Способ повышения качества электрической энергии и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2340991:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ижевский Государственный Технический Университет (RU)
Использование: в электроэнергетике для повышения качества электроэнергии. Технический результат заключается в улучшении формы питающего напряжения при упрощении конструкции устройства. При уменьшении несинусоидальности формы питающего напряжения сети производят распределение потребления электроэнергии между электронными устройствами, искажающими форму питающего напряжения, и электронными устройствами, улучшающими форму питающего напряжения, в течение полуволны питающего напряжения сети. Устройство подключается параллельно с потребителями, вносящими искажения в форму напряжения, на его вход подается напряжение сети. Устройство содержит последовательно соединенные фазосдвигающую цепочку, формирователь управляющих импульсов, источник питания постоянного тока и силовой коммутирующий ключ, который подключает к сети в определенные моменты времени потребителей, улучшающих форму питающего напряжения сети. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретения относятся к электротехнике и электроэнергетике, а именно к способам и устройствам повышения качества электроэнергии при работе электропотребителей, искажающим форму напряжения сети.
В однофазную сеть все потребители включаются параллельно, при этом мгновенное значение тока определяется суммой многочисленных значений токов отдельных потребителей. Среди них можно выделить электропотребители, искажающие форму питающего напряжения, такие потребители имеют схемы, содержащие выпрямительные устройства с фильтрами. Мгновенное значение тока таких потребителей представляет собой последовательность коротких знакопеременных импульсов, следующих с частотой питающей сети (фиг.1, характеристика - 1). Спектр импульсов тока содержит очень большое число гармонических составляющих. Снижение влияния потребителей на форму напряжения сети является актуальной задачей.
Известен способ повышения качества электрической энергии, заключающийся в снижении уровня высших гармоник путем настройки нескольких групп из последовательных контуров на резонанс напряжений по 5, 7, 11 и 13 гармоникам (Жежеленко И.В. «Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий». М.: Энергоатомиздат, 1984, с.109). Принцип действия таких устройств основан на возникновении резонанса в их собственном колебательном контуре, настроенном на определенную частоту. Фильтры могут устанавливаться в сети для разделения линейных и нелинейных нагрузок (заградительные фильтры) или для поглощения (шунтирования) токов высших гармоник.
Главным недостатком использования фильтров является неполная компенсация высших гармоник.
В качестве прототипа принят способ повышения качества электрической энергии, заключающийся в выделении из напряжения электрической сети высших гармоник напряжения, а также первой гармоники, определяемой напряжением асимметрии, выпрямлении выделенных гармоник напряжения, преобразовании выпрямленного напряжения в переменное напряжение с частотой, равной частоте первой гармоники сети, и возвращении переменного напряжения в электрическую сеть (патент RU №2237334, H02J 3/01, H02J 3/26).
Недостатком известного способа является неполная компенсация высших гармоник, ограниченная характеристиками фильтров, входящих в его состав.
В качестве прототипа устройства принят стабилизатор переменного напряжения, относящийся к источникам вторичного питания (патент RU №2280271 C1, G05F 1/14). Стабилизатор переменного напряжения предназначен для уменьшения несинусоидальной формы напряжения, подаваемого электропотребителю с потребляемой мощностью несколько киловатт.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, кроме того, цифровое сопротивление изменяется ступенчато, что уменьшает точность величины выходной характеристики - напряжения.
Задачей предлагаемого способа повышения качества электроэнергии является повышение качества электроэнергии за счет восстановления формы питающего напряжения сети до синусоидальной путем распределения потребления электроэнергии между различными потребителями.
Для реализации данной задачи разделяют электропотребителей на группы:
- электронные устройства, искажающие форму питающего напряжения;
- электронные устройства, улучшающие (корректирующие) форму питающего напряжения.
Способ повышения качества электроэнергии основан на распределении потребления электроэнергии между различными потребителями в течение полуволны.
Способ повышения качества электрической энергии заключается в уменьшении несинусоидальности формы питающего напряжения сети. Производят распределение потребления электроэнергии между электронными устройствами, искажающими форму питающего напряжения, и электронными устройствами, улучшающими форму питающего напряжения, в течение полуволны питающего напряжения сети.
Способ может быть реализован с помощью устройства повышения качества электрической энергии, содержащего на выходе нагрузку. На входе устройства установлена фазосдвигающая цепочка, соединенная с формирователем управляющих импульсов, источник питания постоянного тока и силовой коммутирующий ключ, выходы формирователя управляющих импульсов, источника питания постоянного тока и силового коммутирующего ключа подключены последовательно.
Способ поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена форма мгновенного значения тока различных электропотребителей, где 1 - электронные устройства, искажающие форму питающего напряжения; 2 - электронные устройства, улучшающие (корректирующие) форму питающего напряжения.
На фиг.2 изображена схема подключения устройства А для повышения качества электроэнергии, электронного устройства В, искажающего форму питающего напряжения, состоящего из диодного моста VD1...VD4, конденсатора С1, резистора R1, и электронного устройства С, улучшающего (корректирующего) форму питающего напряжения, состоящего из резистора R2; где u - напряжение сети в точке подключения электропотребителей; i1 - мгновенное значение тока электронного устройства, искажающего форму питающего напряжения; i2 - мгновенное значение тока электронного устройства, улучшающего форму питающего напряжения; iсум - мгновенное значение суммарного тока; Zвн - внутреннее полное сопротивление генератора; егенер(t) - ЭДС генератора.
На фиг.3 изображена схема предлагаемого устройства А повышения качества электроэнергии, состоящее из следующих блоков:
1 - фазосдвигающая цепочка, состоящая из параллельно соединенных конденсатора С1 и резистора R2, к которым последовательно подключен резистор R1;
2 - формирователь управляющих импульсов, состоящий из последовательно подключенных стабилитронов VD1 и VD2, параллельно соединенных конденсатора С2 и резистора R3, к которым последовательно подключен резистор R4, параллельно резистору R4 подключены оптотранзисторы VT1 и VT2;
3 - источник питания постоянного тока, состоящий из понижающего трансформатора Т1, первичная обмотка которого подключена к напряжению сети, ко вторичной обмотке трансформатора Т1 последовательно подключаются токоограничительный резистор R5 и диодный мост VD3...VD6, к выходу диодного моста параллельно подключены стабилитрон VD7, конденсатор С3 и резистор R6;
4 - силовой коммутирующий ключ, состоящий из диодного моста VD8...VD11 и параллельно подключенному к нему силового транзистора VT3;
5 - электронное устройство, улучшающее форму напряжения питающей сети, резистор Rн.
На фиг.4 изображены характеристики устройства повышения качества электроэнергии, где
а) форма напряжения сети;
б) величина тока, поступающего на светодиоды оптотранзисторов VT1 и VT2 с учетом фазового сдвига;
в) величина тока управления силового транзистора VT3;
г) форма напряжения на электронном устройстве С.
Известно, что электронные устройства потребляют электроэнергию в узком интервале времени (фиг.1, характеристика 1) и тем самым искажают форму питающего напряжения. Для восстановления формы питающего напряжения до синусоидального необходимо, чтобы другой вид нагрузки потреблял электроэнергию в интервал времени, в котором электронные устройства, искажающие форму питающего напряжения, не потребляют электроэнергию (фиг.1, характеристика 2).
При включении параллельно с потребителями, искажающими форму питающего напряжения, других потребителей мгновенное значение суммарного тока будет равно сумме мгновенных значений токов отдельных потребителей (фиг.1, характеристики 1 и 2). Таким образом, суммарное значение мгновенных токов различных групп потребителей будет уменьшать искажения формы питающего напряжения.
Для осуществления предложенного способа необходимо устройство А повышения качества электроэнергии (фиг.2), которое производит отключение электронного устройства С, улучшающего форму напряжения питающей сети (фиг.2), в интервале времени, когда происходит потребление электроэнергии электронным устройством В, искажающим форму питающего напряжения (фиг.2).
Предлагаемое устройство А повышения качества электроэнергии предназначено для управления включением группы электронных устройств, улучшающих форму напряжения питающей сети, в определенные моменты времени (фиг.1, характеристика 2)
На вход устройства А повышения качества электроэнергии подается напряжение сети (фиг.3, u) для синхронизации моментов времени, в течении которых электронные устройства, улучшающие форму напряжения, подключены к сети, и для питания самого устройства.
Для формирования в требуемый момент времени управляющих импульсов для открытия силового коммутирующего ключа создается фазосдвигающая цепочка, состоящая из конденсатора С1 и резистора R1 (фиг.3, блок 1), которая производит сдвиг формы тока относительно формы напряжения сети на угол близкий к 90° (фиг.4, б). Для создания управляющих импульсов в схему включены два оптотранзистора VT1 и VT2 (фиг.3, блок 2). Они выступают в качестве логического элемента, который срабатывает в результате превышения тока через светодиод относительно пороговой величины. Оптотранзистор VT1 задает пороговую величину icpaб1, VT2 - iсpaб2 (фиг.4, б). Оптотранзисторы VT1 и VT2 однотипны, в связи с этим пороговые величины icpaб1 и iсpaб2 имеют одинаковое значение. При срабатывании оптотранзистора VT1 или VT2 происходит открытие фототранзистора, находящегося в нем. При помощи источника питания постоянного тока (фиг.3, блок 3) и открытия фототранзистора (фиг.3, блок 2, VT1 или VT2) происходит формирование управляющих импульсов (фиг.4, в), поступающих на силовой коммутирующий ключ. Силовой ключ по средствам силового транзистора VT3 (фиг.3, блок 4) в свою очередь подключает к сети в определенные моменты времени электронные устройства, улучшающие форму напряжения питающей сети. В результате напряжение, подаваемое на электронное устройство С, подключаемое к сети через устройство А повышения качества электроэнергии, принимает необходимую форму (фиг.4, г или фиг.1, характеристика 2). Необходимая длительность открытого и закрытого состояния силового транзистора VT3 (фиг.3, блок 4) определяется подбором величин стабилитронов VD1 и VD2 и конденсатора С2 (фиг.3, блок 2).
Достоинством устройства повышения качества электроэнергии является простота конструкции, высокая стабильность работы, малое потребление электроэнергии.
Для восстановления формы питающего напряжения необходимо производить правильный выбор места подключения устройства А повышения качества электроэнергии (фиг.2). В противном случае устройство А повышения качества электроэнергии будет выступать уже не в роли корректора, а в роли источника, вносящего искажения в форму питающего напряжения. Устройство А повышения качества электроэнергии должно подключаться параллельно потребителям В, вносящим искажения в форму питающего напряжения (фиг.2).
Форма напряжения сети изначально является несинусоидальной в связи с тем, что внутреннее сопротивление генератора имеет активное и индуктивное сопротивление:
где Rгенер - активное сопротивление генератора; Lгенер - индуктивность генератора; iсум - суммарный ток всех потребителей; u(t) - напряжение сети в точке подключения электропотребителей; егенер(t) - ЭДС генератора.
Таким образом, при использовании метода восстановления формы питающего напряжения сети возможно, что форма напряжения сети будет соответствовать форме напряжения при холостом ходе генератора.
Положительный эффект заключается в восстановлении формы питающего напряжения сети, максимально приближая ее к синусоидальной. При использовании способа повышения качества электрической энергии наблюдается также и экономический эффект - уменьшение непроизводственных потерь электроэнергии в системах электроснабжения.
1. Способ повышения качества электрической энергии, заключающийся в уменьшении несинусоидальности формы питающего напряжения сети, отличающийся тем, что производят распределение потребления электроэнергии между электронными устройствами, искажающими форму питающего напряжения, и электронными устройствами, улучшающими форму питающего напряжения, в течение полуволны питающего напряжения сети.
2. Устройство повышения качества электрической энергии, подключаемое параллельно с потребителями, вносящими искажения в форму напряжения, на вход которого подается напряжение сети, содержащее последовательно соединенные фазосдвигаюшую цепочку, формирователь управляющих импульсов, источник питания постоянного тока и силовой коммутирующий ключ, который подключает к сети в определенные моменты времени потребителей, улучшающих форму питающего напряжения сети.
