УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
ELECTRICAL NETWORK PARAMETERS STABILIZING DEVICE

Изобретение относится к электротехнике и касается устройства для стабилизации и регулирования параметров электрической сети и может быть использовано при решении вопросов энергосбережения в энергетике, а также для экономии электроэнергии и повышения качества ее при электропитании цехов предприятий и жилых микрорайонов.
Известен энергосберегающий стабилизатор напряжения (патент РФ №2514087, опубл. 27.04.2014 Бюл. №12), который представляет собой энергосберегающий стабилизатор напряжения, содержащий по меньшей мере один регулировочный однофазный сухой трансформатор многоцелевого назначения, первичная обмотка которого подключена к блоку регулирования и коммутации, а вторичная обмотка включена в цепь нагрузки, анализатор качества электросети с функциями программируемого логического контроллера с цифровыми управляющими выходами и возможностью конфигурирования функции управления устройством в зависимости от параметров электросети и коммутирующего блока, выполненного на базе управляющих выходов анализатора, которые через помехоподавляющую схему, состоящую из RC-супрессора и конденсаторных пускателей с группой подавления пусковых токов или контакторов типа двунормально открытых или двунормально закрытых, совершающих коммутацию первичной обмотки регулировочного трансформатора, размыкающего и замыкающего контактов, соединенных последовательно, при этом первичная обмотка трансформатора с одной стороны подключена к первым выводам напрямую, с другой - через второй размыкающий контакт; к точке соединения второго вывода первичной обмотки и второго размыкающего контакта подключен второй замыкающий контакт от блока управления, совмещенного с анализатором, параллельно первичной обмотке трансформатора включен конденсатор, а параллельно коммутирующим элементам включены RC-цепи, параллельно нагрузке включен выходной конденсатор, содержащий силовой двухполюсный автомат с независимым расцепителем, контакты которого включены последовательно в цепь нагрузки на входе и выходе регулировочного узла, между сетью и входом и между нагрузкой и выходом упомянутого узла введен дополнительный узел защиты с дистанционным управлением, подключенный входом к точке соединения первого силового контакта с входом регулировочного узла, выходом - к нейтральному проводу сети, второй и третий контакты трехполюсного автомата защиты упомянутого дополнительного узла подключены между нейтральным проводом и точкой соединения упомянутого второго замыкающего контакта с конденсатором первой RC-цепи и между выходным выводом первичной обмотки трансформатора и точкой соединения вторых замыкающего и размыкающего контактов коммутирующего блока.
Однако в данном устройстве не предусмотрено управление (ограничение, стабилизация) и устранение перекоса по току обратной последовательности, ограничение фазных токов, перекоса по напряжению, устранение потерь по нулю и раздельное управление уровнем выходного напряжения на вторичных обмотках однофазных трансформаторов, не предусмотрены система аварийной защиты - режим «бай-пасс», система дистанционного управления и диспетчеризации.
Известно устройство для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током (патент №2253890, 11.11.2003, МПК G05F 1/253, опубл. 10.06.2005. Бюл. №16), которое представляет собой устройство для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током, содержащее питающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, а между выходными зажимами его вторичной обмотки и входными зажимами трехфазного мостового выпрямителя включены последовательно вторичные обмотки одного или нескольких трансформаторов соответствующих трансформаторно-тиристорных модулей, зажимы и отводы первичных обмоток которых через свой блок тиристорных ключей подключены к отводам различных фаз первичной обмотки питающего трансформатора, а имеющая процессор система программного управления устройством своими выходными зажимами подключена к управляющим электродам тиристорных ключей соответствующих трансформаторно-тиристорных модулей, отличающееся тем, что питающий трансформатор содержит дополнительную трехфазную обмотку, каждая фаза которой соединена последовательно с соответствующей электрической цепью, содержащей последовательное соединение датчика тока и полностью управляемого транзисторного ключа, два свободных зажима сформированной указанным образом последовательной цепи в каждой фазе соединены между собой, а система программного управления устройством дополнительно содержит последовательно соединенные блок DSP-контроллера и блок формирования управляющих напряжений для управления работой полностью управляемых электронных ключей, которые включены в разные фазы дополнительной обмотки питающего трансформатора, блок DSP-контроллера содержит две однотипные параллельные трехфазные цепи, состоящие из последовательно соединенных функциональных звеньев, первая из указанных цепей содержит последовательно соединенные датчик тока первичной обмотки питающего трансформатора, аналого-цифровой преобразователь, звено для прямого быстрого преобразования Фурье и звено обработки и фильтрации с двумя парами выходных зажимов, одна пара из которых подключена к функциональному звену для определения коэффициента гармоник тока, потребляемого первичной обмоткой питающего трансформатора из питающей сети, во второй цепи датчик тока включен в цепь дополнительной обмотки питающего трансформатора, звено обработки и фильтрации имеет одну пару выходных зажимов, причем выходные зажимы функциональных звеньев обработки и фильтрации обеих цепей соединены с соответствующими входными зажимами сумматора, к выходным зажимам которого подключена цепь из последовательно соединенных функциональных звеньев для выполнения обратного быстрого преобразования Фурье и цифроаналогового преобразования, а выходные зажимы этой цепи связаны с блоком формирования управляющих напряжений, в котором они соединены параллельно с входными зажимами пропорционального и пропорционально-дифференциального регуляторов, а также с первой парой входных зажимов функционального звена, моделирующего вольтамперные характеристики используемых полностью управляемых электронных ключей, выходные зажимы упомянутых регуляторов соединены с соответствующими входными зажимами сумматора, выход которого соединен с входными зажимами функционального звена, инвертирующего входной сигнал по знаку и суммирующего его с текущим значением ЭДС соответствующей фазы дополнительной обмотки питающего трансформатора, поступающего на другой вход этого же звена от датчика ЭДС, установленного в данной фазе, а выходные зажимы вышеупомянутого функционального звена соединены со второй парой входных зажимов звена, моделирующего вольтамперные характеристики используемых полностью управляемых электронных ключей, одна пара выходных зажимов упомянутого выше звена соединена с затвором и истоком полностью управляемого электронного ключа одной фазы, а две другие пары выходных зажимов аналогично связаны с затвором и истоком полностью управляемых электронных ключей соответствующих двух других фаз.
Однако данное устройство не позволяет управлять (ограничивать, стабилизировать) и устранять перекос по току обратной последовательности, ограничивать фазные токи, устранять перекос по входящему напряжению, устранять потери по нулю и раздельно управлять уровнем выходного напряжения, не предусмотрены система аварийной защиты - режим «бай-пасс», система дистанционного управления и диспетчеризации.
Известно также трехфазное симметрирующее устройство для работы от четырехпроводной питающей сети (патент 2612649, 01.02.2016, МПК H02J 3/26), которое представляет собой устройство для работы от четырехпроводной питающей сети, содержащее входные зажимы для подключения питающей сети A1, B1, C1, N1 и трехфазный автоматический выключатель, включенный последовательно с первичными обмотками трехстержневого трансформатора, две или три первичные обмотки которого соединены в «зигзаг», общая нулевая точка этих обмоток является нулевым выводом N2 для подключения однофазных нагрузок, отличающееся тем, что между нулевым выводом N1 питающей сети и нулевым выводом N2 введен дроссельный фильтр токов нулевой последовательности, при этом входные выводы A1, B1, C1 являются и выходными выводами для подключения нагрузки. Однако данное устройство не позволяет управлять (ограничивать, стабилизировать) ток обратной последовательности, ограничивать фазные токи и раздельно управлять уровнем выходного напряжения, не предусмотрены система аварийной защиты - режим «бай-пасс» система дистанционного управления и диспетчеризации.
Известно устройство для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях (патент №2209501, 21.06.2001, МПК М 5/12, М 5/257), опубл. 27.07.2003. Бюл. №21), которое содержит сетевой двухобмоточный трансформатор, группу из n трансформаторно-тиристорных модулей (где n=1, 2, …), первичные обмотки соответственно n трансформаторов которых соединены последовательно, а также блоки тиристорных ключей по числу n трансформаторно-тиристорных модулей и функциональный блок, вырабатывающий сигналы о величине напряжения и фазовом угле нагрузки и входящий в систему программного управления устройством, выходные зажимы которой через блоки выходных каскадов подключены к управляющим электродам тиристорных ключей трансформаторно-тиристорных модулей, отличающееся тем, что при создании ресурсо- и энергосберегающего трансформатора зажимы различных фаз питающей сети соединены с соответствующими входными зажимами цепей, содержащих одноименные фазы первичных обмоток трансформаторов первой части группы трансформаторно-тиристорных модулей, выходные зажимы этих цепей подключены к входным зажимам соответствующих фаз первичной обмотки сетевого трансформатора, к выходным зажимам разных фаз вторичной обмотки сетевого трансформатора подключены цепи, каждая из которых содержит последовательно соединенные конденсаторные батареи и соответствующие фазы первичных обмоток второй части группы трансформаторно-тиристорных модулей, концы упомянутых цепей соединены между собой и образуют один узел цепи, а зажимы и отводы вторичных обмоток трансформаторов первой и второй частей группы трансформаторно-тиристорных модулей через тиристорные ключи соединены с возможностью их коммутации между собой или встречно-согласного по отношению к соответствующим первичным обмоткам этих трансформаторов и параллельного их подключения к зажимам питающей сети для первой части группы трансформаторно-тиристорных модулей и к выходным зажимам вторичной обмотки сетевого трансформатора для второй части группы этих модулей, а функциональный блок системы программного управления включен между выходными зажимами различных фаз вторичной обмотки сетевого трансформатора последовательно с входными зажимами одноименных фаз электроприемников нагрузки и дополнительно снабжен датчиками тока и мощности, число выходных каскадов системы программного управления выбирают соответственно числу трансформаторно-тиристорных модулей в устройстве. Однако данное устройство не позволяет управлять (ограничивать, стабилизировать) и устранять перекос по току обратной последовательности, ограничивать фазные токи, устранять перекос по входящему напряжению, устранять потери по нулю и раздельно управлять уровнем выходного напряжения, не предусмотрены система аварийной защиты - режим «бай-пасс» система дистанционного управления и диспетчеризации.
Задачей заявляемого изобретения является стабилизация токов по каждой фазе раздельно, раздельное управление напряжением на каждой фазе без снижения КПД электроприемников, устранение потерь на нуле, равномерное распределение нагрузок по фазам.
Поставленная задача решается устройством для стабилизации параметров электрической сети, которое включает трансформаторы, содержащие магнитопроводы, отличающимся тем, что оно включает однофазные и трехфазный трансформаторы, в которых магнитопроводы выполнены цельнолитыми, однофазные трансформаторы имеют однофазную управляемую первичную обмотку и однофазную управляемую вторичную обмотку, трехфазный трансформатор имеет трехфазную управляемую первичную обмотку, трехфазную управляемую вторичную обмотку и дополнительную симметрирующую обмотку на каждую фазу, первичная и вторичная обмотки всех трансформаторов соединены последовательно через управляющие силовые элементы, каждый силовой элемент состоит из двух соединенных последовательно одинаковых преобразователей из переменного в постоянное напряжение и обратно, каждый из преобразователей имеет управляемый уровень напряжения, необходимый для работы электроприемников, включенных последовательно в цепь на выходе устройства.
На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства, которая содержит: вводные клеммы 1, анализатор качества электроэнергии 2, блоки коммутации 3, 4, блок регулировки выходного тока и напряжения 5, блок управления 6, регистратор 7, входной счетчик электрической энергии 8, выходной счетчик электрической энергии 9, трехфазный управляемый симметрирующий трансформатор 10, блок пофазного ограничения/регулирования тока 11, однофазные управляемые трансформаторы 12, 13, 14, датчики-переключатели силовые 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, индикаторы (лампочки) 24, 25, переключатель ручного управления 26, ограничитель импульсных перенапряжений питающей сети 27, виртуальную базу данных (сервер) 28, контур заземления 29.
Устройство для стабилизации параметров электрической сети используется следующим образом:
Для начала работы устройства (фиг. 1) переключатель на лицевой панели устройства 26 переводится в режим «Автомат». С вводных клемм 1 напряжение подается через вводный автомат на трансформаторы тока, которыми осуществляется замер уровня напряжения и тока обратной последовательности. Полученные данные через вводный счетчик 8 передаются на регистратор 7 для фиксации и отправки полученных вводных данных в блок управления 6 и через модем на сервер для архивирования и обработки данных. В блоке управления 6 происходит анализ вводных данных и подается управляющий сигнал на изменение заданных параметров в блок регулировки выходного тока и напряжения 5 по каждой фазе. Блок регулировки выходного тока и напряжения 5 производит необходимые изменения параметров сети в соответствии с полученными из блока управления 6 уставками. Выходные параметры с блока регулировки выходного тока и напряжения 5 измеряются трансформаторами тока и через выходной счетчик 9 передаются на регистратор 7 для фиксации и отправки полученных выходных данных в блок управления 6 и через модем на сервер для архивирования и обработки. Полученные данные блоком управления 6 анализируются для сравнения правильности выполнения уставок. В случае отклонений или иных изменений входных параметров сети, подается корректирующий сигнал в блок регулировки выходного тока и напряжения 5. Устройство автоматически переводится в режим «бай-пасс» подачей управляющего сигнала из блока управления 6 в блок коммутации 4, в следующих случаях: повышение температуры внутри устройства выше заданных значений; выход из строя одного из элементов блока управления; отсутствие питания на входных клеммах; выход из строя одного из элементов блока регулировки выходного тока и напряжения.
В режим «бай-пасс» устройство можно перевести в ручном режиме переключателем 26.
Устройство внешне представляет собой металлический корпус (шкаф) со степенями защиты от IP20 до IP65 по ГОСТ 14254. Для удобства монтажа допускается размещение блоков в различных металлических корпусах со степенями защиты от IP20 до IP65, соединенных между собой коммутационными проводами или шинопроводом (любыми токоведущими проводниками). Выводы к сети и нагрузке могут быть расположены в любой части корпуса устройства согласно техническим условиям на монтаж.
На дверце устройства имеется световая индикация 24, 25 наличия напряжения на входе и на выходе. Также на двери корпуса имеется световая индикация одного из режимов работы (режим автомат, режим бай-пасс, режим авария, режим отключения питания). На двери корпуса устройства расположен ручной переключатель 26.
Устройство имеет встроенный блок 2 анализа качественных показателей электроэнергии с входа устройства по каждой фазе раздельно и нулю.
Устройство имеет встроенный блок управления 6, который управляет выходными параметрами устройства (ток, напряжение) по каждой фазе раздельно, сравнивая полученные данные с заданными параметрами.
Устройство имеет встроенный блок Регистрации 7, который регистрирует и архивирует данные, полученные с блока управления, затем передает их на удаленный или локальный сервер. Есть возможность удаленного подключения к регистратору, для получения данных с блока управления в режиме реального времени. Каналы связи: Internet, GSM, GPRS, WI-FI, BluetoothTechnology, NFC.
Блоки регистрации и управления имеют автономные источники питания. Время работы в автономном режиме не более 6 ч.
Устройство имеет встроенный блок регулировки выходного тока 5, в котором размещены три  однофазных трансформатора 12, 13, 14, симметрирующий трехфазный трансформатор 10, а также силовые датчики-переключатели 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23. Обмотки трансформаторов выполнены медным обмоточным проводом, бифилярным способом, с полимеризированной изоляцией повышенной магнитоустойчивости и вентилируемой мембраной. По способу монтажа трансформатор относятся к стационарным. Класс нагревостойкости изоляции обмоток - В. После вводных клемм трансформатора, устанавливаются автоматические выключатели сети и защиты. В блоке регулировки выходного тока на выходе генерируется рабочий ноль для потребителей, подключенных последовательно в сеть.
Устройство также имеет входной и выходной счетчики электрической энергии для считывания входных и выходных данных сети, переключатель 26 для принудительного переключения режима работы устройства из режима «Автомат» в "бай-пасс".
Устройство является преобразователем трехфазного напряжения, с функцией пофазной стабилизации тока, управления уровнем выходного напряжения, а также генератором рабочего нуля. Входное трехфазное напряжение преобразовывается в выходное управляемое трехфазное напряжение, с углом сдвига фаз между векторами напряжения, близким к 120°. Блок управления 6 анализирует в режиме реального времени входные значения уровня напряжения, тока, параллельно анализируются выходные данные по току обратной последовательности от электроприемников, уровень выходного напряжения, выдает управляющие сигналы в блок регулировки 5 выходного тока и напряжения по каждой фазе на создание ограничения по уровню тока или напряжения таким образом, чтобы не снизить КПД элекроприемников.
Устройство устанавливается в вводных распределительных устройствах, ГРЩ, РП и т.д. и соответственно подключается по низкой стороне 0,4 кВ после узла коммерческого учета в разрыв фаз и нуля.
Работа устройства обеспечивает:
стабильный (необходимый для работы электроприемников) уровень напряжения по 0,4 кВ, с фазным напряжением от 150 до 263 В и линейным напряжением от 360-440 В, во время глубоких и длительных (от 0.003 до 7000 с) перепадов напряжения в сети;
защиту электроприемников от перенапряжений в сети (за счет снижения напряжения без снижения КПД электроприемников в рамках ГОСТ);
фильтрацию высших гармоник тока и напряжения сети, создающих помехи в работе электроприемников;
одновременную стабилизацию выходного линейного и фазного напряжений с высокой точностью;
защиту электроприемников от перегрузок питающей сети;
надежную работу электроприемников при линейном напряжении сети в диапазоне 340-440 В, при этом фазные напряжения могут изменяться от 140 до 270 В;
ограничение тока обратной последовательности по нулю (устранение утечки по нулю);
стабилизацию тока обратной последовательности по каждой фазе раздельно, ограничение пусковых токов электроприемников (до 30%);
диспетчеризацию и архивирование (сертифицированными средствами измерений) значений тока и напряжения по каждой фазе (на входе и выходе ТКИУЭС), хранение данных не ограничено по срокам и объему;
снижение объема потребления электроэнергии (без снижения КПД электроприемников) до 26%.