способ повышения эффективности использования электроэнергии (вариант 2)

Формула изобретения

Способ повышения эффективности использования электроэнергии, при котором из потока мощности, отбираемого неактивной нагрузкой, извлекают обуславливающую ее непроизводительные потери, и после преобразования накапливают в виде энергии постоянного тока, отличающийся тем, что для утилизации посредством накопления в виде энергии постоянного тока используют индуктивную составляющую энергии, которую извлекают из энергосистемы посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, управляемого модулирующим сигналом, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей упомянутого модулирующего сигнала, который предварительно формируют как результат сравнения знаков двух составляющих: аналоговой, пропорциональной току, отбираемому активно-индуктивной нагрузкой, и составляющей, которую в случае равенства знаков сравниваемых: напряжения, питающего нагрузку, и напряжения, пропорционального упомянутой аналоговой составляющей, - формируют в виде логического сигнала, при этом в случае, если знаки составляющих противоположны, модулирующий сигнал формируют и посредством его осуществляют извлечение индуктивной составляющей тока, в каждый полупериод питающего нагрузку напряжения.

Описание изобретения к патенту

Способ относится к электротехнике и может быть использован для повышения эффективности использования электроэнергии посредством снижения в потоке мощности энергосистемы непроизводительных потерь.

Известен способ компенсации реактивной «мощности» (1), принятый в качестве аналога, при осуществлении которого индуктивная составляющая тока, генерируемая нелинейной нагрузкой, компенсируется емкостным током батарей конденсаторов (БК). Известный способ - аналог обладает недостатками, главными из которых являются зависимость реактивной мощности, генерируемой БК от напряжения и их чувствительность к искажениям формы питающего напряжения. При этом имеет место малый срок службы БК и их недостаточная электрическая прочность.

Известен способ (2), повышения качества электроэнергии принятый в качестве прототипа, при осуществлении которого из потока мощности, отбираемого неактивной нагрузкой, извлекают часть энергии, обуславливающую ее непроизводительные потери, и после преобразования используют для «заряда аккумуляторных батарей, от которых питаются электроустановки постоянного тока, а также инверторы, от которых питаются электроустановки переменного тока и (или) с помощью которых электрическая энергия возвращается обратно в электрическую сеть, а также утилизируют в электроустановках, для которых качество электрической энергии не является значимым (различные электронагреватели)». В известном способе не предусмотрена компенсация реактивной «мощности», и, таким образом, имеют место непроизводительные потери энергии, обусловленные реактивными токами.

Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности использования электроэнергии.

Это достигается тем, что согласно предложенному способу, из потока мощности, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой, извлекают его индуктивную составляющую, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяются по закону изменения огибающей индуктивной составляющей тока, и утилизируют посредством ее накопления в виде энергии постоянного тока.

На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявленного способа. При этом введены следующие обозначения.

1 - энергосистема,

2 - датчик тока нагрузки,

3 - полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель,

4 - накопитель энергии,

5 - датчик питающего напряжения,

6 - нелинейная нагрузка,

7 - блок формирования логического сигнала,

8 - блок формирования модулирующего сигнала.

Суть способа заключается в следующем. Как известно, в энергосети, при питании от нее активно-индуктивных нагрузок, в течение четверти периода знак мгновенной мощности изменяется на противоположный. Это связано с тем, что часть энергии, запасенная в магнитном поле реактивной нагрузки, возвращается назад в источник в виде реактивного тока. В этом случае протекание реактивного тока обеспечивается ЭДС самоиндукции. При этом знаки питающего напряжения и ЭДС самоиндукции, как известно, противоположны. Отрицательный эффект, связанный с реактивными токами, заключается в дополнительных непроизводительных потерях энергии в энергосистеме. В заявленном способе задача повышения эффективности использования электроэнергии решается путем снижения ее непроизводительных потерь. При этом предлагается извлекать из потока энергии, используемого активно-индуктивной нагрузкой, индуктивную составляющую и утилизировать посредством ее накопления в виде энергии постоянного тока.

Задача извлечения индуктивной составляющей решается посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, построенного на IGBT модулях. Протекание индуктивной составляющей тока через каждое из плеч полностью управляемого транзисторного выпрямителя, обеспечивается, в каждом полупериоде питающего напряжения - ЭДС самоиндукции. При этом транзисторы каждого из плеч управляемого моста открываются на время, в течение которого в энергосистеме протекает индуктивная составляющая тока, и как уже было сказано, ее протекание обеспечивается действием ЭДС самоиндукции. Управление транзисторами осуществляют посредством модулирующего сигнала с заданными характеристиками. Использование IGBT-транзисторов, при выпрямлении тока, позволяет использовать их управляющие свойства относительно токов. При этом осуществляется избирательное выпрямление только той составляющей тока, которая задается сигналом управления. На выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, энергия которых, за период их повторения, эквивалентна энергии, извлекаемой из энергосистемы индуктивной составляющей тока, а длительность изменяется по закону изменения ее огибающей. Извлеченную таким образом энергию накапливают в виде энергии постоянного тока. При этом контур, в котором замыкается реактивная составляющая энергии, генерируемая нагрузкой, ограничивается точкой подсоединения устройства, обеспечивающего ее извлечение, и энергосистема, таким образом, разгружается от индуктивной составляющей тока.

Способ осуществляется следующим образом. Активно-индуктивная нагрузка 6, отбирает из энергосистемы вместе с активной индуктивную составляющую энергии. При этом последняя загружает энергосистему реактивным током. Посредством датчика тока 2 и датчика питающего напряжения 6 формируют пропорциональные им сигналы. При этом на выходе датчика тока 2 сигнал, пропорциональный индуктивному току, генерируемому нагрузкой 6, отстает от напряжения на некоторый угол, определяющий коэффициент мощности в энергосистеме. В блоке формирования логического сигнала 7 сравниваются знаки сигналов,поступающих на его входы с выходов датчика тока 2 и датчика питающего напряжения 5, и на его выходе формируется цифровая последовательность нулей и единиц, причем при совпадении знаков сигналов, пропорциональных току и напряжению, на выходе блока 7 формируется логическая единица, а в остальных случаях - логический нуль. Таким образом, логическая единица, соответствует той части периода, в течение которого нагрузка 6 отбирает из энергосистемы активную мощность. Далее сигнал с выхода блока 7 поступает на один из входов блока формирования модулирующего сигнала 8, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой 6. Таким образом, в те моменты, в течение которых логический нуль, поступающий с выхода блока 7, совпадает на входе блока 8 с положительной полуволной отбираемого нагрузкой 6 тока, на выходе блока 8 формируются модулирующие импульсы напряжения, пропорциональные индуктивной составляющей тока, отбираемого нагрузкой 6, и синфазные по отношению к ней. В течение времени действия импульсов напряжения, сформированных блоком 8 на управляющих входах полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, питание последнего осуществляется за счет ЭДС самоиндукции. Таким образом, посредством управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, осуществляется извлечение индуктивной составляющей тока, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой 6 в форме, способствующей ее накоплению. При этом на его выходе формируется последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, энергия которых за период их повторения эквивалентна извлекаемой из энергосистемы индуктивной составляющей тока, а их длительность изменяется по закону изменения огибающей упомянутой индуктивной составляющей, которая посредством накопителя энергии 4 накапливается в виде энергии постоянного тока.

О реализации заявленного способа необходимо отметить следующее. Использование в заявленном способе полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, работающего в ключевом режиме на частотах, превышающих частоту модулируемого управляющего сигнала, является оптимальным. При этом полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель позволяет произвольно, в зависимости от поставленной задачи, формировать огибающую выпрямленного тока, потребляемого из питающей сети. Помехи от работы полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя могут быть отфильтрованы посредством стандартных решений при минимальных энерго- и материальных затратах.

Необходимо отметить также следующий факт. Одним из преимуществ извлечения тока заданной частоты посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя является простота его перестройки при изменении текущего коэффициента мощности в энергосистеме. Для этого достаточно изменить модулирующий сигнал управления.

Таким образом, в результате последовательности действий, воспроизведенных в соответствии с заявленным способом повышения эффективности использования электроэнергии, из энергосистемы извлекается и утилизируется индуктивная составляющая тока, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Рекус Г.Г. Электрооборудование производств: Справ. пособие [Текст] / Рекус Г.Г. М.: Высш. шк., 2007, с.334.

2. Патент РФ № 2320067, опубл. 2007.01.20.