Устройство параметрической стабилизации напряжения переменного тока
Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в обеспечении параметрической стабилизации напряжения переменного тока вне зависимости от характера нагрузки, повышении коэффициента стабилизации, повышении диапазона стабилизации по входному напряжению, снижении мощности искажения, повышении точности стабилизации напряжения и компенсации реактивной мощности, исключении влияния изменения частоты напряжения источника электроэнергии на стабилизацию напряжения и компенсацию реактивной мощности, обеспечении компенсации реактивной мощности с учетом фазового сдвига между первыми гармониками напряжения и тока, расширении диапазона функциональных возможностей путем обеспечения возможности задания различных уровней стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок. В заявленном устройстве содержится первый датчик тока, первый датчик напряжения, первый - третий реакторные блоки, первый и второй конденсаторные блоки, кроме того, введены первый - шестой блоки АЦП, первый - пятый блоки преобразования Фурье (БПФ), блок управления контроля и визуализации (блок УКВ), частотный детектор, второй, третий и четвертый датчики тока, второй датчик напряжения, блок цифрового понижающего преобразования (блок ЦПП), амплитудно-фазовый детектор и блок фильтрации. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах питания и распределения электрической энергии для стабилизации напряжения, снижения токов высших гармоник и компенсации реактивной мощности.
Известен параметрический стабилизатор переменного напряжения (см. авторское свидетельство СССР №656040 А1, М.кл. G05F 3/06, опубл. 05.04.1979). Стабилизатор содержит первый и второй конденсатор, а также трансформатор. Вход стабилизатора последовательно соединен с источником электроэнергии, первым конденсатором и первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка которого зашунтирована вторым конденсатором и подключена к выходу стабилизатора, который подключен к нагрузке.
Параметрический стабилизатор переменного напряжения работает следующим образом.
При изменении входного напряжения (напряжения источника электроэнергии) должен измениться входной ток стабилизатора, а также индуктивность первичной обмотки трансформатора, однако емкость первого конденсатора подобрана таким образом, что при изменении входного напряжения в некоторых пределах ток первичной обмотки трансформатора меняется мало, при этом ток вторичной обмотки трансформатора, также меняется мало, а следовательно, меняется мало и напряжение на выходе стабилизатора.
Основными недостатками рассматриваемого параметрического стабилизатора переменного напряжения являются низкий диапазон стабилизации по входному напряжению, низкая точность и низкий коэффициент стабилизации из-за неуправляемости элементов устройства, зависимость процесса стабилизации и коэффициента стабилизации от частоты напряжения источника электроэнергии. Стабилизатор не учитывает реактивные составляющие сопротивления нагрузки, которые могут изменяться во времени случайным образом, и не компенсирует влияние реактивной мощности, потребление которой от источника электроэнергии уменьшает диапазон стабилизации и коэффициент стабилизации напряжения. Кроме этого, устройство не обеспечивает снижение токов высших гармоник, т.е. не снижает мощность искажения, которая в реальных условиях негативно сказывается на точности стабилизации при воздействии на входные цепи устройства полигармонических колебаний, а также в условиях, когда работа стабилизатора направлена на стабилизацию напряжения случайных нелинейно-параметрических нагрузок. Следует отметить, что рассматриваемый стабилизатор имеет узкий диапазон функциональных возможностей, так как не позволяет задавать различные уровни стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок, что создает необходимость проектирования и применения отдельного стабилизатора на каждый уровень выходного напряжения для каждой отдельной нагрузки.
Известен параметрический стабилизатор переменного напряжения (см. авторское свидетельство СССР №845153 А1, М.кл. G05F 3/06, опубл. 07.07.1981). Стабилизатор содержит ограничивающий реактор с управляющей обмоткой, силовой насыщающийся дроссель, цепь обратной связи по току, включающая блок сравнения и выходной усилитель, измеритель тока, включенный на входе цепи обратной связи, и источник эталонного напряжения.
Согласно принципу действия устройство работает следующим образом.
При изменении входного напряжения стабилизатора в первоначальный момент происходит перераспределение токов между нагрузкой и дросселем насыщения. Изменение тока в обмотке насыщающего дросселя приводит к тому, что измеритель тока изменяет величину входного тока цепи обратной связи. Это приводит к изменению тока в обмотке управления ограничивающего реактора, а следовательно, тока самого реактора за счет изменения индуктивности. При этом напряжение на ограничивающем реакторе также меняется и суммируется с входным напряжением, стабилизируя напряжение нагрузки. Эти изменения происходят до тех пор, пока ток в обмотке дросселя насыщения не установится на уровне, заданном эталонным источником.
В отличие от предыдущего аналога данный стабилизатор имеет более высокую точность и более высокий коэффициент стабилизации за счет регулирования параметров ограничивающего реактора, управляемого цепью обратной связи по току. Коэффициент стабилизации в меньшей степени зависит от частоты напряжения источника электроэнергии. Однако стабилизатор не учитывает реактивные составляющие сопротивления нагрузки и не компенсирует влияние реактивной мощности, потребление которой от источника электроэнергии снижает диапазон стабилизации и коэффициент стабилизации напряжения. Кроме этого, устройство не обеспечивает снижение токов высших гармоник, т.е. не снижает мощность искажения, которая в реальных условиях негативно сказывается на точности стабилизации при воздействии на входные цепи устройства полигармонических колебаний, а также в условиях, когда работа стабилизатора направлена на стабилизацию напряжения случайных нелинейно-параметрических нагрузок. Следует отметить, что стабилизатор имеет узкий диапазон функциональных возможностей, он не позволяет задавать различные уровни стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок, что создает необходимость проектирования и применения отдельного стабилизатора на каждый уровень выходного напряжения для каждой отдельной нагрузки.
Известен источник реактивной мощности, который используется для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения (см. патент РФ №2335056, М.кл. H01J 3/18, H01F 29/14, опубл. 27.09.2008). Устройство содержит первый датчик напряжения (датчик напряжения сети), общий выключатель, первый реакторный блок (состоящий из соединенных между собой управляемого подмагничиванием реактора, который содержит управляемый выпрямитель, питающийся автономно от одной из обмоток реактора, и маломощного источника постоянного напряжения для предварительного подмагничивания стержней реактора), первый конденсаторный блок, состоящий из конденсаторов с управляемыми выключателями, первый датчик тока (датчик тока реактора), систему автоматического управления (САУ). Вход первого датчика напряжения подключен к выходу источника электроэнергии (сети), который является также входом источника реактивной мощности, а выход первого датчика напряжения подключен к соответствующему входу САУ, соответствующие выходы которой соединены с соответствующими входами реакторного блока, другой соответствующий вход которого подключен к соответствующему выходу первого датчика тока, другой соответствующий выход которого соединен с соответствующим входом САУ, соответствующий выход которой соединен с соответствующим входом первого конденсаторного блока, другой соответствующий вход которого подключен ко входу первого датчика тока, а также к выходу общего выключателя, вход которого соединен со входом первого датчика напряжения и подключен к выходу источника реактивной мощности, к которому подключается нагрузка.
Источник реактивной мощности работает следующим образом.
При индуктивном характере нагрузки возникает недостаток реактивной мощности, который приводит к снижению уровня напряжения в сети. Первый датчик напряжения регистрирует изменения уровня напряжения в сети и подает сигнал в систему автоматического управления (САУ). Получив сигнал с датчика напряжения, САУ замыкает выключатели конденсаторного блока и передает сигнал в реакторный блок на снижение тока подмагничивания. В результате реактор снижает свой ток до минимального, и сеть получает максимальную реактивную мощность от конденсаторного блока. При изменении индуктивной составляющей нагрузки изменяется уровень напряжения в сети, регистрируемый первым датчиком напряжения. Получив сигнал с первого датчика напряжения, САУ регулирует ток подмагничивания реактора, при этом изменяется индуктивность реакторного блока и уровень выдачи конденсаторным блоком в сеть реактивной мощности. Таким образом, устройство компенсирует реактивную составляющую мощности при индуктивном характере нагрузки и тем самым стабилизирует уровень напряжения в сети. При емкостном характере нагрузки возникает избыточная реактивная мощность. В этом случае в сети может возникнуть повышенное напряжение, для снижения которого необходима работа устройства в режиме потребления реактивной мощности. Для этого система автоматического управления на основании сигнала с первого датчика тока (датчика тока реактора) размыкает выключатели конденсаторного блока и передает сигнал в реакторный блок для установки и регулирования индуктивности реактора. Таким образом, устройство компенсирует реактивную составляющую мощности при емкостном характере нагрузки и тем самым стабилизирует уровень напряжения в сети.
Источник реактивной мощности стабилизирует напряжение и в отличие от предыдущих аналогов компенсирует реактивную мощность.
Однако в данном устройстве стабилизация напряжения осуществляется только методом компенсации влияния реактивной мощности, циркуляция которой от источника электроэнергии к нагрузке и наоборот вызывает изменения уровня напряжения в сети. Такой способ стабилизации имеет низкие коэффициент стабилизации и диапазон стабилизации по входному напряжению, так как учитывает лишь изменения напряжения, вызванные потреблением реактивной составляющей мощности, и не учитывает активную составляющую мощности, потребляемую нагрузкой. Это приводит к тому, что устройство не позволяет в полной мере стабилизировать напряжение при реактивном характере сопротивления нагрузки и вообще не может осуществлять какую-либо стабилизацию в случае, если нагрузка носит чисто активный характер. То есть, при изменении напряжения источника электроэнергии, когда реактивная мощность не потребляется, стабилизация напряжения производиться не может.
Кроме этого, компенсация реактивной мощности в устройстве основана на регистрации изменений уровня напряжения сети, но не учитывает возможные изменения частоты напряжения источника электроэнергии, а также не учитывает фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения и тока. Таким образом, при отклонении частоты напряжения источника электроэнергии устройство не может компенсировать реактивную мощность с высокой точностью, а при отсутствии изменений уровня напряжения сети (мощность источника электроэнергии значительно превосходит мощность нагрузки) устройство становится неработоспособным и не может осуществлять компенсацию реактивной мощности.
Также устройство не обеспечивает фильтрацию токов высших гармоник, что негативно сказывается на точности стабилизации напряжения и компенсации реактивной мощности при воздействии на входе устройства полигармонических колебаний и включении нелинейно-параметрических нагрузок на выходе устройства.
Следует отметить, что устройство имеет узкий диапазон функциональных возможностей, так как не позволяет задавать различные уровни стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок.
Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом изобретения является обеспечение параметрической стабилизации напряжения переменного тока вне зависимости от характера нагрузки, повышение коэффициента стабилизации, повышение диапазона стабилизации по входному напряжению, снижение мощности искажения, повышение точности стабилизации напряжения и компенсации реактивной мощности, исключение влияния изменения частоты напряжения источника электроэнергии на стабилизацию напряжения и компенсацию реактивной мощности, обеспечение компенсации реактивной мощности с учетом фазового сдвига между первыми гармониками напряжения и тока, обеспечение возможности задания различных уровней стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок.
Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемом устройстве параметрической стабилизации напряжения переменного тока, содержащем первый датчик тока, первый датчик напряжения, первый реакторный блок, первый конденсаторный блок, состоящий из конденсаторов с управляемыми выключателями, отличающемся тем, что введены первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой блоки аналого-цифрового преобразования (блоки АЦП), первый, второй, третий, четвертый и пятый блоки преобразования Фурье (БПФ), блок управления контроля и визуализации (блок УКВ), частотный детектор, второй, третий и четвертый датчики тока, второй датчик напряжения, блок цифрового понижающего преобразования (блок ЦПП), амплитудно-фазовый детектор, блок фильтрации, второй и третий реакторные блоки, второй конденсаторный блок, состоящий из конденсаторов с управляемыми выключателями, при этом первый датчик тока входом подключен к выходу источника электроэнергии, а первым выходом ко входу первого блока АЦП, выход которого подключен к первому входу первого БПФ, выход которого подключен к первому входу блока УКВ, первый выход которого подключен ко второму входу первого БПФ, второй выход первого датчика тока подключен ко входу первого датчика напряжения, выход которого соединен со входом второго блока АЦП, выход которого соединен со вторым входом блока УКВ, первым входом второго БПФ и входом частотного детектора, выход которого соединен с третьим входом блока УКВ, четвертый вход которого соединен с выходом второго БПФ, второй вход которого соединен со вторым выходом блока УКВ, третий выход которого соединен с первыми входами первого реакторного и первого конденсаторного блоков, вторые входы которых связаны со вторым выходом первого датчика тока, входом первого датчика напряжения и со входом второго датчика тока, первый выход которого соединен со входом третьего блока АЦП, выход которого подключен к первому входу блока ЦПП, второй вход которого подключен к четвертому выходу блока УКВ, а выход блока ЦПП подключен ко входу амплитудно-фазового детектора, выход которого соединен с пятым входом блока УКВ, пятый выход которого связан с первым входом блока фильтрации, второй вход которого связан со вторым выходом второго датчика тока и со входом третьего датчика тока, первый выход которого подключен ко входу четвертого блока АЦП, выход которого связан с первым входом третьего БПФ, выход которого подключен к шестому входу блока УКВ, а второй вход третьего БПФ подключен к шестому выходу блока УКВ, седьмой выход которого соединен с первым входом второго реакторного блока, второй вход которого связан со вторым выходом третьего датчика тока, а выход второго реакторного блока связан с первыми входами третьего реакторного и второго конденсаторного блоков, вторые входы которых соединены с восьмым выходом блока УКВ, выход второго реакторного блока соединен также со входом второго датчика напряжения, выход которого подключен ко входу пятого блока АЦП, выход которого подключен к первому входу четвертого БПФ и к седьмому входу блока УКВ, восьмой вход которого соединен с выходом четвертого БПФ, второй вход которого соединен с девятым выходом блока УКВ, выход второго реакторного блока связан также со входом четвертого датчика тока, первый выход которого связан со входом шестого блока АЦП, выход которого соединен с первым входом пятого БПФ, выход которого подключен к девятому входу блока УКВ, десятый выход которого соединен со вторым входом пятого БПФ, второй выход четвертого датчика тока соединен с выходом устройства параметрической стабилизации напряжения переменного тока, к которому подключена нагрузка.
При этом первый, второй и третий реакторные блоки, могут быть выполнены с возможностью цифрового управления, причем каждый из них может содержать т последовательно соединенных дискретных индуктивных элементов, каждый из которых соединен параллельно с соответствующим из m управляемых коммутирующих устройств, где m равно количеству разрядов коэффициента перекрытия диапазона изменения индуктивности реакторного блока kп, равного отношению максимальной Lmax к минимальной Lmin индуктивности и выраженного в двоичной системе счисления.
Кроме того, блок фильтрации может содержать (n-1) регулируемых фильтров гармоник, где n - число гармоник анализируемого спектра, каждый из которых содержит первую и вторую регулируемые индуктивности и одну нерегулируемую емкость, совместно образующие управляемый последовательный резонансный контур на частоте соответствующей гармоники.
Введенные в предлагаемое устройство второй датчик напряжения, четвертый датчик тока, второй, пятый и шестой блоки АЦП, второй, четвертый и пятый БПФ, блок УКВ, второй и третий реакторные блоки, второй конденсаторный блок позволяют обеспечить параметрическую стабилизацию напряжения переменного тока вне зависимости от характера нагрузки, повысить коэффициент стабилизации и повысить диапазон стабилизации по входному напряжению.
Введенные в предлагаемое устройство третий датчик тока, первый, второй и четвертый блоки АЦП, первый, второй и третий БПФ, блок УКВ, блок фильтрации позволяют снизить мощность искажения, повысить точность стабилизации напряжения и компенсации реактивной мощности.
Введенные в предлагаемое устройство второй датчик тока, третий блок АЦП, блок ЦПП, амплитудно-фазовый детектор, блок УКВ, первый реакторный и первый конденсаторный блоки обеспечивают компенсацию реактивной мощности с учетом фазового сдвига между первыми гармониками напряжения и тока.
Введенный в предлагаемое устройство частотный детектор совместно с блоком УКВ исключает влияние изменения частоты напряжения источника электроэнергии на стабилизацию напряжения и компенсацию реактивной мощности.
Введенный в предлагаемое устройство блок УКВ позволяет задавать различные уровни стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок и таким образом расширить диапазон функциональных возможностей устройства.
При этом введенные в предлагаемое устройство второй, третий и четвертый датчики тока, а также второй датчик напряжения позволяют выделить сигналы, характеризующие мгновенные значения токов, а также мгновенное значение напряжения на выходе устройства стабилизации для дальнейшей обработки этих сигналов с целью контроля и управления блоками устройства.
Введенные в предлагаемое устройство первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой блоки АЦП позволяют преобразовать сигналы соответственно с первого датчика тока, первого датчика напряжения, со второго и третьего датчиков тока, второго датчика напряжения, с четвертого датчика тока - в цифровые сигналы. Дальнейшая обработка данных сигналов в цифровой форме позволяет повысить точность вычислений и тем самым повысить точность стабилизации напряжения, компенсации реактивной мощности и снижения мощности искажения.
Введенный в предлагаемое устройство первый БПФ позволяет вычислить амплитудный и фазовые спектры потребляемого от источника электроэнергии тока для дальнейшего контроля управления блоками и визуализации при помощи блока УКВ.
Введенный в предлагаемое устройство блок УКВ осуществляет контроль и производит обработку входящих в него цифровых сигналов, формирует команды управления блоками, а также предоставляет информацию о физических характеристиках сигналов в удобной для зрительного восприятия форме.
Введенный в предлагаемое устройство второй БПФ позволяет вычислить амплитудный и фазовый спектры напряжения на входе устройства для дальнейшего контроля управления блоками и визуализации при помощи блока УКВ. Так как второй БПФ вычисляет амплитуду и начальную фазу первой гармоники напряжения источника электроэнергии, то эти данные позволяют посредством управления при помощи блока УКВ первым реакторным и первым конденсаторным блоками производить компенсацию реактивной мощности не только путем регистрации уровня напряжения сети, но также с учетом значения начальной фазы первой гармоники напряжения, которое используется для компенсации реактивной мощности с учетом фазового сдвига между первыми гармониками напряжения и тока.
Введенный в предлагаемое устройство частотный детектор вычисляет частоту первой гармоники напряжения на входе устройства и при помощи блока УКВ позволяет автоматически подстраивать все БПФ, все реакторные блоки, конденсаторные блоки, блок фильтрации, блок ЦПП для повышения точности процессов стабилизации напряжения, компенсации реактивной мощности, снижения мощности искажения и исключения влияния на эти процессы изменения частоты напряжения источника электроэнергии. Введение частотного детектора позволяет также повысить коэффициент стабилизации и расширить диапазон стабилизации по входному напряжению.
Введенный в предлагаемое устройство блок ЦПП позволяет вычислить реальную и мнимую составляющие первой гармоники тока, протекающего через второй датчик тока. Полученная в ЦПП информация поступает в амплитудно-фазовый детектор, который определяет амплитуду и начальную фазу первой гармоники тока для последующей компенсации реактивной мощности с учетом фазового сдвига между первыми гармониками напряжения и тока.
Введенный в предлагаемое устройство блок фильтрации позволяет при помощи блока УКВ автоматически подстраивать амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) каждого отдельного фильтра гармоник для снижения мощности искажения, повышения точности стабилизации и коэффициента стабилизации напряжения.
Введенный в предлагаемое устройство третий БПФ позволяет вычислить амплитудный и фазовый спектры тока, протекающего через третий датчик тока, для дальнейшего контроля и управления блоком фильтрации при помощи блока УКВ, внося вклад в повышение точности стабилизации напряжения и снижение мощности искажения.
Введенные в предлагаемое устройство второй реакторный, третий реакторный и второй конденсаторный блоки совместно с блоком УКВ позволяют стабилизировать напряжение на выходе устройства вне зависимости от характера нагрузки, повышая тем самым диапазон стабилизации по входному напряжению и коэффициент стабилизации напряжения, кроме этого, указанные блоки позволяют задавать и получать различные уровни стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок. При этом третий реакторный блок и второй конденсаторный блок образуют конденсатор переменной емкости, который совместно со вторым реакторным блоком создают резонансный колебательный контур на частоте напряжения источника электроэнергии и обеспечивают ток на выходе устройства, который обратно пропорционален сопротивлению нагрузки.
Введенный в предлагаемое устройство четвертый БПФ позволяет вычислить амплитудный и фазовый спектры напряжения на выходе устройства стабилизации для того, чтобы при помощи блока УКВ контролировать спектр и, управляя вторым реакторным, третьим реакторным и вторым конденсаторным блоками, обеспечить стабилизацию напряжения вне зависимости от характера нагрузки и повысить коэффициент стабилизации, а также повысить диапазон стабилизации по входному напряжению.
Введенный в предлагаемое устройство пятый БПФ позволяет вычислить амплитудный и фазовый спектры тока, протекающего через четвертый датчик тока для того, чтобы при помощи блока УКВ контролировать спектр и, управляя вторым реакторным, третьим реакторным и вторым конденсаторным блоками, обеспечить стабилизацию напряжения вне зависимости от характера нагрузки и повысить коэффициент стабилизации, а также повысить диапазон стабилизации по входному напряжению.
Таким образом, введенные в предлагаемое устройство блоки позволяют получить технический результат.
Структурная схема устройства параметрической стабилизации напряжения переменного тока приведена на чертеже.
Согласно чертежу выход источника 1 электроэнергии соединен со входом устройства 2 параметрической стабилизации напряжения переменного тока, к которому также подключен вход первого датчика 3 тока, первый выход которого подключен ко входу первого блока 4 АЦП, выход которого подключен к первому входу первого 5 БПФ, выход которого подключен к первому входу блока 6 УКВ, первый выход которого подключен ко второму входу первого 5 БПФ, второй выход первого датчика 3 тока подключен ко входу первого датчика 7 напряжения, выход которого соединен со входом второго блока 8 АЦП, выход которого соединен со вторым входом блока 6 УКВ, первым входом второго 9 БПФ и входом частотного детектора 10, выход которого соединен с третьим входом блока 6 УКВ, четвертый вход которого соединен с выходом второго 9 БПФ, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 6 УКВ, третий выход которого соединен с первыми входами первого реакторного 11 и первого конденсаторного 12 блоков, вторые входы которых связаны со вторым выходом первого 3 датчика тока, входом первого 7 датчика напряжения и со входом второго 13 датчика тока, первый выход которого соединен со входом третьего блока 14 АЦП, выход которого подключен к первому входу блока 15 ЦПП, второй вход которого подключен к четвертому выходу блока 6 УКВ, а выход блока 15 ЦПП подключен ко входу амплитудно-фазового детектора 16, выход которого соединен с пятым входом блока 6 УКВ, пятый выход которого связан с первым входом блока 17 фильтрации, второй вход которого связан со вторым выходом второго 13 датчика тока и со входом третьего 18 датчика тока, первый выход которого подключен ко входу четвертого блока 19 АЦП, выход которого связан с первым входом третьего 20 БПФ, выход которого подключен к шестому входу блока 6 УКВ, а второй вход третьего 20 БПФ подключен к шестому выходу блока 6 УКВ, седьмой выход которого соединен с первым входом второго реакторного блока 21, второй вход которого связан со вторым выходом третьего 18 датчика тока, а выход второго реакторного блока 21 связан с первыми входами третьего реакторного 22 и второго конденсаторного 23 блоков, вторые входы которых соединены с восьмым выходом блока 6 УКВ, выход второго реакторного блока 21 соединен также со входом второго 24 датчика напряжения, выход которого подключен ко входу пятого блока 25 АЦП, выход которого подключен к первому входу четвертого 26 БПФ и к седьмому входу блока 6 УКВ, восьмой вход которого соединен с выходом четвертого 26 БПФ, второй вход которого соединен с девятым выходом блока 6 УКВ, выход второго реакторного блока 21 связан также со входом четвертого датчика 27 тока, первый выход которого связан со входом шестого блока 28 АЦП, выход которого соединен с первым входом пятого 29 БПФ, выход которого подключен к девятому входу блока 6 УКВ, десятый выход которого соединен со вторым входом пятого 29 БПФ, второй выход четвертого 27 датчика тока соединен с выходом устройства 2 параметрической стабилизации напряжения переменного тока, к которому подключена нагрузка 30.
Устройство 2 параметрической стабилизации напряжения переменного тока работает следующим образом.
Блок 6 УКВ задает эталонное значение амплитуды первой гармоники выходного напряжения Uэ устройства 2 параметрической стабилизации напряжения переменного тока. После этого блок 6 УКВ на основании амплитудных значений U1вых и I1вых первых гармоник напряжения и тока, вычисляемых соответственно в четвертом 26 и пятом 29 БПФ, определяет значение полного сопротивления нагрузки 30 по первой гармонике:
Определив сопротивление нагрузки 30 по первой гармонике, блок 6 УКВ на основании заданного эталонного значения выходного напряжения и вычисленного значения сопротивления нагрузки 30 определяет эталонное значение амплитуды первой гармоники выходного тока устройства 2 по формуле:
Частотный детектор 10 во время работы устройства 2 всегда вычисляет значение круговой частоты ω первой гармоники напряжения источника 1 электроэнергии. Сигнал со значением частоты ω поступает в блок 6 УКВ, который использует данную информацию для настройки, правильной работы и управления блоками (БПФ, реакторными блоками, блоком фильтрации, блоком ЦПП), тем самым исключая влияние изменения частоты напряжения источника 1 электроэнергии на процессы стабилизации напряжения, компенсации реактивной мощности и снижения мощности искажения.
Для создания условий резонанса блок 6 УКВ на основании амплитудного значения U1вх первой гармоники входного напряжения, вычисляемого во втором 9 БПФ, эталонного значения выходного тока Iэ и значения круговой частоты ω первой гармоники напряжения источника 1 электроэнергии определяет значение индуктивности L2 второго реакторного блока 21 по формуле:
а также значение емкости С1э эквивалентного конденсатора переменной емкости, по формуле:
Эквивалентный конденсатор переменной емкости образуется при совместном (параллельном) включении третьего реакторного 22 и второго конденсаторного 23 блоков. Для обеспечения необходимой величины емкости С1э эквивалентного конденсатора блок 6 УКВ определяет также значение индуктивности L3 третьего реакторного блока 22 по формуле:
при С1э≤С2, где С2 - емкость второго конденсаторного блока 23.
Третий реакторный блок 22 регулирует значение собственной индуктивности, а следовательно, и значение протекающего через третий реакторный блок 22 тока, и за счет того, что фазы тока в параллельно соединенных индуктивности реакторного блока 22 и емкости второго конденсаторного блока 23 сдвинуты на 180°, регулируется емкость эквивалентного конденсатора С1э.
После вычисления необходимых значений индуктивностей и емкостей блок 6 УКВ выдает команды управления во второй реакторный 21 и во второй конденсаторный 23 блоки, а также в третий реакторный блок 22 для установки L3, С1э и L2, причем индуктивность L2 второго реакторного блока 21 и емкость С1э эквивалентного конденсатора всегда образуют резонансный колебательный контур на частоте ω напряжения источника 1 электроэнергии, при этом:
При этом амплитудное значение I1вых первой гармоники тока на выходе устройства 2 при резонансе поддерживается равным эталонному значению Iэ и вычисляется по формуле:
Из формулы видно, что амплитудное значение I1вых первой гармоники тока на выходе устройства 2 обратно пропорционально Z1н, а значение напряжения U1вых на выходе устройства 2 при этом равно заданному в блоке 6 УКВ напряжению Uэ и остается неизменным при изменении сопротивления нагрузки 30.
Таким образом, при изменении амплитуды напряжения первой гармоники на входе устройства 2 амплитуда напряжения первой гармоники на выходе устройства 2 остается равной напряжению, которое задается в блоке 6 УКВ и не зависит от характера нагрузки 30 и частоты напряжения источника 1 электроэнергии. Это способствует повышению коэффициента стабилизации и диапазона стабилизации напряжения по сравнению с прототипом. При этом обеспечивается возможность задания и получения различных уровней стабилизированных выходных напряжений с учетом индивидуальных требований подключаемых нагрузок, что значительно расширяет диапазон функциональных возможностей предлагаемого устройства 2. Для снижения мощности искажения на входе и выходе устройства 2 параметрической стабилизации напряжения переменного тока, а также для повышения точности стабилизации напряжения, блок 6 УКВ производит контроль амплитудного спектра тока и напряжения, вычисляемого соответственно в третьем 20 и втором 9 БПФ, определяет коэффициенты гармоник тока и напряжения, использует информацию о значении круговой частоты первой гармоники напряжения источника 1 электроэнергии и выдает команды управления в блок фильтрации 17 для подключения и настройки соответствующих регулируемых (n-1) фильтров гармоник (где n - число гармоник анализируемого спектра). Каждый из содержащихся в блоке фильтрации регулируемых фильтров гармоник настраивает свою амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) оптимальным образом по критериям минимумов коэффициентов гармоник тока и напряжения, определяемых в блоке 6 УКВ на основании анализа и контроля амплитудных спектров, вычисляемых соответственно в первом 5, во втором 9 и третьем 20 БПФ, а также с учетом информации о частоте ω первой гармоники напряжения источника 1 электроэнергии, которая поступает в блок 6 УКВ с частотного детектора 10. Настройка АЧХ фильтров осуществляется методом регулирования первой L1ф и второй L2ф индуктивностей каждого фильтра. Причем вторые L2ф регулируемые индуктивности и нерегулируемые емкости Сф фильтров образуют эквивалентные конденсаторы переменной емкости Сфэ, которые совместно с первыми регулируемыми индуктивностями L1ф создают управляемые последовательные резонансные контура на частотах ωh высших гармоник (где 2≤h≤n), при этом:
а емкость эквивалентного конденсатора определяется по формуле:
Таким образом, блок 17 фильтрации снижает мощность искажения как на входе, так и на выходе устройства 2, тем самым повышая точность стабилизации напряжения как при действии полигармонических колебаний на входе устройства 2, так и при изменении нелинейно-параметрических нагрузок 30 на выходе устройства 2.
Для компенсации влияния реактивной мощности, циркуляция которой от источника 1 электроэнергии к нагрузке 30 и наоборот может вызывать соответствующие изменения уровня напряжения на входе устройства 2 параметрической стабилизации напряжения переменного тока, блок 6 УКВ, используя информацию об амплитудах первых гармоник напряжения и тока (U1 и I1), а также начальных фазах первых гармоник напряжения и тока (αu и αi), определяемых соответственно во втором 9 БПФ и в амплитудно-фазовом детекторе 16, вычисляет фазовый сдвиг φ между первыми гармониками напряжения и тока (φ=αu-αi) и определяет знак этой разности. Блок 6 УКВ определяет характер реактивной мощности, которая при φ>0 носит индуктивный характер, а при φ<0 - емкостной характер, и принимает решение о компенсации реактивной мощности, с учетом фазового сдвига между первыми гармониками напряжения и тока с учетом значения частоты ω первой гармоники напряжения источника 1 электроэнергии, вычисляемого в частотном детекторе, а также с учетом коэффициента компенсации k (0≤k≤1), который по умолчанию устанавливается равным единице. Далее блок 6 УКВ может задать коэффициент компенсации, после чего он выдает команды управления первым реакторным 11 и первым конденсаторным 12 блоками. Причем первый реакторный 11 и первый конденсаторный 12 блоки при совместном (параллельном) включении образуют эквивалентный конденсатор переменной емкости С2э. Емкость эквивалентного конденсатора С2э может регулироваться при помощи регулирования индуктивности первого реакторного блока 11 и принимать практически любые значения от нуля до текущего установленного значения емкости С1 первого конденсаторного блока 12.
При индуктивном характере реактивной мощности требуется работа устройства в режиме выдачи реактивной мощности. Для этого блок 6 УКВ рассчитывает емкость С2э эквивалентного конденсатора переменной емкости по формуле:
Причем для обеспечения расчетной величины емкости С2э эквивалентного конденсатора блок 6 УКВ определяет также значение индуктивности L1 первого реакторного блока 11 по формуле:
при С2э≤C1, где С1 - емкость первого конденсаторного блока 12.
Индуктивность L1 первого реакторного блока 11 при совместном (параллельном) включении с емкостью С1 первого конденсаторного блока 12 регулирует значение тока, протекающего через блок 11, и за счет того, что фазы тока в параллельно соединенных индуктивности и емкости сдвинуты на 180°, первый реакторный блок регулирует уровень выдачи вторым конденсаторным блоком 12 реактивной мощности в сеть. После определения значений емкости и индуктивности по формулам (10) и (11) блок 6 УКВ выдает команды управления в первый реакторный блок 11 для установки индуктивности L1, которая обеспечит необходимую для компенсации реактивной мощности при индуктивном ее характере емкость С2э.
При емкостном характере реактивной мощности необходима работа устройства в режиме потребления реактивной мощности. Для этого блок 6 УКВ выдает команды управления в первый конденсаторный блок 12 для отключения всех подключенных конденсаторов, после чего блок 6 УКВ выдает сигнал управления в первый реакторный блок 11 для установки индуктивности L1, необходимой для компенсации реактивной мощности при емкостном ее характере. Значение индуктивности L1 первого реакторного блока 11 определяется по формуле:
Таким образом, происходит компенсация реактивной мощности, циркуляция которой от источника 1 электроэнергии к нагрузке 30 и наоборот может вызывать изменения уровня напряжения на входе устройства 2 параметрической стабилизации напряжения переменного тока. Причем компенсация реактивной мощности осуществляется не только с учетом уровня напряжения U1 источника 1 электроэнергии, но и с учетом возможных изменений частоты ω первой гармоники напряжения источника 1 электроэнергии, а также с учетом фазового сдвига φ между первыми гармониками напряжения и тока. При этом повышается точность и исключается частотная зависимость (зависимость от частоты напряжения источника электроэнергии) процесса компенсации реактивной мощности, кроме этого, расширяется диапазон стабилизации по входному напряжению, повышаются точность стабилизации и коэффициент стабилизации напряжения.
Кроме стабилизации напряжения, снижения мощности искажения и компенсации реактивной мощности предлагаемое устройство 2 параметрической стабилизации напряжения переменного тока при помощи блока 6 УКВ производит цифровую обработку и предоставляет информацию о физических характеристиках сигналов (амплитудных и фазовых спектрах напряжений и токов, частоте напряжения, форме токов и напряжений, коэффициенте гармоник токов и напряжений, уровне потребления реактивной мощности и т.д.) в удобной для зрительного восприятия форме.
Как видим, результатом работы предлагаемого устройства является обеспечение параметрической стабилизации напряжения переменного тока вне зависимости от характера нагрузки, повышение коэффициента стабилизации и диапазона стабилизации по входному напряжению, снижение мощности искажения, повышение точности стабилизации напряжения и компенсации реактивной мощности, исключение влияния изменения частоты напряжения источника электроэнергии в процессе стабилизации напряжения и компенсации реактивной мощности, обеспечение компенсации реактивной мощности с учетом фазового сдвига между первыми гармониками напряжения и тока, возможность задания различных уровней стабилизированных выходных напряжений в зависимости от индивидуальных требований подключаемых нагрузок.
Таким образом, использование предлагаемого устройства позволяет получить технический результат.
Рассмотрим пример выполнения блоков устройства 2 параметрической стабилизации напряжения переменного тока.
В качестве датчиков 3, 13, 18, 27 тока и датчиков 7, 24 напряжения в зависимости от мощности нагрузки могут использоваться датчики тока серий МР, EL, ES, ESM, CS, NCS и датчики напряжения серий VS и ЕМ компании «ABB Entrelec».
Блоки 4, 8, 14, 19, 25, 28 АЦП могут быть выполнены на микросхемах AD7760 фирмы «Analog Devices».
Блоки 5, 9, 20, 26, 29 БПФ, блок 15 ЦПП, амплитудно-фазовый детектор 16 и частотный детектор 10 могут быть выполнены на ПЛИС (FPGA) EP2C20…50 фирмы «Альтера».
Блок 6 УКВ может быть выполнен на базе мобильного промышленного компьютера, например Bit-RPC-1522D-MIL фирмы «Фарпоинт».
Реакторные блоки 11, 21, 22 могут содержать m последовательно соединенных индуктивных элементов на базе сухих токоограничивающих реакторов с воздушным охлаждением, например РТСТ 10(6)-400-0,35 УЗ…РТСТ 10(6)-1600-0,56 УЗ или РТСТГ 10(6)-2500-0,14 УЗ…РТСТГ 10(6)-4000-0,45 УЗ компании «Росэнерготранс», и m управляемых коммутирующих устройств на базе управляемых контакторов серий 920, 918 или 911 компании «ASCO Power Technologies» (где m равно количеству разрядов коэффициента перекрытия диапазона изменения индуктивности реакторного блока kп, равного отношению максимальной Lmax к минимальной Lmin индуктивности и выраженного в двоичной системе счисления), причем каждый из m индуктивных элементов соединен параллельно с соответствующим управляемым коммутирующим устройством. В то же время каждый реакторный блок может быть выполнен аналогично реакторному блоку в прототипе и может содержать управляемый подмагничиванием реактор типа РУОМ, РТУ или РУОДЦ ОАО «Запорожтрансформатор» и управляемый выпрямитель с цифровым управлением серии Gamatronic 1U DC+ компании «MAS Elektronik AG».
Конденсаторные блоки 12, 23 могут содержать конденсаторы на основе полипропиленовых пленок со свойствами самовосстановления после пробоя серий Е5х или Е6х фирмы «Electronicon Kondensatoren», управляемые выключатели на базе управляемых контакторов серий 920, 918 или 911 компании «ASCO Power Technologies».
Блок 17 фильтрации может содержать n-1 регулируемых фильтров, каждый из которых содержит две регулируемые индуктивности и одну нерегулируемую емкость. При этом регулируемые индуктивности могут быть выполнены аналогично управляемым подмагничиванием реакторам типа РУОМ, РТУ или РУОДЦ ОАО «Запорожтрансформатор» и могут содержать управляемые выпрямители с цифровым управлением серии Gamatronic 1U DC+ компании «MAS Elektronik AG». Нерегулируемые емкости могут быть выполнены на базе универсальных конденсаторов на основе полипропиленовых пленок со свойствами самовосстановления после пробоя серий Е5х или Е6х фирмы «Electronicon Kondensatoren».
1. Устройство параметрической стабилизации напряжения переменного тока, содержащее первый датчик тока, первый датчик напряжения, первый реакторный блок, первый конденсаторный блок, состоящий из конденсаторов с управляемыми выключателями, отличающееся тем, что введены первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой блоки аналого-цифрового преобразования (блоки АЦП), первый, второй, третий, четвертый и пятый блоки преобразования Фурье (БПФ), блок управления контроля и визуализации (блок УКВ), частотный детектор, второй, третий и четвертый датчики тока, второй датчик напряжения, блок цифрового понижающего преобразования (блок ЦПП), амплитудно-фазовый детектор, блок фильтрации, второй и третий реакторные блоки, второй конденсаторный блок, состоящий из конденсаторов с управляемыми выключателями, при этом первый датчик тока входом подключен к выходу источника электроэнергии, а первым выходом - ко входу первого блока АЦП, выход которого подключен к первому входу первого БПФ, выход которого подключен к первому входу блока УКВ, первый выход которого подключен ко второму входу первого БПФ, второй выход первого датчика тока подключен ко входу первого датчика напряжения, выход которого соединен со входом второго блока АЦП, выход которого соединен со вторым входом блока УКВ, первым входом второго БПФ и входом частотного детектора, выход которого соединен с третьим входом блока УКВ, четвертый вход которого соединен с выходом второго БПФ, второй вход которого соединен со вторым выходом блока УКВ, третий выход которого соединен с первыми входами первого реакторного и первого конденсаторного блоков, вторые входы которых связаны со вторым выходом первого датчика тока, входом первого датчика напряжения и со входом второго датчика тока, первый выход которого соединен со входом третьего блока АЦП, выход которого подключен к первому входу блока ЦПП, второй вход которого подключен к четвертому выходу блока УКВ, а выход блока ЦПП подключен ко входу амплитудно-фазового детектора, выход которого соединен с пятым входом блока УКВ, пятый выход которого связан с первым входом блока фильтрации, второй вход которого связан со вторым выходом второго датчика тока и со входом третьего датчика тока, первый выход которого подключен ко входу четвертого блока АЦП, выход которого связан с первым входом третьего БПФ, выход которого подключен к шестому входу блока УКВ, а второй вход третьего БПФ подключен к шестому выходу блока УКВ, седьмой выход которого соединен с первым входом второго реакторного блока, второй вход которого связан со вторым выходом третьего датчика тока, а выход второго реакторного блока связан с первыми входами третьего реакторного и второго конденсаторного блоков, вторые входы которых соединены с восьмым выходом блока УКВ, выход второго реакторного блока соединен также со входом второго датчика напряжения, выход которого подключен ко входу пятого блока АЦП, выход которого подключен к первому входу четвертого БПФ и к седьмому входу блока УКВ, восьмой вход которого соединен с выходом четвертого БПФ, второй вход которого соединен с девятым выходом блока УКВ, выход второго реакторного блока связан также со входом четвертого датчика тока, первый выход которого связан со входом шестого блока АЦП, выход которого соединен с первым входом пятого БПФ, выход которого подключен к девятому входу блока УКВ, десятый выход которого соединен со вторым входом пятого БПФ, второй выход четвертого датчика тока соединен с выходом устройства параметрической стабилизации напряжения переменного тока, к которому подключена нагрузка.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый, второй и третий реакторные блоки выполнены с возможностью цифрового управления, причем каждый из них содержит m - последовательно соединенных дискретных индуктивных элементов, каждый из которых соединен параллельно с соответствующим из m - управляемых коммутирующих устройств, где m равно количеству разрядов коэффициента перекрытия диапазона изменения индуктивности реакторного блока kп, равного отношению максимальной Lmax к минимальной Lmin индуктивности и выраженного в двоичной системе счисления.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок фильтрации содержит (n-1) регулируемых фильтров гармоник, где n - число гармоник анализируемого спектра, каждый из которых содержит первую и вторую регулируемые индуктивности и одну нерегулируемую емкость, совместно образующие управляемый последовательный резонансный контур на частоте соответствующей гармоники.
