Способ компенсации искажений токов в многофазных цепях с нелинейными нагрузками

 

Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, в частности к компенсации реактивных нагрузок в промышленных и автономных электрических сетях с помощью статических вентильных компенсаторов. Цель изобретения - повышение точности компенсации искажений токов и расширение функциональных возможностей при несинусоидальном питающем напряжении в многофазных цепях с нелинейными элементами. Проводятся компенсация искажений тока за счет разделения тока нагрузки I<SB POS="POST">н</SB> (T) на две составляющие - активную I<SB POS="POST">а</SB> (T) и реактивную I<SB POS="POST">р</SB> (T) и последующая компенсация реактивной составляющей I<SB POS="POST">р</SB> (T) посредством подключения к входным зажимам каждой фазы источника питания одной фазы многофазного компенсатора, представляющего собой источник заданной формы тока. Для расширения функциональных возможностей и повышения точности компенсации при наличии длительных интервалов периода работы, когда одноименные I-е фазы источника питания и компенсатора искажений тока работают в генераторном режиме или I-я фаза компенсатора работает в генераторном режиме, а I-я фаза нагрузки - в режиме потребления энергии, предлагается I-ю фазу компенсатора подключить к I-й фазе источника питания, имеющей на этом интервале противоположную полярность по сравнению с I-й фазой нагрузки. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

tat)s Н 02 J 3/18

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4477187/24-07 (22) 24.08.88 (46) 15,06.90. Бюл. М 22 (71) Институт проблем энергосбережения

АН УССР (72) В.Е.Тонкаль и С.П.Денисюк (53) 621.316.925 (088.8) (56) Супрунович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. М.: Энергоатомиздат, 1985, разд. 3,3.

Там же, раздел 4.5. (54) СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ИСКАЖЕНИЙ ТОКОВ В МНОГОФАЗНЫХ ЦЕПЯХ С

НЕЛИНЕЙНЫМИ НАГРУЗКАМИ (57) Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, в частности к компенсации реактивных нагрузок в промышленных и автономных электрических сетях с помощью статических вентильных компенсаторов. Цель изобретения— повышение точности компенсации искажений токов и расширение функциональных возможностей при несинусоидальном пиИзобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, в частности к компенсации реактивных нагрузок в промышленных и автономных электрических сетях с помощью статических вентильных компенсаторов.

Цель изобретения — повышение точности компенсации искажений токов и расширение функциональных воэможностей при несинусоидальном питающем напряжении.

На фиг. 1 изображена структурная схе4а компенсатора; на фиг. 2 — структурная

ÄÄ5LJÄÄ 1571722 А1 тающем напряжении в многофаэных цепях с нелинейными элементами. Проводится компенсация искажений тока за счет разделения тока нагрузки 4(т) на две составляющие — активную i>(t) и реактивную ip(t) и последующая компенсация реактивной составляющей ip(t) посредством подключения к входным зажимам каждой фазы источника питания одной фазы многофаэного компенсатора, представляющего собой источник заданной формы тока. Для расширения функциональных возможностей и повышения точности компенсации при наличии длительных интервалов периода работы, когда одноименные i-e фазы источника питания и компенсатора искажений тока работают в генераторном режиме или i-я фаза компенсатора работает в генераторном режиме, а i-я фаза нагрузки — в режил1е потребления энергии, предлагается i-ю фазу компенсатора подключить к i-й фазе источника питания, имеющей на этом интервале противоположную полярность по сравнению с i-й фазой нагрузки. 2.ил. схема системы управления устройством компенсации искажений токов.

Компенсатор содержит двухфазный источник с фазами 1, 2, двухфазную нагрузку с фазами 3, 4, трансформаторы 5 и 6; датчики 7 и 8 тока, датчики 9 и 10 напряжения, трансфооматоры 11 и 12, ключевые элел1ен-. ты (вентили) 13-20, датчики 21-24 тока, ключевые элементы (вентили) 25-32, систему 33 управления.

Система 33 управления (фиг. 2) содержит схемы 34 и 35 для управления переключением первичной обмотки трансформ

1571722 импульсов управления вентилями, умножитель 39, компаратор 40, формирователь 41 импульсов управления вентилями, умножи- 5

10 трансформатора 6 и через вентили 31 и 32 подсоединены к вторичной обмотке а э первого трансформатора 5, вторичная обмотка 45

50 маторов 11 и 12 соответственно, умножитель 36, компаратор 37, формирователь 38 тели 42 и 43, интеграторы 44 и 45, делитель

46. схему 47 дискретизации с запоминанием отсчетов, умножитель 48, сумматоры 4951. блок 52 запаздывания первого порядка, компаратор 53 с гистерезисом, формирователь 54 импульсов управления вентилями, блок 55 синхронизации.

Силовая часть, подсоединяемая между двумя фазами источника питания ед()-1, ee(t)-2, последовательно с которыми вкл ачены соответственно первый 7 и второй 8 датчики тока, а параллельно — первый 9 и второй 10 датчики напря.кения и двумя фазами нагрузки ZA 3, Za 4, последовательно с которыми включены соответственно пятый

23 и шестой 24 датчики тока, гальванически развязана через первый 5 и второй 6 трансформаторы и содержит две группы управляемых вентилей, причем в первой группе вентили 13-16 включены по мостовой схеме, в одну диагональ которой включена первичная обмотка третьего трансформатора

11, а узлы второй диагонали через г.ентили

25 и 26 подсоединены к вторичной обмотке гоэ первого трансформатора 5 и через вентили 29, 30 подсоединены к вторичной обмотке 03/ второго трансформатора 6, вторичная обмотка третьего трансформатора 11 последовательно с третьим датчиком тока 21 включена параллельна к фазе А нагрузки 3, во второй группе вентили 17-20 включены по мостовой схеме, в одну диагональ которой включена первичная обмотка четвертого трансформатора 12, а узлы второй диагонали через вентили 27 и 28 падсоединены к вторичной обмотке вб второго четвертого трансформатора 12 последовательно с четвертым датчиком 22 тока вклю.чена параллельно к фазе В нагрузки 4, управляющие выводы вентилей 13-20, 25-32 подсоединены к выходам системы 33 управления, входы которой соединены с выходами датчиков 7 и 8, 21-24 тока и датчиков 9 и

10 напряжения.

В системе управления, изображенной на фиг. 2, входы схем .34 и 35 управления переключением первичных обмоток трансформаторов связаны с выходами датчиков 7 и 8, 21-24 тока и датчиков 9 и 10 напряжения, а выходы блоков 34, 35 — с управляю15

40 щими входами вентилей 13-20, входы умножителей 36 и 39 связаны с выходами датчиков 7, 8, 21 и 22, выходы умножителей 36 и

39 соответственно через компараторы 37 и

40 подключены к входам формирователей

38 и 41 импульсов управления вентилями, выходы которых подключены к управляющим входам вентилей 25-32, причем в схеме 35 управления переключением первичной обмотки трансформатора 12 входы умножителя 42 связаны с выходами датчиков 10 и 24, входы умножителя 43 — с выходом датчика 10, выход умножителя 42— с входом интегратора 44, выход которого соединен с первым входом делителя 46, выход умнажителя 43 связан с входом. интегратора 45, выход которого связан с вторым входом делителя 46, выход делителя 46 через схему 47 дискретизации с запоминанием отсчетов связан с первым входом умножителя 48, второй вход которого подключен к выходу датчика 10, выход умножителя 48 подсоединен к неинвертирующему входу сумматора 49, у катг, " з инвертирующий вход подключен к выходу датчика 8 тока, а выход — к неинвертирующему входу сумматора 50, инвер иру ащий вход которога связан с выходом датчика 22 тока, выход сумматора 50 подклю- ен к неинвертирующему входу сумматора 51, выход которого через блок 52 запаздывания первого порядка и компаратор 53 с гистереэисом "..îåäèHBH с входам формирователя 54 импульсов управления вентилями. выходы которого связаны с управляющими электродами четырех управляемых вентилел 17-20, выход кампаратара 53 с гистереэлсом связан также с инвертирующим входом сумматора 51, выходы блока 55 синхронизации соединены с регулирующими входами интеграторов 44 и 45 и схемы 47 дискретизации с запоминанием отсчетов, Способ осуществляется следующим об-. разом.

Б соответствии со способом компенсации искажений тока B многафаэных цепях измеряют мгновенные значения напряжения источника питания и тока нагрузки, производят разделение така нагрузки на активную и реактивную составляющие, на интервалах периода работы, когда одноименные i-е фазы источника пи ания и компенсатара работают в генераторном режиме или i-я фаза кампенсатора работает в генераторнам режиме, а i-я фаза нагрузки — в режиме потребления энергии, i-ю фазу кампенсатара подключают к i-й фазе источника питанйя, имеющей на этом интервале противоположную полярность напряжения по сравнению c I-й фазой, формируют ток

151/)Р компенсатора, включенного параллельно нагрузке, равнь!м противоположным значениям реактивной составляющей тока нагрузки.

Таким об1эазом, ток, потребляемый от источника питания, становится равным активной составляющей тока нагрузки, т.е. форма потребляемого от источника питания тока совпадает с формой напряжения на его зажимах, и повышается точность компенсации искажений, когда одноименные ie фазы источника питания работают в генераторном режиМе, Разделение тока. нагрузки )н(т) на составляющие 4(т) и ip(t) для каждой фазы происходит следующим образом.

Если напряжение одной фазы источника питания есть произвольная периодическая с периодом Т функция Ur(t), то ток нагрузки l„(t) можно представить в виде суммы активной и реактивной составляющих:

i (t) = iz(t) + Ip(t), где 4(1) = Р/U д0!-((), P = — f i„(t)Ur(.jdt—

1 т

Т о активная мощность, потребляемая нагрузкой;

0д — действующее значение напряжения источника питания. Для токов 4(t) и ip(t) выполняются соотношения: — / ià(t)U г(t) d t= Р;

1т.

7Jo

Если параллельно нагрузке подключить компенсатор с током i!((t) = -ip(t), то ток

)г(т), потребляемый от источника питания, будет равен

lr(t) = l,(t) + i,(t) =. (а(т) (2)

При этом компенсатор согласно выражению (1), не будет потреблять реактивную

МОЩНОСТЬ.

Рассмотрим формирование алгоритмов подключения фаз дроссельного компенсатора к фазам источника питания при генерации i-й фазой компенсатора тока ip,((t) в соответствии с выражением (1), При формировании таких алгоритмов необходимо подводить реальный баланс в системах электропитания, содержащих многофазные цепи с нелинейными элементами, в частности вентильные преобразователи. Для определения баланса электроэнергии необходимо учитывать особенности таких целей: большое число переключений вентилей на периоде работы, искажения токов и напряжений, различная интенсивность преобразования электромагнитной энергии в доугие виды, отключение элементов системы друг от д((уга, изменение характера на-py3K«(cos г1 i

Определение

1. Контролируемое сечение системы—

5 сечение системы, в котором определяются значения мгновенных токов и напряжений, 2. Энергетически неизменное состояние (ЭНС) системы — состояние системы, характеризующееся интервалом работы

10 (tl-ti-1), для которого потоки мгновенных значений энергии через контролируемые сечения являются неизменными по направлению.

Введем обозначения: пэнс — число ЭНС

15 системы; пгг(пн) — число фаэ источника питания; пн;(и„) — число фаз нагрузки, работающих в режиме генерации (потребления) электроэнергии; Ч/!-;(И/„!) — энергия, генерируемая (потребляемая) фазами генерато20 ров; W),r(W„,) — энергия, генерируемая (потребляемая) фазами нагрузок; ft, f2, fa.

14 — функции целочисленных переменных, устанавливающие связь между порядковым номером фазы источника питания или на25 грузки, ЭНС системы и индексами суммирования j, k, i, m. Баланс электроэнергии в системе для множества контролируемых сечений пнн, !

- (g llV„, г!з (!.е) -:1=) + g i )/)/гн, f4(),Л1) )) = О (3) Величина пнэс, nrr i, пн,,l, пнн i, пг,l, составляющие энергии, вид функции ft, fp, fg f4 определяются на основании расчета энергетического режима в системе.

45 Из уравнения баланса (3) следует, что каждое из множеств фаз источника питания и нагрузки разбивается на два подмножества, К первым таким подмножествам относятся элементы, работающие в режиме

50 генерации электромагнитной энергии, а квторым — в режиме потребления. При этом мгновенные и интегральные за время с(тс E(o)) величины энергии, генерируемь;е и потребляемые элементами многофазной цепи, равны.

По предлагаемому способу ЭНС системы, при которых фазы источника питания работают в режиме потребления электромагнитной энергии, а фазы нагрузок — в ре30 знс пгг,i пнг,i

w„ë!rö) + !!!!„ f (k)I )— (=-1 i=1 к=1

1571722 жимах потребления или генерации электромагнитной энергии или фазы источника питания работают в режиме потребления, а фазы нагрузок — в режиме генерации, должны быть исключены. При 3НС, когда фазы источника питания работают в режиме генерации, а фазы нагрузок — в режиме потребления, форма тока компенсатора i<(t) должна удовлетворять условиям (1) и (2), Формирование требуемого закона изменения тока i (t) на интервалах ЗНС, когда рассматриваемая фаза источника питания работает в режиме генерации, а фаза нагрузки — в режиме потребления, либо данная фаза источника питания и нагрузки работают в режиме генерации, а фаза нагрузки — в режиме потребления, либо данная фаза источника питания и нагрузки работают в режиме потребления электромагнитной энергии, осуществляется за счет широтно-импульсной модуляции сигнала, поступа.ощего на соответствующий дроссельный KQMllBHGGTop oT одноименной фазы источника питания. Для -устранения других типов ЭНС, когда i-я фаза нагрузки работает в режиме генерации электромагнитной энергии, генерация требуемой формы тока компенсатора осушествляется за счет подключения к данной i-й фазе компенсатора следующей фазы источника питания. Режим работы такой фазы компенсатора иной по сравнению с режимом работы I-й фазы нагрузки; При этом напря>кение следую цей фазы источника питания имеет напряжение, которое противоположно по знаку по отношению к i-й фазе нагрузки, Исходя из изложенного, алгоритм работы устройства, реализующего данный способ, состоит в выполнении следующих этапов: измерение мгновенных значений тока и напряжения фаз источника питания, а также тока дроссельного компенсатора и нагрузки, определение фазы источника питания, которая должна подключаться K 1-й фазе дроссельного компенсатора; формирование эталон Iblx сигналов тока компенсатора; отслеживание мгновенных значений тока дроссельного компенсатора.

Рассмотрим работу цепи с нелинейными элементами, содержащей две фазы — А и

: R.

Устройство, изображенное на фиг. 1 и 2 и реализующее предложенный способ компенсации токов в многофазных цепях с нелинейными элементами, работает следующим образом.

С помощью датчиков 7, 8, 21-24 тока и 9 и 10 напряжения осуществляется гальваническая развязка, согласова: ие уровней сигналов энергетических цепей и

5 изМерительной части устройства, а также измерение мгновенных значений напряжений фаз источника питания Ua(t), Ug(t), тока фаз источника питания ia(t), ia(t), тока дроссельного компенсатора ц t(t), l12(t), тока фаз

10 нагрузки!уд((), ized(t). Выходное напряжение этих датчиков, пропорциональное измеренным значениям токов и напряжений, поступает на вход системы 33 управления, которая и вырабатывает управляющие им15 пульсы на вентили 13-20, 25-32.

Введенные первый 5 и второй 6 трансформаторы осуществляют гальваническую . развязку не только источников питания (обмотки со, вp) c,ïðåoáðàçîâàòåëåì и нагруз- .

20 кой (обмотки а2, a>g), но и с источником питания дроссельных компенсаторов, построенных на основе трансформаторов 11 и, 12 (обмотки вз, юг}.

Формирование управляющих импуль25 сов на вентили рассмотрим на примере фазы В. Для этого проанализируем работу блоков 35, 39-41, 55.

В зависимости от значений токов и на- . пряжений, снимаемых с датчиков 8, 10, 22 и

30 24, питание дроссельного компенсатора на базе трансформатора 12 осуществляется либо от обмотки в трансформатора 6 или обмотки вз трансформатора 5.. На периоде работы в соответствии с выражением (3) в

35 общем случае можно выделить четыре характерных режима работы, приведенных в таблице, где введены обозначения à — генераторный режим, П вЂ” режим потребления.

При режиме работы 1 дроссельный ком40 пенсатор на базе трансформатора 12 подключается к второму трансформатору 6. При этом ключи 27 и 28 находятся в замкнутом состоянии, а ключи 31, 32 — в разомкнутом.

Для компенсации искажений токов требует45 ся устранение режимов работы 2-4.

В соответствии с предлагаемым способом при наличии режимов 1 и 3 на периоде работы схемы формирование тока i,(t) в.соответствии с выражениями (1) и (2) осущест50 вляется за счет широтно-импульсной модуляции сигнала, поступающего на вход дроссельного компенсатора (блоки 12, 1720) от фазы В источника питания, Для этих режимов дроссельный компенсатор под55 ключен к фазе В источника питания, При наличии режимов работы 2 и 4 дроссельный компенсатор на базе трансформатора 12 отключается от трансформатора 6 и подключается к трансфоматору 5, т.е, к фазе

55 источника питания (ключи 27 и 28 — в разомкнутом состоянии, ключи 31 и 32 — в замкнутом), .

Выработка управляющих импульсов на, ключи 25-32 производится формирователями импульсов на основе информации, поступающей с блоков 36, 37, 39 и 40, в соответствии с изложенным выше, На примере блока 35 рассмотрим формирование заданной формы тока компенсатора в соответствии с информацией, снимаемой с датчиков 8, 22 и 24 тока и 10 напряжения.

Сигнал с выхоца умножителя 43, пропорциональный Ur (t), поступает на вход интегратора 45 и интегрируется в течение периода Т. Сигнал с выхода интегратора 45, пропорциональный квадоату действующего значения напряжения Од, поступает на второй вход делителя 46, на первый вход которого поступает сигнал с выхода интегратора

44, пропорциональный величине активной мощности Р, потребляемой нагрузкой 4 (считаем, что активная мощность.. потребляемая ключевыми и реактивными элементами, мала по сравнению со значением Р и величиной этой мощности можно пренебречь). На вход интегратора 44 поступает сигнал с выхода умножителя 42, пропорциональный мгновенной мощности

P(t) = Ur(t)i (t), который также интегрируется в течение периода Т.

Сигнал с выхода делителя 46, пропорциональный Р/U д, поступает на схему 47 диг скретизации с запоминанием отсчетов, выходной сигнал которой остается постоянным в течение следующего периода частотного спектра. Сигнал с этого блока подается на вход умножителя 48, на другой вход которого поступает сигнал, пропорциональ. ный Ur(t). На выходе умножителя 48 формируется сигнал, пропорциональный активной составляющей тока нагрузки 4(t) =

PUr(t)/U д, который поступает на неинверг тирующий вход сумматора 49. На инвертирующий вход блока 49 поступает сигнал, пропорциональный мгновенному значению ."тока lr(t), что позволяет на выходе сумматора

49 сформировать опорное (эталонное) значение тока KQMnpHGBTopa i<(t) = ц )оп, которое отслеживается с помощью системы слежения на основе блоков 50-53; Для этого на вход блока 50 поступает мгновенное значение ц )т тока дроссельного компенсатора на основе трансформатора 12. Выходной сигнал сумматора 50, пропорцио-, нальный величине hii(t)=i®on — ц(т)т, поступает на неин вертирующий вход сумматора 51, на инвертирующий вход которого поступает сигнал с выхода компара5

40 гора 53 с гистерезисом. На выхаде формируется сигнал, являющийся управляющим для формирователя 54 импульсов управления вентилями. Для осуществления замкнутой системы уп равл ения током трансформатора 12 выходной сигнал с сумматора 51 поступает на вход блока 52 запаздывания первого порядка, передаточная функция которого (К/(1+Та)), а из него на вход компаратора 53 с гистерезисом, за счет релейной характеристики которого и обратной связи на инвертирующий вход сумматора 51 осуществляется непрерывное отслеживание текущим током компаратора ! ф)т опорного значения ii(t)on.

Блок 55 синхронизации вырабатывает синхроимпульсы, период которых равен периоду источника питания. Данные синхроимпульсы управляют работой интеграторов и схем дискретизации с запоминанием отсчетов. Сигналы управления с блока 54 управляют работой вентилей 17-20, включение которых по мостовой схеме позволяет сформировать мгновенную функцию тока дроссельного компенсатора на базе трансформ.втора 12.

Таким образом, суммирование токов в общем узле в соответствии с выражением (2) позволяет на выходе фазы В источника питания получить ток ir(t), пропорциональный нап ряже ни ю Ur(t).

Разработка устройств на основе предлагаемого способа компенсации искажений в многофазнblx цепях с нелинейными элементами позволит снизить обменные процессы элементами системы, устранить потери энергии в линии, снизить установленные мощности электротехнического оборудования.

Ф

Формула изобретения

Способ компенсации искажений токов в многофазных цепях с нелинейными нагрузками, включающих в себя источник питания переменного тока, подключенную к нему через преобразователь нагрузку и компенсатор, согласно которому измеряют мгновенные значения напряжения генератора, мгновенные значения тока нагрузки и компенсатора, интегрируют с .гнал на протяжении интервала времени, равного периоду напряжения тенератора, запоминают значения интеграла на время интегрирования, формируют опорные мгновенные значения тока компенсатора, и в зависимости от полученного отклонения изменяют мгновенные значения тока компенсатора, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности компенсации искажений токов и

1571722 расширения функциональных возможностей при несинусоидальном питающем напряжении, для каждой фазы умножают мгновенное значение напряжения источник.а и итания и мгновенное значение тока 5 дроссельного компенсатора, полученную величину сравнивают с нулевым значением, на интервале времени положительных значейий полученной величины фазу дроссельного компенсатора подключают к 10 одноименной фазе источника питания, на интервале времени отрицательных значений полученной величины фазу дроссельно го компенсатора отключают от одноименной фазы источника питания и 15 . подключают к следующей фазе источника питания, формирование опорных мгновенных значений тока дроссельного компенсатора iKonft) каждой фазы осуществляются по выражению где l {t) — мгновенное значение тока нагрузки фазы;

Щ} — мгновенное значение напряжения фазы генератора;

Т вЂ” период напряжения генератора.

1571722

Составитель Г.Дамская

Редактор Л.Веселовская Техред M,Моргентал . Корректор И.Муска

Заказ 1519 Тираж 417 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101