Устройство для устранения искажения кривой напряжения в распределительных сетях переменного тока

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовым активным фильтрам, и может быть использовано в системах энергоснабжения электротехнических и энергетических цепей с искажающими напряжение и ток нагрузками для обеспечения совместной работы резкопеременных мощных нагрузок с чувствительными к искажению напряжения электроприемниками, а также для повышения эффективности передачи и потребления электроэнергии. Технический результат заключается в улучшении формы кривой питающего напряжения. Для этого в устройстве для устранения искажения кривой напряжения в распределительных сетях переменного тока содержится источник переменного напряжения, управляемый источник тока, датчик напряжения, подключенный к токоведущим шинам распределительной сети переменного тока, и датчик тока. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовым активным фильтрам, и может быть использовано в системах энергоснабжения электротехнических и энергетических цепей с искажающими напряжение и ток нагрузками для обеспечения совместной работы резкопеременных мощных нагрузок с чувствительными к искажению напряжения электроприемниками, а также для повышения эффективности передачи и потребления электроэнергии.

Известны устройства для устранения искажения кривой напряжения в распределительных сетях переменного тока (см., например, L. Gyugyi, E. Strycula Active AC Power Filter. // IEEE Trans. on Industry Applications, p.p. 529-535,1976 г.).

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для устранения искажения кривой напряжения, содержащее пассивный LC-фильтр и активный фильтр, соединенные последовательно (см. Н. Fujita, H. Akagi. A Practical Approach to Harmonic Compensation in Power Systems - Series Connection of Passive and Active Filters. IEEE Trans. on Industry Applications, vol. IA-27, 6, pp. 1020-1025, 1991 г.).

Наличие конденсаторов в силовой цепи подобных устройств делает общим недостатком подобных технических решений проблему присоединения конденсаторных батарей непосредственно к сети переменного тока и возможных вопросов, связанных с резонансом таких батарей с сетью переменного тока, приводящим к снижению статической и динамической устойчивости сети. Кроме того, это приводит к значительному увеличению падения напряжения резонирующих гармоник на внутреннем импедансе источника и, как следствие, значительному искажению кривой напряжения на шинах, питающих нагрузку.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в устройстве для устранения искажения кривой напряжения в распределительных сетях переменного тока, содержащем источник переменного напряжения, управляемый источник тока, датчик напряжения, подключенный к токоведущим шинам распределительной сети переменного тока, и датчик тока, управляемый источник тока и источник переменного напряжения соединены параллельно. Соединенные параллельно управляемый источник тока и источник переменного напряжения подключаются к токоведущим шинам распределительной сети переменного тока через датчик тока.

На фиг. 1 представлена схема устройства для устранения искажения кривой напряжения в распределительных сетях переменного тока; на фиг.2 - осциллограммы работы предлагаемого устройства.

Устройство для устранения искажения кривой напряжения в распределительных сетях переменного тока (фиг.1) содержит источник переменного напряжения 1; управляемый источник тока 2, подключенный параллельно источнику переменного напряжения; датчик напряжения 3, подключенный к токоведущим шинам распределительной сети переменного тока V_T; датчик тока 4, через который соединенные параллельно управляемый источник тока и источник переменного напряжения также подключены к токоведущим шинам распределительной сети переменного тока. К токоведущим шинам распределительной сети переменного тока V_T подключается и нагрузка 5.

Устройство работает следующим образом.

Генерируемые мощности 1 в распределительной сети переменного тока представлены неидеальным источником V_S с внутренним импедансом Z_S. Нагрузка 5 представлена импедансом Z_L и источником тока гармоник I_h. Такое представление характеризует одно из свойств нелинейной нагрузки, а именно то, что форма тока, протекающего через нелинейный элемент, не повторяет форму приложенного к нему синусоидального напряжения. Другими словами, нелинейная нагрузка генерирует гармонические токи, спектр которых отличен от спектра приложенного к нагрузке напряжения. В частности, если к нелинейной нагрузке будет приложено чисто синусоидальное напряжение, через нее будет протекать синусоидальный ток плюс набор гармонических составляющих тока. Все вышесказанное в равной мере относится и к параметрическим нагрузкам.

Ток гармоник, генерируемый нелинейной нагрузкой I_h, делится на две части. Одна часть I_Sh протекает по ветви источника, другая I_Fh - по ветви с импедансом К.

На основании первого закона Кирхгофа ток I_Fh в ветви с импедансом К определяется как I_Fh = 1_h - I_Sh. (1) С другой стороны, на основании второго закона Кирхгофа для данной цепи справедливо следующее выражение: KI_Fh = Z_LI_h. (2) Подстановка I_Fh из (1) в (2) приводит к следующему результату: KI_Fh - KI_Sh = Z_LI_h, (3) откуда для тока гармоник I_Sh, протекающего через источник, можно записать Напряжение на шинах распределительной сети переменного тока V_T, питающих нелинейную и другие нагрузки, может быть определено как V_T = V_S - Z_SI_Sh. (4)
Анализ (3) показывает, что при |K-Z_L|≈0, ток I_Sh также приблизительно равен нулю.

Другими словами, ток гармоник перестает течь по ветви источника и полностью протекает по ветви с импедансом K, то есть импеданс K шунтирует источник для гармонических составляющих тока нелинейной нагрузки. По ветви источника протекает только активная составляющая тока нагрузки I_a. Поскольку гармонические составляющие тока нелинейной нагрузки в этом случае более не протекают через источник, то и не создается падение напряжения гармоник на внутреннем импедансе источника, а следовательно, не искажается форма кривой напряжения V_T на питающих шинах. Действительно из (4) следует, что при выше указанных условиях V_T≈V_S.

Параллельная ветвь с требуемым импедансом К реализована с помощью управляемого источника тока 2.

Данные о напряжении на шинах распределительной сети переменного тока V_T и тока в шинах распределительной сети с датчика напряжения 3 и датчика тока 4 поступают на управляемый источник тока. Управляемый источник тока отрабатывает требуемый импеданс. Таким образом, гармонические составляющие тока питающих шин протекают через управляемый источник тока и не создают падение напряжения на внутреннем импедансе генератора, что в свою очередь обеспечивает синусоидальную форму кривой питающего напряжения на шинах распределительной сети переменного тока V_T.

На фиг. 2 приведены осциллограммы напряжения питающей сети (вверху) и тока генератора (внизу). Масштабы: напряжения 200 В/дел., тока 50 А/дел., времени 0,01 с/дел.

Из осциллограмм видно, что до того как управляемый источник тока начал свою работу, напряжение на питающих шинах и ток генератора содержали большое количество гармоник.

Однако когда управляемый источник тока начинает свою работу, напряжение на питающих шинах и ток генератора становятся строго синусоидальными.

Применение изобретения позволяет достичь улучшения формы кривой питающего напряжения, то есть свести гармонические составляющие в питающем напряжении к нулю, чем обеспечить совместную работу резкопеременных мощных нагрузок с чувствительными к искажению напряжения питания электроприемниками.

Формула изобретения

Устройство для устранения искажения кривой напряжения в распределительных сетях переменного тока, содержащее источник переменного напряжения, управляемый источник тока, датчик напряжения, подключенный к токоведущим шинам распределительной сети переменного тока, и датчик тока, отличающееся тем, что управляемый источник тока и источник переменного напряжения соединены параллельно и через датчик тока подключены к токоведущим шинам распределительной сети переменного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2