УСТРОЙСТВО СИММЕТРИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ

Полезная модель устройства симметрирования нагрузки относится к устройствам равномерного распределения однофазной или трехфазной электрической нагрузки по фазам трехфазной сети. Полезная модель может быть использована в промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях экономики и социальной сферы, в которых используются однофазные или трехфазные электроприемники или распределительные сети, подключаемые к трехфазной электрической сети напряжением 0,4 кВ промышленной частоты. Полезная модель предназначена для выравнивания нагрузки по фазам трехфазной электрической сети.
Несимметричные токи вызывают несимметрию напряжений в удаленных от источника точках общего присоединения нагрузки по причине различных падений напряжения на полных сопротивлениях линии электропередачи. Отклонения отдельных фазных напряжений в часы максимума нагрузок могут превышать предельно допустимые стандартом [1] значения. Составляющая обратной последовательности несимметричной трехфазной системы напряжений приводит к дополнительным электрическим потерям в линии и негативно влияет на работу однофазных и трехфазных потребителей: сокращается срок службы однофазных потребителей; возникают дополнительные потери, снижается мощность и КПД трехфазных устройств электропривода.
Известны «Трехфазное симметрирующее устройство» [2], «Трехфазное симметрирующее устройство» [3], «Симметрирующий трехфазно-однофазный трансформатор напряжения» [4]. К общим недостаткам этих и других симметрирующих устройств трансформаторного типа относятся: громоздкость конструкции, высокая стоимость; возможность симметртрования только части нагрузки электрической сети, непосредственно подключенной к устройству.
Известен способ устранения несимметрии напряжения заключающийся в переключении каждой из распределительных цепей на входящую фазу для получения равномерной нагрузки по всем трем фазам путем физического переключения каждой из распределительных цепей. Для такого переключения требуется прерывать подачу напряжения, что вызывает перебои в поставке электроэнергии потребителям.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является «Устройство равномерного распределения электрической нагрузки по n-фазной сети распределения электроэнергии» [5]. Недостатки: невозможность использования устройства для трехфазных потребителей, например, при наличии трехфазных асинхронных электрических двигателей по причине отсутствия контроля чередования фаз; устройство не симметрирует нагрузку питающей сети в целом, симметрирование выполняется только для непосредственно подключенной к устройству нагрузки.
Предлагаемое устройство, фиг. 1, содержит три датчика тока ДТ отходящих линий Л1, Л2, Л3, четыре датчика напряжения ДН электрической сети, девять силовых ключей СК, контроллер К, которое подключается к фазам электрической сети А, В, С и нейтральному проводу N, а нагрузка соединена с устройством отходящими линиями Л1, Л2, Л3 и нейтральным проводом N, отличающаяся тем, что контроллер К на основании сигналов с датчиков тока ДТ и датчиков напряжения ДН вычисляет способ подключения отходящих линий Л1, Л2, Л3 к фазам электрической сети А, В, С, направленный на выравнивание нагрузки электрической сети в целом, заключающийся в минимизации разницы действующих значений фазных напряжений для каждой пары фаз электрической сети, и подает управляющие воздействия на силовые ключи СК, реализующие такой способ подключения.
Каждый датчик тока ДТ соединен с группой из трех силовых ключей СК, с отходящей линий, с контроллером К. Каждый из трех датчиков напряжения ДН соединен с группой из трех силовых ключей СК, с фазой электрической сети, с контроллером К. Четвертый датчик напряжения ДН соединен с нейтральным проводом N, с контроллером К. Силовые ключи СК соединены с фазами электрической сети через датчики напряжения ДН, с отходящими линиями через датчики тока ДТ, с контроллером К. Контроллер К соединен с силовыми ключами СК, датчиками напряжения ДН, датчиками тока ДТ.
Силовые ключи СК служат для выполнения коммутаций. Каждый силовой ключ СК может находиться в проводящем или непроводящем состоянии в зависимости от управляющего сигнала, подаваемого контроллером К, и дает возможность подключать отходящую линию к фазе электрической сети. Совокупность силовых ключей СК обеспечивает различные варианты схем присоединения отходящих линий к электрической сети, а также изменение этих схем без перерыва в электроснабжении нагрузки, подключенной к отходящим линиям.
Датчики тока ДТ формируют сигналы, пропорциональные токам нагрузки, подключенной к отходящим линиям. Датчики напряжения ДН формируют сигналы, пропорциональные фазным напряжениям электрической сети относительно нейтрального провода.
Контроллер К принимает и обрабатывает сигналы с датчиков тока ДТ и датчиков напряжения ДН и формирует сигналы управления силовыми ключами.
При первом подключении устройства симметрирования нагрузки к электрической сети обеспечивается одна из заранее заданных схем подключения отходящих линий к электрической сети, при которой в нагрузке не нарушается порядок чередования фаз электрической сети относительно прямого подключения: отходящая линия Л1 подключается к фазе А электрической сети; отходящая линия Л2 - к фазе В электрической сети; отходящая линия Л3 - к фазе С электрической сети.
Далее контроллер К на основании сигналов с датчиков тока ДТ и датчиков напряжения ДН вычисляет оптимальный с точки зрения симметрии напряжений электрической сети способ подключения отходящих линий Л1, Л2, Л3 к фазам А, В, С электрической сети и подает управляющие воздействия на силовые ключи СК, реализующие указанный способ подключения. Оптимальный способ подключения отходящих линий обеспечивает минимизацию разницы действующих значений фазных напряжений для каждой пары фаз электрической сети.
Контроллер К на основании сигналов с датчиков напряжений ДН вычисляет действующие значения фазных напряжений, их разности, а также присваивает номера каждой из фаз А, В, С электрической сети по следующему правилу:
H1 - действующее значение напряжения фазы электрической сети превосходит действующие значения напряжений двух других фаз электрической сети;
Н2 - действующее значение напряжения фазы электрической сети занимает промежуточное положение в сравнении с действующими значениями напряжений двух других фаз электрической сети;
Н3 - действующее значение напряжения фазы электрической сети является наименьшим в сравнении с действующими значениями напряжений двух других фаз электрической сети.
В электрической сети фаза номер H1 является наименее нагруженной, фаза номер Н3 - наиболее нагруженной, а фаза номер Н2 по нагруженности занимает промежуточное положение между фазами электрической сети номер H1 и Н3.
Контроллер К на основании сигналов датчиков тока ДТ вычисляет действующие значения фазных токов отходящих линий и присваивает номера каждой отходящей линии по следующему правилу:
Т1 - действующее значение тока в отходящей линии превосходит действующие значения токов других отходящих линий;
Т2 - действующее значение тока в отходящей линии занимает промежуточное положение в сравнении с действующими значениями токов двух других отходящих линий;
Т3 - действующее значение тока в отходящей линии является наименьшим в сравнении с действующими значениями тока других отходящих линий.
Отходящая линия номер Т3 является наименее нагруженной, отходящая линия номер Т1 - наиболее нагруженной, а отходящая линия номер Т2 по нагруженности занимает промежуточное положение между отходящими линиями номер Т1 и Т3.
Пользователем задается тип нагрузки, подключаемой к отходящим линиям: однофазная или трехфазная.
Если в составе нагрузки нет трехфазных потребителей, то должен быть выбран однофазный тип нагрузки. В этом случае контроллер К формирует управляющие сигналы силовыми ключами СК по следующим правилам. Отходящая линия номер Т1 подключается к фазе электрической сети номер H1. Отходящая линия номер Т2 подключается к фазе электрической сети номер Н2. Отходящая линия номер Т3 подключается к фазе электрической сети номер Н3.
Если в составе нагрузки имеются трехфазные потребители, то должен быть выбран трехфазный тип нагрузки. В этом случае симметрирование нагрузки может быть осуществлено по одной из следующих трех схем, соответствующих круговой перестановке отходящих линий относительно фаз электрической сети. Схема номер 1: отходящая линия Л1 подключается к фазе А электрической сети; отходящая линия Л2 подключается к фазе В электрической сети; отходящая линия Л3 подключается к фазе С электрической сети. Схема номер 2: отходящая линия Л1 подключается к фазе В электрической сети; отходящая линия Л2 подключается к фазе С электрической сети; отходящая линия Л3 подключается к фазе А электрической сети. Схема номер 3: отходящая линия Л1 подключается к фазе С электрической сети; отходящая линия Л2 подключается к фазе А электрической сети; отходящая линия Л3 подключается к фазе В электрической сети. Контроллер К выбирает схему, в которой отходящая линия номер Т1 подключается к фазе электрической сети номер H1 и формирует управляющие сигналы для силовых ключей СК, обеспечивая реализацию выбранной схемы.
В отличие от аналогов, выполняющих симметрирование только для непосредственно подключенной к устройству нагрузки, предлагаемое устройство симметрирует нагрузку электрической сети в целом за счет разгрузки перегруженной и нагрузке недогруженной фазы внешней сети путем перераспределения нагрузки, подключенной к отходящим линиям.
Литература
1. ГОСТ 32144-2013 Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
2. Патент РФ №2453965 С2, 23.09.2010, Василенко В.Д. Трехфазное симметрирующее устройство.
3. Патент РФ №2314620 С2, 02.07.2003, Василенко В.Д., Евдокимов В.В. Трехфазное симметрирующее устройство.
4. Патент РФ №2321133 С1, 16.06.2006, Василенко В.Д., Евдокимов В.В. Симметрирующий трехфазно-однофазный трансформатор напряжения.
5. Патент РФ №2200364, ДАВИД Яир, ВИТТНЕР Лупу, 05.12.1997, Устройство равномерного распределения электрической нагрузки по n-фазной сети распределения электроэнергии.