Конденсаторная установка
CONDENSER UNIT

Изобретение относится к электротехнике и направлено на снижение коммутационных помех, повышение надежности электрооборудования и увеличение срока службы конденсаторных батарей.
Известна автоматическая конденсаторная установка - А.С. №1576983, Э.А. Сеппинг, И.В. Давыдов, Ю.А. Кала, А.П. Рейнер и Я.Я. Ярвик; Таллинский политехнический институт. - 2756468/24-07, 23.04.79, 07.03.81. Бюл. №9, содержащая многосекционную трехфазную конденсаторную батарею большой емкости, каждая секция которой, через два контактных коммутационных блока и бесконтактный тиристорный блок коммутации, подключается к сети без ударных токов и перенапряжений.
Недостатком такого устройства является высокая стоимость, за счет использования большого количества контактных коммутационных блоков и невозможность использования менее мощных тиристорных ключей, выбранных с учетом их перегрузочной способности.
Известно также устройство для подключения конденсаторной батареи в электрических сетях - А.С. SU №1576983 А1, Л.Ф. Алиева, В.Н. Крысанов, Я.С. Рубин и В.Е. Быков; Азербайджанский научно-исследовательский институт энергетики им. И.Г. Есьмана. - 4498481/24-07, 27.09.88, 07.07.90. Бюл. №25, содержащее трехфазную конденсаторную батарею, один контактный коммутационный блок и один бесконтактный, тиристорно-диодный блок коммутации и систему управления, позволяющую подключать батарею к сети без ударных токов и перенапряжений, снизить установленную мощность и повысить ресурс работы вентильных ключей.
Недостатком такого устройства является возможность коммутации только односекционной конденсаторной батареи, что приводит к возможности возникновения режимов «недокомпенсации» или «перекомпенсации» реактивной мощности на объекте электроснабжения и дополнительным потерям электроэнергии.
Наиболее близким к изобретению является конденсаторная установка - А.С. SU №1112485 А, Н.И. Джус, В.В. Красник и Г.В. Красник; Всесоюзный институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов легкой промышленности. - 3550412/24-07, 10.02.83, 07.09.84. Бюл. №33, содержащая две трехфазные конденсаторные батареи, каждая из которых соединена треугольником, три стороны которого состоят из двух последовательно соединенных одинаковых конденсаторов, при этом вершины треугольников подключены к сети через два трехфазных секционных выключателя, а точки соединения конденсаторов сторон одного треугольника связаны с вершинами другого через соответствующие секционные выключатели. Она позволяет более точно, девятью ступенями, изменять реактивную мощность, генерируемую в сеть, обеспечивать большую стабильность напряжения и эффективно снижать потери энергии в электросети.
Недостатком такого устройства является отсутствие возможности подключения секций конденсаторной батареи выключателями в строго определенные моменты времени, когда напряжение на них равно нулю. Это приводит к возникновению ударных токов, перенапряжений при коммутации конденсаторов и, как следствие, коммутационных помех и снижению срока службы самих конденсаторных батарей и выключателей.
Устройство также содержит: две секции из двенадцати конденсаторов 1-12, четыре секционных выключателя 13-16, два нуль-органа 23, 24, входы которых подключены параллельно вентильным ключам, два логических элемента И 25,26, первые входы которых соединены с выходами соответствующих нуль-органов, а выходы - с управляющими входами вентильных ключей 21, 22, логический элемент ИЛИ 28, формирователь импульсов (по переднему фронту входного сигнала) 31, формирователь импульсов (по заднему фронту входного сигнала) 32, формирователь длительности импульсов 29, а включение дополнительного выключателя 17 осуществляется через усилитель 27 и элемент задержки 30, второй элемент задержки 35, выход которого соединен с входами формирователей импульсов, а вход соединен с выходом логического элемента И 34, вход которого соединен с выходами аналого-цифрового преобразователя 33, сигналы с которых осуществляют включение секционных выключателей 13-16.
Техническая сущность изобретения поясняется на фиг. 1.
Устройство работает следующим образом.
На вход аналого-цифрового преобразователя 33 системы управления подается напряжение управления Uy в виде аналогово сигнала, пропорционального потребности в реактивной мощности. На четырех выходах блока 33 аналого-цифрового преобразования формируются дискретные сигналы на включение четырех секционных выключателей 13-16 в девяти возможных сочетаниях состояния «включено/отключено» - замыкание определенных выключателей позволяет получить девять ступеней реактивной мощности рассматриваемой конденсаторной установки. Для исключения частых переключений секций конденсаторной батареи 1-12, блок 33 реализует уставкой зону нечувствительности при изменении входного сигнала управления Uy - это позволяет осуществлять переход с одной ступени регулирования выходной реактивной мощности на другую через нулевую ступень (все секции конденсаторной батареи 1-12 отключены, на всех выходах блока 33 отсутствуют сигналы) и со значительной задержкой времени (десятки минут). Таким образом, при наличии на входе напряжения управления Uy, секции конденсаторной батареи 1-12 всегда соединены в необходимую, для требуемого уровня реактивной мощности, схему и готовы для подключения к трехфазной сети 36. Само подключение конденсаторной батареи без ударных токов реализуется через дополнительный выключатель 17, шунтированный двумя силовыми вентильными ключами из встречно-параллельно соединенных управляемых 21, 22 и неуправляемых вентилей 19, 20.
При отсутствии напряжения управления Uy, выключатель 17 разомкнут, а тиристоры 21 и 22 заперты, и конденсаторная установка отключена от сети.
3
При подаче напряжения управления Uy, на выходе блока 33 появляются сигналы, которые через элемент И 34 и элемент задержки 35 (величина задержки обеспечивает предварительное включение секционных выключателей 13-16) подается на входы элементов 30, 31, 32. На выходе формирователя 30 формируется импульс, который, проходя через элемент ИЛИ 28, формируется с помощью формирователя 29 в сигнал длительностью t, поступающей на входы элементов И 25 и И 26. На вторые входы этих элементов в моменты нулевого напряжения на тиристорах 21 и 22 поступают импульсы от нуль-органов 23 и 24, что приводит к поочередному отпиранию тиристоров 21 и 22 и подключению конденсаторной батареи к сети 36 без бросков тока. Через время задержки t с момента подачи напряжения управления Uy, достаточное для отпирания обоих вентильных ключей, с выхода элемента задержки 30 через усилитель 27 на вход выключателя 17 поступает сигнал на включение. Включенный выключатель 17 шунтирует вентильные ключи. Через время t после подачи напряжения управления Uy, сигнал с выхода формирователя 29 исчезает и, соответственно, исчезают импульсы на открытие тиристоров 21 и 22, таким образом, конденсаторная батарея остается подключенной к сети 36 только через выключатель 17. Такое состояние сохраняется до момента поступления команды на отключение конденсаторной батареи или переход на другую ступень требуемой реактивной мощности, когда исчезает сигнал на выходе И 34 и элемента задержки 35.
3
При этом, на выходе формирователя 32 формируется импульс, поступающий через элемент ИЛИ 28 на вход 29, который снова формирует сигнал длительностью t, поступающий на входы элементов И 25 и И 26 (к этому времени на вторых входах этих элементов есть уже сигнал от нуль-органов 23 и 24) и подготавливает тиристоры 21 и 22 к отпиранию. Снятие сигнала включения с выключателя 17 и его отключение происходит благодаря элементу задержки 30 через время t, после исчезновения напряжения с выхода элемента 35.
Но конденсаторная батарея остается подключенной к сети вентильными ключами до момента их запирания, при нулевом значении фазных токов и когда исчезают импульсы с выхода элементов 25 и 26, в соответствии с исчезновением напряжения на выходе формирователя длительности импульсов 29. В таком состоянии устройство остается до момента поступления команды на включение конденсаторной батареи или перехода на другую ступень требуемой реактивной мощности, после чего осуществляется процесс подключения аналогично описанному выше.
Введение в конденсаторную установку дополнительного выключателя 17, шунтированного двумя силовыми вентильными ключами из встречно-параллельно соединенных управляемых 8, 9 и неуправляемых вентилей 6, 7, которые, благодаря системе управления, осуществляют подключение установки к трехфазной сети 36 только в моменты нулевых значений фазовых напряжений, ПОЗВОЛЯЕТ снизить уровень коммутационных помех, повысить надежность электрооборудования и увеличить срок службы конденсаторных батарей за счет исключения бросков тока и перенапряжений при коммутации батареи конденсаторов с сетью.
Использование менее мощных выключателей, рассчитанных только на рабочие, а не коммутационные токи, а также за счет использования менее мощных вентильных ключей, выбранных с учетом их перегрузочной способности, ПОЗВОЛЯЕТ снизить стоимость и массогабаритные показатели электрооборудования конденсаторной установки.
Алгоритм, реализуемый системой управления конденсаторной установки, может быть использован для иных вариантов количества секций и структуры соединения конденсаторов, предназначенных для многоступенчатого регулирования реактивной мощности в сетях электроснабжения. Экономическая эффективность предложенного технического решения возрастает при увеличении количества ступеней регулирования реактивной мощности, т.к. используемый алгоритм для качественной коммутации любого количества секций конденсаторной батареи предполагает использование только одного вводного выключателя, шунтированного двумя силовыми вентильными ключами из встречно-параллельно соединенных управляемых и неуправляемых вентилей.
ПРИМЕР
Предложенные схемотехнические решения эффективного способа коммутации конденсаторных батарей, были реализованы на базе электромагнитных контакторов, полупроводниковых приборов и микроконтроллерной системы управления.
Топологически устройство разделено на несколько функциональных частей: управляющая часть, которая содержит микроконтроллер А1 и его обвязку, два выключателя, разъем для подключения интерфейсного кабеля; коммутационная часть, содержащая три блока силовой коммутации, которые состоят из силовых симисторов BTA24-600BW фирмы ST Microelectronics и реле SCHRACK RT314005 фирмы Tyco Electronics, а также драйверов симисторных ключей; часть сопряжения, состоящая из двух силовых клеммных колодок, одна из которых подключается к сети, а ко второй подключается БСК ХС1-ХС; часть индикации, которая состоит из светодиодов, для контроля включения питания, подключения и отключения БСК. Такое решение дает повышенную помехозащищенность и предотвращением наводок «силовой» части на «информационную»
Система управления разработана на базе модуля Iskra Mini (микроконтроллер ATmega328 (рабочая частота 16 МГц, имеет необходимое быстродействие, обеспечивая управление по заданным алгоритмам, симисторов, коммутацию реле и имеет аппаратные цифровые интерфейсы передачи данных: портов ввода-вывода общего назначения-20, портов с поддержкой ШИМ- 6, портов, подключенных к АЦП-8.
Данные характеристики позволяют успешно интегрировать разработанную систему управления конденсаторной установки в любую АСУ системы электроснабжения современных предприятий. Для управления силовыми симисторами используются микросхемы МОС3081М производства фирмы Fairchild Semiconductor. По логическому входному сигналу, микросхема на выходе формирует импульс на открытие симистора. Встроенный детектор перехода через ноль обеспечивает выработку выходного импульса в момент перехода напряжения на управляемом ключе через нулевое значение.
Установка рассчитана на работу с сетью переменного тока с номинальным напряжением 0,4 кВ. Параметры симисторов выбраны с запасом и составляют: рабочее напряжение - 600 В, максимальное среднее значение тока в открытом состоянии - 24 А, а значение кратковременного импульсного тока - 250 А. При пропускании синусоидального тока в течение десяти циклов по 25 мс каждый, максимальное значение тока снижается до 130 А. Таким образом, предложенный алгоритм управления позволяет реализовать мощность данного варианта конденсаторной установки в 50 кВАр. Используемые симисторы не нуждается в снабберной цепочке, что упрощает конструкцию. Система управления обеспечивает три режима: ручной (дискретное подключение конденсаторов); автоматизированный (использование внешнего управляющего логического сигнала с уровнями 0 В и 5 В); автоматический (использование универсального асинхронного приемопередатчика интерфейса UART от SCADA-системы. С помощью силовых соединителей установка подключается к питающей сети и к любому типу нагрузки (можно варьировать тип подключаемой нагрузки по мощности, фазности и типу: асинхронные двигатели, осветительная нагрузка, статические регуляторы напряжения, фильтры и т.д.).
Предложенная конденсаторная установка прошла апробацию в составе комплекса физических моделей лабораторного курса «Общая энергетика» на кафедре «Электропривод, автоматизация и управление в технических системах» ВГТУ. Полностью подтверждена работоспособность и реализации заявленных функционалов: исключаются броски тока при включении многосекционной батареи конденсаторов в сеть, снижается уровень коммутационных помех и перенапряжений при отключении батареи конденсаторов от сети; очевидно снижение стоимости силовой части конденсаторной установки за счет возможности использования менее мощных контакторов, рассчитанных только на рабочие, а не коммутационные токи, а также за счет использования менее мощных полупроводниковых ключей, выбранных с учетом их перегрузочной способности.