Устройство компенсации мощности в цепях с синусоидальными токами и переменной нагрузкой

 

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности компенсации мощности в синусоидальных цепях с переменной нагрузкой за счет компенсации сдвига угла фаз между током и напряжением в общепромышленных и автономных синусоидальных электрических сетях с помощью статических вентильных устройств. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышении точности регулирования при колебаниях частоты и амплитуды напряжения сети. С помощью датчиков напряжения 5 и тока 2,3 осуществляется гальваническая развязка, согласование уровня сигналов энергетических цепей и измерительной части устройства на выходе блоков сравнения 13 и 14 имеем последовательности импульсов, частота следования которых равна частоте сети, а длительность - T/2, где T - период колебаний напряжения сети. На выходе датчика фазы 15 сигнал пропорционален углу сдвига фазы. С выхода блока функционального преобразования фазы 16 сигнал, пропорциональный SINφ, поступает на первый вход умножителя 17, на второй вход которого подается напряжение с выхода амплитудного детектора 19. Амплитудный детектор 20 на выходе формирует сигнал, пропорциональный амплитуде выходного тока компенсатора. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

Р ЕСПУБЛ И К (я) Н 02 J 3/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ (21) 4477188/24-07 (22) 24.08.88 (46) 23.12.90. Бюл. М 47 (71) Институт проблем энергосбережения

АН УССР (72) В.Е,Тонкаль, С.П.Денисюк, А,Б.Руденко и Э.Б,Гальс (53) 621.316.925(088,8) (56) Добрусин Л.А.. Павлович А,Г., Павлова Т,П. Тиристорные источники реактивной мощности. Электротехническая промышленность, Сер, преобразовательной техники, вып. 3(27), 1972.

Авторское свидетельство СССР

N 458920, кл, Н 02 J 3/18, 1975.

Авторское свидетельство СССР

N566289,,кл. Н 02 3 3/18, 1977.

Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. — M.: Энергоатомиздат, 1985, с. 136.

Авторское свидетельство СССР

М 448536, кл. Н 02 J 3/18, 1975.

ÄÄ5UÄÄ 1615836 А1 (54) УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ МОЩНОСТИ В ЦЕПЯХ С СИНУСОИДАЛЬНЫМД

ТОКАМИ И ПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКОЙ (57) Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к компенсации мощности в синусоидальных цепях с переменной нагрузкой за счет компенсации сдвига угла фаз между током и напряжением в общепромышленных и автономных синусоидальных электрических сетях с помощью статических вентильных устройств. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей и повышение точности регулирования при колебаниях частоты и амплитуды напряжения сети. С помощью датчиков напряжения 5 и тока 2, 3 осуществляются гальваническая развязка, согласование уровня сигналов энергетических цепей и измерительной части устройства, на выходе блоков сравнения 13 и 14 имеем последовательности импульсов, частота следования которых

1615836

30 равна частоте сети, а длительность — Т/2, где т — период колебаний напряжения сети, На,в ходе датчика фазы 15.сигнал пропорциаь ален углу сдвига фазы. С выхода блока функционального преобразования фазы 16 сигнал, пропорциональный sin ф, поступает

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к компенсации мощности в синусоидальных цепях с переменной нагрузкой за счет компенсации сдвига угла фаз между таком и напряжением в общепромышленных и автономных синусоидальных электрических сетях с помощью статических вентильных устройств, Цель изобретения — расширение функ- 1 циональных вазможностей и повышение точности регулирования при колебаниях частоты и амплитуды напряжения сети, На фиг. 1 приведена структурная схема устройства компенсации мощности в сину- 1 соидальных цепях; на фиг,2 — структурная схема блока выработки импульсов управления инвертаром; на фиг.3 — структурная схема блока функционального преобразования фазы, на фиг,4 — структурная схема управления па отклонению; на фиг,5 — эквивалентная схема системы генератор — кампенсатар — нагрузка.

Устройство. компенсации мощности содержит источник 1 питания, датчики 2 и 3 2 тока, нагрузку 4, дат:ик 5 напряжения, выпрямитель 6, фильтр 7, инвертар 8 тока, разделительный трансформатор 9, блок 10 выработки импульсов управления инвертарам, формирователи 11 и 12 импульсов, блоки 13 и 14 сравнения, датчик 15 фазы, блок 16 функцианальнага преобразования фазы, умнажитепь 17, схему 18 управления па откланени а, а.. ппитудные детекторы 19 и 20, Блок выработки импульсов содержит 3 интегратор 21, блоки 22 и 23 сравнения, блок 24 формирования импульсов, Блок функцианальнога преобразования фазы 16 содержит генератор 25 тактовых импульсов, . блок 26 формирования импульсной последа- 4 вательнасти, счетчик 27, фармираватеги 28 и 29 ксротких импульсов, регистр 30, постоянное запоминающее устройства 31, цифраан.пагавый 32 преобразователь. Схема 18,:правления по от: панению содержит 4 сумма:ар 33, генератор 34 двухполярного пилообразного напряжения, кампаратар 35.

Эквивалентная схема содержит двухпаг юснь е элементы, маделируюгцие генератор 36, на первый вход умножителя 17, на второй вход которого подается напряжение с выхода амплитудного детектора 19, Амплитудный детектор 20 на выходе формирует сигнал, пропорциональный амплитуде выходного тока компенсатора, 5 ил. устройство 37 компенсации мощности, нагрузку 38.

В устройстве компенсации мощности в синусоидальных цепях, включенном параллельно с вторым выходам источника 1 питания, выпрямитель 6 своим входом соединен с вторым выходом источника I питания, а выходом — с входом фильтра 7, выходные . зажимы которого подключены к входу инвертора 8 тока, подсоединенного первичной обмоткой к входу разделительного трансформатора 9, а вторичной — параллельна нагрузке 4, датчик 5 напряжения включен параллельно с первым выходом источника 1 питания и нагрузкой 4, первый датчик 2 тока подключен последовательно с первым выходом источника 1 питания и нагрузкой 4, второй датчик 3 тока подсаединен последовательно с вторичной обмоткой разделительного трансформатора 9, вход блока 10 выработки импульсов управления инверторам соединен с выходам датчика 5 напряжения, а ега выход — с входными зажимами формирователя 11 импульсов, выход которого подключен к управляющим входам инвертарг 8 тока, вход первого амплитудного детектора 19 и вход первого блока 13 сравнения подключены к выходным зажимам первого датчика 2 така, выход амплитуднога детектора 19 подсоединен к первому входу умнажителя 17, второй вход которого подключен к выходу блока 16 функционального преобразования фазы, входные клеммы которого подсоединены к выходным клеммам датчика 15 фазы, подключенного входными зажимами к выходам блоков 13 и 14 сравнения, вход блока 14 сравнения связан с выходом датчика 5 напряжения, вход амплитудного детектора 20 подключен к выходу датчика 3 така, ега выход- к входу схемы 18 управления па отклонению, два других входа которой подключены соответственно к умножителю 77 и датчику 5 напряжения, выход схемы 18 управления па отклонению подключен к входу формирователя 12 импульсов, связанного выходам с управляющими входами выпрямителя 6.

Энергия, потребляемая от генератора синусаидальнага напряжения, должна пал1615836 или ! мг !мн СО$ фХ (8) ностью преобразовываться в другие виды в нагрузке, т.е. форма тока, потребляемого от генератора, должна быть синусоидальной и совпадающей по фазе с напряжением генератора.

Для описания процесса компенсации мощности в синусоидальных цепях рассмотрим эквивалентную схему (фиг.5), содержащую эквивалентные модели генератора 36 синусоидального напряжения еф), устройства 37 компенсации мощности, нагрузки 38.

Пусть еф) - Ем sin co t, н() = sin (m t+ р), (1) где Ем - Чаг — амплитуда напряжения генератора, которая может колебаться относительно своего настоящего значения; в = Var — изменяющаяся в общем случае частота напряжения сети; ! мн — амплитуда тока в нагрузке; ф=- Var yron сдвига фазы тока в нагрузке относительно напряжения генератора, который может изменяться и быть как положительным (емкостной характер нагрузки), так и отрицательным (индуктивная нагрузка), тогда совпадающий по фазе с напряжением ток генератора должен иметь вид ! г(Т) = !мг $! и o) t, -(2) где IMl — амплитуда тока генератора, Записывают значения мгновенной мощности в сечениях 1 — 1 и 2 — 2

Р1-i(t) = erat) !ф) = Е !, sin жс, (3)

Р2 2(t) = е (т) . I.(t) — — — — — (созыв

EM !мн

2 — cos(2 и t + p)) (4)

Находят значения активной мощности в этих сечениях по выражениям (3) и (4)

Р— = — f Pt — >(t)dr=, (5)

1 FM !мг

Т 2

Р2 — 2 = — / Р2 — z(t) dt cosy

1 Ем !мн

Т 2 (6)

Компенсация мощности в синусоидальной цепи (фиг.5) будет эффективной только в случае, когда компенсатор не будет потреблять активной мощности, т.е.

1 1 т

j Py(t) и f(P1 1(}

Т т — Pz (t)) dt =0

С учетом условий (5) и (6) условие (7) примет вид !

=м

Рк = (!мг !мн со зр) =0

Зная условие (8), определяют необходимый вид тока компенсатора !к(т) (фиг.5), при котором ток генератора будет иметь вид (2)

Ii(t) = lr (t) — !н() l g Sln COt — !мн Sln(C0t+

+ p) = !мн соз rp з!и cut — l«sin а t cos p55 ! мн со$0) 1 sin р- мн sin p sin (вt+ — ).

2 (9)

Алгоритм, в соответствии с которым осуществляется компенсация мощности, заключа-. ется в следующем: измерение величин 0ф) и IH(t); определение величины р расчет тока компенсатора !к(т) в соответствии с выражением (8); формирование тока !к(т)о с помощью модуляции сигнала датчика тока

5 инвертора тока силовой части компенсатора. Для отслеживания текущего значения тока компенсатора !к(ф по отношению к опорному (эталонному) значению тока применена замкнутая система регулирования, 10 Точность регулирования величины, генерируемой генераторами энергии, достигается за счет использования в качестве параметров регулирования не интегральных характеристик, а мгновенных величин, 15 что позволяет более оперативно менять опорный сигнал, уменьшить время обработки различных типов возмущений и снизить погрешность определения текущих значений сигнала регулирования по сравнению с

20 опорными (эталонными) сигналами.

Повышение экономичности генерирования энергии генераторами в синусоидальных цепях получено за счет устранения перетоков энергии по линиям связи, что в

25 известных системах приводит к увеличению потерь электроэнергии и ухудшению режимов работы генераторов, и к возрастанию затрат первичных энергоресурсов, Компенсация мощности в синусоидаль30 ных цепях с переменной нагрузкой с помощью предлагаемого устройства производится следующим образом.

С помощью датчиков напряжения 5 и тока 2 и 3 осуществляются гальваническая

35 развязка, согласование уровней сигналов энергетических цепей и измерительной части устройства, а также измерение мгновенных значений напряжения генератора Ugt), соответствующего напряжения на первом

40 выходе источника 1 питания, значения тока нагрузки i>(t) и текущего значения тока компенсатора iK(t) . Выходное значение датчика 5 напряжения О мх1(1), пропорциональное измеряемому напряжению Ugt) х

45 х(0в,х () = а„Ur(t)), поступает на входы блока 14 сравнения, блока 10 выработки импульсов управления инвертором и схемы 18 управления по отклонению. Выходное на7 1615836 пряжение первого датчика 2 тока О ь а(т), пропорциональное току нагрузки U> a (с)

"сц IH(t), поступает на входы блока13сравнения и амплитудного детектора 19.

На выходе блоков 13. и 14 сравнения имеют последовательности импульсов, частота следования которых равна частоте сети, а длительность импульсов — Т/2, где Т— период колебаний напряжения сети Ur(t), приЧем импульсные последовательности будут сдвинуты друг относительно друга на угол сдвига фазы истока в нагрузке относительно напряжения генератора. C выходов блоков 13 и 14 сравнения сигналы поступают нэ входы датчика 15 фазы, на выходе которого будет сигнал, пропорциональный углу сдвига фазы р С выхода датчика 15 фазы сигнал поступает на вход блока 16 функционального преобразования фазы.

Рассмотрим работу блока. 16 функционального преобразования фазы (нэ фиг,3).

На входы блока 26 формирования импульсной последовательности поступают сигналы с выходов датчика 15 фазы и генератора 25 тактовых импульсов, причем частота следования тактовых импульсов во много раз превышает частоту напряжения питания..На выходе формирователя 26 импульсной последовательности формируются пачки импульсов, причем длительность каждой пачки пропорциональна сдвигу фаз rp, а частота импульсов в пачке равна частоте генератора 25 тактовых импульсов, В счетчике 27; на вход которого поступает сигнал с выхода формирователя 26 импульсной последовательности, производится подсчет импульсов в каждой пачке, затем зто значение запоминается в регистре 30, на вход которого поступает сигнал со счетчика 27, записью информации в регистр 30 управляют соответственно формирователи 28 и 29 коротких импульсов, нэ входы которых поступает сигнал с выхода датчика 15 фазы. В постоянном запоминающем устройстве 31 сигнал с регистра 30, пропорциональный сдвигу фаз р, преобразуется s сcи г нHа Iлt, пропорциональный sin p Далее с выхода постоянного зэпоминаюгцего устройства 31 сигнал поступает в цифроаналоговый преобразователь 32, преобразующий цифровой сигнал в аналоговый.

С выхода блока 16 функционального преобразования фазы (фиг,1) сигнал, пропорциональный sin <р, поступает нэ первый вход умножителя 17, на второй вход которого подается напряжение с выхода амплитудного.детектора 19. Нэ выходе умножителя 17 формируется напряжение, пропорциональное произведению l>„sin ри поступэ10

20

45: пенсэторэ 4(т) = IM sin рзгп (ш1+ лб2), Таким

50.

40 ет на первый вход схемы 18 управления по отклонению, На второй и третий входы схемы 18 управления по отклонению поступают сигналы соответственно с датчика 5 напряжения и амплитудного детектора 20. Амплитудный детектор 20, на вход которого поступает напряжение с датчика тока 3

Ua x3(tXUs x3(t) = ац l (t)), на выходе формирует сигнал, пропорциональный ампли-. туде выходного тока 4м компенсатора

Рассмотрим работу схемы 18 управления по отклонению, (фиг,4). На вход сумматора 33 поступают сигналы с выходов умножителя 17 и амплитудного детектора 20. На выходе умножителя формируется сигнал Оо (1), пропорциональный IM< sin p на выходе амплитудного детектора сигнал

Ugt), пропорциональный IK . Сумматор 33 производит вычитание одного из этих напряжений из другого, выделяя, таким обрэзом, сигнал ошибки который поступает затем на инвертирующий вход компаратора 35. На инвертирующий вход компэратора 35 поступает сигнал с выхода генератора 34 двухполярного пилообразного напряжения, жестко зэсинхронизировэнного с сетью вследствие того, что нэ вход генератора 34 поступают сигналы с выхода датчика 5 напряжения. Таким образом, с компараторэ 35 снимаются импульсы, полученные посредством LUNM второго родэ, длительность которых поддерживается такой, чтобы значение Ь U(t) стремилось к О, э следовательно, 1км = нм sin p

С выхода схемы 18 управления по отклонению сигнал поступает на вход формирователей 12. импульсов, с выхода которого импульсы поступают нэ управляющие входы выпрямителя 6, Таким образом, посредством изменения угла управления выпрямителем амплитуда тока IxM нэ выходе компенсаторэ поддерживается равной Is Sin р.

Согласно уравнению (9) ток на выходе комобразом, выходной ток компенсэтора должен быть сдвинут относительно нэпряжения питания Ugt) на;г/2. Это условие реализуется с помощью блока 10 выработки импульсов управления инвертором.

Рассмотрим работу блока 10 выработки импульсов управления инвертором (фиг,2), С выхода датчика 5 напряжения сигнал поступает нэ входы интегратора 21 и блока 22 сравнения. С выхода интегратора 21 снима-. ется сигнал, сдвинутый относительно входного нэ K/2, и поступает нэ вход блока 23 сравнения, С выходов блоков 22 и 23 срав1615836 10 нения сигналы, сдвинутые друг относительно друга íà zri2, поступают на входы блока 24 формирования импульсов, с выхода которого сигналы поступают на формирователь 11 импульсов управления инвертором.

Импульсы с выхода формирователя 11 импульсов управления иинвертором поступают на управляюшие входы инвертора 8 тока, на выходе которого формируется синусоидальный ток I<{t) =- IMH sin р 3!и (ат+

+ л/2), Гальваническая развязка цепи компенсатора с целью нагрузки осуществляется путем введения разделительного трансформатора 9, по вторичной обмотке которого протекает ток i„(t) = 1мн sin ip sin (cut +

+ лб2).

Формула изобретения устройство компенсации мощности в цепях с синусоидальными токами и переменной нагрузкой, содержащее выпрямитель, к выходу которого через фильтр подключен инвертор тока, датчик напряжения нагрузки, формирователи импульсов управления инвертором и выпрямителем, выходы которых подключены соответственно к управляющим входам инвертора и выпрямителя, о т л и ч а ю.щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности регулирования при колебаниях частоты и амплитуды напряжения сети, в него введены второй датчик тока, два амплитудных детектора, блок выработки импульсов управления инвертором, формирующий импульсы управления так чтобы выходной ток инвертора был сдвинут относительно напряжения нагрузки на угол л/2, два блока сравнения, датчик фазы, блок функционального преобразования фазы, логическая связь между входом и выходом которого имеет вид

Увых = э1п(Хвх) где Х вЂ” входной сигнал, пропорциональ5 ный значению фазы, умножитель, схема управления по отклонению, отрабатывающая ошибку формирования амплитуды тока компенсатора вида I<> = IM

10 трансформатор, причем первичная обмотка трансформатора подключена к выходу инвертора тока, а вторичная предназначена для присоединения параллельно нагрузке, второй датчик тока соединен последова15 тельно с втсричной обмоткой разделительного трансформатор., вход первого амплитудного детектора v, вход первого блока сравнения пор-.ëêneíû к выходным зажимам первого датчика тока, а выход первого

20 амплитудного детектора подключен к первому входу умножителя, второй вход которого подключен к выходу блока функционального пареобразования фазы, входные клеммы которого подсоединены к выход25 ным клеммам датчика фазы, подключенного входными зажимами к выходам первого и второго блоков сравнения, вход второго блока сравнения соединен с выходом датчи. ка напряжения, вход второго амплитудного

30 детектора подключен к выходу второго датчика тока, а его выход — к первому входу схемы управления по отклонению, второй вход которой подсоединен к выходу умножителя, а третий — к выходу датчика напря35 женил, выход схемы управления по отклонению подключен к входу формирователя импульсов управления выпрямителем, а вход формирователя импульсов управления инвертором через блок выработки импуль40 сов управления инвертором соединен с выходом датчика напряжения.

1615836 (Pub 3

Составитель Г.Дамская

Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Редактор Л,Зайцева

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

Заказ,3994 Тираж 418 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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