СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ОТ N-ФАЗНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ (ВАРИАНТ 1)
METHOD OF LOAD SUPPLY FROM N-PHASE POWER SUPPLY SYSTEM (VERSION 1)

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для повышения эффективности использования электроэнергии в энергосистемах, с преобладающими активными нагрузками.
Известен способ (1) питания нагрузки постоянного тока от трехфазной системы энергоснабжения, принятый в качестве аналога, посредством неуправляемого трехфазного выпрямителя, при осуществлении которого, от каждой ее фазы, энергия отбирается практически в равных количествах.
Известен способ (2) питания нагрузки постоянного тока от трехфазной системы энергоснабжения, принятый в качестве прототипа, посредством управляемого трехфазного выпрямителя, при осуществлении которого, от каждой ее фазы, энергия извлекается в заданных, практически равных количествах. При этом в случае, если упомянутая система питания является несимметричной, известные способ-аналог и способ-прототип не позволяют повысить эффективность использования ее электроэнергии, посредством снижения непроизводительных потерь, вызванных не симметрией фазных токов.
Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности использования электроэнергии, посредством снижения непроизводительных потерь, вызванных не симметрией фазных токов.
Это достигается тем, что согласно предложенному способу мощность, необходимую для питания нагрузки постоянного тока, извлекают минимум из одной фазы, составляющей группу симметрируемых фаз, - таким образом, чтобы оставшийся в каждой из фаз упомянутой группы - ток, отбираемый несимметричной нагрузкой, имел бы величину модуля, равную, либо заранее заданной, либо равную величине модуля тока в опорной фазе. При этом опорную фазу предварительно определяют из n-питающих фаз несимметричной системы энергоснабжения по условию максимального значения модуля тока.
На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявленного способа. При этом введены следующие обозначения.
ЭС - питающая трехфазная система энергоснабжения
1, 2, 3 - датчики тока фаз, А, В и С - соответственно
4, 5, 6, 7, 8, 9 - фазокорректирующие цепи
10, 11, 12 - фазоинверторы
13, 14, 15, 16, 17, 18 - блоки определения опорной фазы (компараторы)
19, 20, 21 - логические элементы формирования сигнала опорной фазы
22, 23, 24, 25, 26, 27 - блоки формирования сигналов симметрируемых фаз
28, 29, 30 - блоки формирования управляющих сигналов фаз С, А и В - соответственно
31 - трехфазный полностью управляемый ШИМ-выпрямитель
32 - емкостный накопитель
33 - нагрузка постоянного тока
34 - несимметричная нагрузка системы энергоснабжения
35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43 - однополупериодные выпрямители
44, 45, 46, 47, 48, 49 - блоки восстановления фазы модулирующего сигнала соответствующей симметрируемой фазы
50 - блок задания внешних, пофазных регулирующих воздействий
Суть заявленного способа раскрывается на примере трехфазной системы. В процессе отбора мощности несимметричной нагрузкой, в фазах «А, В и С» энергосистемы, протекают различные по модулю токи. При этом предполагается, что относительно фазовых углов, упомянутая нагрузка или симметрична, или практически симметрична, т.е. разброс фазовых углов незначителен. В соответствии с заявленным способом определяется фаза, по которой к несимметричной нагрузке протекает ток с наибольшим модулем. В этом случае предполагается, что данная фаза наиболее перегружена током, и она определяется как «опорная» фаза. При этом посредством отбора в нагрузку постоянного тока - мощности от двух других недогруженных фаз, не являющихся опорной фазой, осуществляется выравнивание по величине модулей токов, протекающих по отдельным фазам энергосистемы. Таким образом, в энергосистеме осуществляется симметрирование относительно модулей фазных токов. При этом фазы, от которых осуществляется отбор мощности в нагрузку постоянного тока, определяются как симметрируемые фазы. Отбор мощности от симметрируемых фаз осуществляется посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяются по закону изменения величины извлекаемого симметрирующего тока. Управление транзисторами осуществляют посредством модулирующего сигнала с заданными характеристиками. Использование транзисторов при выпрямлении токов, позволяет использовать их управляющие свойства относительно последних. При этом посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, осуществляется избирательное выпрямление тока, в заданных количествах, определяемых сигналом управления. Далее, извлеченная энергия, после накопления в емкостном накопителе, используется для питания нагрузки постоянного тока. Необходимо отметить, что в случае, если не симметрия токов в энергосистеме значительна, а мощность нагрузки постоянного тока по сравнению с ней мала, то в соответствии с заявленным способом степень симметрирования может задаваться дополнительно, посредством воздействия на величину управляющего модулирующего сигнала. В этом случае посредством упомянутого воздействия на величины модулирующих сигналов, управляющих пофазным отбором симметрирующих токов, величины последних ограничиваются.
Способ осуществляется следующим образом. С выходов датчиков токов 1, 2, 3 сигналы, пропорциональные токам, отбираемым от фаз «А, В и С», - несимметричной нагрузкой 34, проинвертированные по фазе в блоках 10, 11 и 12, поступают, соответственно, на входы выпрямителей 35, 38 и 40, где преобразуются в последовательность однополярных импульсов тока. Далее следует отметить следующее. При формировании модулирующих сигналов управления отбором симметрирующих токов от симметрируемых фаз, не являющихся опорной фазой, в нагрузку постоянного тока, в соответствии с осуществлением заявленного способа, относительно трехфазной системы, условно, формируются три канала проверки фаз энергосистемы на соответствие их критерию «опорная фаза». При этом в каждом из каналов, проверяемый сигнал, изначально задаваемый как опорный, и пропорциональный протекающему в проверяемой фазе току, сравнивается сигналами соседних фаз. В целях арифметического сравнения модуля тока в предполагаемой опорной фазе с токами соседних фаз, последние приводятся к опорной фазе, путем коррекции на соответствующие углы таким образом, чтобы все сравниваемые токи были бы синфазны, т.е. чтобы сдвиг фаз между ними был бы равен нулю. При этом, если проверяется на соответствие критерию «опорная» - фаза «А», то из нее, арифметически вычитаются токи фаз «В и С». При этом последние корректируются по фазе, соответственно, на 240 и 120 эл. градусов, по направлению прямого чередования фаз. Если проверяется на соответствие критерию «опорная» - фаза «В», то из нее, арифметически вычитаются токи фаз «А и С». При этом последние корректируются на угол, соответственно, на 120 и 240 эл. градусов. Если проверяется на соответствие критерию «опорная» - фаза «С», то из нее, арифметически вычитаются токи фаз «А и В». При этом последние корректируются на угол, соответственно, на 240 и 120 эл. градусов. В случае, если модули токов смежных, с проверяемой предполагаемой опорной фазой, фаз меньше модуля тока последней, то проверяемая фаза, окончательно, определяется как опорная. Если хотя бы один из модулей токов смежных с проверяемой фазой больше модуля тока последней, то на соответствие критерию «опорная фаза» проверяется следующая фаза «В», и т.д. После того, как опорная фаза определена, в соответствии с заданным алгоритмом, описанным ниже, формируются разностные токи фаз: опорной и соответствующей симметрируемой, которые после соответствующей фазовой коррекции, и являются модулирующими сигналами управления соответствующей фазой ШИМ-выпрямителя, посредством которого осуществляется отбор симметрирующих токов в заданных количествах от симметрируемых фаз. О фазовой коррекции разностных сигналов следует отметить следующее. Сформированные описанным выше способом разностные сигналы управления отбором токов от симметрируемых фаз, синфазны по отношению к опорной фазе, и их необходимо скорректировать по фазе таким образом, чтобы сигнал управления, соответствующий определенной симметрируемой фазе был бы синфазен по отношению к ней. Поэтому, перед тем как подаваться на соответствующие управляющие входы ШИМ-выпрямителя, сформированные упомянутые разностные сигналы корректируются на соответствующие углы. Так например, сигналы фаз «В и С», сформированные как разностные по отношению к сигналу опорной фазы «А», сдвигаются соответственно на углы: 120 и 240 эл. градусов.
Таким образом, с выходов блоков 35, 38 и 40, сформированные последовательности импульсов, поступают, соответственно на первую группу входов блоков определения опорной фазы: 13 и 16, 14 и 17, 15 и 18, на вторую группу входов которых, поступают сигналы с выходов выпрямителей 36 и 37, 39 и 43, 41 и 42, на входы которых поступают сигналы, пропорциональные токам соответствующих фаз, и преобразованные описанным выше способом (скорректированные соответствующим образом по фазе). Сформированные таким образом сигналы используются, в том числе для определения фазы с током, имеющим наибольшую амплитуду (опорной фазы). Процесс определения опорной фазы, т.е. фазы с наибольшим модулем тока, осуществляется следующим образом. На входы блока 13 поступают последовательности однополярных импульсов тока с выходов выпрямителей 35 и 37, пропорциональные соответственно: проинвертированному току фазы «А», и, сдвинутому на 240 эл. градусов, току фазы «В». На входы блока 16 поступают последовательности однополярных импульсов тока с выходов выпрямителей 35 и 36, пропорциональные соответственно: проинвертированному току фазы «А», и, сдвинутому на 120 эл. градусов, току фазы «С». Таким образом, на выходе блоков 13 и 16, в качестве которых можно использовать компараторы, присутствуют последовательности однополярных импульсов, пропорциональных, соответственно, арифметической разности токов фаз «А и В» и «А и С». При этом в случае, если модуль тока в фазе «А» больше модулей токов в фазах «В и С», - фаза «А» определяется как опорная, а знаки импульсов в упомянутых последовательностях положительны и совпадают. В этом случае на выходе логического элемента 19, реализующего логическую функцию «И», формируется логическая единица, в противных случаях - формируется логический нуль. В последнем случае, автоматически, посредством блоков 14, 17, 20, или 15, 18, 21, осуществляется поочередная проверка на соответствие критерию «опорной» - фаз «В и С». В случае, если модуль тока в фазе «В» больше модулей токов в фазах «А и С», то опорной определяется фаза «В», и логическая единица формируется на выходе логического элемента формирования сигнала опорной фазы 20. В случае, если модуль тока в фазе «С» больше модулей токов в фазах «А и В», - опорной определяется фаза «С», и логическая единица формируется на выходе логического элемента формирования сигнала опорной фазы 21. Одновременно, в блоках формирования сигналов симметрируемых фаз 22 и 23 формируются сигналы, пропорциональные арифметической разности токов фаз «А и В» и «А и С», - соответственно. При этом в блоках 24 и 25, 26 и 27, формируются сигналы, пропорциональные арифметической разности токов, соответственно фаз «В, А и В, С», и «С, А и С, В». Каждый из блоков 22, 23, 24, 25, 26, 27 имеет вход блокировки, на который поступает сигнал блокировки работы упомянутых блоков, соответствующий сигналу логического нуля, в соответствии с логикой реализации предложенного способа, поступающего, соответственно, с выходов блоков 19, 20 и 21. При этом, если опорной выбрана фаза «А», только на выходе блока 19, формируется сигнал логической единицы, являющийся сигналом разрешения работы блоков 22 и 23, и, при этом на их выходах, присутствуют сигналы, пропорциональные арифметической разности токов фаз «А и В» и «А и С», - соответственно. На выходах блоков 20 и 21 присутствуют сигналы логического нуля, являющиеся сигналами блокировки, соответственно, пар блоков: 24, 25 и 26, 27, и при этом на всех выходах упомянутых пар блоков сигналы отсутствуют. В случае, если фаза «А» не определена, как опорная, на выходе блока 19, присутствует логический нуль, блокирующий работу блоков 22 и 23. Блоки 28, 29, 30 являются блоками формирования модулирующих сигналов управления соответствующими фазами трехфазного, полностью управляемого ШИМ-выпрямителя 31, и могут быть выполнены в виде аналоговых смесителей, с возможностью заданного управления величинами суммируемых сигналов. При этом только на одном из их входов блоков 28, 29, 30, всегда присутствует сигнал. Это можно объяснить следующим. Допустим, опорной является фаза «А». Тогда на одном из входов блока 28, присутствует сигнал, поступающий с выхода блока 23, пропорциональный арифметической разности сигналов фаз «А и С», на другом его входе сигнал, поступающий с выхода блока 25 - отсутствует, поскольку последний блокируется сигналом, сформированном описанным выше способом, в связи с тем, что фаза «В» не определяется как опорная. Если в качестве опорной определена фаза «В», на выходе блока 28, присутствует сигнал, пропорциональный арифметической разности токов в фазах «В и С». Если же опорной определена фаза «С», то на выходе блока 28, сигнал вообще отсутствует, поскольку входы блока 28, являющиеся выходами блоков 23 и 25, блокируются посредством блокировки блоков 23 и 25, сигналом логического нуля, описанным выше способом. Процесс формирования модулирующих сигналов для симметрируемых фаз, в случае, если в качестве опорных - определены фазы «В или С», аналогичен описанному. Посредством блоков восстановления фазы модулирующего сигнала - 44, 45, 46, 47, 48, 49, сигналы, сформированные арифметическим вычитанием сигналов, пропорциональных току соответствующей симметрируемой и опорной фаз, корректируются на углы, соответствующие фазовому углу между током опорной и соответствующей симметрируемой фазы, при прямом чередовании фаз (для трехфазной системы этот угол равен 120 эл. градусов). При этом если, модулирующие сигналы управления, формируются для управления фазами ШИМ-выпрямителя - «В и С», относительно опорной фазы «А», модулирующий сигнал, сформированный посредством блока 22, путем арифметического вычитания сигналов, пропорциональных опорной фазе «А» и симметрируемой фазы «В», посредством блока 45 корректируется на 120 эл. градусов; модулирующий сигнал, сформированный посредством блока 23, путем арифметического вычитания сигналов, пропорциональных опорной фазе «А» и симметрируемой фазы «С», корректируется посредством блока 44 на 240 эл. градусов. Если модулирующие сигналы, формируются для управления фазами ШИМ-выпрямителя - «А и С», относительно опорной фазы «В» (для случая, если фаза «В» определена как опорная), модулирующий сигнал, сформированный посредством блока 24, путем арифметического вычитания сигналов, пропорциональных опорной фазе «В» и симметрируемой фазы «А», посредством блока 48 корректируется на 240 эл. градусов;
модулирующий сигнал, сформированный посредством блока 25, путем арифметического вычитания сигналов, пропорциональных опорной фазе «В» и симметрируемой фазы «С», корректируется посредством блока 46 на 120 эл. градусов. Если модулирующие сигналы, формируются для фаз «А и В», относительно опорной фазы «С» (для случая, если фаза «С» определена как опорная), модулирующий сигнал, сформированный посредством блока 27, путем арифметического вычитания сигналов, пропорциональных опорной фазе «С» и симметрируемой фазы «А», посредством блока 47 корректируется на 120 эл. градусов; модулирующий сигнал, сформированный посредством блока 26, путем арифметического вычитания сигналов, пропорциональных опорной фазе «С» и симметрируемой фазы «В», корректируется посредством блока 49 на 240 эл. градусов. Как видно из логики взаимодействия блоков, посредством которых реализуется заявленный способ, модулирующий сигнал присутствует только на тех управляющих входах трехфазного полностью управляемого ШИМ-выпрямителя 31, которые соответствуют симметрируемым фазам: применительно к трехфазной системе их два. На третьем же входе, соответствующем опорной фазе, сигнал отсутствует. Следует отметить, что посредством блока задания внешних, пофазных регулирующих воздействий 50, изображенном на поясняющей заявленный способ - схеме, в виде сигналов задания, для каждой из фаз энергосистемы, формируют дополнительные ограничивающие воздействия на величины сформированных модулирующих сигналов управления соответствующими фазами ШИМ-выпрямителя, для случая, если не симметрия токов в энергосистеме значительна, а мощность нагрузки постоянного тока по сравнению с ней мала. При этом в соответствии с заявленным способом степень симметрирования задается дополнительно, посредством воздействия на величину управляющего модулирующего сигнала (его уменьшения), с целью его стабилизации на заданном уровне. Блок 50 может быть построен по принципу устройства формирования заданных опорных напряжений, посредством сравнения с которыми, задают величину модулирующих сигналов, сформированных соответственно для фаз С, А и В блоками 28, 29, 30. При этом управление величинами упомянутых модулирующих сигналов осуществляют по дополнительным управляющим входам, организованным в упомянутых блоках.
Таким образом, оставшийся в каждой из симметрируемых фаз - ток, имеет величину модуля, равную, либо заранее заданную посредством блока 50, либо равную величине модуля тока в опорной фазе. Блок 50 может отсутствовать, если изначально планируется, что ток, оставшийся в каждой из симметрируемых фаз, должен иметь величину модуля, равную величине модуля тока в опорной фазе. После извлечения из симметрируемых фаз, энергия симметрирующих токов накапливается в емкостном накопителе 32, и, затем используется для питания нагрузки постоянного тока 33.
Таким образом, в результате последовательности действий, осуществляемых в соответствии с заявленным способом повышения эффективности использования электроэнергии добиваются тем, что мощность, необходимую для питания нагрузки постоянного тока, извлекают минимум из одной фазы, составляющей группу симметрируемых фаз, - таким образом, чтобы оставшийся в каждой из фаз упомянутой группы - ток, отбираемый несимметричной нагрузкой, имел бы величину модуля, равную, либо заранее заданной, либо равную величине модуля тока в опорной фазе. При этом опорную фазу предварительно выбирают из n-питающих фаз несимметричной системы энергоснабжения по условию максимального значения модуля тока.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. [Текст] / Забродин Ю.С. - М.: Высш. шк., 1982, с.334.
2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. [Текст] / Забродин Ю.С. - М.: Высш. шк., 1982, с.340.