Устройство для автоматического симметрирования несимметричных нагрузок в трехфазных трехпроводных системах

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО СИММЕТРИРОВАНИЯ НЕСИММЕТРИЧНЫХ НАГРУЗОК В ТРЕХФАЗНЫХ ТРЕХПРОВОДНЫХ СИСТЕМАХ; содержащее датчик линейных токов, датчик линейных напряжений, два двухвходовых множительных элемента , первые входы которых соединены соответственно с двумя выходами датчика линейных токов, а вторые входы - с двумя первыми выходами датчика линейных напряжений, двухвходовый сумматор, входы которого соединены с выходами множительных элементов, а также исполнительный орган, выполненный на регулируемых многосекционных конденсаторных батареях, соединенных в треугольник, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью упрощения и повышения надёжности, оно дополнительно снабжено тремя удвоителями частоты, схемой фиксации нуля, трехканальным коммутатором фаз, состоящим из трех триггеров задержки, и делительным элементом, причем входы датчиков линейных токов и напряжений подключены к фазам питающей сети между выходными зажимами исполнительного органа и выводами нагрузки , вход каждого из удвоителей час§ тоты подсоединен к соответствуннцему выходу датчика линейных напряжений, (О а выход - к одному из первых трех входов трехканального коммутатора фаз, четвертый вход которого соеди нен с выходом схемы фиксации нуля, вход последней подключен к выходу двухканального сумматора и входу делительного элемента, а выходы трехканального коммутатора фаз и делительного элемента служат для подклюсо чения к входам исполнительного ор о со гана. 4 оо

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(51) Н 02 7 3/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3639719/24-07 (22) 31.08,83 (46) 23.12.84. Бюл. Р 47 (72) A.K,Øèäëoâñêèé, И,В,Мостовяк, Г.A,Ìîñêàëåíêo, В.A.Íîâñêèé, Н.Н.Каплычный, A.Â.Çoùåíêo и A.Н.Яровой (71) Институт электродинамики AH Украинской CCP (53) 623..316.761.2 (088.8! (56) 1.Авторское свидетельство СССР

Р 488281, кл. Н 02 J 3/26, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 570150, кл. Н 02 J 3/26, 1976.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 964853, .кл. Н 02 ) 3/26, 1981. (54)(57) УСТРОИСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО СИММЕТРИРОВАНИЯ НЕСИММЕТРИЧНЫХ

НАГРУЗОК В ТРЕХФАЗНЫХ ТРЕХПРОВОДНЫХ

СИСТЕМАХ, содержащее датчик линейных токов, датчик линейных напряжений, два двухвходовых множительных элемента, первые входы которых соединены соответственно с двумя выходами датчика линейных токов, а вторые входы — с двумя первыми выходами датчика линейных напряжений, двухвходовый. сумматор, входы которого соединены с выходами множительных элементов, "

„„SU„„11 А а также исполнительный орган, выполненный на регулируемых многосекционных конденсаторных батареях, соединенных в треугольник, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения и повышения надежности, оно дополнительно снабжено тремя удвоителями частоты, схемой Фиксации нуля, трехканальным коммутатором фаз, состоящим из трех триггеров задержки, и делительным элементом, причем входы датчиков линейных токов и напряжений подключены к фазам питающей сети между выходными зажимами исполнительного органа и выводами нагрузки, вход каждого иэ удвоителей частоты подсоединен к соответствующему выходу датчика линейных напряжений, а выход - к одному из первых трех входов трехканального коммутатора фаз,.четвертый вход которого соеди" нен с выходом схемы фиксации нуля, вход последней подключен к выходу двухканального сумматора и входу делительного элемента, а выходы трехканального коммутатора фаз и делительного элемента служат для подключения к входам исполнительного ор" гана.

1130948

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для комплексного повышения качества электрической энергии в трехфаэных системах с изолированной нейтралью, а именно для автоматического симметрирования режима, снижения уровня высших гармоник, в распределительных сетях с мощнйми несимметричными нагрузками, параметры которых изменяются в широких пределах.

Известны устройства для бесконтактной коммутации секций конденсаторных батарей (КБ), которые используются для стабилизации работы электрических сетей, питающих сим- 15 метричную и несимметричную нагрузки, а также для компенсации реактивной мощности сети (1 j.

Недостатками этих устройств явля- ются низкие быстродействие и регули- g0 рующая способность, невысокая точность °

Известны устройства с контактным регулированием реактивных симметрируемых элементов (KS и реакторов, которые осуществляют приемлемое симметрирование изменяющихся однофазных нагрузок и компенсацию реактивной мощности (23.

Недостатками таких устройств яв- 30 ляются невысокая точность симметрирования, низкие быстродействия и надежность силовой схемы,.а также сложность системы управления.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для симметрирования несимметричных нагрузок в трехфазных трехпроводных системах, содержащее датчик линейных токов, датчик линейных напряжений, два двухвходовых мно- 40 жительных элемента, первые входй"которых соединены соответственно с двумя выходами датчика линейных токов, а вторые входы — с двумя первыми выходами датчика линейных напря- 45 жений, двухвходовый сумматор, входы которого соединены с выходами множительных элементов, а также исполнительный орган, выполненный на регулируемых конденсаторных батареях, соединенных в треугольник (3 ).

Схема известного устройства представляет собой замкнутую систему авторегулирования, т.е. измеряемая в этом случае пульсирующая мощность, определяемая любым из приведенных в описании выражений, является суммарной пульсирующей мощностью N узла сети, обусловленной как нагрузкой (Й„), так и симметрирующими элементами устройства (Й ), а не одной 60 лишь нагрузкой ° Укаэанное обстоятельство усложняет устроФгтво,, так как принципиально. необходимо введение цепи обратной связи, включающей орган сравнения, который непрерывно 65 должен осуществлять вычитание сигналов, пропорциональных величинам суммарной пульсирующей мощности N узла сети и пульсирующей мощности нагрузки N или симметрирующих элементов

N устройства. В связи с этим устройство имеет низкую надежность.

Цель изобретения — упрощение и повышение надежности.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для автоматического симметрирования несимметричных нагрузок в трехфазных трехпроводных системах, содержащее датчик линейных токов, датчик линейных напряжений, два двухвходовых множительных эле.— мента, первые входы которых соединены соответственно с двумя выходами датчика линейных токов, а вторые входы — c двумя первыми выходами датчика линейных напряжений, двухвходовый сумматор, входы которого соединены с выходами множительных элементов, а также исполнительный орган, выполненный на регулируемых . многосекционных конденсаторных батареях,.соединенных в треугольник, дополнительно снабжено тремя удвоителями частоты, схемой фиксации .нуля, трехканальным коммутатором фаз, состоящим из трех триггеров задержки, и делительным элементом, причем входы датчиков линейных токов и напряжений подключены к фазам питающей сети между выходными зажимами исполнительного органа и выводами нагрузки, вход .каждого из удвоителей частоты подсоединен к соответствующему выходу датчика линейных напряжений, а выход - к одному иэ первых трех входов трехканального коммутатора фаз, четвертый вход которого соединен с выходом схемы фиксации нуля, вход последней подключен к выходу двухвходового сумматора и вхо— ду делительного элемента, а выходы трехканального коммутатора фаз и делительного элемента служат для подключения к входам исполнительного органа, Сущность изобретения заключается в том, что при различных соотношениях величин нагрузки и изменении ее фазного угла Ч в диапазоне от 0 н до 2Т, вектор пульсирующей мощности

NÄ несимметричной нагрузки, занимающйй произвольное положение на комплексной плоскости, может быть полностью или частично (с допустимой степенью точности)(скомпенсирован с помощью чисто емкостных элементов (tB), включаемых на различные линейные напряжения сети. В этом случае при равенстве мощностей каждой секции КБ и одинаковом количестве секций КБ С„,;С„, С„, подключаемых к линейным напряженйям 0, u2 соответственно, можно получить шесть

1130948 фиксированных значений компенсирующего вектора N «:

I .4б

,2, g +,2, Й,2, +N

12 ., 23 gy 2g 1

Й, +Й, З1 л

При этом векторы Й„; равны между собой по модулю, их начальные фазы сдвинуты относительно друг друга на

Tt/3, а вся область 0-2й изменение аргумента М„; вектора пульсирующей мощности Й„ нагрузки делится на шесть равных диапазонов (секторов).

Устройство на основе получаемой иэ сети информации (линейные, напряжения и токи нагрузки) с помощью приведенного ниже алгоритма позволяет однозначно определить принадлежность вектора пульсирующей мощности N нагрузки одному из шести диапазонов (секторов) и обеспечить тем самым включечие такой комбинации КБ, кото рой соответствует компенсирующий век тор пульсирующей мощности Й, находящейся в противофазе с вектором „ и равный ему по величине. В данном случае автоматическое регулирование параметрами симметрирующих элементов (КБ) ведется по разомкнутой схеме, что способствует упрощению устройства и повышению надежности процесса симметрирования нагрузки °

Оптимальная компенсация вектора пульсирующей мощности нагрузки осуществляется при частичном симметрировании нагрузки в соответствии с .таблицей переключения конденсаторных батарей (K8J в зависимости от изменения аргумента Ч „ .

Пульсирующая мощность изменяется с двойной частотой сети (м = 2 мс), т.е, полный оборот вектора пульсирующей мощности соответствует полупериоду изменения вектора линейного напряжения сети основной частоты (ы„ = и ). Это обстоятельство, а также тот факт, что пульсирующая мощность взаимосвязана с появлением токов и напряжений обратной последовательности в неуравновешенной трехфазной системе, позволяют разработать на оснований таблицы простой и удобный алгоритм управления КБ, т.е. их переключения в зависимости от изменения аргумента М„ вектора пульсирующей мощности нагрузки ц„.

Принцип алгоритма основывается на том, что моменты подключення КБ С, С2 и С, при минимизации суммарной пульсирующей мощности нагрузочного узла сети N совпадают во времени с положительными полуволнами линейных нагряжений О„ . удвоенной частоты сети при следующем соответствии:

12 и 23 31 31 указанное соответствие положитель ности линейных напряжений 1 „ удвоенной частоты, имеющих обратный порядок чередования фаз, является лишь необходимым условием реализации алгоритма переключения КБ. Достаточным же условием однозначного соответствия положительности линейных напряжений ц„ („ = 2ш ) требуемой:(истинной ))комбинации включения КБ в текущий момент времени является соответствие момента перехода через нулевое

10 значение кривой пульсирующей мощности n„(t) нагрузки из Области ее отрицательных значений в положительную область, т.е. момента формирования положительной полуволны синусои)5 ды пульсирующей мощности п„(t) нагрузки — положительным полуволнам линейных напряжений Н„ двойной частоты сети.

На фиг.1 представлена совмещенная векторная диаграмма пульсирующих мощностей Й„; и Й ;, а также линейных напряжений U„,èçìåíÿåìûõ с удвоенной частотой (м„ = 7ю j сети, отсчет аргументов ведется в отрицательном направлении от вектора 0„ напряжения в фазе 1; на фиг.2 — функциональная схема предложенного устройства; на фиг.3 — временные диаграммы, поясняющие принцип работы основных узлов предложенного устрой30 ства, Из рассмотрения совмещенных век« торных диаграмм (йиг.1) следует, что, например, для вектора Й „, компенсирующим Й„, является вектор Й,, З5 а для вектора Й„ — вектор Й„(йд +Й2

2 31 23

Заштрихованные область БЙ „ — для

Л/3 > н, 0 и область Ь Nyg — для

4л/3 4 н2 и указывают на то, что данному диапазону изменения аРРу40 мента „„(» „ ) пульсирующей мощности нагрузки соответствует компенсиРующий вектор N g „г(ЧаЭ„+Г! цг ) °

Схема устройства (фиг Лf содержит фазы 1-3 сети, несимметричную

45 нагрузку 4, датчик 5 линейных токов, датчик б линейных напряжений, двухвходовые множительные элементы 7 и 8, двухвходовый сумматор 9 с инвертированием, схему 10 фиксации нуля, делительный элемент 11, удвоители 12-14 частоты, трехканальный коммутатор 15 фаз, триггеры 16-18 задержки, исполнительный орган 19, конденсаторные батареи 20-20, 21-21 и 22-22, силовые тиристорные выключатели 23-23, 24-24 и 25-25 °

Устройство работает следующим образом.

Входными параметрами устройства являются векторы линейных токов

60 и напряжений U„ нагрузочного узла сети. С помощью множительных элементов 7 и 8 и сумматора 9 с инвертированием формируется сигнал, пропорциональный пульсирующей мощности на65 груэки Й„ °

1130948

Гхема 10 фиксации нуля предназна-чена для формирования последовательности импульсов малой длительности (iz 4 5 мкс), передние фронты которых совпадают с "положительным переходом" через нулевое значение синусоиды пульсирующей мощности пн(С) нагрузки, т.е. Фиксируют момент обра" зования положительной полуволны синусоиды n„(t). Для получения именно

100 герцовой и неискаженной синусоидальной кривой п в датчиках 5 и 6 предусмотрены фильтры основной частоты сети.

Делительный элемент 11 предназначен для деления непрерывно изменяю-15 щегося во времени сигнала, пропорционального пульсирующей мощности

tN I на величину уставки напряжения, которая пропорциональна заданной пульсирующей мощности ьИ„.(n„,) одной 2О секции КБ ЬС1), т„е. на выходах 11 устанавливается код числа, равного количеству ш секций КБ (т=И„/ьБ„ ), которые необходимо подключить в текущий момент времени на одно или 25 два.требуемые линейные напряжения сети для достижения минимальной величины остаточной пульсирующей мощнос. ти ° Кроме того, делительный эле-. мент 11 фиксирует изменение величины пульсирующей мощности 5 в том или другом направлении, т.е. определяет момент выхода величины за преде. лы зоны нечувствительности 1ЕИ (EN„ ) при колебайии аргумента У„ в одном и том же секторе ь „ с целью изменения своего выходного кода в сторону повышения или снижения пульсирующей мощности г включением или отключением соответствующих секций КБ.

Удвоители 12-14 частоты служат 40 для формирования из линейных напряжений 0„,, U и И „ импульсов относи э тельно больйой длительности (Т„

10 мс) — меандров напряжений, час« тота повторения Г = 50 Гц,которых 45 и затем умножается в два раза с помощью соответствующей схемы выдержки на появление выходного импульса (r, = 100 Гц), Трехканальный коммутатор 15 фаэ состоит из трех триггеров 16-18 задержки, на инФормационные входы подаются прямоугольные импульсы с выходов удвоителей 12-14 частоты, а на синхровходы — "короткие" синхроимпульсы длительностью „, с выхода схемы 10 фиксации нуля.

Установка каждого триггера 16-18 из "0" в "1" происходит лишь при одновременном поступлении двух " 1" 60 на его информационный и синхрониэирующий входы, т.е. месторасположение синхроимпульса на временной оси в пределах оси в пределах одного периода изменения соответствующего 65 линейного напряжения . 0, двойной час-) тоты сети определяется Фазой вектора пульсирующей мощности . „ нагрузки, т.е. Управляющим параметром данной системы автоуправления. Отсюда следует, что при подаче,синхроимпульса с выхода схемы 10 на триггеры 16-18 трехканального коммутатора 15 фаз устанавливается определенная комбинация выходных "единиц" и

"нулей" этих триггеров, которая одНозначно и определяет принадлежность значения фаэь; М„; одному из шести диапазонов полного периода ее изменения (la+„(= .и/3), т ° е. триггеры 16-18 выполняют функцию элементов памяти, которые Фиксируют полученную комбинацию включения КБ С„.,„

С и Сз, в течение всего периода найряжейия U„ (полупериода основной частоты сети ). Если значение Ч„ находится неизменно в одном и том же диапазоне ь1„ на протяжении определенного интервала времени (при отсутствии резких колебаний фазы 4 н), то и комбинация выходных состояний триггеров будет неизменной в том же интервале времени и переключения последних не будет происходить.

При переходе значения 4 н, в дру.гой сектор (зону нечувствительности по фазе (ь „ ) переключение триггеров 16-18 происходит к течение не более чем за один полупериод напряжения сети. Таким образом, Функцией трехканального коммутатора 15 фаз является непрерывное "слежение" за изменением Фазы Мz» пульсирующей мощности нагрузки, но быстродействующее переключение триггеров 16-18 при колебаниях (случайных или регулярных! фазы У„; вовсе не означает одновременного переключения соответствующих этим триггерам секций КБ (триггеру 16 соответствуют секции КБ 20-20, триггеру 17 — КБ 22-22, триггеру 18

КБ 21-21 для исключения реэкопеременных и случайных колебаний вектора Йдкак по аргументу, так и по модулю, в исполнительном органе 19 предусмотрена соответствующая схема выдержки времени (CBB I на включение КБ с автоматическим сбросом выдержки при недостаточно продолжительных (менее

t ) изменениях 4 „ и IЙ„I от предыдуЭ|45

;щего значения. Кроме того, в исполни тельном органе 19 предусмотрена также схема синхронизации с сетью, необходимая для уменьшения нежелательных переходных процессов в силовой части устройства при включении КБ.

Работа основных узлов схемы устройства поясняется временными диаграммами, представленными на фиг.3, где показаны: а — напряжение U в фазе 1 сети;

1130948

8 б-r — линейные напряжения сети U а И ,U, на выходах датчика 6 линейных напряжений; д-ж — линейные напряжения t1„ удзоенной частоты — U,, U и U

23 31 соответственно, 5

3-к — меандры линейн1-1х напряжений сети q 1.,, д 0.3 и Qtt3I. л-н - меандры линейных напряжений удвоенной частоты:Г 6,52 U %AU.

12 23 % соответственно на выходе удвои- 10 телей 12-14 частоты, о — синусоидальная кривая пульсирующей мощности и„ нагрузки для двух значений Фазы 4 „, (сплошная линия) и 1 „2 (штри- 15 ховая линия), взятых в качест- ве иллюстративного примера, и — синхроимпульсы на выходе схемы 10 Фиксации нуля, р-т — сигналы на выходах тригге- 20 ров 16-18 (состояние триггеров по выходу); у-х — синусоидальные кривые пульсирующих мощностей секций КБ 2022; 25 ц — "результирующая" пульсирующая мощность исполнительного органа 19 для случая компенсации

Й, с начальной фазой 4 „2

Напрймер, как видно из рассмотрения временных диаграмм, при У„1 = только меандр напряжения ц, на эпюре 31. совпадает по положительной полярности (в данный момент времени) с синхроимпульсом (эпюра n), а следовательно, в "1" может установиться только триггер 16 задержки (эпю— ра . ), что соответствует включению (после t«, ) лишь секций КБ C,z (2020 — в зависимости от величины пульсирующей мощности 21„ нагрузки 40 определяется количество данных секций КБ) — диаграмма

Аналогичным образом осуществляется процесс управления секциями КБ и для случая 1 „, = М„2 . При этом 45 (как следует из рассмотрения Фиг.3 штриховые линии на эпюрах 1 на исполнительный орган 19 необходимо подать сигналы управления для включения соответствующих It:R с выходом триггеров 17 и 18 (эпюры с и т1,.которые устанавливаются в "единичное" состояние меандрами 11 3 и д (13, (эпюры м и н ) при гтолаче на нйх синхроимпульсов (эпюра и) с выхода схемы 10 фиксации нуля (триггер 16 находится в нулевом состоянии, по- скольку линейное напряжение О, в этот момент времени отрицательйо I.

Очевидно, что приведенное соответствие одновременной положительности определенных линейных напряжений удвоенной частоты и синхроимпульса с выхода схемы фиксации нуля (необходимые и достаточные условия однозначного соответствияl требуемой 65 комбинации установки триггеров 1618 задержки и тем самки включения секций КБ является справедливым для любых значений „; и весьма просто реализуется указанными аппаратурными средствами. Это нетрудно просле,дить из одновременного рассмотрения временных диаграмм (Фиг.31, совмещенной диаграммы (Фиг.11, а также таблицы включения КБ в зависимости от фазы . пулвсирующей мощности наН1 грузки.

Точность симметрирования режима трехфазной системы в данном случае определяется величиной остаточной пульсирующей мощности. Н „, которая изменяется в диапазоне (Π— - - N

1 к в зависимости от значения М@ . Очевидно, что при 4 Д<= K,2jt/3 (K = О, 1,2,...) N = 0 "полйое" симметрирование 1, в других случаях имеет место частичное симметрирование.

Повышение точности симметрирования при таком методе минимизации пульсирующей мощности нагрузочного узла сети в целом достигается за счет введения специальных, более сложных алгоритмов управления секциями КБ.

Применение схемы данного вида на основе только емкостных симметрирующих элементов наиболее эффективно при групповом подключении к сети ряда однотипных несимметричных нагрузок (установок ЗИП, графитировочныХ печей и т.д. ) и значительных уров нях потребления реактивной мощности. В этом случае устанавливается только одно такое устройство на весь узел электрической сети, к которому подключены указанные нагрузки, что позволяет существенно снизить установленную мощность симметрирующих элементов по сравнению с вариантом индивидуального использования таких устройств с отдельными несимметричными потребителями.

Кроме того, в данном случае симметрирование осуществляется при различных уровнях генерируемой КБ реактивной мощности.

Указанное обстоятельство обуславливает необходимость автоматического управления КБ по двум параметрам: параметру, однозначно определяющему уровень и характер несимметрии трехфазной сети (модулю и фазе вектора пульсирующей мощности 1, и одному из показателей ее режима (величине и направлению реактивной мощности или уровню напряжения в узле нагруэки1.

Таким образом, использование дополнительно введенных элементов выгодно отличает предлагаемое устрой ство от известного. Это обусловлено за счет повышения его эФфективности

1130948

Диапазон n4 „(ш, = 2ш ) Состояние

КБ

VI р 2и 27 . фй. 43 5Т 57 — - у- — Я . Х - - « - - - — — - — 2Г

Включены

С12

Отключены с, с „

23 12 12

12 91

023 практического использования, что особенно важно для создания работосПособного..и надежного устройства, так как предложенный и реализованный на практике с помощью дополнительно симметричных элементов весьма простой алгоритм управления емкостными симметрирующими элементами достоверно определяет требуемую комбинацию включения КБ в зависимости от изменения аргумента P вектора N пульсирующей мощности нагрузки. В ре зультате этого осуществляется взаимокомпенсация векторов пульсирующих мощностей нагрузки и устройства (i"ïoëíoå" или частичное симметрирование ).

Устройство может быть использовано для нормализации показателей качества электрической энергии и обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования в трехфазнйх трехпроводных системах электроснабжения общего и специального назначения при подключении к ним несиммет-. ричных нагрузок (однофазных, двухплечевых, несимметричных трехфаэных и т.д.), которые произвольно изменя-. ются как по величине, так и фазово му углу.

1130948

1130948 !

Ю

Составитель И.Мироиников

Редактор A.IIIàíäoð Техред М. Кузьма Коррек т рр, М.Леонтюк

Заказ 9621/39 Тираж 613 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35 Раушская наб., д, 4/5

Филиал IIIIII "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4