СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В N-ФАЗНОЙ СИСТЕМЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ (ВАРИАНТ 2)
METHOD TO INCREASE QUALITY AND EFFICIENCY OF POWER USAGE IN N-PHASE POWER SUPPLY SYSTEM (VERSION 2)

Способ относится к энергетике и может быть использован для повышения качества и эффективности использования электроэнергии в n-фазных системах энергоснабжения.
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 - резистор. Способ-аналог обладает недостатками, основными из которых являются низкая экономичность и ограниченный диапазон регулирования реактивной мощности.
Известен способ (2) повышения качества электроэнергии, заключающийся в том, что из «напряжения электрической сети выделяют первую и высшие гармонические составляющие, выпрямляют их, преобразуют выпрямленное напряжение в переменное с частотой, равной частоте основной гармоники сети, и возвращают переменное напряжение в электрическую сеть». Известный способ, принятый в качестве прототипа, обладает рядом недостатков, главные из которых заключаются в следующем. В известном способе для повышения качества электроэнергии авторами предлагается компенсация высших гармонических составляющих напряжения. Однако известно, что процентное содержание гармоник в питающем напряжении не повторяет процентного содержания гармоник в токе, протекающем в энергосистеме, который формируется под воздействием нелинейной нагрузки. Известно также, что именно ток, отбираемый нелинейной нагрузкой, определяет гармонический состав и процентное содержание гармоник в сети энергоснабжения. Таким образом, существенного уменьшения амплитуд высших гармоник в фазах энергосистемы, при осуществлении известного способа-аналога, не произойдет. Ограниченность известного способа заключается: в «снижении» уровней напряжений гармоник строго определенных частот; невозможности компенсации в энергосистеме реактивной мощности. Кроме того, дополнительные непроизводительные потери мощности, при осуществлении способа-прототипа, обусловлены использованием силового трансформатора. Следует также отметить, что ни способ-аналог, ни способ-прототип не предусматривают пофазного выравнивания токовых нагрузок.
Задача, решаемая изобретением - повышение качества и эффективности использования электроэнергии, посредством: повышения эффективности процесса компенсации высших гармонических составляющих (за счет компенсации высших гармонических составляющих в спектре тока, отбираемого нелинейной нагрузкой); снижения непроизводительных потерь электроэнергии, вызванных реактивными токами основной и высших гармоник; использования для осуществления процесса компенсации высших гармонических составляющих тока, реактивной энергии гармоники основной частоты; пофазное выравнивание токовых нагрузок.
Это достигается тем, что согласно предложенному способу, эквивалентный компенсирующий ток, включающий токи группы высших гармонических составляющих, эквивалентных токам высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить, для каждой из фаз n-фаз системы энергоснабжения формируют, либо за счет извлекаемой самостоятельно реактивной составляющей мощности, отбираемой нелинейной нагрузкой, либо за счет извлекаемых совместно реактивной и доли активной составляющих, причем последнюю извлекают минимум из одной фазы, составляющей группу симметрируемых фаз, таким образом, чтобы оставшийся в каждой из фаз упомянутой группы ток гармоники основной частоты, отбираемый несимметричной нагрузкой, имел бы величину модуля, равную, либо заранее заданной, либо равную величине модуля тока в опорной фазе, которую предварительно определяют из n-питающих фаз несимметричной системы энергоснабжения по условию максимального значения модуля тока гармоники основной частоты. При этом и реактивную, и активную составляющие тока гармоники основной частоты извлекают посредством n-фазного полностью управляемым ШИМ-выпрямителя, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, которую после преобразования в энергию постоянного тока используют для формирования упомянутого эквивалентного компенсирующего тока.
На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявленного способа. При этом введены следующие обозначения.
1 - n-фазная энергосистема
2 - нелинейная нагрузка
3 - n-фазный полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель
4 - емкостный накопитель
5 - n-фазный дополнительный источник мощности
6, 7, 8 - датчики тока фаз
9,10, 11 - датчики питающего напряжения
12, 13, 14 - блоки формирования логического сигнала
15, 16, 17 - блоки формирования модулирующего сигнала
18 - датчик напряжения
19 - n-фазный блок смесителей
20, 29, 32 - блоки фазоинверторов
21, 22, 23 - фильтры гармоники основной частоты
24 - n-фазный блок формирования активной составляющей сигнала управления
25 - n-фазный блок задания групп компенсируемых гармоник
26 - n-фазный блок фазоинверторов
27, 28, 30, 31, 33, 34 - фазокорректирующие цепи
35, 36, 37, 40, 41, 44, 45, 57 - выпрямители
38, 39, 43, 46, 48, 49 - блоки определения опорной фазы (компараторы)
42, 47, 50 - логические элементы формирования сигнала опорной фазы
51, 52, 53, 54, 55, 56 - блоки формирования сигналов симметрируемых фаз
58, 59, 60, 61, 62, 63 - блоки восстановления фазы модулирующего сигнала соответствующей симметрируемой фазы
64, 65, 66 - блоки формирования управляющих сигналов фаз
67 - блок задания внешних, пофазных регулирующих воздействий
68 - n-фазный блок емкостных накопителей
69 - n-фазный блок выпрямителей
Суть заявленного способа заключается в следующем. В процессе отбора мощности несимметричной нелинейной нагрузкой, в фазах энергосистемы, протекают различные по модулю и фазе токи, спектр которых составляют основная и высшие гармоники. При этом знак мгновенной мощности их реактивных составляющих, в течение четверти своего периода изменяется на противоположный. Этот факт связан с тем, что часть энергии, запасенная в электрическом или магнитном поле реактивной нагрузки, возвращается назад в источник в виде упомянутых реактивных составляющих тока. Протекание реактивных токов в индуктивных нагрузках обеспечивается действием ЭДС самоиндукции, в емкостных - напряжением, накопленным в электрическом поле емкости. При этом знаки питающего напряжения и ЭДС самоиндукции, а также питающего напряжения и напряжения на емкостной составляющей нагрузки, как известно, противоположны. Отрицательный эффект, связанный с реактивными токами, как известно, заключается в дополнительных непроизводительных потерях энергии в энергосистеме.
В соответствии с заявленным способом, задача повышения качества и эффективности использования электроэнергии решается путем компенсации токов, выбранной заранее группы высших гармонических составляющих, за счет либо извлекаемой самостоятельно реактивной составляющей мощности тока гармоники тока основной частоты, отбираемой нелинейной нагрузкой, либо за счет извлекаемых совместно реактивной и доли активной составляющих. При этом активную составляющую тока основной частоты извлекают минимум из одной фазы, составляющей группу симметрируемых фаз, посредством симметрирующих токов, таким образом, чтобы оставшийся в каждой из фаз упомянутой группы - ток гармоники основной частоты, отбираемый несимметричной нагрузкой, имел бы величину модуля, равную, либо заранее заданной, либо равную величине модуля тока в опорной фазе, которую предварительно определяют из n-питающих фаз несимметричной системы энергоснабжения по условию максимального значения модуля тока гармоники основной частоты. При этом определяется фаза (опорная фаза), по которой к несимметричной нагрузке протекает ток с наибольшим модулем, и предполагается, что последняя наиболее перегружена током. Выбранная фаза определяется как «опорная» фаза. При этом посредством использования мощности токов двух других недогруженных фаз, не являющихся опорной фазой, посредством извлечения из последних активных токов, осуществляется выравнивание по величине модулей токов, протекающих по отдельным фазам энергосистемы. Таким образом, в энергосистеме осуществляется симметрирование относительно модулей фазных токов. Токи, посредством которых осуществляется отбор активной составляющей мощности, характеризуются как симметрирующие токи, а фазы, из которых осуществляется их отбор - симметрируемые фазы. В те моменты времени, когда нагрузка в энергосистеме проявляет реактивный характер, из потока мощности извлекают реактивный ток гармоники основной частоты и используют его энергию, либо самостоятельно, либо совместно с активной энергией гармоники основной частоты, для формирования эквивалентного компенсирующего тока, включающего токи группы высших гармонических составляющих, эквивалентных токам высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить. Упомянутый компенсирующий ток формируют и генерируют в энергосистему посредством дополнительного источника мощности, в качестве которого предлагается использовать ШИМ-инвертор, управляемый модулирующим сигналом, формируемым для каждой из фаз отдельно, посредством сигналов, пропорциональных геометрической сумме токов компенсируемых высших гармонических составляющих. В случае если в энергосистеме, суммарная мощность группы компенсируемых гармоник больше мощности реактивной составляющей гармоники тока основной частоты, последняя извлекается из энергосистемы совместно с долей его активной составляющей, и при этом обе составляющие, после преобразования в энергию постоянного тока, используются для питания упомянутого дополнительного источника мощности. Доля активной мощности извлекается посредством симметрирующих токов из симметрируемых фаз, таким образом, чтобы оставшийся в каждой из них ток гармоники основной частоты, отбираемый несимметричной нагрузкой, имел бы величину модуля, равную, либо заранее заданной, либо равную величине модуля тока в опорной фазе. Следует отметить, что токи в симметрируемых фазах симметрируют относительно заранее заданной величины модуля тока гармоники основной частоты, в том случае, если несимметрия в энергосистеме значительна, а суммарная мощность группы компенсируемых токов высших гармоник, по сравнению с ней мала. Отбор мощности от симметрируемых фаз осуществляется посредством полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения величины извлекаемого симметрирующего тока. Протекание реактивных токов в каждом из его плеч, в каждый полупериод питающего напряжения, обеспечивается, действием ЭДС самоиндукции или напряжением на емкостной составляющей нагрузки. Управление транзисторами осуществляют посредством модулирующего сигнала с заданными характеристиками. Использование транзисторов при выпрямлении токов позволяет использовать их управляющие свойства относительно последних. При этом посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, осуществляется избирательное выпрямление тока, в заданных количествах, определяемых сигналом управления.
Осуществление заявленного способа рассмотрено на примере трехфазной системы. С выходов датчиков 6, 7, 8, сигналы, пропорциональные несинусоидальным токам, отбираемым нелинейной нагрузкой 2 от фаз «A, B и C», поступают, в том числе, на вход n-фазного блока задания групп компенсируемых гармоник 25, посредством которого, для каждой из фаз, заранее, задают спектр гармоник, долю которых необходимо уменьшить, посредством снижения их уровней, методом регулируемой компенсации. При этом блок 25 может представлять собой группу фильтров (по числу фаз), посредством которых из сигнала, отбираемого нагрузкой 2, из каждой из фаз, выделяют спектр компенсируемых гармоник. Далее, сформированные таким образом сигналы поступают на соответствующие входы n-фазного блока (по числу фаз) фазоинверторов 26, посредством которого инвертируются на 180 эл. градусов, и далее, с его выходов, поступают на управляющие входы n-фазного (по числу фаз) дополнительного источника мощности 5, соответствующие фазам «A, B и C», посредством которого в каждую из них генерируются эквивалентные компенсирующие токи, включающие токи группы высших гармонических составляющих, эквивалентных токам высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить, и находящиеся по отношению к ним в противофазе. Сформированные таким образом, управляющие соответствующими фазами источника мощности 5, модулирующие сигналы управления, пропорциональны геометрической сумме токов компенсируемых высших гармонических составляющих, спектр которых задается изначально, для каждой из соответствующих фаз энергосистемы, описанным выше способом, посредством блока 25. Для каждой из фаз энергосистемы, упомянутые эквивалентные компенсирующие токи, формируются либо за счет извлекаемой из энергосистемы самостоятельно энергии реактивной составляющей гармоники основной частоты, либо за счет совместно извлекаемых, реактивной и активной составляющих ее мощности. При этом упомянутые составляющие мощности тока основной частоты извлекают из каждой из фаз энергосистемы 1, посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, и после преобразования в энергию постоянного тока посредством емкостного накопителя 4, используются для питания n-фазного дополнительного источника мощности 5. Состав энергии, используемой для его питания, определяется посредством датчика 18, в зависимости от соотношения мощностей: реактивной составляющей мощности гармоники основной частоты и мощности, необходимой для компенсации гармонических составляющих, путем измерения последним снимаемого с емкостного накопителя 4 напряжения. При этом изначально его величину ставят в зависимость от извлекаемой из энергосистемы мощности, таким образом, что если извлекаемой реактивной составляющей мощности достаточно для формирования эквивалентных компенсирующих токов, то на выходе емкостного накопителя 4 присутствует напряжение, блокирующее присутствие активной составляющей гармоники тока основной частоты в составе модулирующего сигнала управления ШИМ-выпрямителем 3, и при этом посредством последнего из энергосистемы 1 извлекается только реактивная составляющая мощности гармоники основной частоты, энергия которой используется для питания n-фазного (для данного рассматриваемого случая - трехфазного), дополнительного источника мощности 5, и, следовательно, для формирования эквивалентных компенсирующих токов. Рассмотрим подробней случай формирования эквивалентного тока компенсации спектра высших гармоник, посредством дополнительного источника мощности 5, только за счет энергии реактивной составляющей гармоники тока основной частоты, что характеризует ее извлеченную мощность, как достаточную для формирования эквивалентных компенсирующих токов.
С выходов датчиков тока 6, 7 и 8, сигналы, пропорциональные несинусоидальным токам, пофазно отбираемым нелинейной нагрузкой, поступают, в том числе на входы блоков 21,22, 23, представляющих собой, для каждой из них, фильтры тока основной частоты, с выхода которых, сигналы, пропорциональные токам гармоники основной частоты, поступают на входы блоков 12, 13 и 14 (количество которых соответствует количеству фаз) формирования логического сигнала, которые совместно с блоками 15, 16, и 17 формирования модулирующего сигнала участвуют в формировании последнего. Очевидно, что количество блоков 6-8, 21-23, 12-14, 15-17 соответствует количеству фаз в энергосистеме. При этом посредством упомянутых блоков, реактивная составляющая модулирующего сигнала фаз «A, B и C» формируется следующим образом. Посредством блоков: датчиков тока 6-8, блоков 21-23 и датчиков питающего напряжения 9-11 (по числу фаз энергосистемы), - формируют сигналы, пропорциональные токам основной часты и питающему напряжению. При этом в сигналах, присутствующих на выходе блоков 21-23, отсутствует синфазность по отношению к «своим» питающим напряжениям. В связи с тем, что процесс формирования реактивной составляющей модулирующего сигнала аналогичен для всех фаз энергосистемы, рассмотрим его формирование относительно фазы «A». В блоке формирования логического сигнала 12 сравниваются знаки сигналов, поступающих на его входы: с выхода блока 21 и датчика питающего напряжения 9; и на его выходе формируется цифровая последовательность нулей и единиц, причем при совпадении знаков сигналов, пропорциональных току и напряжению, на выходе блока 12 формируется логическая единица, а в остальных случаях - логический ноль. Таким образом, логическая единица соответствует той части периода, в течение которого нагрузка 2 отбирает из энергосистемы активную мощность. Далее, сигнал с выхода блока 12 поступает на один из входов блока 15 формирования модулирующего сигнала, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой 2, от соответствующей фазы, в данном случае от фазы «A». Таким образом, в те моменты, в течение которых логический ноль, поступающий с выхода блока 12, совпадает на входе блока 15 с положительной полуволной отбираемого нагрузкой 2 тока, на выходе блока 15 формируются модулирующие импульсы напряжения, пропорциональные реактивной составляющей тока, отбираемого нагрузкой 2, и синфазные по отношению к ней. Далее, сформированные для каждой из фаз, описанным способом, модулирующие сигналы управления ШИМ-выпрямителем, пропорциональные реактивной составляющей тока гармоники основной частоты, поступают на первую группу сигнальных входов n-фазного блока смесителей 19, и, затем на соответствующие управляющие входы полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3. При этом вторая группа сигнальных входов блока смесителей 19, соответствующих активной составляющей гармоники тока основной частоты, блокируется посредством сигнала, с выхода блока 18. Сигнал блокировки формируется в результате соответствия уровня напряжения в емкостном накопителе 4 заданному значению, что свидетельствует о достаточности величины мощности реактивной составляющей гармоники основной частоты, пофазно извлекаемой из энергосистемы 1, для пофазного формирования эквивалентных компенсирующих токов. При этом сигнал с выхода блока 18 блокирует второй n-фазный (для рассматриваемого случая - трехфазный) блок формирования составляющих модулирующего сигнала 24, и на его выходах сигналы отсутствуют. В течение времени действия импульсов напряжения, сформированных блоком 15, на управляющих входах полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, питание последнего осуществляется за счет: или ЭДС самоиндукции, или напряжения на емкостной составляющей нагрузки, в зависимости от ее характера. Таким образом, посредством управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3 осуществляется извлечение реактивной составляющей тока, отбираемого активно-реактивной нагрузкой 2, в форме, способствующей ее накоплению. Далее, в соответствии с заявленным способом извлеченная описанным способом, энергия реактивного тока основной частоты, накапливается в виде энергии постоянного тока, в емкостном накопителе 4, и далее используется для питания n-фазного (по числу фаз энергосистемы) дополнительного источника мощности 5, в качестве которого используется ШИМ-инвертор, посредством которого, описанным выше способом, формируют и генерируют в энергосистему эквивалентный компенсирующий ток, включающий токи группы высших гармонических составляющих, эквивалентных токам высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить. Формирование компенсирующего тока, как уже было показано выше, осуществляют для всех фаз энергосистемы аналогичным образом, посредством формируемого индивидуально, для каждой из них, модулирующего сигнала, управляющего соответствующей фазой упомянутого n-фазного, ШИМ-инвертора.
В том случае, если извлекаемой реактивной составляющей мощности недостаточно для формирования эквивалентных компенсирующих токов (в фазных токах, отбираемых нагрузкой 2, остается доля высших гармоник, нескомпенсированных описанным выше способом), то из фаз энергосистемы, дополнительно, извлекают активную составляющую тока основной частоты. При этом данный режим определяется автоматически, посредством блока 4, величина напряжения в котором, контролируется посредством датчика напряжения 18. Таким образом, если напряжение в емкостном накопителе 4 становится ниже заранее заданного значения, посредством датчика напряжения 18, на одной из групп управляющих входов блока 24 формируется напряжение, разрешающее его работу в принципе. Блок 24 может быть сформирован из группы усилителей (по одному на фазу), с возможностью их блокировки по одной группе управляющих входов, сигналами, сформированными посредством датчика напряжения 18, и с возможностью управления их коэффициентами усиления по другой группе управляющих входов. При этом на последних присутствуют напряжения, поступающие с выхода n-фазного (по числу фаз энергосистемы) блока емкостных накопителей 68, и сформированные посредством n-фазного (по числу фаз энергосистемы) блока выпрямителей 69, пропорциональные мощностям группы высших гармоник, оставшимся в каждой из фаз энергосистемы, после их компенсации, посредством эквивалентных компенсирующих токов, сформированных за счет энергии реактивной составляющей токов основной частоты. Очевидно, что мощность упомянутых высших гармоник, оставшихся в каждой из фаз, пропорциональна разности: суммарной мощности группы компенсируемых высших гармоник и мощности реактивной составляющей гармоники тока основной частоты (или мощности эквивалентных токов компенсации, сформированных за счет упомянутых реактивных составляющих). При этом в связи с тем, что управляющие блоком 24 напряжения, сформированные для каждой из фаз, посредством n-фазного блока задания групп компенсируемых гармоник 25, выделяющего из тока, пофазно отбираемого нагрузкой 2, спектр компенсируемых гармоник, и, следовательно, определяющего в каждой из фаз их остаточный уровень, - пропорциональны упомянутой разности, то формируемые коэффициенты усиления для сигналов, поступающих на сигнальные входы блока 24, с выходов блоков 64, 65 и 66, - также пропорциональны разности суммарной мощности группы компенсируемых высших гармоник и мощности реактивной составляющей гармоники тока основной частоты, для соответствующей питающей фазы. Таким образом, в случае, если на выходе блока 18 присутствует сигнал разрешения работы блока 24, поступающий на одну из групп управляющих его работой входов, на другую группу его управляющих входов поступают управляющие сигналы, пропорциональные разности суммарной мощности группы компенсируемых высших гармоник и мощности реактивной составляющей гармоники тока основной частоты, для соответствующей питающей фазы. Одновременно, на группу сигнальных входов блока 24 поступают сигналы, пропорциональные разностным активным токам гармоники основной частоты в симметрируемых и опорной фазах, определяющие активную составляющую модулирующего сигнала управления блоком 3 (долю активной мощности, извлекаемой из симметрируемых фаз посредством симметрирующих токов). Процесс формирования упомянутой активной составляющей модулирующего сигнала управления осуществляется следующим образом. При этом предполагается, что после осуществления первого этапа заявленного способа, энергосистема практически симметрична относительно фазовых углов, а в ее фазах «A, B и C» протекают активные токи основной частоты с различными модулями и доля нескомпенсированных высших гармоник. Далее осуществляется симметрирование n-фазной энергосистемы относительно модулей фазных токов путем извлечения из симметрируемых фаз, посредством симметрирующих токов - доли активной мощности, и за счет их энергии компенсация оставшейся в фазах энергосистемы доли высших гармоник. При этом выбирается фаза, по которой к несимметричной нагрузке протекает ток с наибольшим модулем. В этом случае предполагается, что данная фаза наиболее перегружена током, и она определяется как «опорная» фаза. При этом посредством отбора активной мощности n-фазным полностью управляемым транзисторным ШИМ-выпрямителем 3 (в данном рассматриваемом случае - трехфазным), минимум от одной из двух других недогруженных фаз, не являющихся опорной фазой, осуществляется выравнивание по величине модулей их токов. Таким образом, в энергосистеме осуществляют симметрирование относительно модулей фазных токов. Отбор мощности от симметрируемых фаз осуществляется в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения величины извлекаемого симметрирующего тока. При этом сигналы, пропорциональные токам гармоники основной частоты фаз «A, B и C», отбираемым от энергосистемы несимметричной нагрузкой 2, посредством датчиков токов 6, 7, и 8, и фильтров гармоники основной частоты 21, 22 и 23, поступают на входы фазоинверторов 20, 29 и 32, и, проинвертированные, поступают, соответственно, на входы выпрямителей 35, 36 и 37, где преобразуются в последовательность однополярных импульсов тока. Далее следует отметить следующее. При формировании составляющих модулирующих сигналов управления отбором симметрирующих токов от симметрируемых фаз, не являющихся опорной фазой, в соответствии с осуществлением заявленного способа, относительно трехфазной системы, условно, формируются три канала проверки фаз энергосистемы на соответствие их критерию «опорная фаза». При этом в каждом из каналов, проверяемый сигнал, изначально задаваемый как опорный и пропорциональный протекающему в проверяемой фазе току, сравнивается с сигналами соседних фаз. В целях арифметического сравнения модуля тока в предполагаемой опорной фазе с токами соседних фаз, последние приводятся к опорной фазе, путем коррекции на соответствующие углы таким образом, чтобы все сравниваемые токи были бы синфазны. При этом если проверяется на соответствие критерию «опорная» - фаза «A», то из нее арифметически вычитаются токи фаз «B и C». Последние корректируются по фазе, соответственно, на 240 и 120 эл. градусов, по направлению прямого чередования фаз. Если проверяется на соответствие критерию «опорная» - фаза «B», то из нее арифметически вычитаются токи фаз «A и C». Последние корректируются на угол, соответственно, на 120 и 240 эл. градусов. Если проверяется на соответствие критерию «опорная» - фаза «C», то из нее арифметически вычитаются токи фаз «A и B». Последние корректируются на угол, соответственно, на 240 и 120 эл. градусов. В случае если модули токов смежных, с проверяемой предполагаемой опорной фазой, фаз меньше модуля тока последней, то проверяемая фаза, окончательно, определяется как опорная. Если хотя бы один из модулей токов, смежных с проверяемой фазой, больше модуля тока последней, то на соответствие критерию «опорная фаза» проверяется следующая фаза «B», и т.д. После того как опорная фаза определена, в соответствии с заданным алгоритмом, описанным ниже, формируются разностные токи фаз: опорной и соответствующей симметрируемой, которые после соответствующей фазовой коррекции определяются в качестве активных составляющих модулирующих сигналов управления соответствующей фазой ШИМ-выпрямителя, посредством которого осуществляется отбор симметрирующих токов в заданных количествах от симметрируемых фаз. О фазовой коррекции разностных сигналов следует отметить следующее. Сформированные описанным выше способом разностные сигналы управления отбором токов от симметрируемых фаз синфазны по отношению к опорной фазе, и их необходимо скорректировать по фазе таким образом, чтобы сигнал управления, соответствующий определенной симметрируемой фазе, был бы синфазен по отношению к ней. Поэтому, перед тем как подаваться на соответствующие управляющие входы ШИМ-выпрямителя, сформированные упомянутые разностные сигналы корректируются на соответствующие углы. Так, например, сигналы фаз «B и C», сформированные как разностные по отношению к сигналу опорной фазы «A», сдвигаются соответственно на углы: 120 и 240 эл. градусов. Таким образом, с выходов блоков 35, 36 и 37, сформированные последовательности импульсов поступают, соответственно на первую группу входов блоков определения опорной фазы: 38 и 39, 43 и 46, 48 и 49, на вторую группу входов которых поступают сигналы, с выходов выпрямителей 40 и 41,44 и 45, 61 и 57, на входы которых поступают сигналы, пропорциональные токам соответствующих фаз, и преобразованные описанным выше способом (скорректированные соответствующим образом по фазе), т.е. посредством блоков 27, 30, 33, сигналы, пропорциональные соответствующим токам фаз A, B и C, проинвертированные в блоках 20, 29, 32, корректируются по фазе, на 120, а посредством блоков 28, 31, 34 - на 240 эл. градусов. Сформированные таким образом сигналы используются, в том числе, для определения фазы с током, имеющим наибольшую амплитуду (опорной фазы). Процесс определения опорной фазы, т.е. фазы с наибольшим модулем тока, осуществляется следующим образом. На входы блока 38 поступают последовательности однополярных импульсов тока с выходов выпрямителей 35 и 37, пропорциональные соответственно: проинвертированному току фазы «A» и сдвинутому на 240 эл. градусов току фазы «B». На входы блока 39 поступают последовательности однополярных импульсов тока с выходов выпрямителей 35 и 41, пропорциональные соответственно: проинвертированному току фазы «A» и сдвинутому на 120 эл. градусов току фазы «C». Таким образом, на выходе блоков 38 и 39, в качестве которых можно использовать компараторы, присутствуют последовательности однополярных импульсов, пропорциональных, соответственно, арифметической разности токов фаз «A и B» и «A и C». При этом в случае, если модуль тока в фазе «A» больше модулей токов в фазах «B и C», - фаза «A» определяется как опорная, а знаки импульсов в упомянутых последовательностях положительны и совпадают. В этом случае на выходе логического элемента 42, реализующего логическую функцию «И», формируется логическая единица, в противном случае - формируется логический нуль. В последнем случае, автоматически, посредством блоков 43, 46, 47 или 48, 49, 50, осуществляется проверка на соответствие критерию «опорной» фаз «B и C». В случае если модуль тока в фазе «B» больше модулей токов в фазах «A и C», то опорной определяется фаза «B», и логическая единица формируется на выходе логического элемента формирования сигнала опорной фазы 47. В случае если модуль тока в фазе «C» больше модулей токов в фазах «A и B», опорной определяется фаза «C», и логическая единица формируется на выходе логического элемента формирования сигнала опорной фазы 50. Одновременно, в блоках формирования сигналов симметрируемых фаз 51 и 52, формируются сигналы, пропорциональные арифметической разности токов фаз «A и B» и «A и C», соответственно. При этом в блоках 53 и 54, 56 и 55 формируются сигналы, пропорциональные арифметической разности токов, соответственно фаз «B, A и B, C» и «C, A и C, B». Каждый из блоков 51, 52, 53, 54, 56 и 55 имеет вход блокировки, на который поступает сигнал блокировки работы упомянутых блоков, соответствующий сигналу логического нуля, в соответствии с логикой реализации предложенного способа, поступающего, соответственно, с выходов блоков 42, 47 и 50. При этом если опорной выбрана фаза «A», только на выходе блока 42 формируется сигнал логической единицы, являющийся сигналом разрешения работы блоков 51 и 52, и при этом на их выходах присутствуют сигналы, пропорциональные арифметической разности токов фаз «A и B» и «A и C», соответственно. На выходах блоков 47 и 50 присутствуют сигналы логического нуля, являющиеся сигналами блокировки, соответственно, пар блоков: 53, 54 и 56, 55, и при этом на всех выходах упомянутых пар блоков сигналы отсутствуют. В случае если фаза «A» не определена, как опорная, на выходе блока 42, присутствует логический нуль, блокирующий работу блоков 51 и 52. Блоки 64, 65, 66, которые могут быть выполнены в виде аналоговых смесителей с возможностью заданного управления величинами суммируемых сигналов, являются блоками формирования активной составляющей модулирующих сигналов управления соответствующими фазами трехфазного, полностью управляемого ШИМ-выпрямителя 3. При этом сигналы, сформированные в упомянутых блоках и поступающие с их выходов на сигнальные входы n-фазного блока формирования активной составляющей сигнала управления 24, как уже было сказано выше, управляются по величине сигналами, поступающими с выходов блока 25 и пропорциональными эквивалентной мощности высших гармоник, оставшихся в каждой из фаз энергосистемы, после их компенсации за счет реактивной мощности гармоники основной частоты, или, что то же самое, пропорциональны разности суммарной мощности группы компенсируемых высших гармоник и мощности реактивной составляющей гармоники тока основной частоты, для соответствующей питающей фазы. При этом сигналы управления извлечением активной составляющей гармоники основной частоты формируются только для симметрируемых фаз, опорная фаза в данном процессе не участвует. Это можно пояснить следующим. Допустим, опорной является фаза «A». Как уже было показано, сигнал логического разрешения (логической единицы) формируется только на выходе блока 42, разрешающего работу блоков 51 и 52, в которых формируются разностные сигналы, пропорциональные соответственно токам фаз: B и A и C и A. Упомянутые разностные сигналы поступают, через блоки восстановления фазы, на входы блоков 66 и 65, посредством которых формируется активная составляющая сигнала управления, соответственно фазами B и C, трехфазного, полностью управляемого ШИМ-выпрямителя 3. При этом блок 53, с выхода которого сигнал, пропорциональный разности токов фаз A и B, через блок восстановления фазы 59, поступает на вход блока формирования активной составляющей модулирующего сигнала управления фазой A ШИМ-выпрямителя 3, а также блок 54, с выхода которого сигнал, пропорциональный разности токов фаз C и B, через блок восстановления фазы 61 поступает на вход блока формирования активной составляющей модулирующего сигнала управления фазой C ШИМ-выпрямителя 3, блокируются сигналом, формируемым в блоке 47, поскольку фаза B, не определена как опорная. Также сигналом запрета (логическим нулем) блокируется работа блоков 55 и 56, поскольку фаза C также не определена как опорная. Таким образом, на выходах блоков 53-56 разностные сигналы отсутствуют, и в формировании активной составляющей модулирующего сигнала управления участвуют только симметрирующие фазы (посредством блоков 66 и 65). По имеющим место причинам отсутствует сигнал на выходе блока 64. Аналогично формируются активные составляющие модулирующих сигналов управления соответствующими фазами полностью управляемого ШИМ-выпрямителя 3, в случае определения в качестве опорной фаз B или C. Посредством блоков восстановления фазы модулирующего сигнала 58-63, сигналы, сформированные арифметическим вычитанием сигналов, пропорциональных току соответствующей симметрируемой и опорной фаз, корректируются на углы, соответствующие фазовому углу между током опорной и соответствующей симметрируемой фазы, при прямом чередовании фаз (для трехфазной системы этот угол равен 120 эл. градусов). При этом если активные составляющие модулирующего сигнала управления формируются относительно опорной фазы A, посредством блоков 51 и 52 для управления фазами «B и C» ШИМ-выпрямителя 3, то сигналы на выходах упомянутых блоков корректируются, соответственно, на 120 и 240 эл. градусов. Аналогично, если активные составляющие модулирующего сигнала управления формируются относительно опорной фазы «B», посредством блоков 53 и 54 для управления фазами «A и C» ШИМ-выпрямителя 3, то сигналы на выходах упомянутых блоков корректируются, соответственно, на 240 и 120 эл. градусов. И, наконец, если активные составляющие модулирующего сигнала управления формируются относительно опорной фазы «C», посредством блоков 55 и 56 для управления фазами «B и A» ШИМ-выпрямителя 3, то сигналы на выходах упомянутых блоков корректируются, соответственно, на 240 и 120 эл. градусов. Таким образом, как было показано, согласно логике взаимодействия блоков, посредством которых реализуется заявленный способ, модулирующий сигнал присутствует только на тех управляющих входах трехфазного полностью управляемого ШИМ-выпрямителя 3, которые соответствуют симметрируемым фазам: применительно к трехфазной системе их два. На третьем же входе, соответствующем опорной фазе, сигнал отсутствует. Следует отметить, что посредством блока задания внешних, пофазных регулирующих воздействий 67, изображенного на поясняющей заявленный способ схеме, в виде сигналов задания, для каждой из фаз энергосистемы, формируют дополнительные ограничивающие воздействия на величины сформированных модулирующих сигналов управления соответствующими фазами ШИМ-выпрямителя, для случая, если несимметрия токов в энергосистеме значительна, а мощность нагрузки постоянного тока по сравнению с ней мала. При этом в соответствии с заявленным способом степень симметрирования задается дополнительно, посредством воздействия на величину активной составляющей управляющего модулирующего сигнала (его уменьшения), с целью его стабилизации на заданном уровне. Блок 67 может быть построен по принципу устройства формирования заданных опорных напряжений, посредством сравнения с которыми, задают величину активных составляющих модулирующих сигналов управления, сформированных соответственно для фаз A, B и C блоками 64-66. При этом управление величинами упомянутых модулирующих сигналов осуществляют по дополнительным управляющим входам, организованным в упомянутых блоках. Таким образом, оставшийся в каждой из симметрируемых фаз - ток, имеет величину модуля, равную, либо заранее заданную посредством блока 67, либо равную величине модуля тока в опорной фазе. Блок 67 может отсутствовать, если изначально планируется, что ток, оставшийся в каждой из симметрируемых фаз, должен иметь величину модуля, равную величине модуля тока в опорной фазе.
Далее, сформированные описанным способом активные составляющие модулирующих сигналов управления суммируются в n-фазном блоке смесителей 19, с реактивными составляющими сигнала управления, сформированными с помощью блоков 15-17, и посредством сформированных таким образом модулирующих сигналов управления соответствующими фазами n-фазного полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, из энергосистемы извлекают реактивную составляющую гармоники основной частоты, и, если необходимо, из симметрируемых фаз, дополнительно, посредством симметрирующих токов извлекают долю активной мощности и за счет извлеченной энергии формируют эквивалентные токи компенсации ряда высших гармонических составляющих.
Таким образом, в результате последовательности действий, осуществляемых в соответствии с заявленным способом, повышение качества и эффективности использования электроэнергии, добиваются посредством: повышения эффективности процесса компенсации высших гармонических составляющих (за счет компенсации высших гармонических составляющих в спектре тока, отбираемого нелинейной нагрузкой); снижения непроизводительных потерь электроэнергии, вызванных реактивными токами основной и высших гармоник; использования для осуществления процесса компенсации высших гармонических составляющих тока, реактивной энергии гармоники основной частоты; пофазное выравнивание токовых нагрузок.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.С. СССР №1823072, Бюл. №23, 23.06.1993, Кл. H02J 3/18, 3/26, 1993.
2. Патент РФ №2237334, опубликовано: 2004.05.20.