СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
METHOD TO EXTRACT REACTIVE COMPONENT OF POWER

Способ относится к электротехнике и может быть использован при извлечении из потока мощности энергосистемы индуктивной составляющих энергии.
Известен способ (1) повышения качества электроэнергии, принятый в качестве аналога, при осуществлении которого из потока мощности, отбираемого неактивной нагрузкой, извлекают часть энергии, обуславливающую ее непроизводительные потери. Известный способ-аналог не предусматривает извлечения из потока мощности энергосистемы его индуктивной составляющей.
Известен способ извлечения, в том числе и реактивной энергии гармоник, посредством резонансных фильтров, каждый из которых настроен на гармонику строго определенной частоты, описанный в (2). Известный способ-прототип не предусматривает извлечения реактивной составляющей энергии в виде, обеспечивающем ее дальнейшее использование.
Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности способа извлечения индуктивной составляющей тока одной или нескольких фиксированных частот за счет расширения его функциональных возможностей. При этом предлагается извлекать индуктивную составляющую энергии способом, способствующим ее дальнейшему использованию.
Это достигается тем, что согласно предложенному способу из потока мощности энергосистемы индуктивную составляющую тока одной или нескольких фиксированных частот извлекают посредством мостового ШИМ-выпрямителя транзисторного типа в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей сигнала, пропорционального извлекаемому из энергосистемы току.
На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявленного способа. При этом введены следующие обозначения:
1 - энергосистема
2 - датчик тока нагрузки
3 - полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель
4 - блок формирования спектра группы индуктивных токов
5 - датчик питающего напряжения
6 - нелинейная нагрузка
7 - блок формирования логического сигнала
8 - блок формирования модулирующего сигнала
9 - емкостный накопитель
Суть способа заключается в следующем. Как известно, в энергосистеме при питании от нее активно индуктивных нагрузок в течение четверти периода знак мгновенной мощности изменяется на противоположный. Это связано с тем, что часть энергии, запасенная в магнитном поле реактивной нагрузки, возвращается назад в источник в виде реактивного тока, обуславливающего непроизводительные потери мощности. При этом протекание реактивного тока обеспечивается ЭДС самоиндукции.
В заявленном способе задача повышения эффективности способа извлечения индуктивной составляющей тока одной или нескольких фиксированных частот решается посредством использования способа извлечения упомянутой индуктивной составляющей, обеспечивающего дальнейшее ее использование.
Задача извлечения индуктивной составляющей решается посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, построенного на IGBT модулях. Протекание индуктивной составляющей тока через каждое из плеч полностью управляемого транзисторного выпрямителя обеспечивается в каждом полупериоде питающего напряжения действием ЭДС самоиндукции. При этом транзисторы каждого из плеч управляемого моста открываются на время, в течение которого в энергосистеме протекает индуктивная составляющая тока. Управление транзисторами осуществляют посредством модулирующего сигнала с заданными характеристиками. Использование IGВТ-транзисторов при выпрямлении тока позволяет использовать их управляющие свойства относительно токов. При этом осуществляется избирательное выпрямление только той составляющей тока, которая задается сигналом управления. На выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, энергия которых за период их повторения эквивалентна энергии, извлекаемой из энергосистемы индуктивной составляющей тока, а длительность которых изменяется по закону изменения ее огибающей. Извлеченную таким образом энергию накапливают в виде энергии постоянного тока. При этом контур, в котором замыкается реактивная составляющая энергии, генерируемая нагрузкой, ограничивается точкой подсоединения устройства, обеспечивающего ее извлечение, и энергосистема, таким образом, разгружается от индуктивной составляющей тока.
Способ осуществляется следующим образом. Активно-индуктивная нагрузка 6 отбирает из энергосистемы вместе активной индуктивную составляющую энергии. При этом последняя загружает энергосистему реактивным током. Посредством датчика тока 2 и датчика питающего напряжения 6 формируют пропорциональные им сигналы. При этом в случае, если индуктивная нагрузка 6 нелинейна, на выходе датчика тока 2 формируется сигнал, пропорциональный генерируемому ей индуктивному току, основная гармоника которого формирует угол его запаздывания относительно питающего напряжения. Блоком формирования спектра группы индуктивных токов 4, в качестве которого можно использовать набор фильтров, формируется группа индуктивных токов гармоник, подлежащих извлечению из энергосистемы. При этом в указанную группу могут входить, кроме индуктивной составляющей основной гармоники, реактивные составляющие высших гармоник, которые необходимо извлечь из энергосистемы. В том случае, если нагрузка линейна, в ее токе высшие гармоники отсутствуют, и, таким образом, упомянутая группа будет содержать только индуктивную составляющую тока основной частоты. При этом блок 4 может отсутствовать. В блоке формирования логического сигнала 7 сравниваются знаки, поступающие на его входы, с выходов блока 4 и датчика питающего напряжения 5, - сигналов, и на его выходе формируется цифровая последовательность нулей и единиц, причем при совпадении знаков сигналов, пропорциональных току и напряжению, на выходе блока 7 формируется логическая единица, а в остальных случаях - логический ноль. Таким образом, логическая единица соответствует той части периода, в течение которого нагрузка 6 отбирает из энергосистемы активную мощность. Далее сигнал с выхода блока 7 поступает на один из входов блока формирования модулирующего сигнала 8, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой 6. Таким образом, в те моменты, в течение которых логический ноль, поступающий с выхода блока 7, совпадает на входе блока 8 с положительной полуволной, отбираемого нагрузкой 6 тока, на выходе блока 8 формируются модулирующие импульсы напряжения, пропорциональные индуктивной составляющей тока, отбираемого нагрузкой 6, и синфазные по отношению к ней. В течение времени действия импульсов напряжения, сформированных блоком 8, на управляющих входах полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, питание последнего осуществляется за счет ЭДС самоиндукции. Таким образом, посредством управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3 осуществляется извлечение индуктивной составляющей тока, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой 6, в форме, способствующей ее накоплению. При этом на его выходе формируются последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, энергия которых, за период их повторения, эквивалентна извлекаемой из энергосистемы индуктивной составляющей тока, а их длительность изменяется по закону изменения огибающей упомянутой индуктивной составляющей, которая посредством емкостного накопителя 9 накапливается в виде энергии постоянного тока.
О реализации заявленного способа необходимо отметить следующее.
Использование в заявленном способе полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, работающего в ключевом режиме на частотах, превышающих частоту модулируемого управляющего сигнала, является оптимальным. При этом полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель позволяет произвольно, в зависимости от поставленной задачи, формировать огибающую выпрямленного тока, потребляемого из питающей сети. Помехи от работы полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя могут быть отфильтрованы посредством стандартных решений при минимальных энерго- и материальных затратах.
Необходимо отметить также следующий факт. Одним из преимуществ извлечения тока заданной частоты посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя является простота его перестройки при изменении текущего коэффициента мощности в энергосистеме. Для этого достаточно изменить модулирующий сигнал управления.
Таким образом, в результате последовательности действий, воспроизведенных в соответствии с заявленным способом повышения эффективности использования электроэнергии, из энергосистемы, индуктивная составляющая тока, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой, извлекается в виде, обеспечивающем ее дальнейшее использование.
Источники информации
1. Патент РФ №2320067, опубл. 2007.01.20.
2. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий [Текст] / И.В.Жежеленко. - М.: Энергоатомиздат, 1984, с.109.