СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МНОГОФАЗНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ СИММЕТРИРОВАНИИ ТОКОВ ПО ЗАДАННОЙ ФАЗЕ
METHOD FOR IMPROVEMENT OF QUALITY OF ELECTRIC ENERGY OF MULTIPHASE SYSTEM IN BALANCING OF CURRENTS BY SPECIFIED PHASE

Способ относиться к электротехнике и может быть использован для повышения качества электроэнергии в многофазных системах энергоснабжения с нагрузками, параметры которых изменяются во времени, за счет расширения диапазона регулирования реактивной мощности, стабилизации коэффициента мощности на уровне любого заранее заданного значения, осуществляемой совместно с повышением эффективности симметрирования за счет повышения быстродействия и упрощения реализации.
Известно устройство (1), используемое для повышения качества электрической энергии, содержащее тиристорный источник реактивной мощности, выполненный в виде тиристорного моста, в одну диагональ которого включены две обмотки управления управляемого реактора, а в другую диагональ включен резистор. Способ-аналог обладает недостатками, основными из которых являются низкая экономичность и ограниченный диапазон регулирования реактивной мощности.
Известен способ автоматического симметрирования напряжения на погружном асинхронном двигателе, реализованный в устройстве (2), посредством которого симметрируют напряжение на зажимах потребителя за счет регулирования сопротивления цепи питания отдельных фаз. Данный способ наиболее близок по технической сущности к заявленному и поэтому принят в качестве прототипа. Известный способ-прототип обладает недостатками, заключающимися в низком кпд и низком быстродействии. Кроме того, в способе-прототипе не предусмотрена компенсация реактивной мощности.
Задача, решаемая изобретением - повышение качества электрической энергии основной n-фазной системы путем расширения диапазона регулирования реактивной мощности, стабилизации коэффициента мощности на уровне любого заранее заданного значения, осуществляемой совместно с симметрированием, повышения эффективности которого достигают за счет увеличения быстродействия, упрощения реализации и повышения экономичности.
Задача, решаемая изобретением - повышение качества электрической энергии основной n-фазной системы путем расширения диапазона регулирования реактивной мощности, повышения экономичности и стабилизации коэффициента мощности на уровне любого заранее заданного значения, осуществляемой совместно с симметрированием, повышения эффективности которого достигают за счет увеличения быстродействия и упрощения реализации.
Это достигается тем, что предложенный способ осуществляют последовательно, в два этапа, и при этом на первом этапе в основной n-фазной системе с помощью дополнительного n-фазного источника мощности стабилизируют коэффициент мощности на уровне необходимого значения посредством генерации в заданную фазу, выбранную предварительно и определенную в качестве опорной, тока, модуль и фазовый угол которого формируют предварительно таким образом, чтобы геометрическая сумма токов - генерируемого тока и тока нагрузки опорной фазы - была бы равна модулю упомянутого тока нагрузки, а фазовый угол, образованный суммарным током опорной фазы и ее напряжением, был бы равен заданному, а на втором этапе несимметричную n-фазную нагрузку симметрируют относительно тока в опорной фазе, равного суммарному току последней, путем генерации в каждую симметрируемую фазу основной n-фазной сети с помощью упомянутого n-фазного источника мощности токов, у которых предварительно формируют модуль и фазовый угол таким образом, чтобы в каждой из симметрируемых фаз геометрическая сумма соответствующего упомянутого генерируемого тока и тока, являющегося током нагрузки соответствующей фазы, была бы равна модулю суммарного тока опорной фазы, полученного геометрическим сложением в опорной фазе генерируемого в нее тока и тока ее нагрузки, а угол, образованный суммарным током опорной фазы и током, равным геометрической сумме токов в фазе, следующей по порядку за опорной, при прямом чередовании фаз, а также между суммарными токами соседних (n-1) симметрируемых фаз, был бы равен 360/n эл. градусов. Выбор опорной фазы осуществляют в зависимости от сочетания комплексных нагрузок отдельных фаз n-фазной сети. В качестве опорной выбирают либо фазу с током нагрузки, близким к среднему, либо наименее нагруженную фазу.
Суть способа определяется следующим. Как известно, для большинства потребителей переменного тока нормальная их работа связана с потреблением реактивной мощности. При этом факт потребления реактивной мощности связан с увеличением потерь электроэнергии в элементах энергоснабжения, обладающих реактивным сопротивлением, по которым осуществляется ее транзит, а также увеличением потерь напряжения на зажимах потребителя. То обстоятельство, что колебание реактивной мощности, необходимое для нормальной работы потребителя, можно сосредоточить в специальном контуре, освободив от нее полностью или частично питающий контур энергосистемы, привело к созданию ряда способов компенсации реактивной мощности.
В основе предлагаемого способа компенсации реактивной мощности в n-фазной системе заложен принцип, согласно которому необходимую потребителю реактивную мощность на первом этапе компенсируют только в одной фазе, выбранной в качестве опорной, доводя при этом коэффициент мощности до необходимой величины. Последнее осуществляют с помощью дополнительного n-фазного источника мощности посредством генерации в опорную фазу тока с необходимым модулем и фазовым углом. Недостающую реактивную мощность в остальных (n-1) фазах компенсируют, симметрируя последние относительно тока опорной фазы. Кроме того, в некоторых случаях, когда предварительно, в зависимости от сочетания комплексных нагрузок отдельных фаз, в качестве опорной выбирается одна из фаз - либо фаза с током нагрузки, близким к среднему, либо наименее нагруженная фаза, мощность, отбираемая от n-фазной симметрируемой системы, является оптимальной.
На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявляемого способа. На схеме введены следующие обозначения:
1 - основная n-фазная система питания
2 - несимметричная нагрузка
3, 4, 5 - датчики формы тока фаз
6 - первый фазосдвигающий блок
7 - второй фазосдвигающий блок
8 - первый блок формирования разностных сигналов
9 - дополнительный источник мощности
10 - логический блок анализа опорной фазы
11 - датчик опорной фазы
12 - третий фазосдвигающий блок
13 - блок формирования заданного фазового угла
14 - второй блок формирования разностного сигнала
Предлагаемый способ рассмотрен на примере трехфазной системы и осуществляется следующим образом.
Предварительно в зависимости от ситуации (в зависимости от соотношения комплексов нагрузок) в качестве опорной выбирается одна из фаз - либо фаза с током нагрузки, близким к среднему, либо наименее нагруженная фаза, и в дальнейшем симметрирование осуществляется относительно последней. На первом этапе осуществления способа в зависимости от постановки задачи симметрирования логическим блоком анализа заданной фазы 10 посредством сравнения токов отдельных фаз из них выбирается опорная фаза - либо фаза с током нагрузки, близким к среднему, либо наименее нагруженная фаза. При этом на группу информационных входов блока 10 с выходов датчиков формы тока фаз 3, 4 и 5 поступают сигналы, пропорциональные форме сигналов тока фаз трехфазной симметрируемой системы. На выходе блока 10 формируются управляющие сигналы запрета (разрешения) работы отдельных модулей. Отсутствие сигналов запрета на отдельных выходах блока 10 равносильно присутствию на последних сигналов разрешения. Сигналы запрета (разрешения) поступают, в том числе, и на управляющие входы датчика опорной фазы 11, на информационные входы которого поступают сигналы, пропорциональные напряжениям питающих фаз. В блоке 11 из напряжений питающих фаз формируют эталонные сигналы тока, которые имеют нулевой сдвиг по отношению к своим напряжениям и имитируют чисто активную форму нагрузки. Ввиду того что поступающие с выхода блока 10 сигналы запрета (разрешения) блокируют в блоке 11 сигналы всех фаз, кроме опорной, на выходе последнего присутствует только один сигнал - сформированный эталонный сигнал опорной фазы. Допустим, предварительно определили, что симметрирование будет происходить относительно наименее нагруженной фазы, т.е. фазы с минимальным током нагрузки, и посредством блока 10 было определено, что это фаза «А». Таким образом, начало первого этапа осуществления предложенного способа для рассматриваемого примера завершается выбором опорной фазы «А», в которой ток нагрузки является минимальным, и формированием соответствующего ей эталонного сигнала тока. Далее, посредством третьего фазосдвигающего блока 12 и блока формирования заданного фазового угла 13 задают фазовый угол эталонного сигнала и таким образом формируют необходимый коэффициент мощности основной трехфазной системы. Затем посредством второго блока разностного сигнала 14 из сигнала, пропорционального току опорной фазы, и скорректированного эталонного сигнала формируют разностный сигнал. При этом на первую группу информационных входов блока 14 поступают сигналы с выходов датчиков 3, 4 и 5, на вторую группу информационных входов последнего поступают сформированные и, при необходимости, скорректированные эталонные сигналы токов, пропорциональные напряжениям питающих фаз, а на управляющие входы блока 14- сигналы запрета (разрешения), поступающие с выхода блока 10. Но ввиду того, что в блоке 14, как и в блоке 11, сигналы запрета (разрешения), поступающие с выхода блока 10, блокируют сигналы всех фаз, кроме опорной, на выходе блока 14 присутствует только один сигнал - разностный сигнал, являющийся результатом сравнения сигнала, пропорционального току опорной фазы, и скорректированного при необходимости эталонного сигнала. В общем случае, эталонный сигнал может и не корректироваться по фазе, тогда будет достигнуто значение коэффициента мощности, равное единице, что будет соответствовать чисто активной нагрузке опорной фазы. В данном случае, на выходе блока 14 присутствует разностный сигнал, сформированный из эталонного сигнала опорной фазы «А» и сигнала, поступающего с блока 3, пропорционального току фазы «А». С выхода блока 14 сформированный разностный сигнал, являющийся сигналом управления, поступает на управляющий вход, соответствующий фазе «А», цепи управления дополнительного источника мощности 9, посредством которого подается в опорную фазу «А». Таким образом, в результате последовательности действий, произведенных в соответствии с первым этапом заявленного способа, осуществляется регулируемая компенсация реактивной мощности в опорной фазе. При этом таким образом задается коэффициент мощности для всей основной симметрируемой трехфазной системы.
Далее, в соответствии со вторым этапом реализации заявленного способа осуществляется симметрирование трехфазной системы относительно опорной, минимально нагруженной фазы «А», в которой задан коэффициент мощности основной трехфазной системы, т.е. суммарный ток в опорной фазе имеет заданный фазовый сдвиг относительно своего напряжения. Как уже было показано, в соответствии с первым этапом реализации заявленного способа на выходе блока 10 формируются управляющие сигналы запрета (разрешения) работы блоков и модулей, обуславливающих функциональный выбор предварительно заданной опорной фазы. Кроме этого, эти же управляющие сигналы обуславливают выбор фазы, в которой посредством дополнительного источника 9 осуществляется управляемая компенсация реактивной мощности, и таким образом задается коэффициент мощности всей системы. Для случая рассматриваемого примера в качестве опорной фазы выбирается минимально нагруженная фаза «А». Далее необходимо отметить, что в соответствии со вторым этапом реализации заявленного способа посредством этих же управляющих сигналов запрета (разрешения), сформированных блоком 10, обеспечивается логическая привязка осуществляемой функции симметрирования в трехфазной системе к предварительно заданной опорной фазе. При этом с выхода блока 10 управляющие сигналы запрета (разрешения) поступают в том числе на группу управляющих входов отдельных модулей логического блока формирования разностных сигналов 8. Блоки 6, 7, участвующие в формировании сигнала на выходе блока 8, состоят из модулей, относящихся к какой-то определенной фазе. Так, например, модули 6.1 и 7.1 относятся к фазе «А», модули 6.2 и 7.2 - к фазе «В», модули 6.3 и 7.3 - к фазе «С». В блоке 7 сигналы, пропорциональные токам фаз «А», «В» и «С», сдвигаются на угол, равный 180 эл. градусам (инвертируются), по отношению к сигналам на выходах блоков 3, 4 и 5. Блок 6, в общем случае, состоит из n×2 -фазосдвигающих цепочек - на каждую фазу по 2 (в каждый модуль входят по 2 фазосдвигающие цепочки). В работе постоянно задействованы только две из них, т.е. только один определенный модуль. Пара таких цепочек или модуль, в который они входят, активируются в зависимости от того, какая из фаз выбирается в качестве опорной. Каждой парой фазосдвигающих цепочек сигнал, пропорциональный сигналу тока опорной фазы, в общем случае сдвигается соответственно на угол , где m - порядковый номер фазы, следующей за опорной при прямой последовательности чередования фаз, n - количество фаз в системе. В данном случае одной из цепочек отдельного модуля упомянутый сигнал сдвигается соответственно на 120, другой - на 240 эл. градусов, в зависимости от порядкового номера фазы, следующей за опорной, при прямом чередовании фаз, для симметрирования которых он будет использован. С выхода блока 6 сигналы, пропорциональные току опорной, наименее нагруженной фазы, и сдвинутые на 120 и 240 эл. градусов соответственно, поступают на первую группу информационных входов блока формирования разностных сигналов 8, на вторую группу информационных входов которого поступают сигналы, пропорциональные форме токов нагрузок симметрируемых фаз, сформированные в датчиках формы тока фаз 3, 4 и 5 и проинвертируемые на 180 эл. градусов вторым фазосдвигающим блоком 7. Блок 8 также, в общем случае, состоит из n×2 суммирующих цепочек. При этом постоянно в работе задействованы только две из них, относящиеся к соответствующим фазам. Так, для данного случая сдвинутый на 120 эл.градусов сигнал фазы «А» может взаимодействовать (суммироваться) только с сигналом фазы «В», проинвертированным на 180 эл. градусов, сдвинутый на 240 эл. градусов сигнал фазы «А» может суммироваться только с сигналом фазы «С», проинвертированным на 180 эл. градусов, и т.д., согласно логике работы схемы и принципу заявляемого способа. При этом выбор пар цепочек блока 8 или, что-то же самое, модуля, в который они входят, осуществляется управляющими сигналами, поступающими от блока 10, в зависимости от выбранной опорной фазы.
Логика взаимодействия упомянутых выше блоков состоит в следующем. При задании в качестве опорной фазы «А» на выходе блока 10 формируется комбинация сигналов, обозначающих запрет модулей 8.2 и 8.3. Таким образом, в работе остается единственный модуль 8.1, на выходе которого присутствуют два сигнала, один из которых является суммой сдвинутого на 120 эл. градусов сигнала опорной фазы «А», и проинвертированного на 180 эл. градусов сигнала фазы «В», а второй - суммой сдвинутого на 240 эл. градусов сигнала опорной фазы «А», и проинвертированного на 180 эл. градусов сигнала фазы «С». Таким образом, на выходе блока 8 формируются сигналы, пропорциональные векторной разности сигнала опорной, минимально нагруженной фазы «А» и сигналов нагрузки симметрируемых фаз «В» и «С». Данные две пары векторных разностей токов и являются сформированными сигналами, используемыми для симметрирования фаз, геометрическая сумма которых и токов нагрузки каждой из соответствующих фаз и дает токи, пропорциональные току опорной фазы, а фазовый угол, образованный упомянутой геометрической суммой токов и суммарным током опорной фазы, а также между суммарными токами соседних симметрируемых фаз, составляет 120 эл. градусов. Таким образом, мы получаем полностью симметричную систему сформированных сигналов токов, пропорциональных токам симметрируемой трехфазной системы, относительно минимально нагруженной фазы «А» с заданным коэффициентом мощности. С выхода блока 8 сформированные сигналы управления поступают на управляющие входы, соответствующие симметрируемым фазам «В» и «С», цепей управления дополнительного источника мощности 9, посредством которого подаются в симметрируемые фазы. В качестве источника 9 может быть использована например, система с двойным преобразованием энергии, включающая ШИМ-выпрямитель, ШИМ-инвертор и содержащая промежуточное звено постоянного тока. С выхода блока 8 сформированные сигналы управления поступают на управляющие входы, соответствующие симметрируемым фазам «В» и «С», цепей управления дополнительного источника мощности 9, посредством которого подаются в симметрируемые фазы. В случае если в результате анализа соотношения комплексов нагрузок установлено, что симметрирование будет происходить относительно фазы, ток которой близок к среднему по отношению к токам других фаз, то она определяется в качестве опорной, логика реализации способа симметрирования при этом остается такой же, как и в случае с минимально нагруженной фазой.
Таким образом, в результате поэтапной последовательности действий, произведенных в соответствии с заявленным способом, посредством дополнительного источника мощности в основной n-фазной сети производится компенсация реактивной мощности, осуществляемая на уровне любого предварительно заданного значения, совместно с симметрированием системы, относительно фазы, предварительно выбранной в качестве опорной - либо минимально нагруженной фазы, либо фазы с током нагрузки, близким к среднему. При этом повышения качества электрической энергии основной n - фазной системы при использовании заявленного способа добиваются путем расширения диапазона регулирования реактивной мощности, стабилизации коэффициента мощности на уровне любого заранее заданного значения, осуществляемой совместно с повышением эффективности симметрирования многофазной системы за счет повышения быстродействия, упрощения реализации и повышения экономичности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.С. СССР №1823072, Бюл. №23, 23.06.1993, Кл. Н02J 3/18, 3/26, 1993.
2. А.С. СССР №562038, Бюл. №22, 14.07.1977, Кл. Н02J 3/26, 1977.