METHOD OF CONTROLLING OF CAPACITANCE OF CONTROLLED CAPACITOR GROUP AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
Способ управления ёмкостью управляемой конденсаторной группы и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано для управления емкостью управляемой конденсаторной группы с целью обеспечения управления реактивной мощностью в точке ее подключения. Такая технология реализуется в различных устройствах силовой электротехники, применяемых в электроэнергетике, электроприводе, электротермии, электролизе, преобразовательной технике, для компенсации реактивной мощности нагрузки.
Известен способ управления управляемым шунтирующим реактором, основанный на дискретном регулировании реактивного сопротивления реактора с синхронизацией управления управляемым реактором относительно приложенного к нему синусоидального напряжения. Способ применим к управлению индуктивным сопротивлением управляемым шунтирующим реактором. (Патент на изобретение №2641643 от 19.01.2018 «Способ управления управляемым шунтирующим реактором и устройство для его осуществления»).
Известен способ управления емкостью управляемой конденсаторной группы, основанный на дискретном регулировании емкости конденсаторной группы, с синхронизацией управления относительно приложенного к конденсаторной группе синусоидального напряжения. Способ предполагает изменение состояния двунаправленных тиристорных ключей в момент максимума приложенного к управляемой конденсаторной группе синусоидального напряжения при наличии начального напряжения на подключаемых конденсаторах управляемой конденсаторной группы, равного максимальному значению приложенного напряжения. Это обеспечивает отсутствие скачка тока в управляемой конденсаторной группе в момент изменения состояния двунаправленных тиристорных ключей.
(Энергосбережение в системах промышленного электроснабжения: Справочно-методическое издание / Под редакцией Э.А. Киреевой. - М.: «Интехэнерго-Издат», «Теплоэнергетик», 2014. - 304 с. Стр. 137)
Известно также устройство управления емкостью конденсаторной группы, состоящее из параллельно соединенных ветвей, каждая из которых содержит последовательное соединенные конденсатор, двунаправленный тиристорный ключ и токоограничивающий реактор. Система управления устройства обеспечивает переключение двунаправленных тиристорных ключей в моменты максимума переменного синусоидального напряжения, приложенного к управляемой конденсаторной группе. (Энергосбережение в системах промышленного электроснабжения: Справочно-методическое издание / Под редакцией Э.А. Киреевой. - М.: «Интехэнерго-Издат», «Теплоэнергетик», 2014. -304 с. Стр. 137, рис 5.10)
К недостаткам описанного способа и устройства следует отнести необходимость заряда конденсаторов управляемой конденсаторной группы до максимального напряжения, прикладываемого к управляемой конденсаторной группе, к моменту переключения двунаправленных управляемых ключей. Это приводит к усложнению схемы построения устройства и увеличению его массо-габаритных показателей за счет введения в устройство дополнительных элементов, например, токоограничивающих реакторов. Кроме этого, при выключении двунаправленных тиристорных ключей на конденсаторах управляемой конденсаторной группы будут оставаться остаточные напряжения, которые необходимо устранять, что требует введения дополнительных элементов в устройство, и также приводит к его усложнению, увеличению массогабаритных показателей, снижению надежности и уменьшению к.п.д.
Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является, уменьшение массо-габаритных показателей, стоимости и увеличение к.п.д. устройств управления емкостью управляемых конденсаторных групп.
Технический результат достигается тем, что в способе управления емкостью управляемой конденсаторной группы, состоящей из конденсаторных батарей и двунаправленных тиристорных ключей и работающей от сети переменного синусоидального напряжения, использующем систему управления для синхронизации управления двунаправленными тиристорными ключами по отношению к приложенному к управляемой конденсаторной группе синусоидальному напряжению, измеряют напряжение, приложенное к управляемой конденсаторной группе; синхронизацию управления двунаправленными тиристорными ключами осуществляют в момент достижения напряжения на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня; при наличии запроса на изменение величины емкости управляемой конденсаторной группы снимают импульсы управления со всех тиристоров двунаправленных тиристорных ключей при достижении напряжения на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня, в течение следующего одного периода синусоидального напряжения импульсы управления на двунаправленные тиристорные ключи не подают; в начале следующего периода при достижении напряжения на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня обеспечивают возврат остаточной энергии, накопленной в конденсаторах, в сеть путем включения соответствующих тиристоров, входящих в состав управляемых тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы; после прекращения процесса рекуперации и запирания всех тиристоров двунаправленных тиристорных ключей, при достижении напряжения на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня осуществляют переключение двунаправленных тиристорных ключей в новое состояние, соответствующее новому значению эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы, а в устройстве управления емкостью управляемой конденсаторной группы, содержащем токоограничивающий реактор и управляемую конденсаторную группу, состоящую из ветвей с последовательно соединенными конденсатором и двунаправленным тиристорным ключом и систему управления, управляемая конденсаторная группа состоит из параллельно соединенных ветвей, содержащих последовательное соединение конденсатора и двунаправленного тиристорного ключа, с параллельно подключенным к ним дополнительным двунаправленным тиристорным ключом, а последовательно с управляемой конденсаторной группой включен токоограничивающий реактор.
Сущность предлагаемого способа управления емкостью управляемой конденсаторной группы поясняется чертежом фиг. 1, где приведена блок схема, поясняющая способ управления емкостью управляемой конденсаторной группы.
Сущность предлагаемого устройства управления емкостью управляемой конденсаторной группы поясняется чертежом фиг. 2, на котором приведена схема построения устройства управления емкостью управляемой конденсаторной группы, построенного на основе четырех конденсаторов, пяти двунаправленных тиристорных ключей и одного токоограничивающего реактора.
На фиг. 3 представлены временные диаграммы, поясняющие алгоритм работы устройства фиг. 2 при управлении емкостью управляемой конденсаторной группы с помощью переключения двунаправленных тиристорных ключей.
В соответствии с фиг. 1, управляемая конденсаторная группа 1 построена на основе конденсаторно-тиристорной группы 2, состоящей из конденсаторов и двунаправленных тиристорных ключей и дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 3, подключенного параллельно выводам конденсаторно-тиристорной группы 2. Последовательно с источником питания и управляемой конденсаторной группой 1 включен токоограничивающий реактор 4. Параллельно управляемой конденсаторной группе 1 подключен блок измерения синусоидального напряжения 5, выход которого соединен с входом блока синхронизации 6. Блок задания величины емкости 7 управляемой конденсаторной группы 1 соединен с входом блока 8 определения набора переключаемых тиристоров, а выход блока 8 соединен с первым входом блока 9 управления тиристорами двунаправленных тиристорых ключей, второй вход которого соединен с выходом блока синхронизации 6. Выход блока 9 соединен с тиристорами двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы 1.
Устройство управления емкостью управляемой конденсаторной группы, реализующее предложенный способ управления, приведено на фиг. 2, где управляемая конденсаторная группа 1 состоит из конденсаторно -тиристорной группы 2 и параллельно подключенного к ее выводам дополнительного двунаправленного тиристорного ключа 3. Токоограничивающий реактор 4 включен последовательно с управляемой конденсаторной группой 1 и источником питания. Блок 5 измерения синусоидального напряжения включен параллельно управляемой конденсаторной группе 1 и его выход соединен с входом блока синхронизации 6. Выход блока 7 задания величины емкости управляемой конденсаторной группы 1 соединен со входом блока 8 определения набора переключаемых тиристоров. Выход блока 8 подключен к первому входу блока 9 управления тиристорами двунаправленных тиристорных ключей, второй вход блока 9 соединен с выходом блока синхронизации 6. Конденсаторно-тиристорная группа 2 образована параллельным соединением четырех ветвей, каждая из которых содержит последовательное соединение двунаправленного тиристорного ключа и конденсатора. Первая ветвь конденсаторно-тиристорной группы 2 содержит двунаправленный тиристорный ключ 10 и конденсатор 11, вторая ветвь конденсаторно-тиристорной группы 2 содержит двунаправленный тиристорный ключ 12 и конденсатор 13, третья ветвь конденсаторно-тиристорной группы 2 содержит двунаправленный тиристорный ключ 14 и конденсатор 15, четвертая ветвь конденсаторно-тиристорной группы 2 содержит двунаправленный тиристорный ключ 16 и конденсатор 17. Входы управления тиристоров двунаправленных тиристорных ключей 3, 10, 12, 14, 16, соединены с выходом блока 9 управления тиристорами двунаправленных тиристорных ключей.
Способ управления управляемой конденсаторной группой и устройство для его осуществления работают следующим образом:
Способ использует измерение с помощью блока 5 синусоидального напряжения, приложенного к управляемой конденсаторной группе 1, синхронизацию процессов изменения импульсов управления тиристоров двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы 1 в моменты времени достижения напряжения на управляемой конденсаторной группе 1 нулевого уровня. При этом, по заданию требуемой величины емкости управляемой конденсаторной группы с выхода блока 7, блок 8 определяет состояние тиристоров управляемой конденсаторной группы 1, соответствующее новому заданному значению емкости управляемой конденсаторной группы 1. Блок 9 управления тиристорами двунаправленных тиристорных ключей осуществляет формирование импульсов управления тиристоров управляемой конденсаторной группы 1 синхронизированно с приложенным к ней синусоидальным напряжением в моменты времени достижения напряжения нулевого уровня.
Процесс изменения емкости управляемой конденсаторной группы 1 всегда синхронизируется с моментом времени достижения синусоидальным напряжением на конденсаторной группе 1 нулевого уровня. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы фиг. 2 при изменении емкости управляемой конденсаторной группы 1 приведены на фиг. 3.
При появлении запроса на изменение величины емкости управляемой конденсаторной группы 1 от блока 7 задания величины емкости управляемой конденсаторной группы, блок 8 определяет новое состояние тиристоров двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы 1, соответствующее обеспечению требуемой величины емкости управляемой конденсаторной группы 1 и формирует запрос в блок 9 управления тиристорами двунаправленных тиристорных ключей на изменение их состояния. Блок 9 анализирует появление запросов на изменение состояния тиристоров двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы 1 и инициализирует процесс изменения состояния тиристоров.
При достижении напряжения на управляемой конденсаторной группе нулевого уровня (момент времени t1 на фиг. 3) блок 9 управления тиристорами двунаправленных тиристорных ключей снимает импульсы управления со всех тиристоров двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы 1. До момента t2 токи в тиристорно-конденсаторной группе 2 будут продолжать протекать через тиристоры, через которые ранее протекал ток перезаряда конденсаторов. В момент времени t2 ток в проводивших ранее тиристорах спадет к 0, тиристоры выключаются, и напряжение на конденсаторах, участвующих в формировании эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы 1 достигнет максимального значения, равного максимальному значению приложенного к управляемой конденсаторной группе 1 напряжения. В течение одного периода синусоидального напряжения блок 9 управления тиристорами двунаправленных тиристорных ключей не подает импульсы управления на тиристоры двунаправленных тиристорных ключей управляемой конденсаторной группы 1 и напряжение на конденсаторах управляемой конденсаторной группы держится на максимальном уровне. В момент времени t3, когда приложенное синусоидальное напряжение к управляемой конденсаторной группе 1 достигнет в очередной раз нулевого уровня и начнет возрастать, блок 9 управления тиристорами двунаправленных тиристорных ключей, за счет включения соответствующих тиристоров в двунаправленных тиристорных ключах управляемой конденсаторной группы 1, обеспечивает возврат остаточной энергии, накопленной в конденсаторах в источник питания. Этот процесс можно пояснить на примере возврата в источник питания энергии заряженного до максимального значения напряжения конденсатора 11 в схеме фиг. 2. Полярность напряжения на конденсаторе 11 указана на фиг. 2. В момент времени t3 блок 9 подает импульсы управления на правые тиристоры, входящие в состав двунаправленных тиристорных ключей 3 и 10. На интервале времени t3-t4 происходит колебательный процесс разряда конденсатора 11 по контуру: правое плечо двунаправленного тиристорного ключа 10, токоограничивающий реактор 4, источник питания. При этом правый тиристор двунаправленного тиристорного ключа 3 заперт отрицательным для него напряжением на конденсаторе 11. В момент времени t4, когда напряжение на конденсаторе 11 достигает нулевого уровня, начинает проводить ток тиристор правого плеча двунаправленного тиристорного ключа 3, фиксируя при этом напряжение на конденсаторе 11 на нулевом уровне. При этом на интервале времени t4-t5 запасенная в токоограничивающем реакторе 4 энергия будет передаваться в источник питания по контуру: токоограничивающий реактор 4, источник питания, тиристор, образующий правое плечо двунаправленного тиристорного ключа 3. В момент времени спада тока в токоограничивающем реакторе 4 к 0 (момент времени t5 на фиг. 3) тиристор правого плеча двунаправленного тиристорного ключа 3 запирается и процесс рекуперации энергии накопленной в конденсаторе в источник питания прекращается. С момента времени t5 управляемая конденсаторная группа готова к переключению тиристоров в новое состояние, соответствующее новому требуемому значению эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы 1.
В момент времени t6, когда напряжение на управляемой конденсаторной группе 1 достигает нулевого уровня, блок 9 управления тиристорами двунаправленных тиристорных ключей осуществляет изменение состояния тиристоров управляемой конденсаторной группы 1. При этом все конденсаторы управляемой конденсаторной группы 1, участвующие в формировании эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы 1 будут иметь нулевое начальное напряжение.
Подводя итог вышесказанному, следует подчеркнуть, что процесс изменения емкости управляемой конденсаторной группы 1 синхронизируется в моменты времени достижения напряжения на конденсаторной группе 1 нулевого уровня и состоит из двух этапов. На первом этапе (интервал времени t1-t6) происходит подготовка управляемой конденсаторной группы 1 к изменению эквивалентной емкости и осуществляется рекуперация запасенной энергии в конденсаторах в источник питания. На втором этапе (момент времени t6) осуществляется переключение двунаправленных тиристорных ключей 10, 12, 14, 16 управляемой конденсаторной группы 1 в новое состояние, соответствующее новому значению эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы 1, при отсутствии начальных напряжений на конденсаторах управляемой конденсаторной группы.
Таким образом, наличие одного токоограничивающего реактора 4 позволяет с одной стороны ограничивать токи, протекающие от источника питания при любых переключениях конденсаторов (11, 13, 15 и 17), а с другой стороны, обеспечивать нулевое напряжение на всех конденсаторах к моменту формирования нового значения эквивалентной емкости управляемой конденсаторной группы. Это обеспечивает достижение технического результата, направленного на упрощение устройства, уменьшение его массо-габаритных показателей и стоимости, а также увеличение к.п.д. и надежности.