ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Решение относится к мостовым компенсационным преобразователям переменного тока в постоянный ток с полностью управляемой (искусственной) коммутацией силовых вентилей в анодной и катодной группах. При работе таких преобразователей на чисто индуктивную нагрузку (накопитель электромагнитной энергии) становится возможным плавное регулирование генерируемой реактивной мощности емкостного характера при изменении угла управления. Подобные преобразователи могут быть использованы в системах электроснабжения промышленных предприятий и в электрических сетях энергосистемы для компенсации реактивной мощности.
Известен компенсационный преобразователь, содержащий управляемый и неуправляемый мостовые выпрямители, конденсаторы фильтра, подключенные к зажимам постоянного тока неуправляемого выпрямителя, коммутирующий LC-контур, связанный через тиристоры, шунтированные встречно включенными диодами, с конденсаторами фильтра, при этом, с целью уменьшения перенапряжения на элементах схемы, последовательно с LC-контуром подключена цепочка из последовательно соединенных диода и дросселя, шунтированная встречно включенным тиристором, управляющий электрод которого соединен с катодом этого диода [1].
Недостатком данного преобразователя является сложность, наличие большого числа элементов, в том числе и индуктивных.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемым результатам является компенсационный преобразователь [2]. По сути это полупроводниковый компенсатор реактивной мощности. Он содержит управляемый выпрямитель и неуправляемый выпрямитель, в катодной и анодной группах по коммутирующему вентилю, разделительному диоду и конденсатору с обкладками. С целью повышения технико-экономических показателей, коммутирующий блок выполнен в виде однофазного моста, в двух противоположных плечах которого включены полностью управляемые электрические вентили, выполненные, например, в виде тиристоров с индивидуальными узлами принудительной коммутации, а в двух других - неуправляемые электрические вентили, причем к зажимам переменного тока моста подключен емкостной фильтр, состоящий из нескольких секций конденсаторов, соединенных с помощью разделительных диодов, при зарядке эти секции включены
последовательно, а при разрядке - параллельно. К нагрузке подключены катоды управляемых вентилей, а также катоды вентилей однофазного моста.
Недостатки прототипа следующие:
-невысокое быстродействие из-за наличия колебательных контуров, включающих конденсатор, дроссель и диод;
-низкая способность генерации реактивной мощности при посадке напряжения из-за недостаточно запасенной энергии в колебательном контуре при пониженном напряжении питания;
-наличие группы вентилей зарядки фильтра (6 вентилей) ухудшает массогабаритные показатели устройства.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решаемая задача - улучшение коммутирующих показателей и массогабаритных показателей компенсатора.
Технический результат - повышение быстродействия и способности к генерации реактивной мощности при посадке напряжения, а также упрощение конструкции.
Этот технический результат достигается тем, что в полупроводниковом компенсаторе реактивной мощности, содержащем управляемый выпрямитель и неуправляемый выпрямитель, в катодной и анодной группах по коммутирующему вентилю, разделительному диоду и конденсатору, в катодной и анодной группах одна обкладка конденсатора и коммутирующий вентиль подключены к неуправляемому выпрямителю, вторая обкладка конденсатора и разделительный диод подключены к управляемому выпрямителю, а коммутирующие вентили и разделительные диоды подключены к нагрузке.
Отсутствие колебательных контуров обеспечивает быстродействие компенсатора. Повышенная способность генерации реактивной мощности при посадке напряжения обеспечивается за счет подключения неуправляемого выпрямителя с конденсаторами. Улучшаются массогабаритные показатели за счет минимального количества конденсаторов и отсутствия колебательных контуров.
Сущность решения иллюстрируется чертежом, где изображена схема предлагаемого компенсатора реактивной мощности и показаны траектории протекания токов на первом (сплошная и образованная точками линии) и на втором (пунктирная и штрих-пунктирная линии) этапах коммутации для вентилей катодной группы.
Компенсатор содержит управляемый выпрямитель 1 и неуправляемый выпрямитель 2. Катодная группа 3 и анодная группа 4 включают соответственно по
коммутирующему вентилю 5 и 6, разделительному диоду 7 и 8, конденсатору 9 и 10 с первой и второй обкладками. Коммутирующие вентили 5 и 6 полностью управляемые. В катодной и анодной группах соответственно одна обкладка конденсатора 9 (10) и коммутирующий вентиль 5 (6) подключены к неуправляемому выпрямителю 2, вторая обкладка конденсатора 9 (10) и разделительный диод 7 (8) подключены к управляемому выпрямителю 1, а коммутирующие вентили 5 (б) и разделительные диоды 7 (8) подключены к нагрузке 11. 12, 13, 14 - полностью управляемые вентили катодной группы. 15,16,17 - диоды катодной группы неуправляемого выпрямителя 2.
Работа устройства.
Полупроводниковый компенсатор работает в режимах, когда заряд конденсатора 9 (10) под воздействием тока выходящей из работы фазы чередуется с частичным разрядом током включаемой фазы.
Установившийся режим работы устройства, очевидно, может быть лишь в условиях равенства энергий, отдаваемых и получаемых конденсатором на интервалах повторяемости процессов.
Анодная группа вентилей работает аналогично работе вентилей в катодной группе.
Рассмотрим работу вентилей на примере коммутации одной пары фаз в катодной группе 3.
Допустим, что необходимо перевести ток из фазы А в фазу В, имеющую меньший потенциал относительно фазы А, без разрыва токовой цепи нагрузки с целью устранения перенапряжений в момент коммутации. Для этого заряженный от маломощного неуправляемого выпрямителя 2 конденсатор 9, должен быть включен параллельно полностью управляемым вентилям 12, 13, 14 катодной группы 3 управляемого выпрямителя 1, чтобы разряжаться током вступающей в работу фазы В и заряжаться током выходящей из работы фазы А.
Для выполнения указанного условия необходимо в момент коммутации убрать управляющий сигнал на силовом вентиле 12 фазы А, одновременно подать управляющий сигнал на открытие вентиля 13 фазы В, вступающей в работу, и на управляемый коммутирующий вентиль 5.
В результате создается цепь для протекания тока фазы В: вентиль 13 - конденсатор 9 - коммутирующий вентиль 5 - нагрузка 11. Напряжение в фазе В увеличивается на величину  благодаря последовательному включению конденсатора и смещает потенциал катода вентиля 12 в фазе А в отрицательную область, вследствие чего вентиль
12 закрывается за время, значительно меньшее, чем при обычном воздействии управляющего сигнала.
В момент, когда включаемая фаза В совместно с конденсатором 9 примет на себя нагрузку, необходимо закрыть коммутирующий вентиль 5.
С момента закрытия коммутирующего вентиля 5 конденсатор 9 начнет заряжаться через диод 15 фазы А (штрих-пунктирная траектория тока на чертеже) до момента времени, когда напряжение фаз А и В будут равны друг другу (точка естественной коммутации диодов 15 и 16). На вне коммутационных интервалах конденсатор 9 оказывается исключенным из контура нагрузки 11 и не оказывает влияния на процесс в схеме полупроводникового компенсатора.
Преобразователь обеспечивает выполнение действующих российских и зарубежных стандартов по электромагнитной совместимости с питающей сетью.
Положительными особенностями полупроводникового компенсатора являются:
-при любых заданных напряжениях на нагрузке возможна генерация в сеть реактивной мощности емкостного характера;
-величина генерируемой реактивной мощности плавно изменяется пропорционально sin α (угла управления), достигая максимума при α=π/2;
-возможно исключение 5-й, 7-й, 9-й и других высших гармоник из тока, потребляемого из питающей сети;
-в отличие от статических конденсаторов, при работе такого компенсатора в режиме стабилизации напряжения в заданной точке питающей сети при посадках напряжения имеется возможность практически безинерционно увеличивать генерацию реактивной мощности емкостного характера, повышая статическую и динамическую устойчивость системы электроснабжения.
Источник информации
1.А.с. СССР №478399,m 7/04 1975
2.А.с. СССР №492986, HO2m 7/48? 1975г. - прототип