Компенсатор реактивной мощности

 

Использование: компенсация реактивной мощности с обеспечением стабильности напряжения трехфазной сети. Сущность изобретения: в трансформаторно - тиристорный компенсатор реактивной мощности, содержащий трехфазный двухобмоточный вольтодобавочный трансформатор и трехфазный преобразователь амплитуды и фазы напряжения, выполненный на основе инвертора и выпрямителя, дополнительно введена система управления фазой выходного напряжения инвертора дополнительного канала для широтно - импульсного регулирования амплитуды этого напряжения. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к энергетической электронике, и может быть использовано для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения трехфазной сети.

Известен компенсатор реактивной мощности [1], содержащий трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сети через блок конденсаторов, а вторичная обмотка - к тиристорному выпрямителю, нагруженному на индуктивность.

Недостатками устройства являются ограниченные функциональные возможности, а именно узкий диапазон регулирования реактивной мощности и нестабильности выходного напряжения. Необходимость ограничения диапазона и неполное в связи с этим использование устройства вызвано тем, что при глубоком регулировании посредством выпрямителя возникают большие искажения компенсационной составляющей тока и недопустимые отклонения напряжения нагрузки от напряжения сети. При этом возможны колебания выходного напряжения, связанные с изменением величины и характера нагрузки, а также изменением напряжения в сети.

Известен также компенсатор реактивной мощности [2], содержащий тиристорный выпрямитель, инвертор напряжения с синхронизированной с сетью системой управления, а также реактор, включенный между сетью и выходом инвертора, и конденсатор, включенный в звено постоянного тока. В этом устройстве тиристоры инвертора включаются таким образом, что основная гармоника его тока опережает на 90^о сетевое напряжение, осуществляя тем самым компенсацию реактивной мощности.

Однако и этот компенсатор реактивной мощности имеет ограниченные функциональные возможности и низкое качество выходного напряжения. Он осуществляет частичную, зависящую от емкости конденсатора компенсацию, которая к тому же не регулируемая, так как тиристорный выпрямитель в стационарных режимах отключен и не воздействует на амплитуду компенсационной составляющей тока сети. Кроме того, устройство не обеспечивает стабилизацию напряжения нагрузки, что требует применения совместно с ним дополнительных устройств регулирования переменного напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является компенсатор реактивной мощности [3], который содержит последовательно соединенные три преобразователя: выпрямитель, инвертор напряжения с синхронизированной с сетью системой управления и тиристорно-реакторный регулятор переменного тока с синхронизированной с сетью системой управления. Первым сигналом управления, воздействующим на систему управления инвертором напряжения, обеспечивается опережение компенсационной составляющей тока сети относительно напряжения сети, а вторым сигналом управления, воздействующим на систему управления тиристорно-реакторным регулятором переменного тока, осуществляется регулирование действующего значения компенсационного тока и генерируемой реактивной мощности.

Недостатками устройства, взятого в качестве прототипа, прежде всего являются ограниченные функциональные возможности. Оно не обеспечивает полную компенсацию реактивной мощности и стабилизацию выходного напряжения в процессе изменения напряжения сети, а также величины и характера нагрузки. Кроме того, устройству свойствен режим прерывистого тока, при котором возникают большие искажения формы тока сети.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, а именно обеспечение полной компенсации реактивной мощности и стабилизации выходного напряжения независимо от внешней характеристики сети, а также от величины и характера нагрузки.

Цель достигается тем, что в устройство введены трехфазный датчик напряжения нагрузки, блок сравнения, датчик реактивной мощности сети, два однофазных измерительных трансформатора тока и трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого включены между сетью и нагрузкой, а в двух фазах соединены последовательно с первичными обмотками однофазных измерительных трансформаторов тока, первичные фазные обмотки трехфазного трансформатора соединены в звезду и подключены к выходу трехфазного инвертора, вход выпрямителя подключен к сети, первый вход блока сравнения соединен с выходом датчика напряжения нагрузки, второй вход блока сравнения подключен к источнику задающего сигнала, выход блока сравнения соединен с вторым управляющим входом системы управления инвертором, первый управляющий вход которой подключен к выходу датчика реактивной мощности сети, причем система управления инвертором выполнена с возможностью управления амплитудой и фазой выходного напряжения инвертора.

Преимуществом устройства является то, что оно обеспечивает управление обобщенного вектора напряжения нагрузки по двум координатам - по амплитуде и по фазе. Возможность регулирования амплитуды обеспечивает стабилизацию напряжения, а регулирование фазы - компенсацию реактивной мощности. Применение датчиков и предложенных связей позволяет автоматизировать этот процесс. В устройстве отсутствует режим прерывистого тока, что обуславливает улучшение формы тока сети. Для полной компенсации среднестатистического коэффициента мощности промышленных нагрузок целесообразно применение трансформатора с отношением первичного и вторичного напряжений как 380/220. Такие трансформаторы выпускаются серийно и широко распространены, например сухие защищенные преобразовательные типа ТСЗП.

Тиристорные преобразователи со звеном постоянного тока также выпускаются серийно, что указывает на готовность предлагаемого устройства к промышленному производству и также может быть отнесено к преимуществам.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема силовой части компенсатора реактивной мощности; на фиг.2 и 3 - векторные диаграммы режимов работы устройства.

Предлагаемое устройство состоит из трансформатора 1, инвертора 2 с системой 3 управления, выпрямителя 4, датчика 5 напряжения нагрузки, блока 6 сравнения, нагрузки 7 и датчика 8 реактивной мощности сети с трансформаторами 9 и 10 тока. На векторных диаграммах (фиг.2 и 3) введены следующие обозначения: , , - напряжения сети, выгрузки и на выходе инвертора; , , - токи сети, нагрузки и на входе выпрямителя; ϕ₁,ϕ₂,α - фазы тока сети, напряжение выгрузки и напряжение инвертора относительно напряжения сети; К_т - коэффициент трансформации; δ - коэффициент передачи напряжения преобразователя со звеном постоянного тока.

Устройство работает следующим образом. Выходное напряжение формируется из напряжения сети и напряжения инвертора 2 δ˙U_f е^jl , регулируемого по амплитуде изменением коэффициентов передачи δ и по фазе - изменением угла управления тиристоров α. При помощи трансформатора 1 выходное напряжение инвертора 2 уменьшается в коэффициент трансформации К_т раз и прибавляется к напряжению сети . В результате этого напряжение на нагрузке 7 имеет вид = + K_т·δ·U_fe^jk (1) Из выражения (1) и векторных диаграмм видно, что амплитуду и фазу вектора напряжения можно регулировать изменением коэффициента передачи δ и угла управления тиристорами α. В предлагаемом устройстве изменение коэффициента передачи δ осуществляется в функции отклонения реактивной мощности сети от нулевого уровня, а изменение угла α - в функции отклонения напряжения нагрузки 7 от заданного уровня, например равного номинальному напряжению сети.

При потреблении (генерации) устройством реактивной мощности сети сигнал с выхода датчика 8 реактивной мощности сети поступает на первый управляющий вход системы 3 управления инвертором 2 и увеличивает коэффициент передачи δ, увеличивая тем самым опережающий (отстающий) фазовый сдвиг ϕ₂, напряжения нагрузки 7 относительно напряжения сети . При этом датчик 5 напряжения, осуществляя контроль напряжения нагрузки 7, подает сигнал обратной связи на блок 6 сравнения, на котором этот сигнал сравнивается с сигналом, пропорциональным заданному, например номинальному значению напряжения сети. Разность этих сигналов с выхода блока сравнения подается на второй управляющий вход системы 3 управления инвертором 2, которая, изменяя угол управления тиристорами α, осуществляет регулирование амплитуды выходного напряжения. В результате такого амплитудного и фазового воздействия на выходное напряжение инвертора 2 вектор этого напряжения так формирует свой модуль и аргумент, что вектор напряжения нагрузки 7 является радиусом заданной окружности.

Использование устройства позволяет осуществлять полную компенсацию реактивной мощности в различных системах трехфазного тока и стабилизацию действующего значения выходного напряжения на заданном уровне независимо от жесткости внешней характеристики сети, а также величины и характера нагрузки.

Формула изобретения

КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, содержащий инвертор напряжения, вход которого подключен к выходу выпрямителя и синхронизированную с сетью систему управления инвертором, отличающийся тем, что в него введены дополнительно трехфазный датчик напряжения нагрузки, блок сравнения, датчик реактивной мощности, два однофазных трансформатора тока и трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого включены между сетью и нагрузкой, а в двух фазах соединены последовательно с первичными обмотками однофазных измерительных трансформаторов тока, первичные фазные обмотки трехфазного трансформатора подключены одними выводами к выходу трехфазного инвертора, другие выводы объединены, вход выпрямителя подключен к сети, первый вход блока сравнения соединен с выходом датчика напряжения нагрузки, второй вход блока сравнения подключен к источнику задающего сигнала, выход блока сравнения соединен с вторым управляющим входом системы управления инвертора, первый управляющий вход которой подключен к выходу датчика реактивной мощности сети, а синхронизирующий вход подключен к сети, причем система управления инвертором выполнена с возможностью управления амплитудой и фазой выходного напряжения инвертора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3