Способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам повышения качества электроэнергии, и может найти применение в системах энергосбережения, содержащих промежуточное звено преобразования. Цель изобретения - повышение качества компенсации неактивных составляющих мощности при любых режимах. Измеряют мгновенные значения питающего напряжения U (T) и тока I (T) потребителя, формируют сопряженные сигналы напряжения U (T) и тока I (T) путем разложения измеренных сигналов на гармонические составляющие с последующим сдвигом фаз гармоник на четверть периода собственных частот и суммированием сдвинутых копий. Получают сигнал тока, пропорциональный току компенсации по выражению, приведенному в формуле изобретения, приводят к уровню тока питающей сети и генерируют в питающую сеть. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСИИХ

РЕСПУБЛИН (19) (1!) (у1)5 Н 02 J 3/18

Ц

:1 (с ., ф

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ П-1НТ СССР (21) 4383442/24-07 (22) 25.02,88 (46) 15.03.90. Бюл. Р 10 (71) Институт электродинамики АН УССР (72) А.В.Новосельцев, М.Т.Стрелков и В.О.Костюк (53) 621.316.925(088.8) (56) Заявка ФРГ - 053429116, кл. Н 02 J 3/18, 1986.

Супрунович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. Перевод а польского. M.:

Энергоатомиэдат, 1985, с. 127. (54) СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ

НЕАКТИВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ МОЩНОСТИ (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам повышения качества электроэнергии, Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам повышения качества электроэнергии, I и может быть использовано для повы шения качества компенсации неактивных составляющих мощности при любых режимах в системах энергоснабжения, содержащих промежуточное звено преобразования.

Целью изобретения является повышение качества компенсации неактивных составляющих мощности при любых формах кривых напряжения и тока.

На чертеже представлена функциональная схема устройства компенсации.

2. и может найти применение в системах энергосбережения, содержащих промежуточное звено преобразования. Цель изобретения — повышение качества компенсации неактивных составляющих мощности при любых режимах. Измеряют мгновенные значения питающего напряженчя U(t) и тока i(t) потребителя, формируют сопряженные сигналы напряжения U (t) и -ока i(t) путем разложения измеренных сигналов на гармонические составляющие с последующим сдвигом фаз гармоник на четверть периода собственных частот и оумчированием сдвинутых копий. Получают сигнал тока, пропорциональный току компенсации по выражению, приведенному в формуле изобретения, приводят к уровню тока питающей сети и генерируют в питающую сеть. 1 ил. С

Устройство, реализующее предлагаемый способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности, состоит нз датчиков тока 1 и напряжения 2, подсоединенных входами к питающей сети, а выходами — соответственно к первым входам умножителей 3 и 4 и входам.квадратурных фильтров 4 и 6, вторые входы умножителей 3 и 4 подключены соответственно к выходам квадратурных фильтров 5 и 6 а выходы — к вычитающему и суммирующему входам сумматора 7, который по выходу связан с первым умножителем 8, генераторы 9 и 10 квадратичных функций входами подклю1550592 чены соответственно к выходам датчика 2 напряжения и квадратурного фильтра 6, а выходами — к входам сумматора 11 подсоединенного выхоФ

)IIом к первому входу делителя 12, Ьторой вход которого подключен к выходу квадратурного фильтра 6, а выХод — к второму входу умножителя 8, генератор 13 тока компенсации, управяющие входы которого подсоединены выходу умножителя 8, а силовые ходы и выход нагружены на питающую ,сеть, причем генератор 13 тока содер кит трансформатор 14, первичная обМотка которого нагружена. на питаюую сеть, а вторичная обмотка вклю,.чена в диагональ переменного тоха выпрямителя 15; сглаживающего фильтра ,16 ОДнОполярный ВХОД KoTopol o HB 20 гружен на диагональ постоянного тока выпрямителя 15, а положительный и отрицательный выводы являются входами питания двухтактного усилителя 17 класса D, нулевой вывод подключен к, нулевой шине сети; сглаживающий дрос сель 18, связывающий выход усилителя

17 с нулевой шиной сети; датчика 19 тока, который по входу подключен

1 ,между дросселем ",8 и ненулевой шиной,,а по выходу — к инверсному, входу сум матора 20, прямой вход которо †явлн-(Н, D, L), i(t) = P (i(t);, i(t) = i (i(t)); О (С) =$$IJ(t)); U(t) =((Л (t)), Z; (t) = i(t) + ji(t); Z,(t)

= (с) + jU(t) Произведение комплексно-сопряженной

gp аналитической функции сигнала тока и аналитической функции сигнала напряжения определнет аналитическую функцию мгновенной мощности

1 л т

1 (г (Л л

Р= --- t S (t) at = — — f )U(t) i(t) + U(t) i(t) dt.

) 2то

9 где Н,D,L — операторы преобразования

Гильберта приведенных дифференцирования и интегрирования.

Исходный и сопряженный сигналы объединяются в рамках аналитических функций сигналов тока в напряжения где (Z) - матричная запись аналитической функции; л

sð,(t) = 0 (t) i(t) + U(t) 1(а); л 1

S () = U(t) () -U(t) i(t) 1 ется управляющим входом генератора; компаратора 21, связанного по рходу с выходом сумматора 20, а прямым и инверсным выходом — с входами усилителя 22, выходы которого подключены к управляющим входам силовых ключей усилителя 17.

Устройство компенсации, реализующее предлагаемый способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности, работает следующим образом.

Анализ энергетического процесса в сечении электрической системы или цепи ведется в двух пространствах— исходном (реальном) и сопряженном (расчетном) — в реальном масштабе времени. Действительно, любому полигармоническому периодическому сигналу тока i(t) или напряжения U(t) можно построить сопряженный полигармонический периодический сигнал (С) или U(t), которые связаны между собой прямым и обратным преобразованиями посредством линейных унитарных кососи>н)етричных операторов

Кирхгофа исходная и сопряженнан части ана лптической функции.

Отсюда активная, реактивная .и полная комплексная мощности опредепяются как средние значения функций

1550592

= — — "v(t) 2Т ) (о т

q = — — S (t) ét

2Т Ъ л (e) -U(t) ((01 dt;

z (t)at = r+;q.

2Т

1 (т -)) е к z, 72

U +U U V

-Sg S л

US) + US

Л

U S — US)

ПБ — US

US + US<

hZ

U + U

Л

U +U где i{t) = i (с) + i (t) ройства компенсации, т.е, U(t) л л

1„(С) = -i (С) = — — — -„— — P U(t) () п() (t) (2)

U (t)+ U (с) О

Осуществив обратное преобразование от (1) по напряжению, получаем разложение кривой тока на активную

Именно реактивная составляющая тока подвергается компенсации путем суммирований токов источника и уст-, Л

Путем измерения определяют напряжение, пропорциональное мгновенному значению тока i(t) и напряжение, пропорциональное мгновенному значению напряжения U(t). Формируют сопряженные сигналы напряжения б (t) и

4 тока i(t) путем разложения измеренных сигналов на гармонические составляющие с последующим сдвигом фаз гармоник на четверть периода собственных частот и- суммированием сдвинутых копий посредством квадратурных фильтров и перемножают исходный сигнал напряжения с сопряженным сигналом тока и сопряженный сигнал напряжения с исходным сигналом тока с помощью умножителей, определяют разность полученных произведений, используя сумматор с инверсным входом, т.е. получают функцию

h л

-S (t) = U (t) i (t) -U (с) i(t) .

Ф

Вычисляют частное от деления сопряженного сигнала напряжения на сумму квадратов мгновенных значений измеренного и сопряженного сигналов напряжения посредством генераторов квадратичных функций, сумматора и делителя, которое, используя умножитель, перемножают с полученной

1 () и Реактивную iy(t) составляющие зо I (+ 1, ) — (1.,„+ iP) (, °,) (, +,)

Л

U Л Л (U i + UD + — — — 03 i-Ui)

h Z.

U +U разностью произведений формируя сигнал, пропорциональный току компенсации (2) и генерируемый в питающую сеть.

Датчики тока 1 и напряжения 2 измеряют напряжения, пропорциональные .мгновенным значениям тока, и напряжения сети. Измеренные сигналы поступают на первые входы умножителей

3 и 4 и входы квадратурных фильтров

4б 5 и б. Алгоритм фильтрации соответствует прямому преобразованию Гильберта — все гармаоникй порядка К 1 получают сдвиг фаз Т/4К с сохранением амплитуд, где Т вЂ” период основной частоты..Сформированные фильтрами 5 и б сопряженные сигналы тока

i(t) и напряжения 6(с) поступают ,соответственно на вторые входи умножителей 4 и 3, на первьпс щ входах которых присутствуют исходные сигналы напряжения и тока, измеренные датчиками. Умноя(итель 4 вычисляет первое, а умножитель 3— второе слагаемые сопряженной части

Б((с) аналитической функции g,t,(t) мгновенной мощности, разность которых илн саму функцию вычисляет сумма op 7, для чего информация на суммирукиций вход последнего поступа1550592 ет с выхода умножителя 4, а на вычитающий — с выхода умножителя 3. В итоге на первый вход умножителя 8

1подается сигнал, пропорциональный сопряженной части z (t) . Квадрат

) огибающей аналитической функции на,пряжения в процессе работы устройства вычисляют генераторы 9 и 10 квадратичных функций, на входы KQTopblx

1О непрерывно поступают мгновенные значения исходного и сопряженноге сигналов напряжения,: и сумматор 11, складывающий значения квадратов функций с выходов генераторов 9 и 10.

Делитель 12 вычисляет частное от деления значений сопряженного сигнала напряжения и квадрата огибающей аналитической функции сигнала напряжения, которые формируются квадратурным фильтром 6 и сумматором 11. Част20 ное от деления, поступая на второй вход умножителя 8, перемножается с сигналом, пропорциональным -Б (Е),, В результате чего формируется функция

,(2). В процессе работы устройства последовательное соединение трансформатора 14, выпрямителя 15 и фильтра

16 образует двуполярный источник постоянного тока для питания усилителя ,17, работающего в ключевом режиме, .,сглаживание выходного тока которого осуществляет дроссель 18. При форми ровании сигнала управления усилите) лем 17 датчик 19 тока измеряет мгновенные значения напряжения, пропорциональные току компенсации, где его коэффициент трансформации одинаков с тем же коэффициентом датчика 1 тока. Сумматор 20, один из входов которого инверсный, определяет рассогласование между управляющим и сформированным сигналами тока компенсации.

Компаратор 21 из сигнала рассогласования формирует две инверсные импульсные последовательности, изменяющие свою длительность согласно широтно-импульсному регулированию.

Усилитель 22 обеспечивает необходимую мощность сигналов управления.

Усилитель 17 совместно с дросселем 50

18 формируют кривую тока, повторяющую по форме управляющий сигнал на прямом входе сумматора 20, Так в случае синусоидального режима питающей сети и активно-реактивному характе- 55 ру нагрузки потребителя, когда напряжение сети и ток нагрузки .равны () = (+) +- (г) (4) = 1 cosg sinG3 t

В случае чисто активного характера нагрузки потребителя сопряженная часть аналитической функции мгновенной мощности равна нулю, что подтвердит сигнал на выходе сумматора 7.

Как следствие„ устройство компенсации не функционирует. При активно-емкостном и активно-индуктивном характерах нагрузки токи компенсации (3) отличаются только знаками, а остаточный ток сети (4) носит чисто активный характер, т.е. совпадает по форме с питающим напряжением, но обладает действующим значением в 1/cosCP раз меньше, чем до компенсации. При этом, если до компенсации нагрузка (Р потребляла активную мощность P

= U Icos Q при полной мощности SWI, то в результате компенсации система компенсатор — потребитель потребляет активную мощность, равную полной мощности или активной мощности до компенсации,т,е, P = S g = UIcos$ °

В случае чисто реактивного характера нагрузки потребителя, когда л (= 4. (i/2, ток сети i(t) = О, что следует из выражений токов при активно-реактивном характере после подста/ новки значений (= + (/2, т.е. реактивный ток нагрузки генерирует устройство компенсации, U (t) = U sinu t; i(t) =I sin(0 +

Фq), где (+) (-) — операции соответствующие активно-емкостному и активно-индуктивному характеру нагрузки; функция тока компенсации, сформированная на выходе умножителя 8,равна.

1 г .

i<(t) = — I (sin(03t +g)— sin(Qt +q)j, (3)

При этом квадратурные фильтры 5 и 6 определяют сопряженные сигналы тока нагрузки i„(t) = -I„ñîs(ЮС «Ф g) и напряжения сети U(t) = -U „созсдс. Остаточный ток питающей сети равно сумме тока нагрузки и устройства компенсации

9 1550592 10

П (с)

i „(с) =1 (t)

U (t) +U(С) U (— — — — S (r). с) (б)

Л I2 P

+U (t)

I копленной нагрузкой, возвращаемой в источник постоянного тока, питающего инвертора, через диоды моста возврата будет сведен к минимуму, определяемому временем задержки работы тракта формирования функции тока компенсации. Это дает возможность значительно уменьшить установленную мащкость обратных диодов моста возврата инвертора и емкость конденсатора фильтра источника постоянного тока.

В итоге уменьшается масса и габариты как фильтра источника, так и инвертора, а значит всего преобразователя, питающего нагрузку, в целом.

U (с) Способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности в питающей сети, соединенной с потребителем и компенсатором заключающий-! ся в том, что измеряют напряжение, нр мгновенным значениям тока i(t) потребителя, и напряжение., пропорциональное мгновенным значениям питающего напряжения U(t), генерируют в гитающую сеть так компенсации, отличающийся тем, чта, с целью повьппения качества компенсации при любых формах напряжения и тока, формируют сопряженные сигналы напряжения U(t) и тока i(t} путем разложения измеренных сигналов í;; гармонические составляющие с последующим сдвигом фаз гармоник на четверть периода собственных частот и суммированием их, получают сигнал тока, пропорциональный току компенсации па формуле

I и(с)

n A (* ) — — — — — - — -- U(t) t " U(t) (с}1

А л

Р и (с) + О (t) который приводят к ураь ню тОка питаю щей с = Гн, 55

Согласно предлагаемому динамической компенсации остаточные ток и мгновенная мощность сети (источника) Отсюда следует совпадение знаков мгновенных значений остаточного тока с питающим напряжением и положительность ординат кривой остаточной мгно" 15 венной мощности, что подтверждает компенсацию обратных потоков- энергии. Действительно исходная часть аналитической функции мгновенной мощности S (t) входящая в (5) и (6), Р0 принимает толькб положительные значения, так как состоит из двух сопряженных слагаемых в смысле переменных составляющих. Поэтому когда одно из слагаемых принимает максимальное значение, второе равно нулю и наоборот. Ири равенстве постоянных составляющих обоих слагаемых их арифмети,ческая сумма всегда больше или равна по модулю сумме переменных составляющих. Знаменатели выражений (5) и (6) или значения квадрата оги бающей аналитической функции сигнала. напряжения являются положительно определенными величинамц. В итоге

35 функция остаточного тока соответствует функции напряжения сети, промодулированной исходной частью . аналитической функции мгновенной мощности и квадратом огибающей аналитической функцией сигнала напряжения.

Применим способ динамической компенсации неактивных составляющих мощности при питании нагрузки потребителя от генератора несинусоидальной формы напряжения (напрнмер, инвертора напряжения), 0 от сети переменного тока и являющегося промежуточным звеном между сетью и потребителем. При этом объем энергии, нав процессе компенсации становятся равными л п (V II) I. (I:) + V(c) I. (t); (Р) формула изобретения

1550592

Составитель Г„Дамская

) едактор Т.Парфенова Техред N.Õîäàèè÷ Корректор M.Ìàêñèìèøèíåö . Ваказ 277 Тираж 414 Подписное

1 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, И-35, Раушская наб., д. 4/5 производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101