трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности
Классы МПК: | G05F1/30 только с полупроводниковыми приборами H02J3/18 устройства для регулирования, устранения или компенсации реактивной мощности в сетях |
Автор(ы): | Климаш В.С., Симоненко И.Г. |
Патентообладатель(и): | Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-06-16 публикация патента:
10.11.2000 |
Предложен компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности с четырехквадратным управлением, который отличает повышенное быстродействие, улучшенная форма выходного напряжения и простота реализации замкнутой системы авторегулирования как в пусковых, так и стационарных режимах, что является техническим результатом. Компенсатор построен по принципу независимого широтно-импульсного регулирования поперечной составляющей вольтодобавки в функции реактивной мощности сети и продольной составляющей вольтодобавки в функции отклонения напряжения нагрузки. Компенсатор выполнен на двух вольтодобавочных трансформаторах, двух трехфазных инверторах напряжения с общим для них трехфазным рекуперативным выпрямителем. В его состав также входят датчики реактивной мощности сети и отклонения напряжения нагрузки, батарея косинусных конденсаторов, фильтр, трехфазный автомат, пусковой переключатель и таймер. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
Трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, содержащий датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, первый и второй трехфазные инверторы напряжения с индивидуальными для них системами управления, первый и второй трехфазные вольтодобавочные трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и включены в цепь нагрузки, а их вторичные обмотки соответственно подключены к выходам первого и второго трехфазных инверторов напряжения, при этом входы первого и второго трехфазного инверторов напряжения объединены и через трехфазный рекуперативный выпрямитель подключены к нагрузке, в состав трехфазного рекуперативного выпрямителя входит вентильный блок с системой управления, трехфазный автомат и выходной индуктивно-емкостный фильтр, а управляющий вход системы управления первым трехфазным инвертором напряжения подключен к выходу датчика реактивной мощности сети, отличающийся тем, что управляющий вход системы управления вторым трехфазным инвертором напряжения подключен к общей точке переключателя, который шунтирует его на время пуска и затем подключает к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, а управляющий вход переключателя через таймер подключен к информационному выходу трехфазного автомата, при этом коэффициенты трансформации первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов не одинаковы и пропорциональны соответственно отклонению реактивной мощности сети и отклонению напряжения нагрузки, к точкам соединения датчика реактивной мощности сети и первичной обмотки первого трехфазного вольтодобавочного трансформатора подключена батарея конденсаторов и вход блока синхронизации, ортогональный и синфазный выходы которого соответственно подключены к синхронизирующим входам систем управления первым и вторым трехфазными инверторами напряжения, которые выполнены по 180-градусному алгоритму с широтно-импульсным регулированием и реверсом фазы поперечной и продольной составляющих добавочного напряжения в зависимости от знака сигналов, поступающих соответственно с датчика реактивной мощности сети и датчика отклонения напряжения нагрузки.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам компенсации реактивной мощности, и может быть использовано при создании электротехнических систем и комплексов с повышенным коэффициентом мощности и стабильным напряжением. За прототип выбран трансформаторно-тиристорный компенсатор (патент РФ N 1793514, H 02 J 3/18, 15.11.93), который содержит датчик реактивной мощности сети, датчик отклонения напряжения нагрузки, два трехфазных вольтодобавочных трансформатора, два трехфазных инвертора напряжения с общим входом и трехфазный рекуперативный выпрямитель, включающий в себя вентильный блок с системой импульсно-фазового управления, входной трехфазный автомат и выходной LC-фильтр. Известный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности построен по принципу фазового регулирования двух составляющих добавочного напряжения, формируемых трехфазными инверторами напряжения. Фаза выходного напряжения первого трехфазного инвертора регулируется в функции реактивной мощности сети, а фаза второго трехфазного инвертора напряжения - в функции отклонения напряжения нагрузки. Для четырехквадрантного формирования добавочного напряжения в прототипе применен трехфазный рекуперативный выпрямитель, который обеспечивает двухсторонний обмен энергией без регулирования выпрямленного напряжения. В первом и втором квадрантах энергия в звене постоянного напряжения направлена от трехфазного рекуперативного выпрямителя к трехфазным инверторам напряжения, а в третьем и четвертом квадрантах в обратном направлении за счет смены полярности выпрямленного тока. Это обстоятельство обуславливает необходимость обеспечения выпрямительного и инверторного режимов работы трехфазному рекуперативному выпрямителю за счет применения в нем вентильного блока со специальным управлением. К недостатком известного устройства прежде всего следует отнести большой процент высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения из-за отсутствия в общем потоке генерируемой реактивной мощности нерегулируемой части и расширенного в связи с этим диапазона регулирования действующего значения результирующего добавочного напряжения, а также низкое быстродействие, вызванное тем, что при интенсивном регулировании фазы выходного напряжения как первого, так и второго трехфазных инверторов наблюдается одностороннее подмагничивание вольтодобавочных трансформаторов. Кроме того, сложность управления стационарными режимами с ориентацией результирующего вектора добавочного напряжения во всех четырех квадрантах, в связи с отсутствием независимого регулирования продольной и поперечной составляющими этого вектора. И, наконец, сложность формирования динамики пуска с ограничением или полным отсутствием постоянных подмагничивающих составляющих в магнитных потоках первого и второго вольтодобавочных трансформаторах. Задача изобретения - улучшить качество выходного напряжения, повысить быстродействие и упростить управление пусковыми и стационарными режимами. Для решения поставленной задачи применен принцип независимого широтно-импульсного регулирования продольной и поперечной составляющих добавочного напряжения и суммирования его с напряжением сети. В результате этого коэффициент гармоник улучшен примерно в 2 раза, а быстродействие в 3 раза. В устройстве не требуется специального блока амплитудно-фазовой ориентации вектора добавочного напряжения во всех четырех квадрантах. Переход от одного квадранта к другому происходит при смене знаков сигналов обратных связей, что существенно упрощает построение системы автоматического регулирования. Высокое качество и простота пусковых режимов обеспечивается обнулением на время пуска поперечной составляющей вектора вольтодобавки. Решение поставленной задачи достигается тем, что управляющий вход системы управления вторым трехфазным инвертором напряжения подключен к общей точке переключателя, который шунтирует его на время пуска и затем подключает к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, а управляющий вход переключателя через таймер подключен к информационному выходу трехфазного автомата, при этом коэффициенты трансформации первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов неодинаковы и пропорциональны соответственно отклонению реактивной мощности сети и отклонению напряжения нагрузки, к входным зажимам устройства подключена батарея косинусных конденсаторов и вход блока синхронизации, ортогональный и синфазный выходы которого соответственно подключены к синхронизирующим входам систем управления первым и вторым трехфазными инверторами напряжения, которые выполнены по 180o-ному алгоритму с широтно-импульсным регулированием и реверсом фазы поперечной и продольной составляющих добавочного напряжения в зависимости от знака сигналов, поступающих соответственно с датчика реактивной мощности сети и датчика отклонения напряжения нагрузки. Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема трансформаторно-тиристорного компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности с четырехквадрантным управлением; на фиг. 2 - схема блока синхронизации и векторная диаграмма, поясняющая его подключение; на фиг. 3а,б - векторные диаграммы режимов работы устройства. Устройство (фиг. 1) содержит входные и выходные зажимы 1 и 2, первый и второй трехфазные вольтодобавочные трансформаторы 3 и 4, батарею косинусных конденсаторов 5, первый трехфазный инвертор напряжения 6 с системой управления 7, выполненной по 180o-ному алгоритму с широтно-импульсным регулированием поперечной составляющей добавочного напряжения, второй трехфазный инвертор напряжения 8 с системой управления 9, выполненной по 180-градусному алгоритму с широтно-импульсным регулированием продольной составляющей добавочного напряжения, блока синхронизации 10, трехфазный рекуперативный выпрямитель 11 с управляемым вентильным блоком 12, входным трехфазным автоматом 13 и выходным индуктивно-емкостным фильтром 14, датчик реактивной мощности сети 15, датчик отклонения напряжения нагрузки 16, переключатель 17 и таймер 18. В качестве вентильного блока 12 в трехфазном рекуперативном выпрямителе 11 может быть применен двухкомплектный тиристорный выпрямитель с естественной коммутацией и раздельным согласованным управлением, при котором в выпрямительном режиме работает прямой тиристорный мост с заданным и не регулируемым углом управления![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/945.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/960.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/945.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-2t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-3t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-4t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-5t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-6t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-7t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-8t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-9t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-10t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-11t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-12t.gif)
Составляющие добавочного напряжения
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-13t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-14t.gif)
где KТ1, KТ2 - коэффициенты трансформации первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов 3 и 4;
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/948.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/948.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/945.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/945.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-15t.gif)
или с учетом отклонений напряжения в сети
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-16t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-17t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-18t.gif)
Здесь
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-19t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-20t.gif)
Угол между током нагрузки и напряжением сети регулируется фазой выходного напряжения в зависимости от фазы тока нагрузки, а также от угла управления и способа коммутации тиристоров трехфазного рекуперативного выпрямителя 11. Из выражения (3) и из векторных диаграмм a,b (фиг. 2) видно, что амплитуду и фазу вектора напряжения
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-21t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/948.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/948.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/948.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/948.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/945.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158001/945.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-22t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-23t.gif)
![трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, патент № 2158953](/images/patents/313/2158953/2158953-24t.gif)
Класс G05F1/30 только с полупроводниковыми приборами
Класс H02J3/18 устройства для регулирования, устранения или компенсации реактивной мощности в сетях