устройство для равномерного распределения реактивной мощности

Формула изобретения

1. Устройство для равномерного распределения реактивной мощности между включенными на параллельную работу источниками напряжения, снабженными регуляторами напряжения этих источников напряжения с одинаковым количеством входных зажимов у каждого регулятора напряжения, содержащее столько групп катушек дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей, по одному на каждый источник напряжения, сколько имеется входных зажимов у каждого регулятора напряжения, причем каждая из катушек любой группы катушек индуктивно связана с одним из тех токопроводов тока нагрузки упомянутых источников напряжения, которые подключены к входным зажимам регуляторов напряжения этих источников напряжения, отличающееся тем, что те токопроводы тока нагрузки источников напряжения, которые индуктивно связаны с катушками одной группы, подключены между одноименными зажимами этих источников напряжения и одной из общих шин, к которым подключена нагрузка, в устройство введены, по одному на группу упомянутых катушек, трансформаторы параллельной работы, каждый из которых соединен с катушками только одной группы и имеет одинаковое число витков у всех обмоток, причем первичные обмотки этих трансформаторов подключены к катушкам, относящимся к первому, ведущему, источнику напряжения, входные зажимы регулятора напряжения которого подключены к выходным зажимам этого источника напряжения, а каждая из вторичных обмоток любого трансформатора включена между входным зажимом регулятора напряжения другого, ведомого, источника напряжения и концом катушки, которая индуктивно связана с токопроводом этого источника напряжения, а начало этой катушки подключено к тому выходному зажиму этого источника напряжения, к которому подключен указанный токопровод.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для источников напряжения с разными номинальными токами применяют катушки, взаимные индуктивности которых с токопроводами тока нагрузки имеют напряжения, обратно пропорциональные номинальным токам источников напряжения.

Описание изобретения к патенту

Устройство для равномерного распределения реактивной мощности относится к области электротехники и может быть использовано для равномерного распределения реактивной мощности между включенными на параллельную работу источниками напряжения, например синхронными генераторами, снабженными регуляторами напряжения этих источников, путем регулирования ЭДС всех одновременно работающих источников напряжения, кроме одного, ведущего, в функции отклонения их реактивных токов от реактивного тока ведущего источника напряжения.

Известно устройство для равномерного распределения реактивной мощности между включенными на параллельную работу источниками напряжения, содержащее, у каждого источника напряжения, включенный в одну из фаз источника напряжения трансформатор тока, вторичная обмотка которого подключена к средней точке первичной обмотки трансформатора параллельной работы и средней точке двух последовательно соединенных первого и второго резисторов, которые имеют одинаковые сопротивления и являются нагрузкой этой обмотки. Вторичная обмотка трансформатора параллельной работы подключена последовательно с входными зажимами регулятора напряжения источника напряжения на две другие фазы этого источника напряжения. Благодаря указанной особенности первичной обмотки трансформатора параллельной работы, ток трансформатора тока делится на две равные части, которые проходят по первому и второму резисторам. Если источник напряжения работает автономно, то напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора параллельной работы практически равны нулю, так как падение напряжения на первом и втором резисторах равны между собой по абсолютной величине и противоположны по направлению. В результате внешняя характеристика источника напряжения астатическая, напряжение этого источника напряжения не зависит от тока его нагрузки. При параллельной работе источников напряжения все вторые резисторы включаются параллельно. На первых резисторах каждого источника напряжения падает напряжение, пропорциональное току нагрузки этого источника напряжения, а на всех вторых резисторах напряжение одинаково и пропорционально среднему току всех источников напряжения. Если реактивный ток какого-либо источника напряжения больше среднего реактивного тока всех источников напряжения, то увеличенное напряжение, подводимое ко входу регулятора напряжения этого источника напряжения, приводит к уменьшению ЭДС этого источника напряжения и тем самым к снижению его реактивного тока. Если же реактивный ток какого-либо источника напряжения меньше среднего реактивного тока всех источников напряжения, то сниженное напряжение, подводимое ко входу регулятора напряжения этого источника напряжения, приводит к увеличению ЭДС этого источника напряжения и тем самым к увеличению его реактивного тока. В результате напряжение на общих шинах источников напряжения остается неизменным при изменении общей реактивной нагрузки, а реактивные мощности всех источников напряжения практически равны, если равны коэффициенты трансформации трансформаторов тока всех этих источников напряжения. При разной мощности источников напряжения применяют трансформаторы с различными коэффициентами трансформации тока этих источников так, чтобы при одинаковых относительных значениях токов нагрузки источников напряжения падение напряжения на первых резисторах было одинаковым. При этом выравниваются относительные значения реактивной мощности источников напряжения, включенных на параллельную работу [1, стр.105-107].

Этому устройству присущ недостаток, который обусловлен использованием трансформатора тока и заключается в большой массе и размерах этого трансформатора тока и резисторов, подключенных к первичной обмотке трансформаторов параллельной работы.

От указанного недостатка свободно устройство для равномерного распределения реактивной мощности между включенными на параллельную работу источниками напряжения, снабженными регуляторами напряжения этих источников напряжения, известное как устройство токовой стабилизации, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству и выбранное в качестве прототипа. Оно состоит из стольких групп катушек дифференцирующих измерительных преобразователей тока, по одному на каждый источник напряжения, сколько имеется входных зажимов у каждого регулятора. Причем каждая из катушек любой группы катушек индуктивно связана с одним из группы тех токопроводов тока нагрузки, которые подключены к регуляторам напряжения этих источников напряжения. Эти катушки соединены соответственно с выходными зажимами источников напряжения и входными зажимами регуляторов напряжения этих источников напряжения. В устройстве напряжение источника напряжения, подводимое к регулятору напряжения, складывается из фазного напряжения источника и напряжения на катушках. Так как последние напряжения много меньше напряжения источника напряжения, то имеют значение только те составляющие напряжения на катушках, которые пропорциональны реактивному току источника напряжения. Регулятор напряжения поддерживает напряжение на своих входных зажимах постоянным, воздействуя для этого на источник напряжения. При этом напряжение источника напряжения зависит от реактивной составляющей тока нагрузки [2]. В этом устройстве, по сравнению с аналогом, уменьшаются размеры и габариты за счет использования вместо трансформаторов тока и установочных реостатов дифференцирующих измерительных преобразователей тока.

Недостаток прототипа заключается в изменении напряжения нагрузки под действием ее реактивного тока, вследствие чего ухудшается качество вырабатываемой электрической энергии.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение качества получаемой электрической энергии путем регулирования напряжения источников напряжения по астатической характеристике.

В предлагаемом устройстве напряжение источников напряжения не зависит от изменения коэффициента мощности нагрузки.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в возможности выравнивания реактивной мощности включенных на параллельную работу источников напряжения, а также поддержания такого напряжения на общих шинах, к которым подключена нагрузка, которое практически не зависит от тока нагрузки.

Для решения поставленной задачи устройство для равномерного распределения реактивной мощности между включенными на параллельную работу источниками напряжения, снабженными регуляторами напряжения этих источников напряжения, с одинаковым количеством входных зажимов у каждого регулятора напряжения, содержащее столько групп катушек дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей, по одному на каждый источник напряжения, сколько имеется входных зажимов у каждого регулятора, причем каждая из катушек любой группы катушек индуктивно связана с одним из тех токопроводов тока нагрузки упомянутых источников напряжения, которые подключены к входным зажимам регуляторов напряжения этих источников напряжения, отличается тем, что те токопроводы тока нагрузки источников напряжения, которые индуктивно связаны с катушками одной группы, подключены между одноименными зажимами этих источников напряжения и одной из общих шин, к которым подключена нагрузка, в устройство введены, по одному на группу упомянутых катушек, трансформаторы параллельной работы, каждый из которых соединен с катушками только одной группы и имеет одинаковое число витков у всех обмоток, причем первичные обмотки этих трансформаторов подключены к катушкам, относящимся к первому, ведущему, источнику напряжения, входные зажимы регулятора напряжения которого подключены к выходным зажимам этого источника напряжения, а каждая из вторичных обмоток любого трансформатора включена между входным зажимом регулятора напряжения другого, ведомого, источника напряжения и концом катушки, которая индуктивно связана с токопроводом этого источника напряжения, а начало этой катушки подключено к тому выходному зажиму этого источника напряжения, к которому подключен указанный токопровод.

Кроме того, устройство отличается тем, что для источников напряжения с разными номинальными токами применяют катушки, взаимные индуктивности которых с токопроводами тока нагрузки имеют напряжения, обратно пропорциональные номинальным токам источников напряжения.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:

Признак "...те токопроводы тока нагрузки источников напряжения, которые индуктивно связаны с катушками одной группы, подключены между одноименными зажимами этих источников напряжения и одной из общих шин, к которым подключена нагрузка,..." - позволяет подводить к каждому входу регуляторов напряжения ведомых источников напряжения такое напряжение, которое зависит от токов одноименных фаз ведомого и ведущего источников напряжения.

Признак "...в устройство введены, по одному на группу упомянутых катушек, трансформаторы параллельной работы, каждый из которых соединен с катушками только одной группы и имеет одинаковое число витков у всех обмоток..." - позволяет получать сигналы, пропорциональные разности относительных значений токов нагрузки одноименных фаз ведомых и ведущего источников напряжения.

Признак "...первичные обмотки этих трансформаторов подключены к катушкам, относящимся к первому, ведущему, источнику напряжения, входные зажимы регулятора напряжения которого подключены к выходным зажимам этого источника напряжения..." - позволяет поддерживать на общих шинах, к которым подключена нагрузка, такое напряжение, которое практически не зависит от тока нагрузки.

Признак "...каждая из вторичных обмоток любого трансформатора включена между входным зажимом регулятора напряжения другого, ведомого, источника напряжения и концом катушки, которая индуктивно связана с токопроводом этого источника напряжения..." - позволяет выравнивать реактивные мощности включенных на параллельную работу источников напряжения.

Признак "...для источников напряжения с разными номинальными токами применяют катушки, взаимные индуктивности которых с токопроводами тока нагрузки имеют напряжения, обратно пропорциональные номинальным токам источников напряжения..." - позволяет выравнивать относительные значения реактивных токов (в долях от номинального тока) включенных на параллельную работу источников напряжения.

Предлагаемое решение поясняется чертежом, где представлена функциональная схема устройства для равномерного распределения реактивной мощности в трехфазном исполнении.

Устройство для равномерного распределения реактивной мощности состоит из трансформаторов 1 параллельной работы и группы катушек дифференцирующих измерительных преобразователей тока (ДИПТ). В каждой группе одна из катушек 2 индуктивно связана с токопроводом 3 тока нагрузки ведущего источника 4 напряжения. Другие катушки 5 этой группы индуктивно связаны с токопроводами 6 тока нагрузки ведомых источников 7 напряжения. Каждая из катушек любой группы катушек индуктивно связана с одним из группы тех токопроводов тока нагрузки, которые подключены между одноименными выходными зажимами 8 и 9 ведущего 4 и ведомых 7 источников напряжения соответственно и одной из общих шин 10, к которым подключена нагрузка 11. Ведущий источник 4 напряжения снабжен регулятором 12 напряжения с входными зажимами 13, а ведомые источники 7 напряжения снабжены регуляторами 14 напряжения с входными зажимами 15. Количество входных зажимов 13 регулятора 12 напряжения ведущего источника 4 напряжения и входных зажимов 5 регуляторов 14 напряжения каждого из ведомых источников 7 напряжения одинаково и равно количеству групп, содержащих катушки 2 и 5 ДИПТ, и количеству трансформаторов 1 параллельной работы. Каждый трансформатор 1 параллельной работы имеет первичную 16 и вторичные 17 обмотки. У всех обмоток число витков одинаково. Первичная обмотка 16 подключена к катушке 2 ведущего источника 4 напряжения. Входные зажимы 13 регулятора 12 напряжения ведущего источника 4 напряжения подключены к выходным зажимам 8 этого источника напряжения. Начала 18 вторичных обмоток 17 трансформаторов 1 параллельной работы подключены к концам 19 катушек 5 ДИПТ ведомых источников 7 напряжения, а начала 20 катушек 5 соединены с выходными зажимами 9 ведомых источников 7 напряжения. Концы 21 выходных обмоток 17 трансформаторов 1 параллельной работы подключены к входным зажимам 15 регуляторов 14 напряжения ведомых источников 7 напряжения.

Устройство для равномерного распределения реактивной мощности работает следующим образом. Напряжение ведущего источника 4 напряжения поддерживается его регулятором 12 напряжения номинальным и равным напряжению холостого хода U₁₀ . Напряжения холостого хода ведомых источников 7 напряжения должны быть равными U₂₀ и равны U₁₀. Напряжение ведущего 4 и ведомых 7 источников напряжения отличается от напряжения на общих шинах 10 (напряжения нагрузки) на небольшие падения напряжения на участках токопроводов от выходных зажимов 8 и 9 до общих шин 10. Фазное входное напряжение регулятора 14 напряжения ведомого источника 7 напряжения при синусоидальной форме напряжений и токов источников напряжения ведущего 4 и ведомых 7 источников напряжения определяется выражением

где U₂ - фазное напряжение ведомого источника 7 напряжения;

- круговая частота;

I₁ - ток этой же фазы ведущего источника 4 напряжения;

I₂ - ток этой же фазы ведомого источника 7 напряжения;

М - взаимная индуктивность между токопроводами 3 тока нагрузки и катушками 2 ДИПТ.

Заменим произведение ·М на сопротивление Х взаимной индукции катушек 2 ДИПТ, тогда уравнение (1) примет вид

Так как напряжение много меньше напряжения U₂ ведомого источника 7 напряжения, то справедливо следующее выражение:

где I_1p=I₁·sin ₁ и I_2p=I₂·sin ₂ - реактивные токи ведущего 4 и ведомого 7 источников напряжения соответственно;

₁ и ₂ - углы между напряжением U₁ и токами I₁ и I₂ нагрузки ведущего 4 и ведомого 7 источников напряжения соответственно.

Регулятор 14 напряжения ведомого источника 7 напряжения поддерживает напряжение U _2вх постоянным и равным напряжению U₂₀=U ₁₀ этого источника при его работе в автономном режиме на холостом ходу. Следовательно, напряжение ведомого источника 7 напряжения зависит от разности реактивных токов нагрузки I _1р и I_2p:

Если реактивный ток I_2р ведомого источника 7 напряжения меньше реактивного тока I_1р ведущего источника 4 напряжения, то напряжение U₂ увеличится, реактивный ток этого источника напряжения возрастет. И, наоборот, если реактивный ток I_2р ведомого источника 7 напряжения больше реактивного тока I_1р ведущего источника 4 напряжения, то напряжение U₂ уменьшится, реактивный ток этого источника напряжения уменьшится.

Таким образом, если у регуляторов напряжения всех источников напряжения установлено одинаковое напряжение U₀ и одинаковы сопротивления токопроводов от выходных зажимов 8 и 9 источников напряжения до общих шин 10, то реактивные токи всех ведомых источников 7 напряжения становятся равными реактивному току ведущего источника 4 напряжения.

При малых сопротивлениях токопроводов от выходных зажимов 8 и 9 источников напряжения до общих шин 10 падениями напряжения в этих токопроводах можно пренебречь, тогда напряжение U₂ у всех ведомых источников 7 напряжения и напряжение холостого хода U₁₀ ведущего источника 4 напряжения одинаковы, то есть

При равенстве U₂₀=U₁₀ получается, что I_1p=I_2p.

Источники информации

1. Константинов В.Н. Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок. - Л.: Судостроение, 1988, с.105-107.

2. Патент РФ № 2239224, МКИ 7 G 05 F 1/20. Устройство токовой стабилизации источника напряжения.