КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Предложение относится к средствам для компенсации реактивной мощности в электросетях.
Известен компенсатор [В.В.Худяков, В.А.Чванов. Управляемый статический источник реактивной мощности. Электричество, 1969, №1, с.с.38...45], состоящий из конденсаторной батареи, подключенной к сети, и линейных реакторов, подключенных к сети через встречно-параллельные тиристоры. Недостатком такого компенсатора является то, что для регулирования реактивной мощности используются два узла: узел генерации реактивной мощности - конденсаторная батарея - и узел потребления реактивной мощности - реакторы с тиристорами, что вызывает повышение потерь, массы и габаритов.
Известен также компенсатор реактивной мощности [Патент США №4647837, кл.323-207, 03.03.87], содержащий вентильный мост, в плечах которого установлены полупроводниковые ключи в виде транзисторов или полностью управляемых тиристоров (заптиров). В цепи переменного тока моста, соединенного с сетью, установлен конденсатор, а в цепи постоянного
тока мост закорочен через реактор. Недостатком такого компенсатора является то, что в силу свойств полностью управляемых ключей они переключаются при больших значениях токов и напряжений. Это приводит к значительным коммутационным потерям, повышению массы и габаритов устройства.
Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением, которое выбрано в качестве прототипа, является компенсатор реактивной мощности [M.S.Miranda, R.O.Lyra, S.R-Silva. An alternative isolated wind electric pumping system using induction machines. IEEE Tras., vol.l4, No. 4, december 1999. Pp.1208...1214], в котором полностью управляемые ключи - транзисторы -, зашунтированные обратными диодами, собраны в схему трехфазного моста, нагруженного на конденсатор, а выводы переменного тока моста подсоединены к трехфазной сети, ШИМ-регулирование транзисторами позволяет изменять генерируемую компенсатором в сеть реактивную мощность. Недостатком такого компенсатора является то, что переключение транзисторов и диодов в нем происходят при больших величинах и скоростях изменений токов и напряжений, что вызывает появление значительных коммутационных потерь. Для их удаления требуется устанавливать специальные охлаждающие устройства. Это увеличивает массу и габариты компенсатора.
Целью настоящего изобретения является существенное снижение общих потерь, массы и габаритов компенсатора.
Это достигается тем, что в компенсаторе реактивной мощности, в частности трехфазной сети, содержащем мостовой преобразователь, выводы переменного тока которого подсоединены к указанной трехфазной сети, в качестве ключевых элементов преобразователя применены тиристоры, а к выводам постоянного тока моста подключен LC-колебательный контур, включающий в себя конденсатор и реактор с обмоткой подмагничивания, обеспечивающий коммутацию тиристоров при нулевых значениях тока, что значительно снижает [D.M.Divan, G.L.Skibinski. Zero switching loss inverters for high power application. IEEE IAS Annual meeting conference record. Pp.627...634 1987] коммутационные потери и, как следствие, позволяет снизить общие потери, массу и габариты устройства. Введение в схему компенсатора цепи подмагничивания реактора позволяет ограничить амплитуду его тока на заданном управляемом уровне и создает возможность регулировать порцию
(квант) энергии, которую колебательный контур потребляет и возвращает в сеть при каждом колебании.
Для пояснения существа предложения на фиг.1 приведена схема компенсатора реактивной мощности; на фиг.2 - схема варианта трехфазного мостового преобразователя, входящего в состав компенсатора; на фиг.3 -диаграммы токов и напряжений, поясняющие работу компенсатора.
В качестве примеров конкретной реализации представлен компенсатор реактивной мощности, который содержит трехфазный мостовой преобразователь 1 на тиристорах, подключенный к трехфазной сети 2. На входе моста включен конденсатор 3 фильтра. К выводам постоянного тока моста 1 подключен колебательный контур 4, включающий в себя последовательно соединенные конденсатор 5 и основную обмотку 6 реактора с обмоткой подмагничивания 7. Обмотка 7 включена последовательно с основной обмоткой 6 реактора согласно с ней, а ее свободный конец подключен к полюсу моста 1, к которому подсоединен конденсатор 5, в одном случае (фиг.1) через сглаживающий реактор 8, а в другом (фиг.2) - через источник тока 9. Компенсатор содержит также устройство управления, осуществляющее переключения тиристоров по заданному закону (на приведенных схемах отсутствует).
Работу предлагаемого компенсатора поясним с помощью диаграмм, приведенных на фиг.3, на которых приняты следующие обозначения: Uco -напряжение на конденсаторе 5; Ucom - амплитуда напряжения на конденсаторе 5; Usm - амплитуда напряжения сети 2; Io - амплитуда тока колебательного контура; io - ток колебательного контура; In - ток подмагничивания. Рассмотрим небольшую часть периода сетевого напряжения, а именно интервал, в котором подробно развернут процесс колебания токов и напряжений в колебательном контуре и схеме компенсатора. В исходном состоянии t=0 (перед включением очередной пары тиристоров) напряжение на конденсаторе имеет полярность «+» на нижней обкладке, а ток в индуктивности равен току источника тока 9 или сглаживающей индуктивности 8 (In). Схема рассчитывается так, что величина начального напряжения на конденсаторе превышает амплитуду линейных напряжений сети. Это позволяет включать в последующий за t=0 момент любую пару тиристоров моста, которая определяется системой управления в зависимости от выбранной фазы
δ
напряжения сети, для генерации или потребления установленной величины реактивной мощности. На фиг.3 импульсы управления подаются на выбранные пары тиристоров в моменты t=0 и t=t5. При подаче импульсов управления за заданные два тиристора они включаются. Далее под действием напряжения Ucom на конденсаторе 5 и одного из линейных напряжений сети происходит электромагнитное колебание в контуре. Ток колебательного контура нарастает до величины тока In подмагничивания и стабилизируется на этом уровне источником тока 9 или сглаживающим реактором 8. Амплитуда тока колебания ограничена током подмагничивания за счет выхода реактора б из насыщения. Током io конденсатор 5 перезаряжается до напряжения Ucom в противоположную полярность, величина которого также превышает любое линейное напряжение сети, что вызывает снижение токов тиристоров до нуля и их выключение в момент t3. Далее конденсатор 5 перезаряжается током In до напряжения Ucom, интервал T=t4-t3 предоставляется схемой для выключения тиристоров. В момент t5 подается следующий импульс управления, и колебательный процесс повторяется.
Далее процессы повторяются с той разницей, что пары тиристоров включаются системой управления такие, которые позволяют создать в сети фазные токи со сдвигом их первой гармоники на 90 эл.град. относительно соответствующих фазных напряжений в сторону опережения (что соответствует генерации реактивной мощности в сеть) или в сторону отставания (что соответствует потреблению реактивной мощности из сети). Наиболее эффективно частоту генерации квантов энергии в фазах сети изменять системой управления по синусоидальному закону, что позволяет получить в токе сети наименьшее содержание высших гармоник.
Отечественной промышленностью освоено производство быстродействующих тиристоров с временем выключения до 30 мкс (на ток до 1000 А, напряжение до 3000 В) и до 2...4 мкс на ток до 50 А. На таких тиристорах можно строить компенсаторы с частотой колебательного контура и максимальным значением частоты управления (Fymax) от 6 до 180 кГц соответственно. Поэтому на одной полуволне периода сетевого напряжения (10 мс) компенсатор способен генерировать, округленно, от 500 до 15000 колебаний (квантов). Данное весьма большое соотношение частот генерации квантов и частоты сети позволяет (путем регулирования частоты генерации квантов по
фазам сети, то есть частоты управления по фазам от 0 до Fymax (6...180 кГц) и величины тока подмагничивания In) управлять генерируемой или потребляемой из сети реактивной мощностью от нуля до максимально возможной величины (согласно расчетным параметрам схемы). Модуляция частоты генерации квантов в сетевом токе по синусоидальному закону позволяет достигнуть низкого содержания высших гармоник в сетевом токе компенсатора. Фильтр 3 на входе компенсатора должен подавлять в сетевом токе компенсатора лишь гармоники высокого порядка и небольшие по величине гармоники с низкими номерами, что позволяет выполнить компенсатор с малыми потерями, массой и габаритами, то есть достигнуть поставленной цели.