Трёхфазный транзисторный источник реактивных токов
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, области устройств, повышающих эффективность потребления электроэнергии, в частности устройств компенсации реактивных токов путём генерирования их на месте потребления и тем самым разгрузки от них сетей электроснабжения.
Следует отметить, что в литературе чаще употребляется термин "источник реактивной мощности", хотя, на наш взгляд правильнее говорить "источник реактивных токов", так как при параллельном соединении нагрузки и упомянутого источника в этом соединении возникает эффект резонанса токов, при котором из источника питания не потребляется реактивная составляющая тока, которая замыкается внутри контура "нагрузка - источник реактивных токов", а если перейти к анализу схем замещения - в контуре "индуктивность - емкость". (Поливанов К.М. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. М.: Энергия, 1972.)
Наиболее распространёнными источниками реактивных токов являются батареи статических конденсаторов, подключаемые параллельно нагрузке и обеспечивающие требуемые для неё реактивные токи.
С появлением тиристоров были предприняты многочисленные попытки создать источники реактивных токов за счёт искусственной коммутации тиристоров, позволяющей получить ток в нагрузке, опережающий по фазе напряжение и тем самым как бы обеспечить компенсацию реактивных токов других потребителей (Новые схемы статических компенсаторов реактивной мощности. Обзорная информация. Сер. Электрические сети и системы, вып.2. - М.: Информэнерго, 1991.)
Одно из подобных устройств, являющееся аналогом рассматриваемого изобретения, предложено в АС СССР Љ1737618, кл. H02J3/18. БИ Љ20, 1992 г. Устройство содержит зарядный и разрядный тиристорные блоки, которые управляют зарядом и разрядом накопительного конденсатора, так что при этом формируется ток компенсации нужной формы.
Недостатком устройства является его сложность, большой процент высших гармоник даже в однофазных сетях и принципиальная невозможность генерирования синусоидальных реактивных токов в трёхфазных сетях из-за использования лишь одного накопительного конденсатора.
Прототипом предлагаемого изобретения является источник реактивной мощности, заявленный в АС СССР Љ1610540, кл. H02J3/18. Открытия. Изобретения. 1990, Љ44. Этот источник выполнен как трёхфазное моноблочное устройство, содержит тиристорный мост с отсекающими диодами и коммутирующими конденсаторами, мост обратных диодов, три коммутирующих и три демпфирующих дросселя и накопительный конденсатор. Недостатками предложенного устройства также является его сложность из-за большого количества элементов равной установленной мощности (12 диодов и 6 тиристорв), необходимость применения лишних элементов для искусственной коммутации (6 конденсаторов и три дросселя) и ,как следствие, - повышенные массо - габаритные показатели. Но главным недостатком, так же как и в аналоге (АС СССР Љ1737618, кл. H02J3/18. БИ Љ20, 1992 г.), является принципиальная невозможность формирования синусоидальных токов компенсации в трёхфазных сетях, так как на "обслуживание" каждой фазы накопительному конденсатору предоставляется всего 120 электрических градусов (1/3 периода) вместо необходимых 360, то есть полного периода.
Этого недостатка лишено предлагаемое изобретение, технический результат которого - обеспечение формирования практически синусоидальных фазных токов компенсации в трёхфазных сетях, и при этом существенное снижение массо - габаритных показателей за счёт уменьшения количества элементов в схеме и применения в качестве ключей транзисторов.
Схема предлагаемого изобретения приведена на фиг.1. На этой схеме:
1-6 - диоды трёхфазного выпрямительного моста, через которые осуществляется заряд накопительных конденсаторов 10 -12;
7,8,9 - разделительные диоды, не позволяющие положительным выводам накопительных конденсаторов уравнивать потенциалы в процессе работы;
10,11,12 - накопительные конденсаторы;
13 - 18 - шесть транзисторов, образующих инвертор напряжения, входными напряжениями которого являются напряжения накопительных конденсаторов, а выходом - вход переменного тока диодного моста, причём 14,16,18 - транзисторы, шунтирующие диоды 2,4,6 анодной группы выпрямительного моста, а 13,15,17 - транзисторы, своими эмиттерами присоединяемые к анодам диодов 1,3,5 катодной группы выпрямительного моста или, что то же самое, - к его входу переменного тока;
19,20,21 - дополнительные транзисторы, своими коллекторами присоединяемые к положительным выводам накопительных конденсаторов, а их эмиттеры соединены с коллекторам транзисторов 13, 15, 17 инвертора;
22 - три дросселя, через которые выпрямительный мост и инвертор подключены к сети переменного тока параллельно нагрузке;
23 - датчики токов, потребляемых из сети;
24 - датчики токов нагрузки;
25 - датчики напряжений нагрузки;
26 - нагрузка;
27 - задающее устройство источника реактивных токов, которое преобразует сигналы с датчиков напряжений и токов нагрузки в сигнал 29 задания тока сети и вырабатывает три сигнала 28: 28а, 28в, 28с задания фазных токов iк компенсации, которые для нагрузки становятся реактивными токами iк = iр ;
32,33,34 - модуляторы длительности импульсов управления транзисторами 13 - 21 источника, на которые подаётся сигнал с выхода регулятора тока и сигналы 28а, 28в, 28с задания формы тока из задающего устройства 27;
35, 36, 37 - формирователи импульсов управления транзисторами;
38, 39, 40 - распределители импульсов управления транзисторами;
41 - генератор частоты переключения транзисторов.
Источник реактивных токов по схеме фиг.1 представляет собой систему автоматического управления токами компенсации iка, iкв, iкс во всех фазах, которые вытесняют реактивные токи iра, iрв, iрс, потребляемые нагрузкой, из источника питания и тем самым обеспечивают разгрузку источника питания и сетей электроснабжения от реактивных токов.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы изменения основных координат в схеме фиг. 1, поясняющие работу основных элементов источника реактивной мощности.
Линейные напряжения UAB, UBC, UCA приведены на фиг. 2,а и определяются выражениями:
где
Фазные напряжения UA, UB, UC и отстающие от них на углы реактивные токи iра, iрв, iрс приведены на фиг. 2,б и определяются выражениями:
Потребление реактивных токов - необходимое условие нормального функционирования нагрузки, так как в большинстве случаев в её составе присутствует индуктивности, отражающие необходимость создания магнитного потока (асинхронные двигатели, трансформаторы, электромагниты и.т.п.).
Поэтому в токе нагрузки реактивная составляющая как правило должна присутствовать:
. (4)
Если реактивные токи потребляются от сети (от источника питания), то
. (5)
Если же источником реактивных токов является специальный, подключаемый параллельно нагрузке в непосредственной близости от неё, то источник питания и подводящая линия электропередачи разгружаются от реактивных токов, от источника питания потребляются только активные токи
. (6)
При этом в линии электропередачи снижаются потери на величину
, (7)
где Rл - эквивалентное активное сопротивление сетей электроснабжения от источника питания до нагрузки;
Ip - действующее значение реактивного тока.
Суть компенсации реактивных токов заключается в том, что специальный источник вырабатывает (генерирует) токи компенсации
, (8)
которые вытесняют реактивные токи из источника питания и подводящих сетей и замыкаются через нагрузку.
Источник реактивных токов (ИРТ) по схеме фиг.1 выполняет это следующим образом.
Для того, чтобы условия (8) и (6) обеспечивались автоматически силовая часть ИРТ на элементах 1 - 22, дополняется системой автоматического управления транзисторами 13 - 21, а следовательно и процессами заряда и разряда накопительных конденсаторов 10, 11, 12. Одним из основных элементов в системе управления является задающее устройство 27, на вход которого подаются сигналы от датчиков тока нагрузки 24 и напряжения 25. В результате преобразования этих сигналов, задающее устройство вырабатывает сигнал 29 задания величины тока, потребляемого из сети (источника питания), пропорциональный активной составляющей тока нагрузки.
Кроме того, задающее устройство вырабатывает три сигнала 28 задания формы фазных токов компенсации 28а, 28в и 28с.
Сигнал 29 задания величины тока сети подаётся на элемент сравнения 30, на который также поступает сигнал обратной связи по величине тока сети от датчика 23. На выходе элемента сравнения 30 выделяется сигнал отклонения токов сети от заданного значения, который подаётся на регулятор тока сети 31. Сигнал с выхода регулятора тока подаётся на первые входы трёх модуляторов 32, 33 и 34 длительности (ширины) импульсов управления транзисторами 13 - 19 инвертора. На вторые входы модуляторов подаются сигналы 28а, 28в, 28с формы токов компенсации. Выходы модуляторов 32, 33, 34 соединены с первыми входами формирователей 35, 36, 37 импульсов управления транзисторами инвертора. На вторые входы формирователей подаётся сигнал от генератора 41 частоты переключения транзисторов. Выходы формирователей соединены со входами распределителей импульсов 38, 39, 40 , которые определяют необходимое сочетание пар транзисторов 13 - 16; 13 - 18; 15 - 14; 15 - 18; 17 - 16; 17 - 14, задают длительности открытого и закрытого состояний транзисторов 19, 20, 21 для обеспечения необходимых фазных токов компенсации iкa, iкв, iкс.
Формирование токов компенсации осуществляется за счёт изменения длительности интервалов открытого tв и закрытого to состояния соответствующей пары транзисторов на периоде частоты переключения
; , (9)
где - относительная продолжительность открытого состояния транзисторов.
При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) является управляющим воздействием.
Частота переключения выбирается значительно большей, чем частота сети
.
Значения ёмкостей накопительных конденсаторов 10,11,12 определяются величиной токов компенсации; значения индуктивностей дросселей 22 определяются условиями обеспечения резонансного характера процессов заряда накопительных конденсаторов.
Все координаты источника по фиг. 1 , можно разделить на "гладкие" составляющие изменяющиеся с частотой , и переменные составляющие , изменяющиеся с частотой переключения транзисторов.
(10)
.
Индекс i используется для отображения факта, что есть несколько идентичных элементов и соответствующих координат в схеме фиг.1.
По условиям нормального функционирования заявляемого устройства гладкие составляющие приращений напряжений на накопительных конденсаторах 10, 11, 12 совпадают по фазам с линейными напряжениями UAB, UBC и UCA, гладкие составляющие фазных токов компенсации воспроизводят реактивные токи iра, iрв, iрс в соответствии с выражениями (3), а гладкие составляющие ЭДС на дросселях 22 совпадают по фазам с фазными напряжениями источников питания в соответствии с выражениями (2).
Источник по схеме фиг. 1 генерирует линейные токи компенсации , которые преобразуются в фазные в соответствии с условиями
Источник по схеме фиг. 1 работает следующим образом.
После включения в сеть происходит первоначальный заряд всех трёх накопительных конденсаторов 10, 11, 12 через диодный мост до напряжения, примерно равного удвоенному значению амплитудного линейного напряжения . По длительности этот процесс занимает интервал не более одного полупериода ( на фиг. 2 не показан). Одновременно в задающем устройстве 27 идёт формирование сигналов 28 и 29 задания формы токов компенсации и величины активной составляющей тока, который должен потребляться из сети. Если нагрузка не потребляет реактивных токов, сигнал 29 задания тока сети и сигнал обратной связи с выхода датчика тока 23 будут одинаковыми, - на выходе элемента сравнения 30 сигнала не будет, регулятор тока 31 не будет вырабатывать сигнал управления модуляторами 32, 33, 34 и транзисторы в работу не вступают. Если сигналы задания тока сети и сигнал обратной связи с выхода датчиков тока 23 различаются, на выходе элемента сравнения 30 появляется сигнал рассогласования, работает регулятор тока 31 и модуляторы 32, 33, 34 и начинается формирование токов компенсации iка, iкв, iкс, которые вытесняют реактивные токи из источника питания и замыкаются через нагрузку. При этом положительная полуволна тока накопительных конденсаторов iс1, iс2, iс3 соответствует их разрядам, т.е. снижению напряжения от максимального значения до минимального. На этих интервалах транзисторы 13 - 18 работают попарно как было указано ранее, а транзисторы 19 - 21 находятся в открытом состоянии со сдвигом на 120№. Отрицательная полуволна тока каждого конденсатора соответствует его заряду: на этих интервалах ток в конденсаторы идёт через диодный мост 1 - 6 и разделительные диоды, транзисторы 19 - 21 закрыты, также закрыты транзисторы 13, 15, 17, а для обеспечения синусоидальной формы токов заряда достаточно использовать в режиме ШИМ регулирования лишь транзисторы из группы 14, 16, 18.
Процессы разряда накопительных емкостей 10, 11, 12 в стационарном режиме начинаются с моментов времени, соответствующих максимальным значениям положительных полуволн линейных напряжений: моменты напряжения на положительных зажимах конденсаторов 10, 11, 12 также достигают своих максимальных значений (примерно ), а токи ici меняют свой знак на противоположный. На фиг.2, в,г и д для примера показаны временные диаграммы напряжения UС2 на накопительном конденсаторе 11 (С2), его тока ic2 и их составляющих , ЭДС дросселя 22 в фазе С. Формирование фазных токов iкв и iкс осуществляется системой управления путём ШИМ - регулирования, т.е. изменением величины , пар транзисторов 15 - 18; 14 - 15; 17 - 16; 17 - 14 при открытом транзисторе 20 в процессе разряда конденсатора 11, а в процессе заряда при закрытом состоянии транзистора 20 через мост из диодов 1 - 6 и разделительный диод 7 путём ШИМ регулирования транзисторов 14, 16, 18, для того, чтобы и на интервале (полупериоде) заряда конденсатора ток ic2 был синусоидальным.
На фиг. 2, д приведена диаграмма ЭДС на дросселе 22 в фазе С. Роль дросселей 22 в схеме фиг. 1 состоит в том, чтобы обеспечивать повышенное значение напряжения на накопительных конденсаторах в процессе первоначального заряда и далее - в процессах заряда в стационарных режимах формирования токов компенсации, а также для ограничения бросков токов при коммутации транзисторов.
Так как известные решения на базе трёхфазных мостовых схем (Обзорная информация Сер. Электрические сети и системы, вып. 2. - М.: Информэнерго, 1991.), включая аналоги типа ( АС СССР Љ1737618, кл. H02J3/18. БИ Љ20, 1992 г.) и прототип (АС СССР Љ1610540, кл. H02J3/18. Открытия. Изобретения. 1990, Љ44.) , физически не способны формировать токи компенсации синусоидальной формы, то следует оценивать эффективность предлагаемого изобретения сравнением его с трёхфазным источником реактивных токов в виде трёх однофазных компенсаторов (Лабунцов В.А., Чжан Дайжун. Однофазные полупроводниковые компенсаторы пассивных составляющих мгновенной мощности// Электричесво. 1993. Љ12. с. 20 - 32.) , включаемых либо в звезду, либо в треугольник параллельно нагрузке. Такое построение ИРТ можно назвать групповым, а построение по предлагаемому изобретению фиг. 1 - моноблочным.
Предлагаемая схема фиг.1 трёхфазного компенсатора позволяет уменьшить число необходимых элементов транзистор - диод с 12 при групповом построении до 9 при моноблочном. Но это не главное преимущество моноблочного построения. Главным преимуществом является повышение надёжности обменных процессов между сетью, ёмкостями и индуктивностями при формировании токов компенсации за счёт отсутствия интервалов времени, когда напряжение питания снижается до нуля, что неблагоприятно сказывается на процессе заряда накопительных ёмкостей. Другим преимуществом является упрощение построения системы управления за счёт уменьшения аппаратурных затрат, а также её повышенные возможности за счёт наличия многофазного источника для формирования вспомогательных сигналов в системе управления. Так что в трёхфазных сетях моноблочному построению транзисторных источников реактивных токов следует отдавать предпочтение.
Таким образом, техническим результатом прелагаемого изобретения является снижение массо - габаритных показателей источника реактивных токов по сравнению с известными решениями и возможность вырабатывать токи компенсации синусоидальной формы, а также повышение надёжности работы моноблочного исполнения по сравнению с групповым.