Устройство для автоматического симметрирования несимметричных нагрузок в трехфазных трехпроводных системах

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 3(5 Н Н 02 7 3/26 ОПИС ИЗОБРЕТЕНИЯ Н АВТОРСКОМ ЕТЕЛЬСТВУ лю ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ(46) 2312.84. Бюл. Р 47172 ) А. К,11)идловский, И, В, Мостовяк, Г,А,Москаленко, В.А.Новский, Н.Н.Капльчный, А.В.Зощенко и А,Н.Яровой (71) Институт электродинамики АН Украинской ССР153) 621,316.761,2 1088,8 156) 1.Авторское свидетельство СССР Р 488281, кл. Н 02 Т 3/26, 1973,2. Авторское свидетельство СССР Р 570150, кл. Н 02 5 3/26, 1976,3. Авторское свидетельство СССР Р 964853, кл, Н 02 ) 3/26, 1981. 154)157) УСТРОИСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО СИММЕТРИРОВАНИЯ НЕСИММЕТРИЧНЫХНАГРУЗОК В ТРЕХФАЗНЫХ ТРЕХПРОВОДНЫХСИСТЕМАХ, содержащее датчик линейныхтоков, датчик линейных напряжений,два двухвходовых множительных элемента, первые входы которых соединены соответственно с двумя выходамидатчика линейных токов, а вторые входы - с двумя первыми выходами датчика линейных напряжений, двухвходовый.сумматор, входы которого соединеныс выходами множительных элементов,",8011 А а также исполнительный орган, выполненный на регулируемых многосекционных конденсаторных батареях, соединенных в треугольник, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью упрощения и повышения надежности, оно дополнительно снабжено тремя удвоителями частоты, схемой Фиксации нуля,трехканальным коммутатором фаз, состоящим из трех триггеров задержки,и делительным элементом, причем входы датчиков линейных токов и напряжений подключены к фазам питающейсети между выходными зажимами исполнительного органа и выводами нагрузки, вход каждого иэ удвоителей частоты подсоединен к соответствующему Е выходу датчика линейных напряжений, а выход - к одному из первых трех входов трехканального коммутатора фаз,.четвертый вход которого соединен с выходом схемы Фиксации нуля, вход последней подключен к выходу двухканального сумматора и входу делительного элемента, а выходы трехканального коммутатора фаз и дели тельного элемента служат для подк чения к входам исполнительного ор" гана.Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для комплексного повышения качества электрической энергии в трехфаэных системах с изолированной нейтралью, а именно для автоматическогосимметрирования режима, сниженияуровня высших гармоник, в распределительныхсетях с мощнйми несимметричными нагрузками, параметры которых изменяются в широких пределах. 0Известны устройства для бесконтактной коммутации секций конденсаторных батарей (КБ 1, которые используются для стабилизации работыэлектрических сетей, питающих симметричную и несимметричную нагрузки, а также для компенсации реактивной мощности сети 1 .Недостатками этих устройств явля-ются низкие быстродействие и регулирующая способность, невысокая точностьИзвестны устройства с контактнымрегулированием реактивных симметрируемых элементов (КБ и реакторов,которые осуществляют приемлемое симметрирование изменяющихся однофазных нагрузок и компенсацию реактивной мощности 2)Недостатками таких устройств являются невысокая точность симметрирования, низкие быстродействия и надежность силовой схемыа также сложность системы управления.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является устройство для симметрирования несимметричных нагрузок в трехфазных трехпроводных системах, содержащее датчик линейных токов, датчик линейныхнапряжений, два двухвходовых множительных элемента, первые входй"которых соединены соответственно сдвумя выходами датчика линейных токов, а вторые входы - с двумя первыми выходами датчика линейных напря-45жений, двухвходовый сумматор, входыкоторого соединены с выходами множительных элементов, а также исполнительный орган, выполненный на регулируемых конденсаторных батареях,соединенных в треугольник 3 ),Схема известного устройства представляет собой замкнутую систему авторегулирования, т,е. измеряемая вэтом случае пульсирующая мощность,определяемая любым из приведенных вописании выражений, является суммарной пульсирующей мощностью и узласети, обусловленной как нагрузкой(Й), так и симметрирующими элементами устройства (я), а не одной 60лишь нагрузкойУкаэанное обстоятельство усложняет устройгтвотаккак принципиально. необходимо введение цепи обратной связи, включакщейорган сравнения, который непрерывно 65 должен осуществлять вычитание сигналов, пропорциональных величинам суммарной пульсирующей мощности И узла сети и пульсирующей мощности нагрузки Н или симметрирующих элементов И устройства. В связи с этим устройство имеет низкую надежность,Цель изобретения - упрощение и по.вышение надежности,Поставленная цель достигается тем, что устройство для автоматического симметрирования несимметричных нагрузок в трехфазных трехпроводныхсистемах, содержащее датчик линейныхтоков, датчик линейных напряжений, два двухвходовых множительных эле. - мента, первые входы которых соединены соответственно с двумя выходами датчика линейных токов, а вторые входы - с двумя первыми выходами датчика линейных напряжений, двухвходовый сумматор, входы которого соединены с выходами множительных элементов, а также исполнительный орган, выполненный на регулируемых . многосекционных конденсаторных батареях,.соединенных в треугольник, дополнительно снабжено тремя удвоителями частоты, схемой фиксации нуля,трехканальным коммутатором Фаз, состоящим из трех триггеров задержки,и делительным элементом, причем входы датчиков линейных токов и напряжений подключены к фазам питающейсети между выходными зажимами исполнительного органа и выводами нагрузки, вход каждого из удвоителейчастоты подсоединен к соответствующему выходу датчика линейных напряжений, а выход - к одному иэ первыхтрех входов трехканального коммутатора фаз, четвертый вход которогосоединен с выходом схемы фиксациинуля, вход последней подключен к выходу двухвходового сумматора и входу делительного элемента, а выходытрехканального коммутатора фаз и делительного элемента служат для подключения к входам исполнительногооргана,Сущность изобретения заключаетсяв том, что при различных соотношениях величин нагрузки и изменении еефазного угла Ч в диапазоне от Ондо 2 Т, вектор пульсирующей мощностиЙ несимметричной нагрузки, занимающйй произвольное положение на комплексной плоскости, может быть полностью или частично (с допустимойстепенью точности)(скомпенсирован спомощью чисто емкостных элементов.(ЙБ), включаемых на различные линейные напряжения сети. Б этом случае при равенстве мощностей каждойсекции КБ и одинаковом количествесекций КБ С 129 С 23 С 31 подключаемыхк линейным напряжениям О О , 0соответственно, можно получить шестьфиксированных значений компенсирующего вектора Хк;:.1.дВ,г; И, +И,2, Яя; й 2 +И;1 г 1 г гз гз гз+М,231 12При этом векторы Йк; равны между собой по модулю, их начальные фазы сдвинуты относительно друг друга на Л/3, а вся область Ов изменение аргумента Мн; вектора пульсирующей мощности П нагрузки делится на шесть равных диапазонов (секторов), Устройство на основе получаемой иэ сети информации (линейные, напряжения и токи нагрузки) с помощью приведенного ниже алгоритма позволяет однозначно определить принадлежность вектора пульсирующей мощности Й нагрузки одному из шести диапазонов (секторов) и обеспечить тем самым включечие такой комбинации КБ, кото рой соответствует компенсирующий век тор пульсирующей мощности Й , находящейся в противофазе с вектором 1 и равный ему по величине. В данном случае автоматическое регулирование параметрами симметрирующих элементов (КБ) ведется по разомкнутой схеме, что способствует упрощению устройства и повышению надежности процесса симметрирования нагрузкиОптимальная компенсация векторапульсирующей мощности нагрузки осуществляется при частичном симметрировании нагрузки в соответствии стаблицей переключения конденсаторныхбатарей (КБ в зависимости от изменения аргумента Ч . Пульсирующая мощность изменяется с двойной частотой сети ( щ 1 = 2 мс), т,е, полный оборот вектора пульсирующей мощности соответствует полу- периоду изменения вектора линейного напряжения сети основной частоты (ы = ц), Это обстоятельство, а также тот Факт, что пульсирующая мощность взаимосвязана с появлением токов и напряжений обратной последовательности в неуравновешенной трехфазной системе, позволяют разработать на оснований таблицы простой и удобный алгоритм управления КБ, т,е. их переключения в зависимости от изменения аргумента М вектора пульсирующей мощности нагрузки ц, Принцип алгоритма основывается на том, что моменты подключенИя КБ С, С 2 и С, при минимизации сУммарной пульсирующей мощности нагрузочного узла сети М совпадают во времени с положительными полуволнами линейных напряжений О. удвоенной частоты сети при следующем соответствии:С 1 г 1. гз Смф Цм Сг.Указанное соответствие положитель ности линейных напряжений 11 удвоенной частоты, имеющих обратный порядок чередования Фаз, является лишьнеобходимым условием реализации алгоритма переключения КБ, Достаточнымже условием однозначного соответствия положительности линейных напряжений И( 11 = 2 о) ) требуемой:(истинной комбинации включения КБ в текущий момент времени является соответствие момента перехода через нулевое1 О значение кривой пульсирующей мощнос"ти п(С) нагрузки из области ее отрицательных значений в положительную область, т,е. момента формирования положительной полуволны синусои 15 ды пульсирующей мощности п нагрузки - положительным полуволнамлинейных напряжений Н двойной частоты сети,На фиг.1 представлена совмещеннаявекторная диаграмма пульсирующих мощностей Йн; и И к;, а также линейныхнапряжений О,изменяемых с удвоенной частотой ( ь 1 = 2 о ) сети, отсчет аргументов ведется в отрицательном направлении от вектора Н 1 напряжения в фазе 1; на фиг.2 - Функциональная схема предложенного устройства; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы основных узлов предложенного устройства,Из рассмотрения совмещенных векторных диаграмм (лиг.1) следует,что, например, для вектора Й , компенсирующим Й 1 является вектор И 1 г,35 1 а для вектора Й - вектор И(02 +Й,22 31 2Заштрихованные область Бйн 1 - длял/3 нъО и область Ь Бнг - для4 л/3нгй указывают на то, чтоданному диапазону изменения аргу 40 мента ч 1( , ) пульсирующбй мощности нагрузки соответствует компенсирующий вектор Й(Чц +1 ц ),Схема устройства (фиг Л содержит фазы 1-3 сети, несимметричную45 нагрузку 4, датчик 5 линейных токов, датчик б линейных напряжений,двухвходовые множительные элементы 7и 8, двухвходовый сумматор 9 с инвертированием, схему 10 Фиксации нуля, делительный элемент 11, удвоители 12-14 частоты, трехканальныйкоммутатор 15 фаз, триггеры 16-18задержки, исполнительный орган 19,конденсаторные батареи 20-20, 21-21и 22-22, силовые тиристорные выключатели 23-23, 24-24 и 25-25Устройство работает следующим образом.Входными параметрами устройстваявляются векторы линейных токов60 и напряжений 0 нагрузочного узласети. С помощью множительных элементов 7 и 8 и сумматора 9 с инвертированием формируется сигнал, пропорциональный пульсирующей мощности на 65 груэки В.Гхема 10 фиксации нуля предназна чена для Формирования последовательности импульсов малой длительности(1 н, 4 5 мкс), передние фронты которыхсовпадают с "положительным переходом" через нулевое значение синусоиды пульсирующей мощности пн(С) нагрузки, т,е, Фиксируют момент обра"зования положительной полуволны синусоиды п(С), Для получения именно100 герцовой и неискаженной синусоидальной кривой пн в датчиках 5 и 6предусмотрены фильтры основной частоты сети.Делительный элемент 11 предназначен для деления непрерывно изменяю щегося во времени сигнала, пропорционального пульсирующей мощности)И, на величину уставки напряжения,которая пропорциональна заданнойпульсирующей мощности Ь )(,) одной 20секции КБ ЬС 1), те, на выходах 11устанавливается код числа, равногоколичеству и секций КБ (в=/ЮБ,которые необходимо подключить в текущий момент времени на одно или 25два,требуемые линейные напряжениясети для достижения минимальной величины остаточной пульсирующей мощнос. тиКроме того, делительный эле-.мент 11 фиксирует изменение величины пульсирующей мощности Б в томили другом направлении, т.е, определяет момент выхода величины за пределы зоны нечувствительности 1 ЕГ) (Е Б,)при колебайии аргумента У в оцноми том же секторе ь с целью изменения своего выходного кода в сторонуповышения или снижения пульсирующеймощности ) включением или отключением соответствующих секций КБ.Удвоители 12-14 частоты служат 40для формирования из линейных напряжений )иимпульсов относиаэтельно боль)1)ой длительности ( Т10 мс) - меандров напряжений, час., тота повторения Г = 50 Гц,которых 45изатем умножается в два раза с помощью соответствующей схемы выдержкина появление выходного импульса(Г, = 100 Гц),Трехканальный коммутатор 15 фаэ состоит из трех триггеров 16-18 задержки, на инФормационные входы подаются прямоугольные импульсы с выходов удвоителей 12-14 частоты, а на синхровходы - "короткие" синхроимпульсы длительностью , с выхода схемы 10 фиксации нуля.Установка каждого триггера 16-18 из "0" в "1" происходит лишь при одновременном поступлении двух "1" 60 на его информационный и синхрониэирующий входы, т.е. месторасположение синхроимпульса на временной оси в пределах оси в пределах одного периода изменения соответствующего 65 линейного напряжения, О, двойной час-) тоты сети определяется Фазой вектора пульсирующей мощностинагрузки, т,е, управляющим параметром данной системы автоуправления. Отсюда следует, что при подаче,синхроимпульса с выхода схемы 10 на триггеры 16-18 трехканального коммутатора 15 фаз устанавливается определенная комбинация выходных "единиц" и"нулей" этих триггеров, которая одНозначно и определяет принадлежность значения фаэь) , одному из шести диапазонов полного периода ее изменения (Ь,)= .и/3), те, триггеры 16-18 выполняют функцию элементов памяти, которые Фиксируют полученную комбинаций включения КБ С., С и Сз, в течение всего периода найряжейия О(полупериода основной частоты сети ). Если значение Ч находится неизменно в одном и том же диапазоне д 1 на протяжении определенного интервала времени (при отсутствии резких колебаний фазы ), то и комбинация выходных состояний. триггеров будет неизменной в том же интервале времени и переключения последних не будет происходить,При переходе значения М, в дру.гой сектор (зону нечувствительности по фазе )й переключение триггеров 16-18 происходит к течение не более чем за один полупериод напряжения сети, Таким образом, Функцией трехканального коммутатора 15 Фаз является непрерывное "слежение" за изменением Фазы н пульсирующей мощности нагрузки, но быстродействующее переключение триггеров 16-18 при колебаниях (случайных или регулярных Фазы У вовсе не означает одновременного переключения соответствующих этим триггерам секций КБ (триггеру 16 соответствуют секции КБ 20-20 , триггеру 17 - КБ 22-22, триггеру 18 КБ 21-21Для исключения реэкопеременных и случайных колебаний вектора Йдкак по аргументу, так и по модулю, в исполнительном органе 19 предусмотрена соответствующая схема выдержки времени (СВВна включение КБ с автоматическим сбросом выдержки при не. достаточно продолжительных (менее С ) изменениях 4 и )( от предыдуЬЫа,щего значения, Кроме того, в исполнительном органе 19 предусмотрена также схема синхронизации с сетью, необходимая для уменьшения нежелательных переходных процессов в силовой части устройства при включении КБ.Работа основных узлов схемы устройства поясняется временными диаграммами, представленными на фиг.3,где показаны:а - напряжение 0 в фазе 1сети;б-г - линейные напряжения сети О -(в йф,П, на выходах датчика 6 линейных напряжений;д-ж - линейные напряженияудвоенной частоты - , , П и (гг ьсоответственно,5з-к - меандры линейн-х напряженийсети а О,г, д ( и Яц,л-н -меандры линейных напряжений удвоенной частоты:Г, Л ( Яц,гф г 3 ф %соответственно на выходе удвоителей 12-14 частоты,о - синусоидальная кривая пульсирующей мощности п нагрузкидля двух значений Фазы 4,(сплошная линия) и Мг (штриховая линия), взятых в качест-ве иллюстративного примера,и - синхроимпульсы на выходе схемы 10 Фиксации нуля,р-т - сигналы на выходах триггеров 16-18 (состояние триггеровпо выходу)ру-х - синусоидальные кривые пульсирующих мощностей секций КБ 2022; 25ц - "результирующая" пульсирующаямощность исполнительного органа 19 для случая компенсациис начальной фазой НгНапрймер, как видно из рассмотрения временных диаграмм, при М =только меандр напряжения.ц, йа эпюре й совпадает по положительной полярности (в данный момент времени)с синхроимпульсом (эпюра и), а следовательно, в "1" может установитьсятолько триггер 16 задержки (эпюра и), что соответствует включению(после 1 , ) лишь секций КБ С,г (2020 - в зависимости от величиныпульсирующей мощности и нагрузки 40определяется количество данных секций КБ) - диаграммаАналогичным образом осуществляется процесс управления секциями КБи для случая , = Мг . При этом 45(как следует из рассмотрения Фиг,3штриховые линии на эпюрах 1 на исполнительный орган 19 необходимо подать сигналы управления для включения соответствующих КБ с выходомтриггеров 17 и 18 (эпюры с и т,.которые устанавливаются в "единичное"состояние меандрами Яи й (1,(эпюры м и н ) при подаче на нйхсинхроимпульсов (эпюра п 1 с выходасхемы 10 фиксации нуля (триггер 16находится в нулевом состоянии, по-скольку линейное напряжение О вэтот момент времени отрицательйо 1,Очевидно, что приведенное соответствие одновременной положительнос-60ти определенных линейных напряженийудвоенной частоты и синхроимпульсас выхода схемы Фиксации нуля (необходимые и достаточные условия однозначного соответствия) требуемой 65 комбинации установки триггеров 1618 задержки и тем самьа включениясекций КБ является справедливым длялюбых значенийи весьма просто реализуется указанными аппаратурными средствами. Это нетрудно просле,дить из одновременного рассмотрения временных диаграмм (фиг.31, совмещенной диаграммы (Фиг,11, а также таблицы включения КБ в зависимостиот фазы , пулвсирующей мощности на- Нгрузки.Точность симметрирования режима трехфазной системы в данном случае определяется величиной остаточной пульсирукицей мощности. Б , которая изменяется в диапазоне (О - -р- М1кв зависимости от значения У;. Очевидно, что при 9;= К,2 г/3 (К = О, 1,2,) И = 0 "полйое" симметрирование 1, в других случаях имеет место частичное симметрирование.Повышение точности симметрирования при таком методе минимизации пульсирующей мощности нагрузочного узла сети в целом достигается за счет введения специальных, более сложных алгоритмов управления секциями КБ,Применение схемы данного вида наоснове только емкостных симметрирующих элементов наиболее эффективно при групповом подключении к сети ряда однотипных несимметричных нагрузок ( установок ЗИП, графитировочныХпечей и т.д. ) и значительных уров нях потребления реактивной мощности, В этом случае устанавливается только одно такое устройство навесь узел электрической сети, к которому подключены указанные нагрузки, что позволяет существенно снизить установленную мощность симметрирующих элементов по сравнению с вариантом индивидуального использования таких устройств с отдельными несимметричниаи потребителями. Кроме того, в данном случае симметрирование осуществляется при различных уровнях генерируемой КБ реактивной мощности,.Указанное обстоятельство обуславливает необходимость автоматического управления КБ по двум параметрам:параметру, однозначно определяющему уровень и характер несимметрии трехФазной сети (модулю и Фазе вектора пульсирующей мощности 1, и одному из показателей ее режима (величине и направлению реактивной мощности или уровню напряжения в узле нагруэки 1,Таким образом, использование дополнительно введенных элементов выгодно отличает предлагаемое устрой ство от известного, Это обусловлено за счет повышения его эФФективности1130948 Диапазон й ( ш, = 2 ш, ) Состояние КБ ф ТТ. Т ТЧ ЧТ р 2 27 Н. 4 5 а 5 лу- -- - у- - Я, - +. --- - - 2 Г Включены 12 ф 31 31 31 ф 23 С 12 Отключены С , С23 ф 12 12 12 ф 91 С 31 С 23 практического использования, чтоособенно важно для создания работосПособного.и надежного устройства,так как предложенный и реализованныйна практике с помощью дополнительносимметричных элементов весьма простой алгоритм управления емкостнымисимметрирующими элементами достоверно определяет требуемую комбинациювключения КБ в зависимости от изменения аргументавектора Б пульсирующей мощности нагрузки, В результате этого осуществляется взаимокомпенсация векторов пульсирующихмощностей нагрузки и устройства 1"полное" или частичное симметрирование ),Устройство может быть использовано для нормализации показателей качества электрической энергии и обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования в трехфазнИх трехпроводных системах электроснабжения общего и специального назначения при подключении к ним несиммет-. ричных нагрузок (однофазных, двух- плечевых, несимметричных трехфаэных и т.д,), которые произвольно изменяются как по величине, так и фазово- му углу.11 30948 И Фа Составитель И.МироиниковТехред М, Кузьма Корр М,Леонтю актор А.Шанд филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проект з 9621/39 Тира ВНИИПИ Госуд по делам 113035, Москва, 613ственного комит обретений и отк -35 Раушская н Подписна СССРтийд, 4/5