Устройство для компенсации реактивной мощности
Изобретение относится к электротехнике , в частности к устройствам повышения качества электроэнергии и компенсации реактивной мощности в сетях с резкопеременными нагрузками. Цель изобретения - повышение точности и упрощение настройки при резкопеременной нагрузке. Устройство сог держит контур управления тиристорно-реакторной группой компенсатора по возмущению. Контур регулирования со 4
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
„„Я0„„1347118 д 1 (5D 4 Н 02 7 3 18
ОПИСАНИЕ .ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ,-(21) 4078485/24-07 (22) 18 ° 06.86 (46) 23.10.87. Бюл.М- 39 (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт силовых полупроводниковых устройств (72) А.Л.1Нитов и С.Н.Черевань (53) 621.316.761.2(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР
11 1261044, кл. Н 02 7 3/18, 1985.
Патент СССР У 776582, кл. Н 02 J 3/18, 1974.
{54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам повышения качества электроэнергии и компенсации реактивной мощности в сетях с реэкопеременными нагрузками.
Цель изобретения — повышение точно-. сти и упрощение настройки при резкопеременной нагрузке. Устройство со;. держит контур управления тиристорно-реакторной группой компенсатора по возмущению. Контур регулирования
13471 по.реактивной мощности сети и узел коррекции 21 коэффициента передачи (К) первого контура по сигналу второго контура, обеспечивающий автома-тическое поддержание значекия К = 1, Имеется датчик зоны управления 22. блокирующий узел коррекции 21 при
18 черезмерных набросах реактивной мощности нагрузки. Для настройки контура управления с помощью узла коррекции предусматриваются регулируемые резисторы,, потекциометры и светодиоды. 5 ил, 10
1Ü
Изобретение относится к электро-технике, в частнссти к устройствам повышения качества электроэнергии, и может быть использовано для компексации реактивной мощности в сетях с мощными резкопеременными нагрузками промышленных предприятий.
Цель изобретения — повышение точности при одновременном упрощении настройки при резкопеременной нагрузке., На фиг,1 дана блок-схема. предлагаемого устройства; на фиг.2 — схема узла управления; на фиг.3 — схема узла коррекции; на фиг.4 — схема дат-. чика зоны управления; на фиг.5 временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
Устройство состоит иэ компенсатора
1, содержащего подключенные к сети
2 параллельно дуговой электропечи 3 трехфазные силовые фильтры 4, каждый из которых выполнен из цепочек, включенных в звезду и образованных из последовательно соединенных конденсаторов 5 и фильтровых реакторов б, и тиристорно-реакторную группу 7, состоящую из цепочек, соединенных в треугольник и образованных из последовательно соединенных компенсирующих реакторов 8 и встречно-параллельно включенных тиристоров 9, и из регулятора 10, содержащего три датчика ll напряжения сети (трансформаторы напряжения), три датчика 12 тока сети {трансформаторы тока), три датчика 13 тока, каждый иэ кото= рых включен в соответствующую цепь последовательно соединенных компенсирующего реактора 8 и встречно-параллельно включенных тиристоров 9, узел сумматоров 14, состоящий из первого
15, второго 16 и третьего 17 сумматоров, выполненкых ка операционных усилителях, выходы которых являются соответствующими выходами узла сумматоров, а входы подключекь1 к выходам датчиков 12 тока сети и датчикам 13 тока компенсирующих реакторов, первый блок 18 измерения регулируемого параметра, входами подключенный к выходам узла сумматоров 14 и выходам датчиков 11 напряжения сети, второй блок 19 измерения регулируемого параметра, входами подключекньй к выходам датчиков 12 тока сети и к выходам датчиков 11 напряжения сети, блок 20 управления, блок 21 коррекции и датчик 22 эоны управления.
Блок 20 управления (фиг.2) содержит каналы 23 — 25, каждый из которых состоит из первого 26 и второго
27 выходных каскадов, распределителя
28 импульсов, состоящего иэ первого
29 и второго 30 элементов И-НЕ, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами распределителя.импульсов, нуль-органа
31, выполненного на компараторе, выходом подключенного к первому неинверсному входу первого 29 .и к первому инверсному вхсду второго 30 элементов И-НЕ> вторые неинверсные входы которых образуют первый вход распределителя импульсов, икерционного RC-звена 32 (выполнен на резисторе и конденсаторе), соединяющего второй вход распределителя импульсов с входом куль-органа 31, из схемы
33 сравнения и формирования импульcGB> содержащей одновибратор 34, выход которого является выходом схемы сравнения и формирования импульсов, элемент И-НЕ 35, выходом подключенный к входу одновибратора 34, компаратор 36, выходом подключенный к вто1347118
20
35
50 рому неинверсному входу элемента
И-НЕ 35, первый инверсный вход которого является третьим входом схемы сравнения и формирования импульсов, сумматор 37, выход которого подключен к неинверсному входу компаратора
36 и является первым дополнительным выходом канала блока управления, амплитудный детектор 38, вход которого соединен с инвертирующим входом компаратора 36 и образует первый вход схемы сравнения.и формирования импульсов, а выходом соединен с вторым дополнительным выходом канала блока 15 управления и с первым входом сумматора 37, второй вход которого является вторым входом схемы сравнения и формирования импульсов и сигнальным входом канала блока управления, из генератора 39 функций, включающего суммирующий интегратор 40 с установкой начального значения, выполненный на операционном усилителе 41, выход которого является выходом суммирующего интегратора и выходом генератора функций, с параллельно соединенными конденсатором 42 и ключом 43 в отрицательной обратной связи, с резисторами 44 на инвертирующем входе и с источником 45 опорного напряжения на инвертирующем входе, и ключи 46, каждый из которых соединяет вход задания амплитуды генератора функций с соответствующим входом суммирующего интегратора 40, причем управляющие входы ключей 46 являются управляющими входами генератора функций и выход источника опорного напряжения является третьим дополнительным входом канала блока управления, из синхронизатора 47, выполненного в виде линейного дешифратора 48, первые восемь выходов которого являются выходами синхронизатора, пятиразрядного двоичного счетчика 49, выходами четырех первых разрядов подключенного к выходам линейного дешифратора
48, и схемы 50 фазовой автоподстройки частоты, у которой вход является входом синхронизатора и в обратной связи счетным входом и выходом пятого разряда включен двоичный счетчик 49, причем вход синхронизатора
47 и вход распределителя 28 импуль сов соединены между собой и образуют вход синхронизации канала блока управления, выходы синхронизатора 47 соединены соответственно с управляющими входами генератора 39 функций, выход четвертого разряда двоичного счетчика 49 синхронизатора 47 соединен с управляющим входом ключа 43 многовходового интегратора 40 с установкой начального значения в генераторе 39 функций и с третьим входом схемы 33 сравнения и формирования импульсов, вход задания амплитуды генератора 39 функций является входом регулировки коэффициента усиления канала блока управления, выход генератора 39 функций соединен с первым входом схемы 33 сравнения и формирования импульсов, выход схемы 33 сравнения и формирования импульсов соединен с первым входом распределителя 28 импульсов, первый и второй выходы которого соединены через первый 26 и второй 27 соответственно выходные каскады с соответствующими основными выходами канала блока управления.
Блок 21 коррекции (фиг.3) содержит канал 51, канал 52 и канал 53, каждый из которых состоит из сумматора 54, вход которого является выходом канала блока коррекции, из первого 55 и второго 56 потенциометров, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора
54, из источника 57 опорного напряжения, выходом подключенного к второму потенциометру 56, из нуль-индикатора 58, выполненного в виде встречно-параллельно включенных светодиодов 59 и 60, подключенных через бал ластный резистор 61 к выходу нульиндикатора, из ключа 62, управляющий вход которого является входом блокировки канала блока коррекции, и из инвертирующего интегратора 63, выполненного на операционном усилителе 64 с конденсатором 65 в отрицательной обратной связи и с регулируемым резистором 66.на инвертирующем входе, при этом инвертирующий интегратор 63 входом подключен через ключ 62 к сигнальному входу канала блока коррекции, а выходом подключен к входу нуль-индикатора 58 и первому потенциометру 55.
Датчик 22 зоны управления (фиг.4) содержит каналы 67 — 69, каждый из которых содержит двухпороговый элемент 70, выход которого является выходом канала датчика эоны управления, а сигнальный вход — сигнальным.347118 входом канала датчика зоны управления, делитель 71 напряжения в виде последовательно соединенных трех резисторов, выходами которого явля-ются точки соединения среднего резис- 5 тора с крайними, а входами являются не подсоединенные к среднему резистору отводы крайних резисторов, светодиод 73, подключенный через баллас10 . тный резистор 72 к выходу двухпорогоного элемента 70, при этом входы максимального и минимального уранией датчика зоны управления соединены м через делитель 71 напряжения с входами верхнего порогового уровня и нижнего порогового уровня соответственно двухпорогового элемента 70.
Причем, каждый канал 23 (24,25) блока 20 управления соединен входом синхронизации с выходом соотнетствующего датчика 11 напряжения сети, входом регулировки коэффициента усиления— с выходом соответствующего канала 51 (52,53) блока 21 коррекции, сигнальным входом — с соответствующим выходом первого блока 18 измерения регулируемого параметра, основными выходами — с управляющими переходами тиристоров 9 соответствующей фазы тиристорно-реакторной группы 7 и первым, вторыи и третьим дополнительными выходами — с сигнальным входом, входом минимального уровня и входом максимального уровня соотнетственно соответствующего канала 67 (68,69) датчика 22 зоны управления; каждый канал.51 (52,53) блока 21 коррекции соединен сигнальным входом с соответствующим выходом второго блока 19
40 измерения регулируемого параметра и входом блокировки — с выходам соответствующего канала 67 (68,69) датчика 22 зоны управления.
Устройство работает следующим
45 образом.
Каждый трехфазный силовой фильтр
4 компенсатора 1 (фиг.1) шунтирует токи высшей гармоники из амплитудного спектра дуговой электропечи 3
50 и тиристорно-реакторной группы 7 той частоты, на которую он настроен, причем конденсаторы 5 силовых фильтров являются источниками реактивной мощности чф. В компенсаторе 1 на
55 компенсирующий реактор каждой фазы тиристорно-реакторной группы 7 подают соответствующее линейное на.пряжение П (1/ВС,U z) при включении соответствующих тиристарав 9, углы управления o(которых отсчитываются от положительного максимума аноднаго напряжения на .тиристорах и меняются от нуля до Т /2. При этом .реактивные мощности сдвига па основной гармонике „, Я и Яс„, потРебляемые кампенсйрующими реакторами 8 фаз АВ, ВС и СА соответственно тиристорнореакторной группы 7, в общем виде описываются выражением
L U2 .ë 2Ы sin 2d пл (1 ), (1) где Б„,л — амплитуда линейного напряжения.
В общем случае реактивная мощность компенсатора 1 равна Q /3 — Я" и является переменной величиной, функцией от угла управления тиристорами 9. Упранление фазами тиристорнореакторной группы 7 осуществляется в соответствии с интегральными выражениями „ т (U i>+0 i -U>
ВС g Т/2.
$ +57/$ я 1 и с /", Т/2 где 1„ — моменты максимумов полунолн линейного напряжения Б лВ, у
Л вЂ” текущие значения токов н общих шинах питания, ° 2
Текущие значения токов i> i>
В могут быть измерены с помощью датчиков тока путем непосредственного подключения их к общим шинам питания параллельно соединенных нагрузки и силовых фильтров или с помощью датчиков 13 тока компенсирующих реакторов 8 и датчиков 12.тока сети.
В предлагаемом устройстве осуществляется измерение токов 1 В, 1 В< и
° 1.. ° Ь сл н фазах АВ, ВС и СА тиристорно-реакторной группы 7 датчиками 13 тока и измерение токов i q, i u
° с ° с в соответствующих линиях А, В и С сети — датчиками 12 тока. Значения
1347118 ь яь Д
Г!2
30 и
Вс Sf п Ф
Ь 1 4 „+т /3
ЗБ
Т/2 этих токов поступают на входы сумматоров 15 — 17 и узла сумматоров 14 таким образом, что на выходе первого сумматора 15 формируется сигнал .с
iraq + iд„, на выходе второго сумматора 16 — i> = i — i" +
B 8 8с и на выходе третьего сумматора 17— — i„° С
° 2 .С . L + L
С текущих значений токов i, и 10 в общих шинах питания с выходов узла сумматоров 14 и линейных напряжений УЯь, 0ЬС и 11СЯ с выходов датчиков 11 напряжения сети поступают на соответствующие входы первого 15 блока 18 измерения регулируемого параметра, на выходах которого формируются сигналы и яв, и и й,ся, вычисленные в соответствии с уравнениями (2). Для симметричных нагрузок 20 (тиристорный электропривод) алгоритм управления фазами тиристорно-реакторной группы 7 можно осуществить по выражениям
t „+тй
25 у (, u„-и )и
РСА СД ЯВ с
4 и 2 /3 (u u- .и „,-uu»l )d .2 ся сАВ Ябс
4„+1(6
Сигналы Ц, (Я с, Я ) с соответ40 ствующего выхода первого блока 18 измерения регулируемого параметра поступают на сигнальный вход соответствующего канала 23 (24,25) блока 20
45 управления, который преобразует входной сигнал в угол подачи управляющего импульса на тиристоры 9 соответствующей фазы тиристорно-реакторной группы 7. Работа канала 23 блока
20 управления, показанного на фиг.2, иллюстрируется временными диаграммами напряжений на фиг.5. Сигнал линейного напряжения U А (диаграмма напряжения UA<) с выхода соответствующего
55 датчика 11 напряжения поступает на вход, синхронизации канала 23 блока
26 управления, где подается на вход синхронизатора 47 и на вход распределителя 28 импульсов. В синхронизаторе сигнал линейного напряжения 11Я поступает на вход схемы фаэовой автоподстройки частоты 50 с пятиразрядным ,двоичным счетчиком 49 в обратной
1 связи и захватывается по частоте так, что на выходе пятого разряда счетчика
49, работающего в коде 16 — 8 — 4—
2 — 1, формируются прямоугольные им-, пульсы с длительностью, равной полупериоду напряжения сети, и сдвинутые по фазе на 90 эл. град. относительно сигнала линейного напряжения U>> при этом частота счетных импульсов (диаграмма напряжения U < ) на счетном входе пятиразрядного двоичного. счетчика равна 32 с, где i c — частота напряжения сети. В данном случае двоичный счетчик работает как делитель частоты. Сигналы в виде прямоугольных импульсов с выходов первых четырех разрядов двоичного счетчика
49 поступают на соответствующие входы линейного дешифратора 48. Во второй половине каждой полуволны линейного напряжения Uäb сигнал в виде
"1" смещается через каждые 1/32Т (T — период напряжения сети) последовательно с первого к восьмому выходам линейного дешифратора. Таким образом, на выходах синхронизатора формируется последовательность синхроимпульсов, которые поступают на управляющие входы генератора 39 функций, где воздействуют на управляющие входы соответствующих ключей 46.
Каждый из ключей 46 коммутирует сигнал U с выхода задания амплитуды к генератора функций на соответствующий вход суммирующего интегратора 40.
Прямоугольный импульс с выхода четвертого разряда двоичного счетчика 49 синхронизатора 47 в течение первой половины каждой полуволны линейного напряжения Up> воздействует по управлению на.ключ 43, который шунтирует конденсатор 42 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 41 суммирующего интегратора 40, на выходе которого и генератора 39 функций в это время устанавливается сигнал, равный U < выхода источника 45 опорного напряжения, воздействующего на неинвертирующий вход операционного усилителя 41 (диаграмма напряжения U 8> ) . При раэмыкании ключа 43 начинается процесс интегрирования разностного сигнала
1347!18
Ц„ — П, причем постоянная времен ни R«C4>, где R44 — значение сопротивления резистора на соответствующем входе суммирующего интегратора 40;
С4, — значение емкости конденсатора, изменяется управляемыми ключами 46 так, что на выходе генератора 39 функций во второй половине каждой полуволны линейного напряжения U формируется кусочно-линейная кривая опорного сигнала (диаграмма напряжения U g) описываемая в точках перегиба выражением
15 п 0 44 42
1 где n — - целое число, равное 0,1,2...
8. В идеальном варианте для линеаризации фазы АВ тиристорно-реакторной группы 7 необходимо, чтобы генератор функций формировал на интервале второй половины каждой полуволны линейного напряжения U4< опорный сигнал вида где время т отсчитывается от момента 3Q начала интервала (t ),. т.е. переменная часть этого выражения должна быть пропорциональна переменной части выражения (1) для реактивной мощности сдвига по основной гармонике фазы тиристорно-реакторной группы. Если выРажение (3) для о (С „ в точках перегиба равно выражению (4) для U»(t), то оно будет с высокой точностью аппроксимировать выра-. жение (4). Причем точность аппроксимации увеличивается с увеличением числа выходов синхронизатора 47 и ключей 46 и входов суммирующего интегратора 40. Таким образом, в пред- 4> лагаемом устройстве с помощью генераторов 39 функций каналов 23 — 25 блока.20 управления осуществляется с высокой точностью линеаризация статических характеристик фаз тиристорно-реакторной группы 7. Это обеспечивается еще и тем, что управ-* ление каждого из ключей 46 жестко синхронизировано с сетевым напряжением, которое при резкопеременной нагрузке изменяется как по частоте, так и по фазе. Из выражения (4) видно, что размах опорного напряжения . Ugg на выходе генератора функций 39 зависит от величины сигнала П на его входе задания амплитуды. Сигнал опорного напряжения (диаграмма напряжения U ) с выхода генератора 39 функций поступает на первый вход схемы 33 сравнения и формирования импульсов, где подается на вход амплитудного детектора 38, формирующего на своем выходе сигнал U> по нижнему УРовню опоРного сигнала U>, и на инвертирующий вход компаратора 36.
На второй вход схемы ЗЗ сравнения и формирования импульсов, служащей для формирования импульсов с углом управ4 ления, с сигнального входа канала 23 поступает сигнал Я„ > в виде
Ь напряжения, пропорционального реактивной мощности фазы AB тиристорнореакторной группы 7, необходимой для компенсации Реактивной мощности в
I сети. Сигнал 1", поступает на второй вход сумматора 37, на первый вход которого поступает сигнал U>8 с выхода амплитудного детектора 38. На выходе сумматора 37 формируется сигнал U> = U> + 1 (диаграмма наL
7 38 -дц пряжения П 7), который подается на неинвертирующий вход компаратора
36, где сравнивается с опорным сигналом Б . При U>z > Б39 компаратора 36 формируется сигнал в виде "1", передний фронт которого определяет угол d (e(, и Ы на фиг.
5) подачи импульса- управления на тиристоры. Амплитудный детектор 38 и сумматор 37 необходимый для формирования сигнала, пропорционального реактивной мощности фазы тиристорнореакторной группы 7 относительно нижнего уровня опорного сигнала U>
С выхода компаратора 36 сигнал в виде "1" поступает на неинверсный вход элемента И-НЕ 35, на инверсный вход которого поступают импульсы с выхода четвертого разряда двоичного счетчика 49, при этом они запрещают форми-рование сигналов в виде 0 на выходе элемента И-HE 35 в первой половине каждой полувопны линейного напряжения U>< .
По перепадам сигнала на выходе элемента И-НЕ 35 с "I" на "0" одновибратор 34 формирует прямоугольные импульсы управления (диаграмма напряжения U>» U ), которые поступают на первый вход распределителя 28 импульсов и передаются при положительной полярности сигнала линейного
134711 8
Ь Я" ЬЦ" и Ь Р", определяемых по.
AS Вс -ca с выражениям (5). Сигналы ошибок и Ьй с выходов второго блока СA
19 измерения регулируемого параметра поступают на сигнальные входы соответствующих каналов 51 — 53 блока коррекции, который воздействует поканально на коэффициент передачи блока 20 управления так, чтобы эти ошибки уменьшились до нуля. Работа блока 21 коррекции на примере канала
51 состоит в следующем. Ошибка в канале 51 поступает через ключ 62, который замкнут в режиме управления, на вход интегратора 63, являющегося
И-регулятором и одновременно элементом памяти при размыкании ключа 62 в случае выхода фазы АВ тиристорно-реакторной группы из режима управления.
Сигнал U с выхода интегратора 63 поступает на вход нуль-индикатора
58, используемого в процессе настрой ки, и через потенциометр 55 — на первый вход сумматора 54, на второй вход которого через потенциометр 56 поступает сигнал с выхода источника
57 опорного напряжения, при этом на выходе сумматора 54 и выходе канала 51 блока 21 коррекции формируется сигнал коррекции U » U 55 + к
+ U s- где U и U — сигналы в виде напряжен я с выходов потенциометров 55 и 56 ° Сигнал U qs, который устанавливается на выходе потенциометра 56, является постоянной составк ляющей сигнала коррекции U>s, а сигнал Б — переменной составляющей, поступающей с выхода И-регулятора, выполненного на интеграторе 63. Сигнал коррекции воздействует через вход регулировки коэффициента усиления канала 23 блока 20 управления на вход задания амплитуды генератора
39 функции. Сигналы коррекции U S к и U „ с выходов других каналов блока
21 коррекции аналогично подаются на входы регулировки коэффициента усиления каналов ВС и СА блока 20 управления, где поступают на входы задания амплитуды генераторов 39 функций. В зависимости от величины сигнала коррекции V"„ (u"„,u „) генератор 39 функции соответствующего канала блока 20 управления формирует опорный сигнал, описываемый выражением (3) в точках перегиба, величиной размаха, при которой ошибка управления
Ь Я А (Щ s, ЬЯ сд ) на сигнальных вхоТ/2
45 напряжения П на первый выход, а при отрицательной полярности — на второй выход распределителя 28 импульсов в виде уровня сигнала "0" (диа5 грамма напРяжения U„ U„ ), Сигналы в виде "0" с выходов распределителя 28 импульсов поступают на входы выходных каскадов (26,27), которые запускаются и формируют мощные импульсы управления на управляющих пере« ходах соответствующих тиристоров 9 фазы АВ тиристорно-реакторной группы 7. Тиристоры 9 подключают компенсирующий реактор 8 фазы: AB к линейному напряжению UAs, при этом через . Ь него протекает ток i д (диаграмма тока i д,,где с, и a — углы управления тиристорами). Аналогично работают остальные каналы. 20
Если фазы тиристорно-реакторной группы 7 генерируют реактивную мощность сдвига по основной гармонике,. отличающуюся по величине от измеренной по выражениям (2), то имеется 25 недокомпенсация реактивной мощности нагрузки в виде ошибки, равной реактивной мощности сети. При этом ошибка управления каждой из фаз тиристорно-реакторной группы 7 в виде 30 реактивной мощности сдвига по основной гармонике определяется в соответствии с выражениями:
6 „+Т/1
1 4
494
t +2Т/3
Ь
Ь 1 4 +ТЯ
" r3 а Т/1 )
t„+p/а „ Те
Ьц сл Я TI2
1 (5) выведенными аналогично выражениям (3), что осуществляется следующим
