Устройство для симметрирования выходного напряжения трёхфазного источника переменного тока

ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.316.937

Р. Ф. БУЛАТОВ, В. Е. БЫСТРИЦКИЙ, А. П. ИНЕШИН

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИММЕТРИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ТРЁХФАЗНОГО ИСТОЧНИКА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Обсуждаются вопросы построения симметрирующего устройства с исполнительными элементами индуктивно-ёмкостного типа. Обосновывается целесообразность использования двухэлементного исполнительного органа. В результате обеспечиваются повышение энергетических показателей рассматриваемого устройства и его упрощение.

Ключевые слова: двухэлементный исполнительный орган, общий регулятор напряжения, симметрирующее устройство, трёхфазный источник переменного тока.

Анализ тенденций развития автономных электроэнергетических систем (АвЭС) указывает на непрерывный рост требований к качеству вырабатываемой электроэнергии. Отмеченное обстоятельство выдвигает ряд новых задач, решение которых связано с совершенствованием пуско-регулирующей аппаратуры. Одной из таких задач является повышение качественных показателей симметрирования напряжений трёхфазных источников переменного тока (электромашинных и статических), широко применяемых в АвЭС в качестве вторичных источников питания. Важнейшим элементом симметрирующего устройства (СУ) является исполнительный орган подгрузочного типа, выполняемый на основе реактивных элементов: дросселей и конденсаторов.

Известно чисто индуктивное трёхэлементное симметрирующее устройство [1], разработанное применительно к трёхфазному источнику переменного тока, содержащему общий регулятор напряжения (ОРН). Сигналы о величине выходных напряжений источника поступают на входы измерительных органов (ИО). Выходные сигналы ИО подаются на сравнивающее устройство, которое осуществляет автоматическое подключение ОРН к фазе, имеющей минимальное напряжение. Таким образом, ОРН повышает до заданного уровня напряжение в той фазе, где оно минимально. При этом напряжение в остальных фазах также повышается. Для снижения этих напряжений до заданного уровня служат блоки подгрузки СУ, на вход которых после предварительного усиления подаются сигналы с

© Булатов Р. Ф., Быстрицкий В. Е., Инешин А. П., 2013

измерительных органов.

Недостатками такого устройства являются низкие энергетические показатели, обусловленные применением индуктивных подгрузочных элементов, обеспечивающих симметрирование токов несимметричной трёхфазной нагрузки при общем индуктивном коэффициенте мощности cos ^ = 0,5 и ограниченные возможности симметрирования.

Более широкими функциональными возможностями обладает симметрирующее устройство на основе трёхэлементного индуктивно-ёмкостного исполнительного органа [2]. В каждой из трёх ветвей такого СУ включены параллельно управляемый дроссель и батарея конденсаторов. Реактивная мощность конденсаторной батареи должна быть рассчитана на самый тяжёлый режим, а реактивная мощность дросселя -на полную компенсацию тока конденсаторной батареи и одновременно на отдачу необходимой реактивной мощности индуктивного характера, если в этой ветви понадобится создать индуктивный реактанс.

Отметим, что рассмотренный вариант симметрирующего устройства ведёт к завышению установленных реактивных мощностей элементов исполнительного органа и к усложнению системы управления.

Представляется заслуживающим внимания вариант построения СУ на основе двухэлементного индуктивно-ёмкостного исполнительного органа [3]. Блок-схема такого устройства приведена на рис. 1. СУ обеспечивает симметрирование напряжений трёхфазного источника переменного тока 1 с выходными фазами А, В, С, имеющего общий регулятор напряжений (ОРН), подключённый своим входным измерительным органом к линейному напряжению А-В и стабилизирующий линейное напряжение этой фазы с высокой степенью точности на заданном

- г

о)

в)

в)

Рис. 2

уровне. Эквивалентная несимметричная трёхфазная нагрузка 3, образованная совокупностью компенсированных однофазных и симметричных трёхфазных нагрузок известного типа, питается трёхфазным напряжением источника 1, причём составляющие её нагрузок сгруппированы так, что наибольшее количество часто включаемых однофазных нагрузок, требующих к тому же высокой точности питающего напряжения, подключено именно к опорной фазе А-В, создавая детерминированную однофазную несимметрию нагрузки 3 в наиболее вероятном и загруженном режиме работы источника питания 1.

Двухканальный регулятор 4 симметрии, связанный своими измерительными входными цепями с линейными напряжениями всех трёх фаз источника 1, изменяет в соответствии с возникающим характером и величиной несимметрии этих напряжений величины токов управления магнитных усилителей дроссельного типа 6, выходные рабочие обмотки которых совместно с параллельно включёнными конденсаторами 5 образуют два симметрирующих погрузочных элемента 7,8, подключённых на линейные напряжения фаз С-А и В-С нестабилизированными ОРН 2.

При отсутствии несимметрии выходных линейных напряжений источника 1 величина токов обмоток управления магнитных усилителей выбирается из условия обеспечения равенства ёмкостного и индуктивного сопротивлений элементов 5-6 с переводом их в исходный режим резонанса токов, при котором эквивалентное сопротивление каждого такого параллельного контура весьма велико и носит активный характер. При появлении же несимметрии напряжений источника 1 соответствующее увеличение (или уменьшение) тока управления приводит к уменьшению (или увеличению) индуктивного сопротивления выходной рабочей обмотки магнитного усилителя и росту индуктивного (или ёмкостного) тока, потребляемого элементом 5 или 6.

Возможные варианты возникновения несимметрии и соответствующие им состояния реактивных элементов 7 и 8 предлагаемого устройства обеспечения симметрии поясняются также упрощёнными схемами замещения и векторными диаграммами токов и линейных напряжений, представленными на рис. 2, где для упрощения показана лишь однофазная часть несимметричной нагрузки 3.

Так, при наиболее вероятном и нагруженном режиме, когда большая часть однофазных нагрузок подключена к опорной фазе А-В, стабилизированной действием общего регулятора 2, регулятор 4 симметрии переводит элемент 7 в индуктивный режим работы, а элемент 8 - в

ёмкостный режим при равных модулях реактивных токов, составляющих 1/3 от величины тока эквивалентной несимметричной нагрузки (рис. 2, а). Реализуемая в этом случае схема симметрирования соответствует известной схеме Штей-метца и обеспечивает высокое значение коэффициента мощности (cos ^ = 1).

При возникновении же других (менее вероятных и ненагруженных) режимов работы источника 1, когда однофазная эквивалентная несимметричная нагрузка 3 проявляется по фазе В-С (рис. 2, б) или фазе С-А (рис. 2, в), симметрирующие подгрузочные элементы 5-6 одновременно переводятся регулятором 4 симметрии в одинаковые режимы работы: ёмкостный - для случая, отображённого на рис. 2, б, и индуктивный - для случая на рис. 2, в. Обеспечиваемое в этих случаях симметрирование линейных токов и напряжений трёхфазного источника 1 сопровождается уменьшением коэффициента мощности до 0,5, что соответствует углу сдвига 60 ° между направлениями векторов линейных токов и фазных напряжений на векторных диаграммах. Ухудшение энергетических показателей предлагаемого устройства в таких менее вероятных режимах работы симметрируемого трёхфазного источника 1 не имеет, однако, существенного значения, так как здесь возникают нагруженные режимы его работы, когда большая часть его однофазных нагрузок, создающих несимметрию и нормально подключаемых к опорной фазе А-В, отключена.

Предлагаемое устройство обеспечения симметрии работоспособно и в случаях проявления двухфазной несимметрии, когда активные составляющие однофазных несимметрирующих нагрузок одновременно появляются на фазах А-В и В-С или фазах В-А и С-А питающего источника. Поскольку эти случаи являются промежуточными по сравнению с граничными случаями проявления однофазной несимметрии, рассмотренными на рис. 2, то необходимые параметры элементов 7 и 8 (автоматически выставляемые в реальной системе регулятором симметрии 4) могут быть, например, найдены методом суперпозиции (наложения) путём сведения этих случаев

двухфазной несимметрии к двум, одновременно существующим случаям однофазной несимметрии (см. рис. 2, б или 2, в). Лишь в одном случае проявления двухфазной несимметрии (одновременной на фазах В-С и С-А) предлагаемое устройство неработоспособно, однако этот случай практически невозможен при заданном регулятором распределении нагрузок по фазам питающего источника, когда большая часть его наиболее часто включаемых и ответственных однофазных нагрузок подсоединяется к фазе А-В, линейное напряжение которой стабилизируется действием общего регулятора 2.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Проектирование статических преобразователей / П. В. Голубев, В. М. Карпенко, М. Б. Коновалов, А. И. Чернышев, Г. Ф. Андреев, А. М. Семиглазов, О. И. Шустер. - М. : Энергия, 1974. - 408 с.

2. А. с. 964853 СССР, М. Кл. 3 Н 021 3/26. Устройство для симметрирования несимметричной трёхфазной нагрузки / А. К. Шидловский, В Г. Кузнецов, Г. А. Москаленко, А. Г. Карма-лицкий, А. В. Зощенко, А. С. Григорьев (СССР).

- 3276283/24 - 07; заявл. 17.04.1981; опубл. 07.10.1982. - Бюл. №37.

3. А.с. 729749 СССР, М. Кл. 2 Н 021 3/26. Устройство для симметрирования выходного напряжения трёхфазного источникам переменного тока / А. П. Инешин (СССР). - 2543469/24

- 07; заявл. 15.11.1977; опубл. 24.04.1980. - Бюл. №15.

Булатов Ренат Фаридович, аспирант кафедры «Электропривод и АПУ» УлГТУ. Быстрицкий Владимир Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и АПУ» УлГТУ.

Инешин Аркадий Павлович, старший научный сотрудник ОАО «Электропром».