенсации реактивной мощности сети и стабилизации напряжения нагрузки при работе в условиях мягких сетей и резкопеременной промышленной нагрузки. Компенсатор содержит датчик реактивной мощности сети, датчик отклонения напряжения нагрузки, трансформатор, два инвертора с общим для них фильтром и реверсивный выпрямитель. Инверторы управляются системой управления, обеспечивающей регулирование их фаз соответственно на углы α+β и π-α+β относительно напряжения сети. Регулирование α производится в функции реактивной мощности сети, а регулирование β в функции отклонения напряжения нагрузки. Технический результат - улучшение массогабаритных показателей и повышение быстродействия. 3 ил.

Изобретение относится к энергетической электронике, в частности к устройствам повышения качества и эффективности использования электроэнергии, и может быть использовано в системах электроснабжения промышленных предприятий.

Известен Компенсатор реактивной мощности (Патент РФ N 1793514 от 15.11.93, кл. H 02 J 3/18), который взят за прототип. Он содержит два трехфазных трансформатора с последовательно соединенными первичными обмотками, включенными в цепь нагрузки, и два трехфазных инвертора, объединенные входы которых через трехфазный выпрямитель подключены к сети, нагрузке или дополнительной сети. Выходы первого и второго инверторов соответственно подключены к первичным обмоткам соответственно первого и второго трехфазных трансформаторов. Управление фазой выходного напряжения одного из инверторов производится в функции отклонений входной реактивной мощности от нулевого уровня, а управление фазой другого инвертора - в функции отклонения выходного напряжения от заданного, например номинального, уровня.

К недостаткам устройства следует отнести большой вес и габариты трансформаторного оборудования и сравнительно невысокое быстродействие. Они вызваны тем, что в устройстве два трансформатора и суммирование двух добавочных напряжений, сформированных инверторами, производится после трансформации.

Задачей изобретения является улучшение массогабаритных показателей и повышение быстродействия.

В результате решения поставленной задачи уменьшен диапазон регулирования фазы во вторичной цепи трансформатора и, следовательно, подмагничивающее действие инверторов на магнитопровод. Это позволило повысить скорость изменения фазы и быстродействие устройства, а также вместо двух трехфазных трансформаторов применить один.

Решение поставленной задачи достигается тем, что одни выводы вторичной обмотки трехфазного трансформатора подключены к выходу второго трехфазного инвертора, а другие выводы его первичной обмотки подключены к сети, причем трехфазный выпрямитель выполнен с двухсторонним обменом энергии и между его выходом и объединенными входами инверторов включен индуктивно - емкостной фильтр, а также введена общая для инверторов система управления, синхронизирующий вход которой через блок регулирования фазы β синхроимпульсов подключен к сети, а первый и второй ее выходы соответственно подключены к первому и второму трехфазным инверторам, обеспечивая регулирование фазы выходного напряжения первого трехфазного инвертора на угол α+β , а второго на угол π-α+β при изменении α относительно β и изменении β относительно напряжения сети в диапазоне от 0 до π рад, при этом управляющий вход системы управления инверторами подключен к выходу датчика реактивной мощности сети, а управляющий вход блока регулирования фазы синхроимпульсов подключен к выходу датчика, отклонения напряжения нагрузки.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, на фиг.2 - схемы замещения, а на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия компенсатора реактивной мощности.

Устройство (фиг. 1) содержит трехфазную сеть 1 и трехфазную нагрузку 2. трехфазный трансформатор 3, два трехфазных инвертора 4 и 5 с общей для них системой управления 6 и блоком 7 регулирования фазы синхроимпульсов, трехфазный выпрямитель 8 с двухсторонним обменом энергии, индуктивно-емкостной фильтр 9, датчик реактивной мощности сети 10 и датчик отклонения напряжения нагрузки 11.

Элементы схемы соединены следующим образом.

Первичная обмотка трехфазного трансформатора 3 включена между сетью 1 и нагрузкой 2, а его вторичная обмотка между выходами первого 4 и второго 5 трехфазных инверторов, объединенные входы которых через фильтр 9 и трехфазный выпрямитель 8 подключены к нагрузке (или другому трехфазному источнику напряжения). Синхронизирующий вход системы управления 6 инверторами 4 и 5 через блок 7 регулирования фазы синхроимпульсов подключен к сети, а ее управляющий вход - к выходу датчика 10 реактивной мощности сети 1, в то время как управляющий вход блока 7 регулирования фазы синхроимпульсов подключен к датчику 11 отклонения напряжения нагрузки 2.

Система управления 6 выполняет функцию сдвига по фазе управляющих импульсов на первом и втором ее выходах соответственно на углы α и π-α относительно начальной фазы β , регулируемой относительно напряжения сети посредством блока 7.

Компенсатор реактивной мощности работает следующим образом.

Первый и второй трехфазные инверторы 4 и 5 преобразовывают выпрямленное напряжение в два переменных напряжения. Вектора первых гармоник этих напряжений сдвинуты относительно напряжения сети на общую начальную фазу β , относительно которой один из этих векторов регулируется по фазе на угол α , а другой на угол π-α Вследствие того, что инверторы 4 и 5 подключены к вторичным обмоткам трансформатора 3 с обеих сторон, к ней прикладывается разность выходных напряжений инверторов или сумма комплексно-сопряженных векторов с фазой α, изображенных на комплексной плоскости, повернутой относительно напряжения сети на угол β С учетом преобразований Эйлера, напряжение, на вторичной обмотке трансформатора 3 и его приведенное к цепи нагрузки значение

где к_т - коэффициент трансформации.

Дальнейшие приведения всех параметров вторичной цепи к первичной (по аналогии с заторможенной машиной двойного питания с нагрузкой в цепи статора [4] ), позволяют составить схему замещения компенсатора реактивной мощности (фиг. 2, а) и, в пренебрежении током намагничивания ее упрощенный вариант (фиг. 2, б), по которому с достаточной точностью определяют напряжение на нагрузке 2

где - сопротивление короткого замыкания трансформатора.

Из последнего выражения и векторных диаграмм (фиг. 3) видно, что амплитуду и фазу вектора можно регулировать, изменениям α и β . В частности, регулирование только амплитуды вверх и вниз относительно производится изменением α от 0 до π рад и при β, равном 0 или π рад, а регулирование фазы также изменением α, но при значении β, примерно равном π/2 рад, при этом опережающее регулирование относительно производится изменением α от 0 до π/2 рад, а отстающее от π/2 до π рад. В заявляемом устройстве изменение α производится в функции отклонения от нуля реактивной мощности сети 1, а изменение β в функции отклонения от заданного уровня напряжения нагрузки 2.

При активно-индуктивной нагрузке и потреблении (генерации) компенсатором реактивной мощности сигнал с выхода датчика 10 реактивной мощности сети 1 поступает на управляющий вход системы управления 6 инверторами 4 и 5 и уменьшая (увеличивая) угол управления α относительно начальной фазы β , осуществляет увеличение (уменьшение) действующего значения добавочного напряжения и соответственно увеличение (уменьшение) фазы вектора выходного напряжения , опережающего вектор напряжения сети . При этом датчик 11 отклонения напряжения нагрузки и подает сигнал на управляющий вход блока 7 регулирования фазы синхроимпульсов, который, изменяя относительно напряжения сети угол β , осуществляет регулирование фазы добавочного напряжения и действующего значения выходного напряжения . В результате такого амплитудно-фазового воздействия на выходные напряжения первого и второго трехфазных инверторов 4 и 5 вектор добавочного напряжения так формирует свой модуль и аргумент, что вектор напряжения нагрузки 2 является радиусом заданной окружности.

При активно-емкостной нагрузке компенсатор работает аналогично, но при этом формирование выходного напряжения устройства осуществляется в области отставания относительно напряжения сети.

В процессе стабилизации выходного напряжения при пониженном (повышенном) значении напряжения сети относительно заданного, например, номинального значения, выпрямитель 8 с двухсторонним обменом энергии работает в выпрямительном (инверторном) режиме, обеспечивая трансформатору 3 и всему устройству работу в режиме вольтодобавки (вольтовычета) с потреблением дополнительной энергии из сети (с рекуперацией энергии в сеть).

На время процесса перехода трехфазного выпрямителя 8 из выпрямительного режима в инверторный режим и наоборот энергия, поступающая в звено постоянного напряжения (или тока), накапливается в фильтре 9 и далее в режиме вольтодобавки разряжается через инверторы 4 и 5 и трансформатор и на нагрузку 2, а в режиме вольтовычета через выпрямитель 8 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.

Источники информации
1. Патент ФРГ N 2531518, кл. H 02 J 3/18, 1974 - аналог.

2. Заявка Японии N 62-184512, кл. H 02 J 3/12. 1987 - аналог.

3. Патент Российской Федерации N 1793514, кл. H 02 J 3/18. 1993 - прототип.

4. Климаш B.C. Вольтодобавочный трансформатор с тиристорным управлением как машина двойного питания. В межвуз. сб. трудов "Теория и расчет эл. оборудования", Хабаровск. ХПИ, 1987, с. п.114-118.

Формула изобретения

Компенсатор реактивной мощности, содержащий трехфазный трансформатор с первичной и вторичными обмотками, трехфазный выпрямитель, вход которого подключен к нагрузке или другому трехфазному источнику напряжения, и два трехфазных инвертора с объединенными входами, а также датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, при этом одни выводы первичной обмотки трехфазного трансформатора подключены к нагрузке, а другие выводы ее вторичной обмотки подключены к выходу первого трехфазного инвертора, отличающийся тем, что одни выводы вторичной обмотки трехфазного трансформатора подключены к выходу второго трехфазного инвертора, а другие выводы его первичной обмотки подключены к сети, причем трехфазный выпрямитель выполнен с двухсторонним обменом энергией и между его выходом и объединенными входами трехфазных инверторов включен индуктивно-емкостной фильтр, а также введена общая для трехфазных инверторов система управления, синхронизирующий вход которой через блок регулирования фазы синхроимпульсов подключен к сети, первый и второй ее выходы соответственно подключены к первому и второму трехфазным инверторам, обеспечивая регулирование фазы выходного напряжения первого трехфазного инвертора на угол α+β, а второго на угол π-α+β при изменении α и β в диапазоне от 0 до π рад., где α - фаза управляющих импульсов относительно синхроимпульсов и β - фаза синхроимпульсов относительно напряжения сети, при этом управляющий вход системы управления трехфазными инверторами подключен к выходу датчика реактивной мощности сети, а управляющий вход блока регулирования фазы синхроимпульсов подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3