Датчик реактивной мощности резкопеременной нагрузки для управления компенсатором реактивной мощности

 

Изобретение относится к средствам регулирования реактивной мощности резкопеременных нагрузок промышленных предприятий, например, дуговых сталеплавильных печей, с помощью статических тиристорных компенсаторов. Цель изобретения - повышение эффективности датчика реактивной мощности, включающего в себя умножитель тока фазы и напряжения, вектор которого ортогонален вектору напряжения данной фазы, каскад режекторных фильтров на выходе умножителя, и фазовый корректор на выходе датчика достигается за счет снижения нелинейной погрешности положительного фазового набега и получения подъема относительно единицы амплитудно-частотной характеристики в заданной области частот спектра огибающей реактивной мощности резкопеременной нагрузки. Для этого в качестве фазового корректора предлагается использовать набор требуемого количества сглаживающе-форсирующих звеньев, каждое из которых выполнено в виде операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через последовательную RC-цепь соединен с общей точкой, а через параллельную RC-цепь - с выходной клеммой операционного усилителя. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для регулирования реактивной мощности резкопеременных нагрузок промышленных предприятий, например, -дуговых сталеплавильных печей, с помощью статических тиристорных компенсаторов (СТК), в которых датчик реактивной мощности является одним из основных звеньев системы управления.

Известны устройства датчики реактивной мощности резкопеременной нагрузки для управления компенсатором реактивной мощности, содержащие умножитель сигналов тока фазы сети и напряжения, вектор которого ортогонален вектору напряжения данной фазы сети (нагрузки), к выходу которого (умножителя) подключена последовательная цепочка режекторных фильтров, каждый из которых подавляет сигнал умножителя на частотах, кратных удвоенной частоте напряжения питающей сети с шириной частотной полосы подавления, равной, примерно, частоте напряжения питающей сети; фильтр низкой частоты с частотой среза большой максимальной частоты подавления режекторых фильтров, включенный последовательно с цепочкой режекторных фильтров; фазовый корректор, вход которого подключен к выходу фильтра низкой частоты, а выход является выходом датчика реактивной мощности, и состоящий из сумматора и фильтра высокой частоты, причем сумматор суммирует входной сигнал фазового корректора с выходным сигналом фильтра высокой частоты, вход которого также соединен со входом фазового корректора, а выход сумматора является выходом фазового корректора [1, 2] Однако эти устройства обладают низкой динамической точностью за счет низкой эффективности фазового корректора. Действительно, из теории автоматического регулирования известно, что идеальный компенсатор частотной помехи должен иметь амплитудно-частотную (АЧК) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики, равные 1 и 0, соответственно, в полосе частот помехи. Для электрической сети помехой является реактивная мощность, ширина спектра огибающей которой для резкопеременных нагрузок, типа дуговых сталеплавильных печей, может доходить до 25 Гц. Поэтому динамические звенья на выходе умножителя датчика реактивной мощности в идеальном случае должны иметь единичную АЧХ и нулевую ФЧХ в диапазоне частот 0.25 Гц. Режекторные фильтры и фильтр низкой частоты устройств-аналогов имеют, в принципе, АЧХ меньше 1 и ФЧХ, отличную от нуля с отрицательными значениями. Поэтому фазовый корректор датчика реактивной мощности должен создавать положительный фазовый набег в указанной области частот, который должен легко выставляться, и некоторый подъем АЧХ больше единицы. Покажем, что фазовый корректор устройств-аналогов не отвечает этим требованиям. Запишем передаточную функцию фазового корректора известных устройств: где: K коэффициент поправки по высокочастотному каналу; T постоянная времени ФВЧ; d коэффициент затухания "полюса" звена.

После преобразования получим Перейдем в частотную область, заменив p на jω получим Перейдем к АЧХ и ФЧХ -

Отсюда видно, для получения в области частот 0 25 Гц положительного фазового сдвига величина ω²T²(1+k) должна быть близка, но меньше единицы. При этом АЧХ оказывается меньше единицы. Таким образом, известный фазовый корректор, позволяющий уменьшить фазовую погрешность, увеличивает амплитудную погрешность датчика реактивной мощности. Кроме того, в требуемом диапазоне частот 0.25 Гц ФЧХ нелинейна, так как задается арктангенсом, а ФЧХ режекторных фильтров и фильтра низкой частоты практически линейны, т.к. частоты квазирезонансов и среза много больше 25 Гц. Поэтому фазовая коррекция также получается с большой нелинейной погрешностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство [1,2] функциональная схема которого представлена на фиг.1 и описана выше.

Целью изобретения является повышение эффективности фазового корректора и датчика реактивной мощности за счет снижения нелинейной погрешности положительного фазового набега и получения подъема относительно единицы АЧХ в заданной области частот спектра огибающей реактивной мощности резкопеременной нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве фазового корректора датчика реактивной мощности используется набор требуемого количества сглаживающе-форсирующих звеньев. На фиг. 2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства. На фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого сглаживающе-форсирующего звена и его передаточная функция.

Предлагаемый датчик мощности содержит умножитель 1 сигналов тока фазы нагрузки и напряжения сети, вектор которого ортогонален вектору данной фазы нагрузки, набор режекторных фильтров 2, каскадно подключенных к выходу умножителя 1, фильтр низкой частоты 3, вход которого соединен с выходом последнего каскада режекторных фильтров, набора сглаживающе-формирующих звеньев 4, включенных каскадно на выход фильтра низкой частоты.

Предлагаемый датчик реактивной мощности работает следующим образом. Сигнал мгновенной реактивной мощности, формируемый на выходе умножителя 1, проходя через режекторные фильтры 2 "очищается" от дискретных высших гармоник кратных основной методической помехе частотой 100 Гц, а также от неканонических дискретных гармоник частотой 50, 150, 250 Гц вызванного действием 2-ой и 4-ой гармоник тока сети, имеющих относительно большую величину в динамичных режимах резкопеременных нагрузок; проходя через фильтр низкой частоты 3 он сглаживается, превращаясь в сигнал текущей реактивной мощности, являющийся по физической сущности огибающей мгновенной реактивной мощности; проходя через набор сглаживающе-форсирующих звеньев 4, сигнал текущей реактивной мощности, состоящий из спектральных составляющих модуляционного типа в области частот 0-25 Гц, и претерпевший определенные амплитудные и фазовые искажения в режекторных фильтрах и фильтре низкой частоты, корректируется за счет некоторого подъема АЧХ и положительного фазового набега, причем поскольку частоты квазирезонанса звеньев 4 могут быть выбраны относительно большими, т. е. в 10 раз превышать частоту 25 Гц, то и подъем фазовой характеристики в области частот 0.25 Гц будет иметь линейный характер, что хорошо согласуется с возможностью минимизации фазовой погрешности.

Покажем формально преимущества предлагаемого фазового корректора. Передаточная функция одного сглаживающе-форсирующего звена имеет вид

где
-частота квазирезонанса.

Переходя к АЧХ и ФЧХ получим


Отсюда видно, что, если ω_o выбрана достаточно большой чтобы отношение ω/ω_o= x было малой величиной, много меньшей единицы, можно получить приближенные соотношения.

ϕ(ω) ≃ arctg Ax ≃ +Ax ,
где
A R₁/R₂,
указывающие и на линейность положительного фазового приращения, и на малый подъем АЧХ, и на легкость получения на заданной частоте огибающей 0.25 Гц любых требуемых значений АЧХ и ФЧХ с помощью подбора соотношения резисторов R₁ и R₂, но с учетом сохранения условия R₁C₁ R₂C₂. Таким образом, набирая определенное количество сглаживающе-формирующих звеньев можно скорректировать АЧХ и ФЧХ динамической части датчика реактивной мощности до требуемого приближения к идеальным.

Формула изобретения

Датчик реактивной мощности резкопеременной нагрузки для управления компенсатором реактивной мощности, содержащий умножитель тока фазы и напряжения, вектор которого ортогонален вектору напряжения данной фазы сети, каскадно включенные режекторные фильтры, число которых определяется допустимой погрешностью от действия дискретных гармоник выходного сигнала умножителя, а их частоты кратны частоте напряжения сети, подключенные к выходу умножителя, фильтр низкой частоты, подключенный к выходу последнего режекторного фильтра каскада, и фазовый корректор, соединенный с выходом фильтра низкой частоты, отличающийся тем, что фазовый корректор выполнен в виде набора последовательно соединенных сглаживающе-форсирующих звеньев, каждое из которых состоит из операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через последовательную RC-цель соединен с общей точкой, а через параллельную RC-цель с выходной клеммой операционного усилителя, являющейся выходом сглаживающе-форсирующего звена, входом которого является неинвертирующий вход операционного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3