Система электропитания нагрузки переменного тока
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
Союз Советских
Социалистических
:Республик р»776582
К ПАТЕНТУ (61) Дополнительный к патенту (22) Заявлена 11. 10. 74 (21) 2065898/24-07 (51)М. Кл.
Н 02 3 3/18 (32) 12.10.73 (23) Приоритет
Государственный комитет
СССР по делам изобретений и открытий (31) 406139 (33) ША (53) УДК 621.316.
1 6?1 316 .728(088.8) Опубликовано 301080. бюллетень Мо 40
Дата опубликования описания 30.10,80 (72) Авторы изобретения
Иностранцы
Фред Вильям Келли-младший, Джордж Роберт Юджин Лезан (США) Иностранная фирма
Дженерал Электрик Компани (США) (71) Заявитель как дуговые печи, регулируемая шунтирующая емкость обеспечивается с по.мощью подключения непосредственно к клеммам нагрузки, параллельно последней, синхронно вращающихся или статических конденсаторов. При изменении тока нагрузки должна изменяться величина емкости; при постоянной емкости увеличивающееся напряжение на клеммах нагрузки выше приложенного напряжения системы не должно оказывать влияния на нагрузку. Однако для предотвращения мерцания лампы в линии в результате больших изменений индуцируемого на нагрузке напряжения время успокоения вращающегося приспособления выбирается весьма большим. Аналогично для исключения мерцания средства механической коммутации, используемые для управления шунтирующими статическими конденсаторами, реагируют не очень быстро. Изготавливаются переключатели энергии, способные реагировать в пределах не менее полупериода частоты электроэнергии, однако их использование непосредственно в цепях с компенсирующими шунтирующими конденсаторами неудовлетворительно опережающий емкостный ток переносит
Изобретение относится к управлению реактивной мощностью в энергосистемах.
Известно, что системы электроэнергии, которые питают сильно реактивные 5 нагрузки, отличаются плохой стабильностью напряжения, т.е. значительным изменением величины напряжения при изменении тока нагрузки . В индуктивной цепи при увеличении тока нагрузки уменьшаются как величина напряжения-, так и. коэффициент мощности. Чтобы улучшить регулировку напряжения, силовые трансформаторы обычно снаб.жаются ответвленными преобразователя- 5 ми для нейтрализации тенденции изменения величины напряжения при изменении тока нагрузки. Большинство нагрузок систем носит индуктивный характер и для нейтрализации индуктивной составляющей тока нагрузки системы для особых нагрузок последовательно или параллельно проводам линии энергопередачи подсоединяются компенсирующие емкости. Там, где с достаточной сте- 25 пенью точности можно предугадать нагрузку, можно использовать конденсаторы постоянной емкости.
При некоторых переменных и неупорядоченных больших нагрузках, таких (54 ) СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
776582 тивного тока служит для подключения на ток нагрузки, второй — на напряжение фазы со стороны источника пита" "" ния, его выход подключен на один из входов сумматора, второй вход которого связан с выходам датчика угла, а
60 остаточный заряд в конденсаторах и вследствие этого появляются прйчиняющие затруднения переходные процессы напряжения или частотные гармоники .
Предложены некоторые меры для изменения действия суммарного реактивного тока постоянных шунтирующих ком-. пенсирующих конденсаторов с помощью подключения параллельно конденсаторам катушек индуктивности и изменения величины реактивной составляющей тока, проходящего через компенсирующие катушки индуктивности. Это можно сде- лать путем изменения величины шунтирующей индуктивности.в каждой линиИ (1) или путем изменения величины реактивной составляющей тока, прохо- 15 дящего через шунтирующую катушку индуктивности постоянной величины 21 .
Йзвестна также система электропитания нагрузки переменного тока, содержащая источник питания, питающие провода и узел компенсации реактивного тока, состоящий из цепочек, соединенных в звезду и включающих в.себя последовательно соединенные конденсаторы и катушки индуктивности, выводы которых подключены на зажимы нагрузки, из цепочек, образованных иэ последовательно соединенных управляемых вентилей и катушек индуктивности, соединенных в треугольник, выводы которо- го подключены также на зажимы нагрузки, блока для управления вентилями, и датчик режимного параметра 13 .
Это устройство не обеспечивает достаточной стабильности напряжения в питающей сети. 35
Цель изобретения - повышение точности поддержания напряжения в питающей сети.
Цель достйгнута тем, что в системе электропитания нагрузки переменно- 40
ro тока, содержащей источник йитания, питающие провода и узел компенсации реактивного тока, состоящий из цепочек, соединенных в звезду и включающих в себя йоследоватеЛьйо "соединен- 45 ные конденсаторы и катушки индуктивности, выводы которых подключены на зажимы нагрузки, из цепочек образованных из последовательно соединенных управляемых вентилей и катушек индук- 50 тивности, соединенных в треугольник, выводы которого подключены также на зажимы нагрузки, блока для управления вентилями, и датчик режимного параметра,в качестве датчика режимного па раметра использован датчик угла между 55 током и напряжением со стороны источника питания и система снабжена датчиком реактивного тока и су. матором, причем один из входов датчика реаквыход с входом блока для управле ния вентилями.
Кроме того, система снабжена цепью обратной связи с выхода сумматора на его дополнительный вход, состоящей из последовательно соединенных регулируемого ограничителя и стабилизатора.
Между источником питания и питающими проводами установлен разделительный трансформатор.
На фиг. 1 представлена систеМа электроэнергии, включающая узел компенсации реактивной составляющей тока; на фиг. 2 а,б,в приведены электрические характеристики, иллюстрирующие работУ узла компенсации реактивной составляющей тока, показанного на фиг. 1; на фиг. 3 представлена упрощенная трехфазная сеть эквивалентной . цепи линии передачи; на фиг.4 а,б,в даны электрйческие характеристики, иллюстрирующие работу датчика угла сдвига тока, показанного на фиг. 1; на фиг. 5 показана цепь обратной связи с регулируемым ограничителему на фиг. 6 изображен график максималЬного значения реактивного тока нагрузки
На ВыбраННОМ ВраМЕННОМ ИНтЕрВаЛЕ, ПО-, казывающий действие ограничивающей схемы обратной связи.
Система электропитания содержит источник питания — генератор 1, подсоединенный к проводам 2,3 и 4 линии передачи. В типичной высоковольтной энергосистеме линейное напряжение пер4цачи может быть порядка 115 или
230 кВ, которое после генератора 1 повышается линейным трансформатором.
Благодаря понижающему трансформатору
5 линии передачи 2,3 и 4 подают энергию через провода б, 7, 8 на мощную и беспорядочно меняющуюся нагрузку, показанную в виде электрической дуговой печи 9. Провода б, 7 и 8, в дальнейшем называемые шиной печи, могут обеспечить, например, напряжение шины, равное 34,5 кВ. Энергия к дуговой печи 9 от шины печи подается через выключатель 10 и понижающий трансформатор 11. На йрактике нагрузка в виде дуговой печи 9 может состоять из одной или более трехфазных дуговых печей. Вследствие беспорядочной природы электрических дуг в такой печи иногда получается сильный разбаланс тока нагрузки.
На выбранном участке энергосистемы между генератором 1 и понижающим трансформатором 5 к проводам 2, 3 и 4 линии передачи может быть подключено множество других промышленных, коммерческих и бытовых цепей нагрузок, например цепи применения, которые подсоединены к линиям 2, 3 и 4 посредством проводов 12, 13 и 14. Желательно чтобы напряжения на проводах 12,13 и
14 при изменении фазы или амплитуды тока нагрузки дуговой печи значительно не изменялись по величине, поэто776582 му провода 12, 13 и 14 представляют собой шину питания критическим напряжением, на которой требуется устранить быстрое циклическое изменение напряжения, а следовательно и мерцание лампы, происходящее из-за быстрых циклических изменений тока и коэффициента мощности в дуговой печи 9.
Напряжение между линией и нейтральным проводом, или напряжение фазы на критической шине обозначается V, а напряжение фазы на дуговой печи обозначается Ч, Изобретение применимо к любой системе передачи или распределения электроэнергии или к любой особой нагрузке, где желательно компенсировать или нейтрализовать реактивную составляющую тока и таким образом улучшить коэффициент мощности, но особое применение оно имеет в нагрузке электрической дуговой печи. Электрическая дуговая печь обеспечивает основную нагрузку такой величины и электрических характеристик, что она обычно вызывает ощутимое низкочастотное изменение напряжения системы и вслед- р ствие этого неприятное мерцание лампы в других нагрузках энергосисте- мы. Изобретение также применяется для компенсации изменения нагрузки драглайнов, приводов прокатных станков и длинных высоковольтных линий передачи.
Полное сопротивление электрической дуговой лечи состоит, главным образом, из активного и индуктивного сопротивлений и с изменением состояния плавления и обогащения в печи импеданс резко и беспорядочно изменяется. В частности, когда в печь помещается новый заряд металлического скрапа дуговые разряды испытывают резкие и ощутимые физические изменения на протяжении по крайней мере нескольких минут, пока заряд печи не примет более или менее однородный характер.
Ток образования дуги определяется до некоторой степени противодействующим . напряжением, выработанным самой печью.
Это противодействующее напряжение имеет прямоугольную форму колебаний и находится в фазе с отстающим или индуктивным током дуги. Эффективное полное сопротивление дуги резко изменяется в зависимости от формы дуги и при этом оно изменяет фазовбе соотношение относительно подведенного напряжения нагрузки. Таким образом, для внешней цепи нагрузка дуговой печи выступает как переменное индуктивное и переменное активное сопротивления. Именно эти характеристики создают быстро повторяющиеся изменения фазы и величины, напряжения нагрузки относительно напряжения энергосистемы и, следовательно, низкочастотное мерцание напряжения. Частоту этих изменений напряжения характеризувт параметры печи. Она может составлять порядка 3-6 периодов и 1 с.
Чтобы нейтрализовать реактивный ток, в частности индуктивную составляющую тока в нагрузке дуговой печи
9, использован источник компенсирующего реактивного тока, содержащий группу из трех постоянных конденсаторов 15, 16, 17, подключенных к проводам б, 7, 8 и соединенных звездой через соответствующйе индуктивности
18, 19, 20 настройки. В каждом плечегруппы конденсаторов, соединенных звездой, между линейным и нейтральным проводами подбирается соответствующая катушка индуктивности, чтобы настроить емкостный дроссель 21 на выбранную гармонику частоты энергосистемы, шунтировать тем самым ток этой частоты и отфильтровывать такие токи из энергосети. Предпочтительно ем20 костный дроссель 21 вклвчает три отдельных группы, соединенных звездой постоянных конденсаторов, причем каждая группа настроена на отдельную гармонику, в частности на третью, пя 5 тую и седьмую гармоники основной частоты. Существуют преобладавшие гармо. ники, вырабатываемые дуговыми печами и регуляторами фаз тиристоров. Настраивая, таким обрезом, каждый фильтр гармоники на последовательный резонанс с выбранной частотой для этой частоты обеспечивается цепь с низким общим сопротивлением, так что гармоники, вырабатываемые дуговой печью
9 или дросселем 22 с тиристорным управлением, в энергетическую сеть че-рез понйжающий трансформатор 5 не проходят. Если требуется дополнительная шунтирующая емкость, она предпочтительно настраивается на гармоники
40 частоты выше седьмой.
К шике печи параллельно нагрузке подключено индуктивное реактивное сопротивление, содержащее три последовательно соединенные пары постоянных катушек индуктивности 23„, 232, 24,, 24 и 25,, 251, соединенных в схему треугольника, причем каждое плечо треугольника содержит одну пару катушек индуктивности с последовательно включенным между ними тиристорным ключом. В частности между катушками
23, 23 включен тиристорный ключ 26, между катушками 24,, 24 — тиристорный ключ 27, а между катушками 25, 25 — тиристорный ключ 28.
Каждый тиристорный ключ содержит пару тиристоров или пару групп тиристоров, соединенных параллельно между собой и навстречу друг другу для обеспечения проведения противоположных
g0 полупериодов переменного тока. B индуктивном реактивном сопротивлении катушки индуктивности соединены треугольником главным образом для того, чтобы свести к минимуму потребления тока тиристорами и катушками нндук776582 тивности. Когда система сбапансирова на, треугольное соединЕние служит также для того, чтобы закоротить цепь для токов третьей гармоники и устранить их из линии энергопередачи. Третья гармоника является преобладающей гармоникой, вырабатываемой благодаря действйю "регулир«ования фазы однофазных тиристорных ключей.
В энергетической сети как емкостнйй компенсирующий дроссель, так и индуктивный компенсирующий дроссель
22 включаются параллельно относитель но нагрузки дуговой печи 9 и работают совместно в качестве источника емкостной реактивной составляющей то ка, по существу равной в каждом линейном проводе и противоположной ин- дуктивной составляющей тока нагрузки дуговой печи, проходящей по этой ли- нии. Для обеспечения переменной суммарной величины опережающей реактивной составляющей тока компенсирующие дроссели управляются с помощью управ ляющей величины отстающей составляющей тока, проходящего через постоянные катушки индуктивности дросселя
22, причем постоянные конденсаторы
15, 16, и 17 обеспечивают заданную постоянную величину опережающей составляющей реактивного тока. Регулировка фазы индуктивной составляющей компенсирующего тока, таким образом, изменяет кажущуюся реактивность цепи. - .---—
Постоянная величина емкостной ком Пенсации может быть обеспечена после" довательно включенными в линию конденсаторами или комбинацией последовательно и параллельно включенных
"конденсаторов. действие реактивной составляющей тока постоянного конденсатора, включенного последовательно в линию, может измениться подключением через регулирующую фазу тиристо— -ра постоянной катушки индуктйвйости параллельно конденсатору.
Когда тиристорные ключи 26, 27, 28 не проводят, в цепи нагрузки работает только емкостный компенсирую щий дроссель. Когда тиристорные ключй ойаэываются полностью проводящими, индуктивный дроссель 22 становится полностью эффективным и снабжает заданной величиной отстающей составляющей реактивного тока большей, равной или меньшей, чем величийа опережающей составляющей реактивного тока, которая обеспечивается емкостным дросселем 21. Предпочтительно суммар«ная величина опережающей составляю-! щей реактивного тока, обеспеченная а.:: емкостным и индуктивным (22) компенсирфйИйми дросселями вместе, в каждом линейном проводе поддерживается
" "йрймерйо равной отстающей или индуктивной составляющей тока нагрузкй "печи в этой линии при изменении состоя ййй "« а г ру з к и .
- ° ф в" Ы °
Когда индуктивная составляющая тока в нагрузке оказывается сбалансированной с помощью равной емкостной составляющей тока, полученной от сочетания компенсирующих дросселей 21 и 22, на проводах 6, 7, 8 появится только мощность или активная составляющая тока нагрузки. Если, кроме этого, дросселями 21 и 22 компенсируется индуктивная составляющая линейного тока, требуемая понижающим трансформатором 5, полная нагрузка за пределами шины критического напряжения становится активной.
Если необходимо обеспечить полную компенсацию отрицательной последовательности составляющих тока, возможно, что отстающая составляющая комйенсирующего тока может заметно превысить опережающую составляющую Компенсирующего тока. Чтобы регулировать величи20 ну индуктивной составляющей тока, - проходящего через компенсирующий дроссель 22, использована схема управления вентилями тиристорными ключами дросселя 22. Эта схема содержит дат 5 чик 29 реактивной составляющей тока, реагирующий на реактивную составляющую тока в самой цепи нагрузки, который предназначен для определения и непрерывного подрегулирования угла
Зр проводимости тиристорных ключей 26, 27, 2В так, чтобы суммарная реактив ная составляющая тока, вырабатываемая компенсирующими дросселями 21 и
22, оказалась равной по величине и пРотивоположной по фазе Реактивной составляющей тока нагрузки. Первая коррекция действует без заметной временной задержки и без обратной связи, так что нежелательное смещение или сдвиг могли бы ввести рассогласова40 ние в настройку устройства компенсации. Поэтому схема управления вентилями дросселя 22 дополнительно включает блок, чувствительный к коэффициенту мощности или углу сдвига тока
4 на шине критического напряжения, которое служит для обеспечения сигнала управления углом проводимости вентилей, чтобы коэффициент мощности на критической шине поддерживался постоянным, псе почтительно близким к единице. Эта регулировка через линейный ток и чувствительные элементы напряжения обеспечивает отрицательную обратную связь и является, таким образом, регулирующим устройством управления, в отличие от компенсирующего устройства управления, разомкнутого на конце.
Чтобы обратная связь не достигала соотношения и результата критической
® фазы для образования сигнала и колебаний, в контур управления должна вводиться определенная величина временной задержки или затухания частоты. Из-эа такой временной задержки или затухания регулятор угла сдвига
776582
10
Схема управления компенсацией тоКа нагрузки, показанная на фиг. 1, 15 включает датчик 29 реактивной составляющей тока, получающий входные сигналы, зависящие от фазы напряжения на критической шине н от тока нагрузки, н работающий показанным на фиг.2 способом, чтобы создать переменный однонаправляющий, или однополярный выходной сигнал, управляющий углом стробировання запускающих сигналов, которые периодически зажигают или 25 включают тиристорные ключи 26, 27, 28 при каждом мгновенном требовании компенсации. Под однонаправленном нля однополярном выходном сигнале подразумевается сигнал, имеющий нап- ;р равление или полярность для любого заданного состояния реактивной сос-. направление нли полярность сигнала, показывающие опережает ли реактивная составляющая тока или отстает относительно напряжения. Таким образом, хотя при изменении общего сопротивления энергетической сети полярность сигнала время от времени может менятьдля любого одного состояния обще 40 го сопротивления энергосети он является однонаправленным или однополярным.
Под углом стробированяя имеем ввиду угол сдвига фаз относительно внеш- 45 него переменного сигнала напряжения, при котором каждый тярястор становится проводящим. Этот угол сдвига фаз, измеренный от начала прямого напряжения, приложенного извне к тяристо- 56 ру, в последующем называется углом стробирования. Интервал, в течение которого тнристор потом после каждого включения проводит,. ниже называется углом проводимости. когда угол прово- 55 димости для каждого тиристора равен щем проводе нагрузки, подведенный к датчику 29 от одного яз группы трансформаторов тока нагрузки 38, 39, 40 через ясточнкя 41 сигнала тока нагрузки.
Для иллюстрация работы датчика реактивной составляющей тока сигнал тока,3», представленный на фиг. 2а, изображается изменяющимся по Фазе относительно сягйала напряжения фазыЧ
«n опережающего соотношения в начале, до отстающего соотношения в кон-це. Датчик 29 реактивной составляющей тока включает схему для мгновенной выборки величины я направления сигнала тока . » в каждой точке пересечения ( нуля сягналои напряжения фазы Чь .
Эти выборки сигнала тока показаны на фиг. 2б. Датчик 29 реактивной составлякицей тока включает также средство запоминания сигнала для создания непрерывного однонаправленного выходного сигнала (фиг. 2, в) имеющего величину и направление, пропорциональные величине я направлению последней предыду.щей мгновенной выборки, показанной на фиг. 2б. Таким образом, выходной тока работает медленно по сравнению с компенсирующей системой управлЕния током нагрузки. Компенсирующее устройство управления током нагрузки и регулирующее устройство управления углом сдвига тока могут использоваться или отдельно, или совместно, как показано на Фиг. 1. Когда они используются вместе, компенсирующее управление действует быстро, как первичное управление, а запаздывающее управление углом сдвига тока работает в качестве корректировки для предот- вращения сдвига или другого рассогласования. тавляющей тока, подлежащего коррекции, 180о, ключ рассматривается полностью включенным или замкнутым когда угол проводимости равен Оо, ключ рассматривается полностью выключенным или разомкнутым. При промежуточных положениях углов и соответственно промежуточных углах стробирования ключ в течение полупериода частично включен и частично выключен и управляет величиной тока, проходящего через него, благодаря отношению времени включенного состояния к времени выключенного состояния.
Сигнал напряжения фазы, поданной на датчик 29 реактивной составляющей тока, ответвляется от проводов 6, 7, 8 через трансформаторы 30 напряжения, подключенные к проводам 6, 7, 8 в точках 31, 32 и 33 соответственно.
Путем преобразования сигнала напряжения Ч нагрузкй на"выходе трансформа= торов 30 с помощью сигнала линейного тока, ответвленного через трансформаторы тока 34, 35 я 36, в проекторе 37 напряжения критической шины появляется сигнал напряжения фазы,V, по фазе и величине соответствукиций значению напряжения между линией и нейтральным проводом или напряжению фазы на критической шине. Это отраженное напряжение фазы Чь, таким образом, принимают во внимание для необходимой поправки реактивного действия трансформатора S. Отраженное напряжение фазы
Vy, подается на датчик 29 реактивной составляющей тока и взаимодействует с сигналом тока нагрузки показанным на фиг. 2 способом, с целью образования выходного сигнала в течение каждого полупериода отраженного напряжения фазы, представляющего величину реактивной составляющей тока в целя нагрузки яечя 9. Таких отраженных сигналов напряженияЧ ответвляется три, по одному для каждой ликии трекфаэной энергосети.
На фяг. 2а сплошной линией показан отраженный сигнал напряжения М
I для одной фазы, подведенной к датчику 29 реактивной составляющей тока.
Пунктирной линией яэображЕн также сигнал тока нагрузки 3» в соответствую776582
12 сигнал чувствительного элемента реактивной составляющей тока является мгновенным однонаправленным сигналом для каждой фазй, величина которого представляет величину реактивной составляющей тока нагрузки в этой фазе в любой момент, а полярность показы"вает знак опережения или отставания этого тока нагрузки. Мгновенная выборка величины тока нагрузки в момент нулевого положения напряжения фазы является непосредственной мерой величины реактивной составляющей этого тока по отношению к напряжению выборки.
Каждый из выходных сигналов с датчика 29 реактивной составляющей тока 15 периодически возвращает в нуль каждые полпериода проходящее в критической шине напряжение фазы; по полярности и величине эти сигналы представляют соответственно фазовые сост- д() ношения и величину реактивной составляющей тока, который в любой момент должен быть подан компенсирующими дросселями 21 и 22 для приведения суммарного линейного тока З,„к одной фазе с напряжением критической шины
V, которую оно имело раньше ° Регулирование опережающих составляющих реактивного тока (с, проходящего через компенсирующий дроссель 21, до требуемого значения выполняется управ- Зо лением средней величины отстающих составляющих реактивного тока 1 проходящего через компенсирующий дроссель 22. Токи 1 определяются стробирующими углами тиристорных 35 ключей 26, 27,. 28. Углы стробирования тиристоров, заданные чувствительным элементом 29, так регулируются и устанавливаются на мгновенных основаниях, что обший реактивный ток (+3 ),g обеспеченный компенсирующими дросселями 21 и 22, оказывается равным по величине и противоположным по направлению .реактивной составляющей тока нагрузки 3 в дуговой печи 9.
Чтобы управлять углами стробирования тиристорных ключей, с датчика тока на блок 42 для управления углами проводимости вентилей, включающее отдельные схемы управления углами проводимости для каждого тиристорного эО ключа, подаются три сигнала реактивных составляющих токов.
Если, как показано на фиг. 1, уп равление реактивной составляющей тоха" èñïoëüçóåòñÿ совместно с управле55 нием углом сдвига тока или коэффициента мощности, выходной сигнал датчика 29 реактивной составляющей тока подается на блок 42 управления углами проводимости через сумматор 43. 60
Если используется только один или второй сигнал управления, то сумма> тора не требуется.
Когда углы стробирования тиристор- ных ключей 26, 27, 28 устанавливаются 65 в соответствие с выходными сигналами датчика 29 реактивной составляющей тока, сумма компенсирующих реактивных составляющих тока Л „ и J, поданная с компенсирующих дросселей 21 и 22, будет равной по величине и противоположной по направлению реактивным составляющим тОка, требуемым для питания нагрузки дуговой печи 9 и понижаюь эго трансформатора 5, так что общий линейный ток 3„, остается в фазе с линейным напряжением V> на критической шине.
Хотя на фиг. 2 ток нагрузки для иллюстрации показан как опережающий сигнал напряжения Ч в той же точке это необычное состояние. Реактивные составляющие тока, требуемые как нагрузкой, так и трансформатором 5, фактически являются индуктивными, так как общая реактивная составляющая компенсирующего тока, подаваемого с компенсирующих дросселей 21 и 22, обычно является емкостной. Именно по этой причине постоянное реактивное емкостное сопротивление конденсаторов 15, 16, 17 обычно больше, чем индуктивное реактивное сопротивление катушек 23, 23, 24, 24, 25, 25 .
Таким образом, когда тиристорные ключи 26, 27, 28 оказываются полностью проводящими (кажущееся реактивное индуктивное сопротивление минимальное ), так что компенсирующая индук тивная составляющая тока в дросселе
М2 максимальна, то такой ток обычно по крайней мере незначительно меньше емкостной составляющей компенсирующего тока в дросселе 21.
Возможен случай, когда реактивная составляющая тока нагрузки по крайней мере в одной линии может оказаться опережающей, как например, в условиях отсутствия дуги в одной фазе дуговой печи. Для полной компенсации в этом случае дроссель 22 должен оказаться в состоянии снабдить отстающими составляющими тока большей величины, чем заданные опережающие составляющие тока в дросселе 21.
Хотя на фиг. 2 показаны сигнал напряжения фазы и ток нагрузки только в одной линии, трехфазная сеть, изображенная на фиг. 1 и 3, включает три таких. взаимосвязи и предполагается,,что вырабатывается три таких, как показано на фиг. 2в сигнала реактивных составляющих тока нагрузки. Эти три сигнала в сбалансированной сети будут равными, но в случае разбалансированной нагрузки в любой момент будут различными, поэтому в случае разбаланса в любом полупериоде результирующие углы стробирования в различных ключах 26, 27, 28 не одинаковы.
Благодаря описанному управлению эти углЫ стробирования каждые полпериода устанавливаются в соответствие с имеющимися условиями тока нагрузки.
776582
Общее компенсирующее реактивное сопротивление между каждой парой линейных проводов (благодаря комбинированному действию дросселей 21 и 22), необходимое для осуществления требуемой компенсации реактивной составляющей тока нагрузки в каждой линии трехфазной энергосети можно выразить слагаемыми реактивных составляющих тбка нагрузки следующим образом: х
tG
ci -w -3 +3 - Э
5LX "LX 2LX
Датчик 44 угла сдвига тока обеспечивается сигналом линейного тока с трансформаторов тока 34, 35, 36 и отраженными сигналами напряжения, ответвленными от общего линейного тока
3 и напряжениями фазы нагрузки Ч, которые по фазе и величине представляют напряжения фазы системы V> на критической шине. Отраженные сигналы
I напряжения фазы системы V„>, ответвленные от напряжений на шинах 6, 7
8 являются главными входными компонентами для ранее описанных датчиков угла сдвига тока и датчика реактивной составляющей тока.
На фиг. 3 представлена упрощенная схема части сети аппаратуры, показанной на фиг. 1. В энергосети на фиг. 3 полное сопротивление линии передачи представляется в виде последовательно включенного в каждую фазу полного сопротивления ., а полное сопротивление понижающего трансформатора 5 в виде последовательно включенного в каждую фазу полного сопротивления 2щ.
Напряжения системы V на проводах 2, 3 и 4 между полными сопротивлениями
Х и 2. являются напряжениями критической шины, которые необходимо поддерживать постоянными с помощью поддержания синфазного состояния линейных токов 3,. На полном сопротивлении
2m со стороны нагрузки на проводах
6, 7, 8 появляется напряжение нагруз- ки М>
Чтобы из напряжений фаз нагрузки
\/ ответвить отраженные сигналы напряжений системы V>,êoòîpûå по величине и по фазе представляют напряжения
ЬЕ
< 1-Ж вЂ”: Л Л
4LX 2LX 3L Х
5Е
С1Ъ 11 2 Х+ 33LXт Д1,Х
20 где Xc — общее компенсирующее емкостное реактивное сопротивление между указанными парами линейных проводов:
Э у у и .> Х отстающие реактив ные составляющие тока нагрузки в соответствующих проводах цепи нагрузки.
Если решение этих уравнений в .любом случае дает отрицательное Х, это говорит о том, что общее компенсирующее реактивное сопротивление должно быть скорее индуктивным, чем емкостным.
Из приведенных выше зависимостей ясно, что управление фазой тока с помощью каждого ключа 26, 27, 28 для определения кажущегося индуктивного 35
-реактивного сопротивления в соответствующей ветви дросселя 22 должно зависеть от суммирования всех реактивных составляющих тока нагрузки, производимого тем способом, который определен уравнениями.
Общее компенсирующее реактивное сопротивление между каждой парой линейных проводов можно выразить через активные и реактивные составляющие тока нагрузки следующим образом.
Ь ГЬ 2Л О 91 1 л+ Ь.Х М4
Е с12-М
3С5 ЪЮ 2Я 9 йх Ъи(E 1 1 - + lä + +3
МЪ i, ЬЖ >
При управлении без цепи обратной связи такие рассогласования контур компенсации не обнаружит, поэтому совместно с датчиком реактивной составляющей тока использован датчик угла сдвига тока или регулятор угла сдвига фаз.
15, 776582 фаэ системы Vg,имеется комплект трансформаторов 30 напряжения (Фиг. 1 и 3), з" состоящий из двух трансформаторов 45 же и 46 напряжения. Первичиая обмотка . ш трансформатора 45 соединена треуголь- щ ником и питается напряжением нагрузки п между линиями, а вторичная обмотка 5 л соединена звездой. На каждой вторич- по ной обмотке фазы трансформатора 45 те появляется синфазная пропорциональ- жа ная копия напряжения нагрузки между линиями, l0 ва
Соединенные звездой вторичные o6- ру мотки трансформатора 45 питают соеди- ча ненные треугольником первичные обмот- да, ки второго трансформатора 46 напряже- ко нии. Вторичные обмотки трансформатора f5 см
46 также соединены треугольником. но
Напряжение на каждой Фаэовой обмотке си трансформатора 46 напряжения являет- св ся синфаэной копией напряжения между оп линией и нейтральным проводом или уО и напряжения фазы Ч„ на шинах 6, 7, 8 ва печи. " .Вы
Чтобы преобразовать . выходной сиг- р нал трансформатора 46" до соответствия пе по" фазе и амплитуде напряжениям фаэ с критической шины на проводах 2, 3 и >> со
4, необходимо для каждой фазы полнос- им тью соединить этот выходной сигнал с н падением напряжения, т.е. сделать его ше синфазным с падением напряжения на пь соответствующем полном сопротивпении ЗО с трансформатора 5 и пропорциональным гФ коэффициенту понижения трансформато- +è ра ЗО напряжейия. Для этой цели в каждую линию трансформатора 34, 35, и
36 тока (на фиг. 3 показана только 35 одна его фаза) включен эквивалент cî полного сопротивления Z,ïðîïîðöèîcu нальный полному сопротивлению транс- в
Форматора 2 и коэффициенту .переда- ше чИ трансформаторов 30 напряжения. 4р ни
На выходе полноГо сопротивления н
47 появляется напряжение одной вторичной обмотки трансформатора 46 и соответствующее полное сопротивле----;— но ние фазы 2„„ на клемме которого прик- „
П7 > 4с в ладывается также сигнал отраженного напряжения фазы Ч . Сигнал V$ для каждой фазы точно сфазирован с соот " ветствующим йапряжением фазы критической шины. Именно эти отраженные ва (и пропорциональные им) напряжения критической шины прикладываются к ки датчику 44 угла сдвига тока и датчиус ку реактивной составляющей тока. су
Чтобы выработать выходной сигнал, соответствующий углу сдвига фа m".Щ лййейнйм током и напряжейием фазы
Ч на критической шйне, отраженный "=
СйГнал напряжения V, в каждой фазе
".:в датчике 44 угла сдвйга тока скла- бо дШаЕтся с общим сигналом линейного Ч5ФЪсоо ветствующей линии, ответвленным от трансформаторов 34, 35, 36 линейного тока через источник 48 сйгнала линейного тока. 65
На фнг. 4а сплошной линией покаан графйк отраженного сигнала напряния системы, помещенный на одной кале времени с соответствующим обим линейныМ током Лн, показанным унктирной линией, Для иллюстрации инейный ток 3„„ показан изменяющимся фазе относительно напряжения сисмы от отстающего вначале до опереющего в конце соотношения. Опережающее соотношение не может существоть, исключая черезвычайно малые нагзки. Датчйк угла сдвига тока вклюет средство интегрирования для созния сигнала, окончательная величина торого соответствует временному ещению или Фазе между нулем линейго тока и нулем напряжения фазы стемы (фиг. 4а) и имеет полярность, идетельствующую об отстающем или ережающем соотношении Фаэ тока 21 напряжения V> .Такой проинтегрнроННЫЙ сигнал изображЕн на фиг. 4б. работаннЫй такиМ образом проинтегированный сигнал для каждого полуриода подается на соответствующее родство запоминания сигнала, которое эдает непрерывный выходной сигнал, еющий в любой момент однонаправлен". ую величину, равную последнему предствующему времени интегрирования, казаиному на фиг. 4б, и полярность оответствующую полярности последнего едшествующего проинтегрированного гнала. На фиг. 4в. показан непреРЦВНый однонаправленный выходной сигал, полярность и величина которого каждом полупериоде: установлена в ответствии с проинтегрированным гналом, показанным на Фиг. 4б, и соответствии с мгновенным соотнонием фазы между .током и напряжеем или углом сдвига тока, покаэаным на фиг. 4а.
Переменный однонаправленный выходй сигнал тока подается на сумматор через стабилизатор 49, устанавлиающий постоянную времени в контуре равления.
В сумматоре 43 этот однонаправленй сигнал угла сдвига тока складыется с однонаправленным сигналом активной составляющей тока нагрузпостуйающим с датчика 29 с целью тановки такогО выходного сигнала. мматора, который обеспечивает .регулировку блока управления углоМ проводимости тиристора 42, позволяющего удержать коэффициент мощности на критической шине постоянным, предпочтительйо равйым единице. Если требуется коэффициент мощности, отличающийся от единицы, на сумматор 43 можно подать положительный или отрицательный сигнал смещения соответствующей амплитуды. управление углом сдвига тока обеспечивает отрицательная обратная связь через провода энергосйстемы. В част17
776582
18 ности, любые выработанные сигналы углов сдвига тока так управляют углами стробирования тиристоров- и суммарной
l реактивной состав чяющей компенсирующего тока; что фазовое положение ли-. нейного тока 3 „ устанавливается равным или близким к требуемому, значению, 5 посредством чего уничтожается сигнал угла сдвига тока. Именно из-за данной обратной связи необходима схема
50 стабилизации. В основном из-за того, что цепи управления обладают ха,0 рактеристикой постоянной времени, сообщение любого изменения сигнала управления передается через цепи управления на тиристоры, а с них обратно по энергосети с учетом временной 15 характеристики. Скорость изменения, установленная такой временной характеристикой, соответствует частоте.
Если бы собственная постоянная времени контура управления и контура об- 2О ратной связи была такой, чтобы собственная задержка в слагаемых этой частоты была равна 180О относительно частоты временной характеристики, обратная связь, отрицательная по, замыслу, стала бы положительной и вызвала бы усиление и колебание.
Чтобы предотвратить этот эффект, схема 50 стабилизации дополнительно вносит в контур управления постоянную времени, достаточную для подавления колебания. С другой стороны из-за этой задержки в передаче сигнала через контур управления углом сдвига тока это управление осуществляется не так быстро, как хотелось бы. Если .бы использовалось единое срабатывание компенсирующего дросселя 22, задержка была бы значительной. Однако когда регулирование угла сдвига тока используется совместно с компенсато- 4Р ром тока нагрузки, сигнал угла сдвига тока обычно очень маленький и дейст- вует только как поправка при какойлибо неточности устройства управления током нагрузки без обратной связи.
В некоторых случаях мгновенный .выброс максимального значения реактивного компенсирующего тока может пре- вышать максимально возможный или номинально допустимый верхний предел gp компенсирующих дросселей, хотя амплитуда изменений максимального значения находится в пределах возможности дросселя. Поэтому при желании система может быть снабжена средством для ограничения максимума до некоторого заданного среднего значения величины реактивной составляющей тока или реактивных вольт-амперных составляющих;""- подаваемых с компенсирующих дросселей
21 и 22. Поскольку емкостный компен- 60 сирующий дроссель 21 обеспечивает постоянную величину опережающей реактивной составляющей тока, этот управляющий сигнал прикладывается к индуктивному компенсирующему дросселю 22. Лли 65 этой цели обеспечивают схему 51 обратйой Связи регулируемым ограничением, которая получает выходной сигнал сумматора 43 и подает через стабилизатор 49 ограничивающий отрицательный сигнал обратной связи на вход сумматора 43. Постоянная времени стабилизатора больше длительности цикла характеристики шестипериодной дуговой печи.
Действие ограничивающей цепи обратной связи иллюстрируется на фиг.б.
На горизонтальной шкале времени фиг.б показана типичная колебательная ха рактеристика максимального значения реактивного тока дуговой печи на протяжении иллюстрируемого промежутка времени, который после новего заряда печи сглаживается и. уменьшается до состояния относительно стационарного режима. Благодаря физическим характеристикам печи и дуги эта кривая колебания максимального значения имеет частоту порядка б периодов в 1 с.
Ордината графика представляет максимальное значение реактивного тока печи в процейтах, где 100Ъ соответствует максимуму максимального значения. Если желательно ограничить максимум компенсирующего реактивного тока до уровня, меньшего максимума значения,. достигается несколько меньшая требуемой полная компенсация при условиях ограничения, так что коэффициент мощности на критической шине будет поддерживаться постоянным в течение работы ограничителя, но на неко- торую заданную величину меньше единицы. Это может быть желательно для ограничения размеров и мощности компенсирующих дросселей 21 и 22 и не вызывает возражения в разумных пределах. Относительно небольшая потеря коэффициента мощности на критической шине дает возможность незначительно, но довольно хорошо регулировать напряжение. Кроме того, если уменьшенный коэффициент мощности поддерживается постоянным в течение большого периода времени по сравнению с временем периода кривой А максимального значения, изображенного на фиг. 6, мерцание напряжения еще больше уменьшится.
На фиг. 5 показана ограничивающая цепь обратной связи, приспособленная для выполнения описанной выше цели.
Суммарный сигнал рассогласования с выхода сумматора 43 подается на пару выходных клеммам 52 с отмеченной полярностью, а выходное полное сопротивление 53 между выходными клеммами 54 подключается к выходным клеммам 52 через последовательную цепь из батареи 55 и блокировочного диода 56.
Батарея 55 включается навстречу сигналу рассогласования на клеммах 52, так что через блокировочный диод или схему ограничения ток не потечет до тех пор, пока сигнал рассогласования
776582
20 не превысит заданную величину .несколько выше, чем обратное смещение .напряжения батареи 55. Когда сигнал рассогласования превысит такое обратное смещение напряжения, через диод 56 и выходное полное сопротивление 53 потечек ток. Пока диод 56 проводит, батарея 55 подает постоянное обратное смещение или задержку к входному сигналу рассогласования и снижает выходной сигнал рассогласования на- клеммах 54 на величину этого смещения.
Большая постоянная времени конденсатора 57,включенного параллельно выходным клеммам 54, поддерживает выходной сигнал рассогласования на клеммах 54 в течение нескольких цик- 15 лов изменения максимальной нагрузки печи, так что мгновенные уменьшения выходного сигнала рассогласования ниже"найряжения смещения не будут периодически прерывать обратную связь. Кон-2О денсатор 57 совместно с сопротивлением 53 работают как стабилизатор 49 (фиг. 1) и обеспечивают большую постоянную времени сигнала обратной связи, т.е. порядка нескольких. перйодов колебаний частоты изменения максимальной нагрузки печи.
Кривой Б (фиг. 6) показан упомянутый выше сигнал смещения или задержки. Эта кривая представляет ограничивающий сигнал обратной связи и, ЗО следовательно, последующую величйну задержки реактивного компейсирующего тока относительно максимальной величины реактивного тока нагрузки, поэтому результирующий ограниченный сиг- 35 нал рассогласования, поданный на блок
42 управления углом проводимости, яв ляется сигналом, равным сумме кривых
A и В, изображенных на фиг. 6.
Формула изобретения
1. Система электропитания нагрузки переменного тока, содержащая источник питания, питающие провода и узел компенсации реактивного тока, состоящий из цепочек, соединенных в звезду и включающих в себя последовательно соединенные конденсаторы и . катушки индуктивности, выводы которых подключены на зажимы нагрузки, иэ цепочек, образованных иэ последо-. вательно соединенных управляемых вентилей и катушек индуктивности, соединенных в треугольник, выводы которого подключены также на зажимы нагрузки,,блока для управления вентилями, и датчик режимного параметра, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности поддержания напряжения в питающей сети, в качестве датчика режимного параметра использован датчик угла между током и напряжением со стороны источника питания и система. снабжена датчиком реактивного тока и сумматором, причем один из входов датчика реактивного тока служит для подключения на ток нагрузки, второй — на напряжение фазы со стороны источника питания, его выход подключен на один из входов сумматора, второй вход которого связан с выходом датчыка угла, а выход — с входом блока для управления вентилями.
2. Система по п. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что она снабжена цепью обратной связи с выхода сумматора на его дополнительный вход, состоящей из последовательно соединенных регулируемого ограничителя и стабилизатора.
3. Система по п. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что между источником питания и питающими проводами установлен разделительный трансформатор.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Патент CtIIA Р 3551799,кл.323- 8, 1970.
2. Электротехника СССР. Т 1, 1969, с. 46-62, Пергамон Пресс, 1969.
3. Авторское свидетельство СССР
Р 251662, кл. Н 02 J 3/18, 1962.
776582
Время
Фиг. Ф
4 ие. 5
o/
ioo
7Î драя
Фиг.6
Составитель К. Фотина
Редактор Т. Рыбалова Техред И.Асталош Корректор М. Демчик
Заказ 7811 71 Тираж 783 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4
