Способ повышения эффективности использования электроэнергии (вариант 1)

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в уменьшении непроизводительных потерь в потоке мощности энергосистемы. Согласно способу из потока мощности, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой, посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, извлекают индуктивную составляющую, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяются по закону изменения огибающей индуктивной составляющей тока, и, после ее преобразования, посредством управляемого источника мощности, в качестве которого предлагается использовать ШИМ-инвертор, возвращают в энергосистему в виде активной энергии посредством гармоники тока основной частоты. 1 ил.

 

Способ относится к электротехнике и может быть использован для повышения эффективности использования электроэнергии, посредством снижения в потоке мощности энергосистемы непроизводительных потерь.

Известен способ компенсации реактивной мощности (1), принятый в качестве аналога, при осуществлении которого индуктивная составляющая тока, генерируемая нелинейной нагрузкой, компенсируется емкостным током батарей конденсаторов (БК). Известный способ-аналог обладает недостатками, главными из которых являются зависимость реактивной мощности, генерируемой БК от напряжения и их чувствительность к искажениям формы питающего напряжения. При этом имеет место малый срок службы БК и их недостаточная электрическая прочность.

Известен способ (2), принятый в качестве прототипа, при осуществлении которого из потока мощности, отбираемого неактивной нагрузкой, извлекают часть энергии, обуславливающую ее непроизводительные потери, и после преобразования в гармонику основной частоты, возвращают в энергосистему. В известном способе не предусмотрена компенсация реактивной «мощности», и, таким образом, имеют место непроизводительные потери энергии, обусловленные реактивными токами.

Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности использования электроэнергии.

Это достигается тем, что согласно предложенному способу, из потока мощности, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой, извлекают его индуктивную составляющую, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяются по закону изменения огибающей индуктивной составляющей тока, и, после ее преобразования, возвращают в энергосистему в виде активной энергии посредством тока основной частоты.

На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявленного способа. При этом введены следующие обозначения.

1 - энергосистема

2 - датчик тока нагрузки

3 - полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель

4 - емкостный накопитель

5 - управляемый преобразователь мощности

6 - датчик питающего напряжения

7 - нелинейная нагрузка

8 - блок формирования логического сигнала

9 - блок формирования модулирующего сигнала

Суть способа заключается в следующем. Как известно, в энергосети, при питании от нее активно-индуктивных нагрузок, в течение четверти периода знак мгновенной мощности изменяется на противоположный. Это связано с тем, что часть энергии, запасенная в магнитном поле реактивной нагрузки, возвращается назад в источник в виде реактивного тока. В этом случае, протекание реактивного тока обеспечивается ЭДС самоиндукции. При этом знаки питающего напряжения и ЭДС самоиндукции, как известно, противоположны. Отрицательный эффект, связанный с реактивными токами заключается в дополнительных непроизводительных потерях энергии в энергосистеме. В заявленном способе, задача повышения эффективности использования электроэнергии решается путем снижения ее непроизводительных потерь. При этом предлагается извлекать из потока энергии, используемого активно-индуктивной нагрузкой, - индуктивную составляющую, и после ее накопления и преобразования в ток основной частоты, возвращать в энергосистему в виде активной энергии. Задача извлечения индуктивной составляющей решается посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, построенного на IGBT модулях. Протекание индуктивной составляющей тока через каждое из плеч полностью управляемого транзисторного выпрямителя, обеспечивается, в каждый полупериод питающего напряжения, действием ЭДС самоиндукции. При этом транзисторы каждого из плеч управляемого моста, открываются на время, в течение которого в энергосистеме протекает индуктивная составляющая тока, и как уже было сказано, ее протекание обеспечивается действием ЭДС самоиндукции. Управление транзисторами осуществляют посредством модулирующего сигнала с заданными характеристиками. Использование IGBT-транзисторов, при выпрямлении тока, позволяет использовать их управляющие свойства относительно токов. При этом осуществляется избирательное выпрямление только той составляющей тока, которая задается сигналом управления. На выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, энергия которых, за период их повторения, эквивалентна энергии, извлекаемой из энергосистемы индуктивной составляющей тока, а длительность, которых изменяются по закону изменения ее огибающей. Далее, извлеченная энергия накапливается в емкостном накопителе, и после преобразования посредством дополнительного источника мощности, в качестве которого предлагается использовать ШИМ-инвертор, возвращается в энергосистему в виде активной энергии, посредством тока основной частоты. При этом контур, в котором замыкается реактивная составляющая тока, генерируемого нагрузкой, ограничивается точкой подсоединения устройства, обеспечивающего его извлечение. Таким образом, энергосистема разгружается от индуктивной составляющей тока.

Способ осуществляется следующим образом. Активно-индуктивная нагрузка 7, отбирает из энергосистемы вместо активной, индуктивную составляющую энергии. При этом последняя загружает энергосистему реактивным током. Посредством датчика тока 2, и датчика питающего напряжения 6, формируют пропорциональные им сигналы. При этом на выходе датчика тока 2 сигнал, пропорциональный индуктивному току, генерируемому нагрузкой 7, отстает от напряжения на некоторый угол, определяющий коэффициент мощности в энергосистеме. В блоке формирования логического сигнала 8 сравниваются знаки поступающих на его входы, с выходов датчика тока 2 и датчика питающего напряжения 6, - сигналов, и на его выходе формируется цифровая последовательность нулей и единиц, причем при совпадении знаков сигналов, пропорциональных току и напряжению, на выходе блока 8 формируется логическая единица, а в остальных случаях - логический ноль. Таким образом, логическая единица соответствует той части периода, в течение которого нагрузка 7 отбирает из энергосистемы активную мощность. Далее, сигнал с выхода блока 8 поступает на один из входов блока формирования модулирующего сигнала 9, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой 7. Таким образом, в те моменты, в течение которых логический ноль, поступающий с выхода блока 8, совпадает на входе блока 9, с положительной полуволной, отбираемого нагрузкой 7 - тока, на выходе блока 9 формируются модулирующие импульсы напряжения, пропорциональные индуктивной составляющей тока, отбираемого нагрузкой 7, и синфазные по отношению к ней. В течение времени действия импульсов напряжения, сформированных блоком 9, на управляющих входах полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, питание последнего осуществляется за счет ЭДС самоиндукции. Таким образом, посредством управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, осуществляется извлечение индуктивной составляющей тока, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой 7, в форме, способствующей ее накоплению. При этом на его выходе формируется последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, которая посредством емкостного накопителя 4, поступает в управляемый преобразователь мощности 5, в качестве которого используется ШИМ-инвертор. В емкостном накопителе, последовательность однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, энергия которых, за период их повторения, эквивалентна извлекаемой из энергосистемы индуктивной составляющей тока, а их длительность, изменяется по закону изменения огибающей упомянутой индуктивной составляющей, накапливается в виде энергии постоянного тока. Полученное таким образом напряжение используется для питания управляемого преобразователя мощности 5, посредством которого накопленная энергия преобразуется в энергию гармоники основной частоты и возвращается в энергосистему. При этом управление блоком 5 осуществляют сигналом, сформированным посредством питающего напряжения, задающим фазу (равную нулю по отношению к питающему напряжению) возвращаемого в энергосистему тока.

О реализации заявленного способа необходимо отметить следующее. Использование в заявленном способе полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, работающего в ключевом режиме на частотах, превышающих частоту модулируемого управляющего сигнала, является оптимальным. При этом полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель позволяет произвольно, в зависимости от поставленной задачи, формировать огибающую выпрямленного тока, потребляемого из питающей сети. Помехи от работы полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя могут быть отфильтрованы посредством стандартных решений при минимальных энерго- и материальных затратах.

Необходимо отметить также следующий факт. Одним из преимуществ извлечения тока заданной частоты посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя является простота его перестройки при изменении текущего коэффициента мощности в энергосистеме. Для этого достаточно изменить модулирующий сигнал управления.

Таким образом, в результате последовательности действий, воспроизведенных в соответствии с заявленным способом повышения эффективности использования электроэнергии, из энергосистемы извлекается и утилизируется индуктивная составляющая тока, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Рекус Г.Г. Электрооборудование производств: Справ. пособие [Текст] / Рекус Г.Г. М.: Высш. шк., 2007, с.334.

2. Патент РФ №2237334, опубликовано: 2004.05.20.

Способ повышения эффективности использования электроэнергии, при котором из потока мощности, отбираемого неактивной нагрузкой, извлекают часть энергии, обуславливающую ее непроизводительные потери, и после преобразования в гармонику основной частоты генерируют в энергосистему, отличающийся тем, что генерируемый в энергосистему ток основной частоты формируют посредством индуктивной составляющей энергии, которую извлекают из энергосистемы, с помощью полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, управляемого модулирующим сигналом, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей упомянутого модулирующего сигнала, который предварительно формируют как результат сравнения знаков двух составляющих: аналоговой, пропорциональной току, отбираемому активно-индуктивной нагрузкой, и составляющей, которую в случае равенства знаков сравниваемых: напряжения, питающего нагрузку, и напряжения, пропорционального упомянутой аналоговой составляющей, формируют в виде логического сигнала, при этом в случае, если знаки составляющих противоположны, модулирующий сигнал формируют и посредством его осуществляют извлечение индуктивной составляющей тока, в каждый полупериод питающего нагрузку напряжения, при этом генерируемый в энергосистему ток основной частоты формируют посредством дополнительного управляемого источника мощности, питание которого осуществляют за счет извлеченной индуктивной составляющей энергии, а управление которым осуществляют посредством модулирующего сигнала, огибающую которого формируют пропорционально напряжению, питающему активно-индуктивную нагрузку.