Способ компенсации искажений токов в многофазных цепях с нелинейными нагрузками

.13 18 ОПИСА К АВТОРСКОМ ЗОБРЕТЕНИЯ ЬСТВУ НИЕ ИДЕ(71) Институт. проблем энергоАН УССР(56) Супрунович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. М.: Энергоатомиздат, 1985, разд. 3,3.Там же, раздел 4.5. сбережения(54) СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ИСКАЖЕНИЙ ТОКОВ В МНОГОФАЗНЫХ ЦЕПЯХ С НЕЛИНЕЙНЫМИ НАГРУЗКАМИ(57) Изобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, в частности к компенсации реактивных нагрузок в промышленных и автономных электрических сетях с помощью статических вентильных компенсаторов. Цель изобретения - повышение точности компенсации искажений токов и расширение функциональных возможностей при несинусоидальном пиИзобретение относится к электроэнергетике и электротехнике, в частности к компенсации реактивных нагрузок в промышленных и автономных электрических сетях с помощью статических вентильных компенсаторов.Цель изобретения - повышение точности компенсации искажений токов и расширение функциональных воэможностей при несинусоидальном питающем напряжении.На фиг. 1 изображена структурная схема компенсатора; на фиг. 2 - структурная иство эныи иснагруэку 6; датчиряжения, е элемен-. ка, клюстему 33) содерия пеансфорг ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР Ю, 1571 тающем напряжении в многофаэных цепях с нелинейными элементами. Проводится компенсация искажений тока за счет разделения тока нагрузки 1 н(т) на две составляющие - активную 1 а(т) и реактивную 1 р(т) и последующая компенсация реактивной составляющей 1 р(т) посредством подключения к входным зажимам каждой фазы источника питания одной фазы многофаэного компенсатора, представляющего собой источник заданной формы тока. Для расширения функциональных возможностей и повышения точности компенсации при наличии длительных интервалов периода работы, когда одноименные 1-е фазы источника питания и компенсатора искажений тока работают в генераторном режиме или 1-я фаза компенсатора работает в генераторном режиме, а 1-я фаза нагрузки - в режиме потребления энергии, предлагается 1-ю фазу компенсатора подключить к 1-й фазе источника питания, имеющей на этом интервале противоположную полярность по сравнению с 1-й фазой нагрузки, 2.ил. схема системы управления устр компенсации искажений токов.Компенсатор содержит двухфа точник с фазами 1, 2, двухфазную с фазами 3, 4, трансформаторы 5 и ки 7 и 8 тока, датчики 9 и 10 нап трансфооматоры 11 и 12, ключевы ты (вентили) 13-20, датчики 21-24 т чевые элементы (вентили) 25-32, с управления.Система 33 управления (фиг. жит схемы 34 и 35 для управле реключением первичной обмотки тимпульсов управления вентилями, умножитель 39, компаратор 40, Формирователь 41 импульсов управления вентилями, умножи 10 трансформатора 6 и через вентили 31 и 32подсоединены к вторичной обмотке а э первого трансформатора 5, вторичная обмотка 45 50 маторов 11 и 12 соответственно, умножитель 36, компаратор 37, формирователь 38 тели 42 и 43, интеграторы 44 и 45, делитель 46, схему 47 дискретизации с запоминанием отсчетов, умножитель 48, сумматоры 49- 51. блок 52 запаздывания первого порядка, компаратор 53 с гистерезисом, формирователь 54 импульсов управления вентилями, блок 55 синхронизации,Силовая часть, подсоединяемая между двумя фазами источника питания едф, ев(с)-2, последовательно с которыми вклачены соответственно первый 7 и второй 8 датчики тока, а параллельно - первый 9 и второй 10 датчики напря;кения и двумя фазами нагрузки ЕА 3, 7 ц 4, последовательно с которыми включены соответственно пятый 23 и шестой 24 датчики тока, гальванически развязана через первый 5 и второй 6 трансформаторы и содержит две группы управляемых вентилей, причем в первой группе вентили 13-16 включены по мостовой схеме, в одну диагональ которой включена первичная обмотка третьего трансформатора 11, а узлы второй диагонали через г.ентили 25 и 26 подсоединены к вторичной обмотке жэ первого трансформатора 5 и через вентили 29, 30 подсоединены к вторичной обмотке ве второго трансформатора 6, вторичная обмотка третьего трансформатора 11 последовательно с третьим датчиком тока 21 включена параллельно к фазе А нагрузки 3, во второй группе вентили 17-20 включены по мостовой схеме, в одну диагональ которой включена первичная обмотка четвертого трансформатора 12, а узлы второй диагонали через вентили 27 и 28 падсоединены к вторичной обмотке вб второго четвертого трансформатора 12 последовательно с четвертым датчиком 22 тока включена параллельно к фазе В нагрузки 4, управляющие выводы вентилей 13-20, 25-32 подсоединены к выходам системы 33 управления, входы которой соединены с выходами датчиков 7 и 8, 21-24 тока и датчиков 9 и10 напряжения. В системе управления, изображенной на фиг. 2, входы схем 34 и 35 управления переключением первичных обмоток трансформаторов связаны с выходами датчиков 7 и 8, 21-24 тока и датчиков 9 и 10 напряжения, а выходы блоков 34, 35 - с управляю 15 20 25 ЗО 35 40 щими входами вентилей 13-20, входы умножителей 36 и 39 связаны с выходами датчиков 7, 8, 21 и 22, выходы умножителей 36 и 39 соответственно через компараторы 37 и 40 подключены к входам формирователей 38 и 41 импульсов управления вентилями, выходы которых подключены к управляющим входам вентилей 25-32, причем в схеме 35 управления переключением первичной обмотки трансформатора 12 входы умножителя 42 связаны с выходами датчиков 10 и 24, входы умножителя 43 - с выходом датчика 10, выход умножителя 42 - с входам интегратора 44, выход которого соединен с первым входом делителя 46, выход умнажителя 43 связан с входом. интегратора 45, выход которого связан с вторым входом делителя 46, выход делителя 46 через схему 47 дискретизации с запоминанием отсчетов связан с первым входом умножителя 48, второй вход которого подключен к выходу датчика 10, выход умножителя 48 подсоединен к неинвертирующему входу сумматора 49, у катг, ". з инвертирующий вход подключен к выходу датчика 8 тока, а выход - к неинвертирующему входу сумматора 50, инвертируащий вход которого связан с выходом датчика 22 тока, выход сумматора 50 подключен к неинвертирующему входу сумматора 51, выход которого через блок 52 запаздывания первого порядка и компаратор 53 с гистереэисом соединен с входам формирователя 54 импульсов управления вентилями. выходы которого связаны с управляющими электродами четырех управляемых вентилей 17-20, выход кампаратара 53 с гистереэисом связан также с инвертирующим входом сумматора 51, выходы блока 55 синхронизации соединены с регулирующими входами интеграторов 44 и 45 и схемы 47 дискретизации с запоминанием отсчетов,Способ осуществляется следующим образом.Б соответствии со способом компенсации искажений тока в многафаэных цепях измеряют мгновенные значения напряжения источника питания и тока нагрузки, производят разделение така нагрузки на активную и реактивную составляющие, на интервалах периода работы, когда одноименные -е фазы источника питания и компенсатара работают в генераторном режиме или -я фаза кампенсатора работает в генераторнам режиме, а -я фаза нагрузки - в режиме потребления энергии, -ю фазу кампенсатара подключают к 1-й фазе источника питания, имеющей на этом интервале противоположную полярность напряжения по сравнению с -й фазой, Формируют токкомпенсатора, включенного параллельно нагрузке, равным противоположным значениям реактивной составляющей тока нагрузки.Таким об)абазом, ток, потребляемый от источника питания, становится равным активной составляющей тока нагрузки, т,е. форма потребляемого от источника питания тока совпадает с формой напряжения на его зажимах, и повышается точность компенсации искажений, когда одноименные 1- е фазы источника питания работают в генераторном режиме,Разделение тока. нагрузки 1 н(т) на составляющие 1 а(т) и 1 р(1) для каждой фазы происходит следующим образом.Если напряжение одной фазы источника питания есть произвольная периодическая с периодом Т функция Ог(1), то ток нагрузки 1 н(1) можно представить а виде суммы активной и реактивной составляющих:1 н(Т) = 1 а(1) + 1 р(Т),гДЕ 1 а(Т) = Р/О дОг(Т) Р = - Г 1 Н(1)Ог(1)б 1 -2, 1 тТ оактивная мощность, потребляемая нагрузкой;Од - действующее значение напряжения источника питания. Для токов 1 а(1) и 1 р(т) выполняются соотношения:ТГо 1 а(Т)Ог(Т)ОТ= Р;1 т.Т 3, 1 р(Т)Ог(Т)с 1 Т - О, (1)Если параллельно нагрузке подключить компенсатор с током 1 к(т) = -1 р(г), то ток 1 г(1), потребляемый от источника питания, будет равен1 г(Т) = 1 н(Т) + 1.(Т) =. 1 а(Т), (2)При этом компенсатор согласно выражению (1), не будет потреблять реактивную МОЩНОСТЬ.Рассмотрим формирование алгоритмов подключения фаз дроссельного компенсатора к фазам источника питания при генерации 1-й фазой компенсатора тока 1 р,(т) а соответствии с выражением (1), При формировании таких алгоритмов необходимо подводить реальный баланс в системах электропитания, содержащих многофазные цепи с нелинейными элементами, в частности вентильные преобразователи. Для определения баланса электроэнергии необходимо учитывать особенности таких целей: большое число переключений вентилей на периоде работы, искажения токов и напряжений, различная интенсивность преобразования электромагнитной энергии в доугие виды, отключение элементов систе мы друг от друга, изменение характера на.рузки (сов й нагрузки).Определение1. Контролируемое сечение системы -5 сечение системы, в котором определяютсязначения мгновенных токов и напряжений,2. Энергетически неизменное состояние (ЭНС) системы - состояние системы,характеризующееся интервалом работы10 (т-ть 1), для которого потоки мгновенныхзначений энергии через контролируемыесечения являются неизменными по направлению,Введем обозначения: пэнс - число ЭНС15 системы; пгг(пгн) - число фаэ источника пиТаНИЯ; Пнг(лнн) - ЧИСЛО фаэ НаГРуЗКИ, РдбОТЭющих в режиме генерации (потребления)электроэнергии; ЧАг(О/гн) - энергия, генерируемая (потребляемая) фазами генерато 20 ров; Алг(М/,) - энергия, генерируемая(потребляемая) фазами нагрузок; 11, 12, 1 з.14 - функции целочисленных переменных,устанавливающие связь между порядковымномером фазы источника питания или на 25 грузки, ЭНС системы и индексами суммирования ), Е, 1, гп. Баланс электроэнергии всистеме для множества контролируемых се- чений пкн,ч(3) гп =1 Величина пнэс, пп,1, пнг,1, пнл и ,1,составляющие энергии, вид функции 11, 12,1 З, 14 определяются на основании расчетаэнергетического режима в системе,45 Из уравнения баланса (3) следует, чтокаждое из множеств фаз источника питанияи нагрузки разбивается на два подмножества, К первым таким подмножествам относятся элементы, работающие в режиме50 генерации электромагнитной энергии, а которым - в режиме потребления. При этоммгновенные и интегоальные за время тс(тс Е(о) величины энергии, генерируемь;е и потребляемые элементами55 многофазной цепи, равны.По предлагаемому способу ЭНС системы, при которых фазы источника питанияработают а режиме потребления электромагнитной энергии, а фазы нагрузок - в ре 30 знс пгг, лнг, ХХ лгц)+л., ца 11-=-1 К =1жимах потребления или генерации электромагнитной энергии или фазы источника питания работают в режиме потребления, афазы нагрузок - в режиме генерации, должны быть исключены. При ЗНС, когда фазыисточника питания работают в режиме генерации, а фазы нагрузок - в режиме потребления, форма тока компенсатора к(1)должна удовлетворять условиям (1) и (2),Формирование требуемого закона изменения тока к(1) на интервалах ЗНС, когдарассматриваемая фаза источника питанияработает в режиме генерации, а фаза нагрузки - в режиме потребления, либо данная фаза источника питания и нагрузкиработают в режиме генерации, а фаза нагрузки - в режиме потребления, либо данная фаза источника питания и нагрузкиработают в режиме потребления электромагнитной энергии, осуществляется за счетширотно-импульсной модуляции сигнала,поступающего на соответствующий дроссельный компенсатор от одноименной фазыисточника питания. Для устранения другихтипов ЭНС, когда -я фаза нагрузки работаетв режиме генерации электромагнитнойэнергии, генерация требуемой формы токакомпенсатора осуществляется за счет подключения к данной -й фазе компенсатораследующей фазы источника питания. Режимработы такой фазы компенсатора иной посравнению с режимом работы -й фазы нагрузки, При этом напрякение следующейфазы источника питания имеет напряжение,которое противоположно по знаку по отношению к -й фазе нагрузки,Исходя из изложенного, алгоритм работы устройства, реализующего данный способ, состоит в выполнении следующихэтапов;измерение мгновенных значений тока инапряжения фаз источника питания, а такжетока дроссельного компенсатора и нагрузки,определение фазы источника питания,которая должна подключаться к -й фазедроссельного компенсатора;формирование эталонных сигналов тока компенсатора;отслеживание мгновенных значений тока дроссельного компенсатора.Рассмотрим работу цепи с нелинейными элементами, содержащей две фазы - А и: В,Устройство, изображенное на фиг. 1 и 2и реализующее предложенный способ компенсации токов в многофазных цепях с нелинейными элементами, работаетследующим образом. С помощью датчиков 7, 8, 21-24 тока и 9и 10 напряжения осуществляется гальваническая развязка, согласова: ие уровней сигналов энергетических цепей и5 изМерительной части устройства, а такжеизмерение мгновенных значений напряжений фаз источника питания ОА Ов(1), токафаз источника питания А(т), в(т), тока дроссельного компенсаторэ 11(1), 1 г(1), тока фаз10 нагрузки 2 А(с), гв(с). Выходное напряжениеэтих датчиков, пропорциональное измеренным значениям токов и напряжений, поступает на вход системы 33 управления,которая и вырабатывает управляющие им 15 пульсы на вентили 13-20, 25-32.Введенные первый 5 и второй 6 трансформаторы осуществляют гальваническую .развязку не только источников питания (обмотки о 1, в ) с,преобразователем и нагруз- .20 кой (обмотки а 2, ац), но и с источникомпитания дроссельных компенсаторов, построенных на основе трансформаторов 11 и,12 (обмотки вз, вб).Формирование управляющих импуль 25 сов на вентили рассмотрим на примере фазы В. Для этого проанализируем работублоков 35, 39-41, 55,В зависимости от значений токов и на- .пряжений, снимаемых с датчиков 8, 10, 22 и30 24, питание дроссельного компенсатора набазе трансформатора 12 осуществляетсялибо от обмотки в трансформатора 6 илиобмотки соз трансформатора 5. На периодеработы в соответствии с выражением (3) в35 общем случае можно выделить четыре характерных режима работы, приведенных втаблице, где введены обозначения Г - генераторный режим, П - режим потребления.При режиме работы 1 дроссельный ком 40 пенсатор на базе трансформатора 12 подключается к второму трансформатору 6. Приэтом ключи 27 и 28 находятся в замкнутомсостоянии, а ключи 31, 32 - в разомкнутом.Для компенсации искажений токов требует 45 ся устранение режимов работы 2-4.В соответствии с предлагаемым способом при наличии режимов 1 и 3 на периодеработы схемы формирование тока ,(1) в соответствии с выражениями (1) и (2) осущест 50 вляется за счет широтно-импульсноймодуляции сигнала, поступающего на входдроссельного компенсатора (блоки 12, 1720) от фазы В источника питания, Для этихрежимов дроссельный компенсэтор под 55 ключен к фазе В источника питания, Приналичии режимов работы 2 и 4 дроссельныйкомпенсатор на базе трансформатора 12 отключается от трансформатора 6 и подключается к трансфоматору 5, т,е, к фазе45 50 55 источника питания (ключи 27 и 28 - в разомкнутом состоянии, ключи 31 и 32 - в замкнутом)Выработка управляющих импульсов на. ключи 25-32 производится формирователями импульсов на основе информации, поступающей с блоков 36, 37, 39 и 40, всоответствии с изложенным выше,На примере блока 35 рассмотрим формирование заданной формы тока компенсатора в соответствии с информацией,снимаемой с датчиков 8, 22 и 24 тока и 10напряжения.Сигнал с выхора умножителя 43, пропорциональный Ог (т), поступает на вход интегратора 45 и интегрируется в течениепериода Т. Сигнал с выхода интегратора 45,пропорциональный квадрату действующегозначения напряжения Од, поступает на второй вход делителя 46, на первый вход которого поступает сигнал с выхода интегратора44, пропорциональный величине активноймощности Р, потребляемой нагрузкой 4(считаем, что активная мощность потребляемая ключевыми и реактивньгми элементами, мала по сравнению со значением Р ивеличиной этой мощности можно пренебречь), На вход интегратора 44 поступает сигнал с выхода умножителя 42,пропорциональный мгновенной мощностиР(т) = Ог(1) н(1), который также интегрируетсяв течение периода Т,Сигнал.с выхода делителя 46, пропорциональный Р/О д, поступает на схему 47 дигскретизации с запоминанием отсчетов,выходной сигнал которой остается постоянным в течение следующего периода частотного спектра. Сигнал с этого блока подаетсяна вход умножителя 48, на другой вход которого поступает сигнал, пропорциональ, ный Ог(1). На выходе умножителя 48формируется сигнал, пропорциональныйактивной составляющей тока нагрузки (т) =РОг(с)/О д, который поступает на неинвергтирующий вход сумматора 49. На инвертирующий вход блока 49 поступает сигнал,пропорциональный мгновенному значению. токаг(т), что позволяет на выходе сумматора49 сформировать опорное (эталонное) значение тока компенсатора 1 к(1) = р)оп, которое отслеживается с помощью системыслежения на основе блоков 50-53; Для этого на вход блока 50 поступает мгновенноезначение ц)т тока дроссельного компенсатора на основе трансформатора 12. Выходной сигнал сумматора 50, пропорцио-,нальный величине Ь(т)=цоп, - т, поступает на неинвертирующий входсумматора 51, на инвертирующий вход которого поступает сигнал с выхода компара 5 10 15 20 25 30 35 40 гора 53 с гистерезисом. На выхаде формируется сигнал, являющийся управляющим для формирователя 54 импульсов управления вентилями. Для осуществления замкнутой системы уп равл ения током трансформатора 12 выходной сигнал с сумматора 51 поступает на вход блока 52 запаздывания первого порядка, передаточная функция которого (К/(1+Та, а из него на вход компаратора 53 с гистерезисом, за счет релейной характеристики которого и обратной связи на инвертирующий вход сумматора 51 осуществляется непрерывное отслеживание текущим током компаратораф)т опорного значения ц.(т)оп.Блок 55 синхронизации вырабатывает синхроимпульсы, период которых равен периоду источника питания. Данные синхроимпульсы управляют работой интеграторов и схем дискретизации с запоминанием отсчетов, Сигналы управления с блока 54 управляют работой вентилей 17-20, включение которых по мостовой схеме позволяет сформировать мгновенную функцию тока дроссельного компенсатора на базе трансформ.втора 12,Таким образом, суммирование токов в общем узле в соответствии с выражением (2) позволяет на выходе фазы В источника питания получить ток ф), пропорциональный напряжению Ог(г).Разработка устройств на основе предлагаемого способа компенсации искажений в многофазных цепях с нелинейными элементами позволит снизить обменные процессы элементами системы, устранить потери энергии в линии, снизить установленные мощности электротехнического оборудования. Формула изобретения Способ компенсации искажений токов в многофазных цепях с нелинейными нагрузками. включающих в себя источник питания переменного тока, подключенную к нему через преобразователь нагрузку и компенсатор, согласно которому измеряют мгновенные значения напряжения генератора, мгновенные значения тока нагрузки и компенсатора, интегрируют с.гнал на протяжении интервала времени, равного периоду напряжения тенератора, запоминают значения интеграла на время интегрирования, формируют опорные мгновенные значения тока компенсатора, и в зависимостиот полученного отклонения изменяют мгновенные значения тока компенсатора, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышенияточности компенсации искажений токов ирасширения функциональных возможностей при несинусоидальном питающем напряжении, для каждой фазы умножают мгновенное значение напряжения источника питания и мгновенное значение тока 5 дроссельного компенсатора, полученную величину сравниваютс нулевым значением, на интервале времени положительных значейий полученной величины фазу дроссельного компенсатора подключают к 10 одноименной фазе источника питания, на интервале времени отрицательных значений полученной величины фазу дроссельно го компенсатора отключают от одноименной фазы источника питания и 15 . подключают к следующей фазе источника питания, формирование опорных мгновенных значений тока дроссельного компенсатораакоп(1) каждой фазы осуществляются по выражению-=,.с.) )О (т) - 1 ф,где 1 т) - мгновенное значение тока нагрузки фазы;Щс) - мгновенное значен.ие напряжения фазы генератора;Т - период напряжения генератора.1571722Составитель Г,Дамскаяактор Л.Веселовская Техред М,Моргентал . Корректор И.Муска Заказ 1519 Тираж 417 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10