ДИНАМИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР НАПРЯЖЕНИЙ
DYNAMIC VOLTAGE COMPENSATOR

Заявляемое изобретение относится к электротехнике и может быть реализовано в виде устройства, устанавливаемого на входе оборудования, нуждающегося в нейтрализации влияния просадок и скачков напряжения питающей сети посредством точной и плавной регулировки переменного напряжения.
В связи с повышением требований к качеству электроэнергии в современных автоматизированных системах управления производственными и технологическими процессами и их повсеместным применением возникла необходимость использования динамических компенсаторов искажений напряжения (ДКИН).
Известные ДКИН представляют собой устройства, содержащие выпрямитель и инвертор с пофазным управлением на базе полностью управляемых источников напряжения, который включен в питающую сеть потребителя и через вольтодобавочный трансформатор (ВДТ) создает добавку напряжения ΔU на вторичной обмотке, компенсирующую провалы напряжения.
Из патента на изобретение RU 2393611 от 27.06.2010, МПК H02J 9/06, патентообладателем которого является Липецкий государственный технический университет (ЛГТУ), известно устройство динамического восстановления провалов напряжения, которое с целью обеспечения защиты электроприемника от провалов напряжения при кратковременных перерывах электроснабжения подводит компенсированное напряжение, формируемое преобразователем, питаемым от зарядного устройства в контуре постоянного тока, в который включен поглощающий компенсатор, образующий энергетический демпфер для регулирования потоков мощности, служащего для стабилизации компенсационного напряжения, для подведения в режиме провала к зажимам электроприемника через ВДТ на время ликвидации кратковременного нарушения электроснабжения.
К недостаткам указанного технического решения можно отнести отсутствие возможности перехода на резервную линию питания нагрузки, сниженную скорость реакции на ухудшение качества сети, а также точность компенсации провалов и бросков напряжения в пределах 10% процентов от номинального напряжения, что может повлиять на работу оборудования, чувствительного к таким показателям качества напряжения питающей сети.
Также из патента № US 5905367 A от 18.05.1999; МПК H02J 3/12, патентообладателем которого является Сименс Вестингхаус (США), известно устройство, содержащее систему управления, вольтодобавочный трансформатор, одна из обмоток или групп обмоток которого подключена к сети электропитания, а другая обмотка или группа обмоток подключена к источнику напряжения вольтодобавки.
Один из вариантов осуществления изобретения предусматривает наличие двух трансформаторов, при этом один из них связан по меньшей мере с одним инвертором, выполнен с возможностью вольтодобавки и включен в сеть между источником напряжения и нагрузкой. При этом упомянутый однофазный инвертор также подключен к общему источнику накопления и передачи энергии и соединен со вторым вольтодобавочным трансформатором, выполненным с возможностью питания нагрузки от указанного источника накопления и передачи энергии.
К недостаткам указанного технического решения можно отнести наличие по сути двух вольтодобавочных трансформаторов, один из которых включен в сеть между источником питания и нагрузкой, а второй - между источником накопления энергии и нагрузкой, что может повлечь за собой увеличение потребления электроэнергии, а также увеличение стоимости устройства.
Принимаем указанное техническое решение за ближайший аналог.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание компенсатора напряжений, обеспечивающего напряжение питающей электрической сети потребителя в пределах ±1% от номинального напряжения Uном, в условиях значительных (до 30% и более) отклонений напряжения питания от номинального Uном, а также обеспечение возможности работы оборудования при отсутствии питания до момента перехода на линию резервного питания.
Технический результат, достигнутый от реализации заявляемого изобретения, заключается в упрощении конструкции устройства, улучшении качества электропитания потребителя за счет исключения существенных для него просадок и скачков питающего напряжения длительностью более 2 мс, а также сокращении финансовых и технологических потерь, которые могут возникнуть из-за невысокой надежности энергообеспечения, за счет поддержания напряжения на нагрузке в течение не менее 1 секунды при отсутствии входного напряжения, что позволяет гарантированно перевести потребителей на резервную линию питания.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что вольтодобавочный трансформатор динамического компенсатора напряжений выполнен с возможностью работы по меньшей мере в двух рабочих режимах «Компенсации напряжений» и «Бесперебойного питания UPS». В одном из которых по меньшей мере одна обмотка высокого напряжения подключена к управляемому инвертору, а другая обмотка или группа обмоток включена последовательно в сеть между источником тока и потребителем, низкого напряжения, с возможностью обеспечения вольтодобавки. При этом во втором из возможных режимов работы низковольтные обмотки вольтодобавочного трансформатора, перекоммутируемые посредством по меньшей мере одного управляемого коммутационного устройства, соединены в электрическую схему с возможностью обеспечения работы трансформатора без подключения к питающей сети, при этом инвертор соединен со звеном накопления и передачи энергии с возможностью питания вольтодобавочного трансформатора. Динамический компенсатор напряжения также выполнен с возможностью перехода между рабочими режимами и режимами работы вольтодобавочного трансформатора посредством системы управления, которая включает по меньшей мере один блок управления, функционально связанными с ним управляемыми устройствами, сконфигурированный с возможностью контроля рабочих параметров сети и формирования управляющих сигналов в зависимости от рабочего режима. Динамический компенсатор напряжения выполнен с возможностью работы по меньшей мере в двух рабочих режимах, в одном из которых рабочий контур включает по меньшей мере один управляемый инвертор, функционально связанный с вольтодобавочным трансформатором, и выполнен с возможностью байпасирования и перехода в режим, исключающий из рабочего контура указанный управляемый инвертор и вольтодобавочный трансформатор. Динамический компенсатор напряжения выполнен с возможностью байпасирования посредством управляемых быстродействующих коммутационных элементов и автоматического механического выключателя, включенных параллельно.
Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается следующими изображениями:
фиг. 1 - структурная схема компенсатора напряжений;
фиг. 2 - функциональная блок-схема системы управления компенсатора напряжений;
фиг. 3 - структурная схема в режиме «Компенсатора напряжений»;
фиг. 4 - структурная схема в режиме «Бесперебойного питания UPS»;
фиг. 5 - структурная схема в режиме «Байпас».
Заявляемое техническое решение предусматривает различные варианты и альтернативные формы реализации. Конкретный вариант осуществления показан посредством схем на чертежах и в описании изобретения. Описанное техническое решение не ограничивается конкретной раскрытой формой и может охватывать все возможные варианты исполнения, эквиваленты и альтернативы в рамках существенных признаков, раскрытых в формуле изобретения.
Динамический компенсатор напряжения является программно-аппаратным комплексом, обеспечивающим нейтрализацию влияния просадок и скачков напряжения питающей сети на электрооборудование потребителей.
Динамический компенсатор напряжения (фиг. 1) содержит вольтодобавочный трансформатор 1, одна из обмоток или групп обмоток которого подключена в сеть электропитания между источником тока 2 и нагрузкой 3, а другая обмотка или группа обмоток подключена к управляемому источнику напряжения вольтодобавки, представленному в виде по меньшей мере одного управляемого инвертора 4, выполненного с возможностью изменения напряжения на одной или группе обмоток вольтодобавочного трансформатора, а также рекуперации электрической энергии в сеть электропитания.
Компенсатор напряжения выполнен с возможностью работы по меньшей мере в двух рабочих режимах. В одном из рабочих режимов, таком как режим «Компенсации напряжений» (КН), рабочий контур включает по меньшей мере один управляемый инвертор 4, функционально связанный с вольтодобавочным трансформатором 1. При этом упомянутый инвертор функционально связан с управляемым устройством 5 накопления и передачи энергии, а также звеном постоянного тока, включающим по меньшей мере один управляемый активный выпрямитель 6 и управляемое зарядное устройство 7. Указанный рабочий контур выполнен с возможностью байпасирования посредством управляемых быстродействующего коммутационного устройства 8 и механического автоматического выключателя 9, включенных параллельно, и перехода в режим, исключающий из рабочего контура указанный инвертор и вольтодобавочный трансформатор, режим «Байпас». Наряду с этим управляемые коммутирующие устройства 10, 11 служат для переключения между режимами работы вольтодобавочного трансформатора.
Как вариант реализации изобретения, при использовании однолинейной схемы вольтодобавочный трансформатор может быть выполнен трехобмоточным. Указанный вольтодобавочный трансформатор выполнен с возможностью работы по меньшей мере в двух рабочих режимах, таких как «Компенсатор напряжений» (КН) и «Бесперебойного питания» (UPS). Указанные режимы работы ВДТ могут быть реализованы при работе динамического компенсатора напряжений в режиме «Компенсации напряжений»
В режиме КН по меньшей мере одна обмотка высокого напряжения 12 вольтодобавочного трансформатора подключена к управляемому инвертору и соединена выходом с нулевой точкой 13 посредством управляемого коммутирующего устройства 10, а другая обмотка или группа обмоток 14 выполнена низковольтной и включена последовательно в сеть между источником тока и потребителем низкого напряжения через управляемое коммутационное устройство 11 с возможностью обеспечения вольтодобавки.
Во втором из возможных режимов работы, режиме UPS, низковольтная обмотка или группа обмоток вольтодобавочного трансформатора, перекоммутируемые посредством по меньшей мере одного управляемого коммутационного устройства 11, соединены в электрическую схему, например звезду, с возможностью обеспечения работы ВДТ без подключения к питающей сети, при этом высоковольтная обмотка замкнута на нулевую точку 13 посредством управляемого коммутационного устройства 10, а инвертор соединен со звеном накопления и передачи энергии с возможностью питания вольтодобавочного трансформатора до момента перехода на резервную линию питания.
Во втором из возможных режимов работы динамического компенсатора напряжения, режиме «Байпас», может обеспечиваться как минимальное энергопотребление с непрерывным контролем входного напряжения посредством сравнения с заданным значением, так и полное отключение элементов системы управления и управляемых устройств от сети, сохраняя при этом питание потребителя. В режиме «Байпас» в случае, если напряжение сети находится в пределах заданных пользователем значений, то питание нагрузки осуществляется минуя вольтодобавочный трансформатор. Критерием перехода из режима "Байпас" в режим "КН" является выход напряжения за пределы заданного значения либо задание режима "КН" пользователем вручную.
При этом компенсатор напряжения выполнен с возможностью перехода между рабочими режимами и режимами работы вольтодобавочного трансформатора посредством системы управления (фиг. 2), которая включает по меньшей мере один блок управления 15, функционально связанными с ним управляемыми устройствами, сконфигурированный с возможностью контроля рабочих параметров сети и формирования управляющих сигналов в зависимости от рабочего режима. Упомянутый блок управления 15 осуществляет общее управление режимами работы компенсатора напряжений, контролирует входные напряжения, выходные напряжения и токи, формирует сигналы задания и организует обмен информацией с управляемыми устройствами посредством системы контроллеров.
Система контроллеров включает: контроллер 16 управляемого инвертора, контроллер 17 управляемого активного выпрямителя, контроллер 18 управляемого зарядного устройства, контроллеры 19, 20 управляемого устройства накопления и передачи энергии, контроллер 21 управляемых коммутационных устройств.
Для согласования работы контроллеров отдельных управляемых устройств, выполняющих одинаковые функции, могут применяться промежуточные контроллеры (на схеме не показаны), связанные с блоком управления.
Описывая заявляемое техническое решение, следует указать на особенности работы его управляемых устройств и связей между ними в основных рабочих режимах.
Основными рабочими режимами заявляемого технического решения являются: режим «Компенсации напряжений» и «Байпас».
В режиме «Компенсации напряжений» (фиг. 3) рабочая цепь включает вольтодобавочный трансформатор 1, управляемый инвертор 4, связанные с ним звено постоянного тока с устройством накопления и передачи энергии 5, коммутирующее устройство 11 открыто для прохождения питающего напряжения (жирная пунктирная линия) к нагрузке. При этом посредством блока управления 15 осуществляется непрерывный контроль входного напряжения и его сравнение с заданным значением, а также формирование и передача управляющих сигналов управляемым устройствам посредством соответствующих контроллеров.
В случае отклонения напряжения от заданного значения управляемый посредством контроллера 16 инвертор динамически формирует напряжения, которые передаются на обмотку или группу низковольтных обмоток вольтодобавочного трансформатора 1 (тонкие пунктирные линии), включенную в сеть между источником питания 2 и нагрузкой 3. Таким образом, в питающую сеть добавляется недостающее напряжение либо изымается излишнее с последующим возвращением в виде рекуперации. При этом управляемый контроллером 17 активный выпрямитель 6, связанный с управляемым контроллером 18, зарядным устройством 7, поддерживает напряжение звена постоянного тока на заданном уровне за счет питания энергией от сети или возвращения излишков энергии, накапливаемых звеном постоянного тока в сеть, чем обеспечивает нормальное функционирование управляемого инвертора, в частности, и изделия в целом. В этом режиме формируется заданное напряжение на стороне нагрузки с погрешностью не более 1% от номинального значения напряжения сети Uном.
В случае существенных провалов питающего напряжения более 30% от номинального либо его полного отсутствия вольтодобавочный трансформатор переходит в режим UPS (фиг. 4) посредством перекоммутации обмоток вольтодобавочного трансформатора, а именно замыкания высоковольтной обмотки 12 на нулевую точку 13 управляемым коммутирующим устройством 10 и отключения внешнего питающего напряжения путем выключения коммутационного устройства 11. При этом в работу включается управляемое контроллерами 19, 20 устройство накопления и передачи энергии 5, которое может быть выполнено, например, в виде блока конденсаторов, обеспечивающее питание нагрузки 3 на уровне номинального напряжения в течение времени, достаточного для перехода потребителей на резервную линию питания. После перехода на резервную линию питания осуществляется перекоммутация упомянутых коммутирующих устройств 10, 11 и соответствующих обмоток вольтодобавочного трансформатора для работы в режиме КН.
Также одной из особенностей заявляемого технического решения является реализация плановых и аварийных переходов в режим «Байпас» (фиг. 5).
Переход производится одновременной подачей сигналов блока управления 15 на управляемое контроллером 21 быстродействующее коммутационное устройство 8 и подачей команды включения автоматического механического выключателя 9. Управляемое коммутационное устройство 8 включается первым, после чего срабатывает автоматический механический выключатель 9. После отсчета выдержки времени управление коммутационным устройством 8 отключается и в работе остается только автоматический механический выключатель. В результате включения перехода в режим «Байпас» рабочая цепь исключаются из схемы электропитания потребителя и ток протекает к нагрузке (жирная пунктирная линия) минуя вольтодобавочный трансформатор, при этом инвертор формирует на ВДТ напряжение (тонкая пунктирная линия), обеспечивающее его безударное включение в сеть при выключении режима «Байпас» с переходом в режим «КН».
Реализация заявляемого технического решения способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая улучшение качества электропитания на нагрузке за счет исключения существенных для нее просадок и скачков питающего напряжения длительностью более 2 мс, а также реализуя возможность перехода на резервную линию питания с обеспечением бесперебойной работы электрооборудования, используя при этом один вольтодобавочный трансформатор, выполненный с возможностью работы как от сети, так и от источника накопления и передачи энергии посредством перекоммутации соответствующих обмоток ВДТ.