СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МНОГОФАЗНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ СИММЕТРИРОВАНИИ ТОКОВ ПО ОДНОЙ ИЗ ФАЗ И КОМБИНИРОВАННОМ ОТБОРЕ МОЩНОСТИ
METHOD FOR IMPROVEMENT OF QUALITY OF ELECTRIC ENERGY OF MULTIPHASE SYSTEM IN BALANCING OF CURRENTS BY ONE OF PHASES AND COMBINED POWER EXTRACTION

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, повышения экономичности 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.
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 любую из ее фаз (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.
При этом отбор мощности в упомянутый дополнительный источник мощности, используемый для формирования токов компенсации несимметрии, осуществляют от комбинации минимум двух наименее нагруженных фаз, которые определяют заранее.
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. В случае питания дополнительного источника мощности от комбинации наименее нагруженных фаз дополнительно увеличивается степень их уравновешивания, в результате чего эффективность симметрирования возрастает.
На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявляемого способа.
На схеме введены следующие обозначения.
1 - опорная фаза
2 - несимметричная нагрузка
3 - датчик формы тока опорной фазы
4, 5 - датчики формы тока симметрируемых фаз
6 - первый фазосдвигающий блок
7 - второй фазосдвигающий блок
8 - первый блок формирования разностных сигналов
9 - дополнительный источник мощности
10 - датчик опорной фазы
11 - третий фазосдвигающий блок
12 - блок формирования заданного фазового угла
13 - второй блок формирования разностного сигнала
14 - блок формирования комбинации минимально нагруженных фаз
Предлагаемый способ рассмотрен на примере трехфазной системы и осуществляется следующим образом.
Первоначально задают любую фазу, относительно которой будет осуществляться симметрирование, и определяют ее в качестве опорной. В данном рассмотренном примере в качестве опорной произвольно выбрана фаза «А». При этом на первом этапе осуществления способа с помощью датчика опорной фазы 10 из напряжения опорной фазы формируют эталонный сигнал тока, который имеет нулевой сдвиг по отношению к напряжению опорной фазы и отождествляет чисто активную форму нагрузки опорной фазы. Посредством третьего фазосдвигающего блока 11 и блока формирования заданного фазового угла 12 задают фазовый угол эталонного сигнала, и таким образом формируют необходимый коэффициент мощности основной n-фазной системы. Далее посредством второго блока разностного сигнала 13 формируют разностный сигнал, являющийся результатом сравнения сигнала, пропорционального току опорной фазы, и скорректированного эталонного сигнала (в общем случае, эталонный сигнал может и не корректироваться, тогда будет достигнуто значение коэффициента мощности, равное единице, что будет соответствовать чисто активной нагрузке опорной фазы). При этом в зависимости от того, какая из фаз выбрана в качестве опорной, с выхода соответствующего блока 3, 4 или 5 сигнал, пропорциональный току нагрузки опорной фазы, поступает на один из входов блока 13, а эталонный сигнал поступает на другой вход упомянутого блока. В данном случае, на вход блока 13 поступает сигнал с выхода блока 3, соответствующего выбранной фазе «А». С выхода блока 13 сформированный разностный сигнал управления поступает на управляющий вход, соответствующий фазе «А», цепи управления дополнительного источника мощности 9, посредством которого подается в опорную фазу. 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 n-фазной системы. Далее, в соответствии со вторым этапом реализации заявленного способа, с выхода датчика формы тока опорной фазы 3 сигнал, пропорциональный форме сигнала тока опорной фазы, в которой после первого этапа реализации способа уже задан коэффициент мощности основной n-фазной системы, т.е. суммарный ток в опорной фазе имеет заданный фазовый сдвиг относительно своего напряжения, поступает в первый фазосдвигающий блок 6. Данный блок, в общем случае, состоит из (n-1) фазосдвигающих цепочек, каждой из которых сигнал, пропорциональный сигналу тока опорной фазы, сдвигается соответственно на угол  где m - порядковый номер фазы при прямой последовательности чередования фаз, n - количество фаз в системе. Для данного случая при количестве фаз, равном трем, таких фазосдвигающих цепочек две: одной из цепочек упомянутый сигнал сдвигается соответственно на 120, другой - на 240 эл.градусов в зависимости от номера фазы, для симметрирования которой он будет использован. С выхода блока 6 сигналы, пропорциональные току опорной фазы и сдвинутые на 120 и 240 эл. градусов соответственно, поступают на первую группу входов первого блока формирования разностных сигналов 8, на вторую группу входов которого поступают сигналы, пропорциональные форме токов нагрузок симметрируемых фаз, сформированные в датчиках формы тока симметрируемых фаз 4 и 5 и проинвертируемые на 180 эл. градусов во втором фазосдвигающем блоке 7. В первом блоке формирования разностных сигналов 8 сигналы, поступающие к первой и второй группам входов последнего, попарно сравниваются: опорный сигнал тока, сдвинутый на 120 эл. градусов, сравнивается с проинвертируемым на 180 эл. градусов сигналом, пропорциональным форме тока нагрузки фазы «В», а опорный сигнал тока, сдвинутый на 240 эл. градусов, сравнивается с проинвертируемым на 180 эл. градусов сигналом, пропорциональным форме тока нагрузки фазы «С». Таким образом, на выходе блока 8 формируются сигналы, пропорциональные векторной разности сигнала опорной фазы и сигналов нагрузки симметрируемых фаз. Данные две пары векторных разностей токов и являются сформированными сигналами симметрируемых фаз, геометрическая сумма которых и токов нагрузки каждой из соответствующих симметрируемых фаз и дает токи, пропорциональные току опорной фазы, а фазовый угол, образованный упомянутой геометрической суммой токов и током опорной фазы, составляет 120 эл. градусов. Таким образом, мы получаем полностью симметричную систему сформированных сигналов токов, пропорциональных токам симметрируемой трехфазной системы относительно тока 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. Питание дополнительного источника мощности 9 осуществляют от комбинации минимум двух фаз, выбор которых осуществляется в блоке формирования комбинации минимально нагруженных фаз 14, таким образом, чтобы уменьшить несимметрию в основной симметрируемой системе.
Таким образом, в результате поэтапной последовательности действий, произведенных в соответствии с заявленным способом, посредством дополнительного источника мощности, питание которого осуществляют от комбинации минимум двух минимально загруженных фаз, в основной n-фазной сети производится компенсация реактивной мощности, осуществляемая на уровне любого предварительно заданного значения совместно с симметрированием системы.
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 и упрощения реализации.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.С. СССР №1823072, Бюл. №23, 23.06.1993, Кл. H02J 3/18, 3/26, 1993.
2. А.С. СССР №562038, Бюл. №22, 14.07.1977, Кл. H02J 3/26, 1977.