СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (ВАРИАНТ 8)
METHOD FOR INCREASING QUALITY AND EFFICIENCY OF POWER USAGE (VARIANT 8)

Способ относится к электротехнике и может быть использован для повышения эффективности использования электроэнергии, посредством снижения в потоке мощности энергосистемы непроизводительных потерь.
Известен способ компенсации реактивной мощности (1), принятый в качестве аналога, при осуществлении которого индуктивная составляющая тока, генерируемая нелинейной нагрузкой, компенсируется емкостным током батарей конденсаторов (БК). Известный способ - аналог обладает недостатками, главными из которых являются зависимость реактивной мощности, генерируемой БК от напряжения и их чувствительность к искажениям формы питающего напряжения. При этом имеет место малый срок службы БК и их недостаточная электрическая прочность.
Известен способ (2), принятый в качестве прототипа, при осуществлении которого из потока мощности, отбираемого неактивной нагрузкой, извлекают часть энергии, обуславливающую ее непроизводительные потери, и после преобразования в гармонику основной частоты возвращают в энергосистему. В известном способе не предусмотрена компенсация реактивной «мощности», и, таким образом, имеют место непроизводительные потери энергии, обусловленные реактивными токами.
Задача, решаемая изобретением, - повышение качества и эффективности использования электроэнергии.
Это достигается тем, что согласно предложенному способу реактивную составляющую в потоке мощности энергосистемы снижают в зависимости от ее характера: либо посредством извлечения индуктивной составляющей энергии, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяются по закону изменения огибающей индуктивной составляющей тока, либо посредством генерации в энергосистему, с помощью дополнительного регулируемого источника мощности - компенсирующего тока, причем в первом случае извлеченная индуктивная составляющая энергии после преобразования возвращается в энергосистему в виде энергии гармоники основной частоты, а во втором - компенсирующий ток формируется либо за счет реактивной энергии группы высших гармонических составляющих, генерируемых нелинейной нагрузкой, либо за счет активной энергии гармоники основной частоты, либо за счет энергии, состоящей из реактивной энергии группы высших гармонических составляющих и доли активной энергии гармоники основной частоты, при этом и реактивная энергия группы высших гармонических составляющих, и активная энергия гармоники основной частоты, или ее доля, извлекаются из энергосистемы в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения огибающей извлекаемого тока.
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 - дополнительного регулируемого источника мощности
5 - фильтр гармоники тока основной частоты
6 - блок формирования логического сигнала
7 - первый блок формирования модулирующего сигнала
8 - нелинейная нагрузка
9 - датчик напряжения
10 - выпрямитель
11 - управляемый масштабный усилитель
12 - блок управления
13 - датчик тока
14 - емкостный накопитель
15 - датчик питающего напряжения
16 - первый логический блок
17 - второй блок формирования модулирующего сигнала
18 - фазокорректирующее звено.
Суть способа заключается в следующем. Как известно, в энергосети при питании от нее нелинейных реактивных нагрузок имеют место следующие факты: форма тока искажается за счет появления в нем высших гармонических составляющих основной частоты; в энергосистеме появляется реактивная составляющая мгновенной мощности гармоники основной частоты. Последний факт связан с тем, что часть энергии, запасенная в электрическом или магнитном поле реактивной нагрузки, возвращается назад в источник в виде реактивной составляющей тока. Протекание реактивного тока 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 емкостном элементе, как известно, противоположны. Реактивными являются также токи высших гармоник. Отрицательный эффект, связанный с реактивными токами, как известно, заключается в дополнительных непроизводительных потерях энергии в энергосистеме.
В заявленном способе задача повышения качества и эффективности использования электроэнергии решается путем снижения ее непроизводительных потерь. При этом предлагается в те моменты времени, когда нагрузка в энергосистеме проявляет реактивный характер, из потока мощности, отбираемого активно-реактивной нагрузкой, извлекать индуктивную составляющую тока гармоники основной частоты и реактивные токи высших гармоник, долю которых необходимо уменьшить, и после преобразования возвращать в энергосистему в виде активной энергии посредством тока основной частоты. В те же моменты времени, когда нагрузка энергосистемы меняет свой характер на емкостной, предлагается посредством дополнительного регулируемого источника мощности, в качестве которого целесообразно использовать ШИМ-инвертор транзисторного типа, генерировать в энергосистему компенсирующий ток, величина и фаза которого формируется за счет энергии тока основной частоты, таким образом, чтобы скорректировать коэффициент мощности энергосистемы до заданной величины.
Задача извлечения упомянутых реактивных составляющих решается применением полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, построенного на IGBT модулях. Протекание реактивных токов в каждом из плеч полностью управляемого транзисторного выпрямителя обеспечивается, в каждый полупериод питающего напряжения, действием ЭДС самоиндукции. При этом транзисторы каждого из плеч управляемого моста открываются под воздействием ЭДС самоиндукции на время, в течение которого в энергосистеме протекают реактивные составляющие токов гармоник: основной частоты и высших составляющих. Управление транзисторами осуществляют посредством модулирующего сигнала с заданными характеристиками. Использование IGBT-транзисторов при выпрямлении тока позволяет использовать их управляющие свойства относительно токов. При этом осуществляется избирательное выпрямление только тех составляющих тока, которые задаются сигналом управления. На выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов, энергия которых эквивалентна извлекаемой из энергосистемы энергии реактивной составляющей токов: основной и высших гармоник; а длительность которых изменяется по закону изменения ее огибающей. Далее, извлеченная энергия накапливается в емкостном накопителе и после преобразования посредством дополнительного регулируемого источника мощности возвращается в энергосистему в виде активной энергии посредством тока основной частоты. При этом контур, в котором замыкается реактивная энергия тока основной частоты и высших гармоник, генерируемая нагрузкой, ограничивается точкой подсоединения устройства, обеспечивающего ее извлечение. Таким образом, энергосистема разгружается от индуктивной составляющей тока.
В описанном выше случае формирования ШИМ-инвертором тока компенсации емкостной составляющей управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель работает только с активной составляющей тока в энергосистеме, как обычный мостовой. При этом активная составляющая энергии извлекается как обычно, соответственно, каждым плечом выпрямителя, в течение каждого полупериода питающего напряжения. Управление током компенсации, формируемым ШИМ-инвертором и генерируемым в энергосистему, осуществляют посредством модулирующего сигнала, сформированного посредством тока нагрузки,
Способ осуществляется следующим образом. Нелинейная реактивная нагрузка 8 отбирает из энергосистемы вместе с активной реактивную составляющую энергии, которая при этом, во времени, меняет свой характер. Таким образом, в энергосистеме, наряду с реактивными токами высших гармоник, в разные моменты времени присутствуют или индуктивные, или емкостные токи основной частоты. При этом реактивные токи обуславливают непроизводительные потери мощности. Посредством предлагаемого способа возможно уменьшить реактивные токи, генерируемые нагрузкой с различным характером (индуктивным или емкостным). Рассмотрим реализацию предлагаемого способа в течение фазы генерации нагрузкой индуктивного тока и реактивных токов высших гармоник. Посредством датчика тока 2 и датчика питающего напряжения 15 формируют пропорциональные им сигналы. При этом с выхода датчика тока 2 сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой 8, одновременно поступает на один из входов: фильтра гармоники тока основной частоты 5, блока формирования логического сигнала 6, первого логического блока 16, первого блока формирования модулирующего сигнала 7 - на вход фазокорректирующего звена 18. С выхода датчика питающего напряжения 15 сигнал, пропорциональный питающему нагрузку напряжению, поступает на один из входов: блока формирования логического сигнала 6, первого логического блока 16, второго блока формирования модулирующего сигнала 18, полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3. В блоке 16, построенном в том числе по триггерному принципу, анализируется характер нагрузки 8. При этом из сигналов, пропорциональных току и напряжению, при пересечении последними нулевого уровня формируются последовательность импульсов. В случае если напряжение опережает ток, на выходе блока 16 формируется сигнал разрешения, например логическая единица, в противоположном случае - логический запрет. Таким образом, если нагрузка 8 имеет индуктивный характер, с выхода блока 16 сигнал разрешения поступает на управляющие входы первого блока формирования модулирующего сигнала 7, управляемого масштабного усилителя 11, а сигнал запрета - на второй блок формирования модулирующего сигнала 17. В блоке формирования логического сигнала 6 сравниваются знаки поступающих на его входы с выходов датчика тока 2 и датчика питающего напряжения 15 сигналов, и на его выходе формируется цифровая последовательность нулей и единиц, причем при совпадении знаков сигналов, пропорциональных току и напряжению, на выходе блока 6 формируется логическая единица, а в остальных случаях - логический ноль. Таким образом, логическая единица соответствует той части периода, в течение которого нагрузка 8 отбирает из энергосистемы активную мощность. Далее сигнал с выхода блока 6 поступает на один из сигнальных входов блока формирования модулирующего сигнала 7, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой 8. Таким образом, в те моменты, в течение которых логический ноль, поступающий с выхода блока 6, совпадает на входе блока 7 с положительной полуволной отбираемого нагрузкой 8 тока, на выходе блока 7 формируются модулирующие импульсы напряжения, пропорциональные индуктивной составляющей тока, отбираемого нагрузкой 8, и синфазные по отношению к ней. В течение времени действия импульсов напряжения, сформированных блоком 7, 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, включающей реактивные токи гармоники основной частоты и высших гармоник, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой 8, в форме, способствующей ее накоплению. При этом на его выходе формируется последовательность однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, которая посредством емкостного накопителя 14, поступает на дополнительный регулируемый источник мощности 4, в качестве которого используется ШИМ-инвертор. В емкостном накопителе последовательность однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, энергия которых эквивалентна извлекаемому из энергосистемы реактивному току, включающему индуктивную составляющую тока гармоники основной частоты и реактивные составляющие токов высших гармоник, отбираемому активно-индуктивной нагрузкой, а их длительность изменяется по закону изменения огибающей упомянутой реактивной составляющей тока, накапливается в виде энергии постоянного тока. Полученное таким образом напряжение используется для питания дополнительного регулируемого источника мощности 4, посредством которого накопленная энергия преобразуется в энергию гармоники основной частоты и возвращается в энергосистему. При этом управление блоком 4 осуществляют сигналом, сформированным посредством питающего напряжения, задающим фазу (равную нулю по отношению к питающему напряжению) возвращаемого в энергосистему тока. Очевидно, что мощность, затрачиваемая на формирование тока основной частоты, должна быть больше суммарной реактивной мощности гармоники основной частоты и высших гармоник, извлекаемых из энергосистемы, и, соответственно, накопленной в емкостном накопителе 14 на величину потерь, имеющих место при преобразовании энергии. В связи с этим величина сигнала, управляющего ШИМ-инвертором, должна обеспечивать это соответствие, в противном случае поток мощности в цепи «ШИМ-инвертор - ШИМ-выпрямитель - система энергоснабжения» не будет непрерывным. Величина сигнала, обеспечивающего соответствие упомянутых мощностей, формируется следующим образом. Посредством датчика напряжения 9 формируют сигнал, заранее задаваясь его минимальным значением, пропорциональный извлекаемой из энергосистемы суммарной реактивной мощности высших гармоник и реактивной мощности гармоники основной частоты, поступающий на один из входов блока управления 12, на второй вход которого поступает сигнал, сформированный цепочкой, состоящей из датчика тока 13 и выпрямителя 10, посредством сигнала гармоники основной частоты и пропорциональный мощности, возвращаемой в энергосистему, с помощью управляемого преобразователя мощности 4. При этом в блоке управления 12 упомянутые сигналы сравниваются по величине, и их разница преобразуется в пропорциональный ей сигнал, который поступает на управляющий вход управляемого масштабного усилителя 11 и который управляет сигналом, сформированным описанным выше способом, из питающего нагрузку напряжения, поступающим на его сигнальный вход. Таким образом, величина сигнала, управляющего работой ШИМ-инвертора, и, следовательно, управляющая величиной мощности, возвращаемой в энергосистему, формируется в зависимости от соотношения мощностей: извлекаемой из энергосистемы суммарной реактивной мощности высших гармоник и реактивной мощности гармоники основной частоты и мощности, возвращаемой в энергосистему. При этом величина тока, генерируемого в энергосистему, увеличивается до тех пор, пока напряжение в емкостном накопителе 14 не достигнет минимальной величины. Таким образом, снижение напряжения в емкостном накопителе 14 до минимального уровня отражает тот факт, что практически вся извлекаемая из энергосистемы реактивная мощность преобразуется в энергию гармоники основной.
В случае если нагрузка 8 имеет емкостной характер, с выхода блока 16 сигнал запрета поступает на управляющие входы первого блока формирования модулирующего сигнала 7, управляемого масштабного усилителя 11, а сигнал разрешения - на второй блок формирования модулирующего сигнала 17. При этом блокируется работа блоков 7 и 11. В блоке 17 из аналогового сигнала, поступающего на его сигнальный вход, пропорционального току, отбираемому нагрузкой 8 и скорректированному в фазокорректирующем звене 18 на угол, определяемый изначально по условию формирования генерируемого, посредством дополнительного регулируемого источника мощности 4 - индуктивного тока - формируется модулирующий сигнал управления последним. При этом, в случае если необходимо полностью компенсировать емкостную составляющую тока, упомянутый аналоговый сигнал, поступающий в блок 17, сдвигается на 180 эл. градусов. Таким образом, в энергосистему генерируется сформированный описанным способом ток компенсации емкостной составляющей.
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 качества и эффективности использования электроэнергии добиваются того, что реактивную составляющую потока мощности энергосистемы снижают в зависимости от ее характера: либо посредством извлечения индуктивной составляющей энергии, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяются по закону изменения огибающей индуктивной составляющей тока, либо посредством генерации в энергосистему компенсирующего тока емкостной составляющей, с помощью дополнительного регулируемого источника мощности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Рекус Г.Г. Электрооборудование производств: Справ. пособие [Текст] / Рекус Г.Г. - М.: Высш. шк., 2007, с.334.
2. Патент РФ №2237334, опубликовано: 2004.05.20.