УСТРОЙСТВО КОНВЕРТИРОВАНИЯ АКТИВНОЙ НАГРУЗКИ
DEVICE TO CONVERT ACTIVE LOAD

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для компенсации мощной индуктивной нагрузки, например, при работе мощных электродвигателей, в сетях переменного тока одновременно с их работой на активную нагрузку.
Известно, что приборы учета активной электроэнергии не производят учет реактивной электроэнергии, если к сети подключаются конденсаторы или индуктивности. Это приводит к безучетным потерям электроэнергии при ее оплате абонентами. На промышленных предприятиях, использующих мощные электродвигатели, то есть имеющих индуктивную составляющую, в целях компенсации реактивных потерь используют батареи конденсаторов и применяют приборы учета активной и реактивной электроэнергии. При этом емкость конденсаторов выбирают такой величины, при которой показания прибора учета реактивной электроэнергии минимизируются. Это снижает потери электроэнергии на подводящих проводниках линий электропередачи.
В случае когда индуктивная нагрузка на промышленных предприятиях изменяется в зависимости от технологического процесса, для снижения потерь электроэнергии в подводящих сетях переменного тока приходится регулировать величину подключаемых компенсирующих конденсаторов, что снижает оперативность функционирования предприятия. Поэтому возникает потребность в использовании схем конвертирования регулируемой активной нагрузки, дополнительно излучающей тепловую энергию (джоулево тепло), в реактивную, имеющую емкостную реакцию регулируемой величины.
Указанный недостаток известных устройств реактивной компенсации устранен в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является преобразование регулируемой активной нагрузки в комплексную с изменяемой емкостной реактивной составляющей.
Указанная цель достигается в устройстве конвертирования активной нагрузки, состоящем из двух встречно включенных к фазному проводнику электрической сети силовых диодов, каждый из которых соединен соответственно с двумя одинаковыми по величине накопительными конденсаторами, подключенными к нулевому проводнику электрической сети, из двух последовательно включенных силовых тиристоров, концы которых подключены соответственно к точкам соединения силовых диодов и соответствующих им накопительных конденсаторов, средняя точка включения силовых тиристоров подсоединена вместе с нулевым проводником электрической сети к регулируемой активной нагрузке, а для управления силовыми тиристорами использован трансформатор, первичная обмотка которого включена к электрической сети, две раздельные вторичные обмотки его соединены с катодами и управляющими электродами силовых тиристоров через цепи из последовательно включенных ограничивающих диодов и резисторов, причем выводы вторичных обмоток трансформатора, подключаемые к управляющим электродам силовых тиристоров, являются противофазными, что определяет разряд одного из накопительных конденсаторов на регулируемую активную нагрузку, когда заряжается другой накопительный конденсатор.
Достижение указанной цели в заявляемом техническом решении объясняется тем, что входная цепь устройства является комплексной при чисто активной ее выходной цепи и реактивная емкостная составляющая этой комплексной входной нагрузки определяется величиной активной нагрузки. При этом в последней выделяется джоулево тепло, которое может быть использовано для целей обогрева помещения.
Электрическая схема заявляемого устройства представлена на рис.1 и включает:
1 - электрическую подстанцию с линией электропередачи,
2 - активное сопротивление энергопитающей электрической сети,
3 - первый силовой диод,
4 - второй силовой диод,
5 - первый накопительный конденсатор,
6 - второй накопительный конденсатор,
7 - первый силовой тиристор,
8 - второй силовой тиристор,
9 - регулируемая активная нагрузка,
10 - первичная обмотка трансформатора,
11 - первая вторичная обмотка трансформатора,
12 - вторая вторичная обмотка трансформатора,
13 - первый ограничивающий диод,
14 - первый ограничивающий резистор,
15 - второй ограничивающий диод,
16 - второй ограничивающий резистор.
C
CO
Н
На рис.2 дана эпюра переменного напряжения U=Usinωt электрической сети, На рис.3 дана эпюра переменного экспоненциального напряжения U, действующего в регулируемой активной нагрузке 9.
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
CO
ЗАР
ЗАР
Пусть при t=0 (см. рис.2) проводящим ток является первый силовой диод 3, через который заряжается первый накопительный конденсатор 5 с емкостью C до амплитудного значения напряжения U электрической сети - подстанции 1 с линией электропередачи 2 с малым (порядка 1-2 Ом) общим сопротивлением r в течение четверти периода T/4 переменного напряжения. Постоянная времени зарядной цепи τ=rC (полагая условно нулевым сопротивление открытого силового диода). При условии, что τ<<T/4, где T=2π/ω, ω - круговая частота сети переменного тока, ток заряда находится практически в квадратуре с напряжением электрической сети, и при амплитудном значении напряжения ток заряда практически стремится к нулю, и мгновенная мощность в процессе заряда первого накопительного конденсатора 5 в пределах интервала 0≤t≤T/4 изменяется от нуля до некоторого максимального значения при t<T/4, а затем вновь уменьшается до нуля. Это обстоятельство указывает на то, что прибор учета активной электроэнергии не будет учитывать всю израсходованную на заряд первого накопительного конденсатора 5 электрическую энергию. Следовательно, зарядная цепь обладает комплексным входным сопротивлением.
Аналогичная картина будет иметь место для заряда второго накопительного конденсатора 6 через второй силовой диод 4 за время четверти периода во втором полупериоде переменного напряжения, то есть в интервале времени T/2≤t≤3T/4. И такой же комплексной будет реакция в этой зарядной цепи.
РАЗ
Н
Н
H
CO
РАЗ
H
CO
РАЗ
CO
H
CO
CO
H
В то время, пока заряжается первый накопительный конденсатор 5, через открытый первый силовой тиристор 7 будет разряжаться ранее заряженный второй накопительный конденсатор 6 на регулируемую активную нагрузку 9, и наоборот, при заряде второго накопительного конденсатора 6 будет разряжаться первый накопительный конденсатор 5 на регулируемую активную нагрузку 9 через открытый второй силовой тиристор 8. Напряжение на регулируемой активной нагрузке 9 является переменным по знаку и экспоненциально падающим с постоянной времени разряда τ=RC, где R - сопротивление регулируемой активной нагрузки 9. Напряжение в последней в функции времени определяется известным соотношением U(t)=Uexp(-t/τ). Поскольку разряд накопительных конденсаторов 5 и 6 происходит в течение полупериода T/2 колебаний электрической сети, то остаточное напряжение к концу разряда равно U(T/2)=Uexp(-T/2τ)=Uexp(-T/2RC). Таким образом, за каждый полупериод переменного тока модуль напряжения на регулируемой активной нагрузке изменяется в пределах от U до Uexp(-T/2RC). Среднее значение модуля напряжения, действующего в регулируемой активной нагрузке 9, равно:
H
H
H
Обозначая x=t/R C, получим t=xRC и dt=RCdt, и (1) имеет решение:
Процесс заряда и разряда накопительных конденсаторов 5 и 6 периодически повторяется с частотой электрической сети.
Σ
CO
ЗАР
РЕАКТ
Σ
Σ
2
2
2
1/2
Если считать, что накопительные конденсаторы 5 и 6 при работе данного устройства успевают разряжаться полностью за полупериод переменного напряжения электрической сети, то потребляемая от сети полная мощность (активная и реактивная) равна P=CU /T при условии, что τ<<T/4. Поэтому реактивная составляющая потребляемой от сети мощности равна P=(Р -Р), так как cosφ=P/P, где φ - сдвиг по фазе между током и напряжением в электрической сети емкостного характера.
H
H
H
CO
Если сопротивление R будет возрастать так, что накопительные конденсаторы будут не до конца разряжаться на регулируемую активную нагрузку 9, то потребляемая от сети полная мощность будет снижаться, изменяя соответственно реактивную составляющую. При этом также изменяется и мощность, рассеивающаяся в нагрузке R, изменяя тепловую отдачу в ней. В предельном случае при R=∞ (для разомкнутой цепи нагрузки) накопительные конденсаторы вообще не разряжаются и поддерживают на них напряжение U и входной ток отсутствует после полного заряда накопительных конденсаторов.
Рассмотрим пример реализации устройства.
ЗАР
РАЗР
H
H
H
CO
CO
Σ
CO
РЕАКТ
-3
-3
-3
2
2
2
2
1/2
Пусть фазное напряжение электрической сети равно 220 B частоты 50 Гц и с сопротивлением линии r=1 Ом. При выборе накопительных конденсаторов 5 и 6 емкостью C=1000 мкФ имеем постоянную времени заряда τ=10 сек=1 мс<<T/4=5 мс. Для того чтобы эти накопительные емкости практически полностью разряжались за половину периода T/2=10 мс, необходимо выбрать постоянную времени цепи разряда τ=RC так, что RC к T/4,4=5,54 мс, и тогда сопротивление R=5,54·10/10=5,54 Ом. Поскольку амплитуда переменного напряжения U=1,41×220=310 B, то выделяемая в нагрузке средняя мощность P={0,44 U[1-exp(-4,54)]}/5,54=3,9 кВт. При этом полная потребляемая мощность от электрической сети равна Р=(U C/T)=4,8 кВт. При этом реактивная мощность Р=(4,80-3,90)=2,8 кВт и cosφ=3,80/4,80=0,79, то есть разность фаз между током и напряжением φ=37,8° (ток опережает напряжение). Иначе говоря, при полном потреблении от сети мощности в 4,8 кВт прибор учета активной энергии зафиксирует только мощность в 3,9 кВт.
H
CP
ОСТ
ОСТ
Σ
CO
ОСТ
2
2
Если сопротивление регулируемой активной нагрузки увеличить вшестеро, то есть при выборе R=27,3 Ом, среднее напряжение на нагрузке будет равно U=299 B и средняя мощность в нагрузке P=3,27 кВт. К концу каждого полупериода модуль остаточного напряжения U на накопительных конденсаторах при их разряде составит U=68,5 B. Следовательно, полная потребляемая мощность будет равна P=[(U -U )·C/T]=4,57 кВт. При этом cosφ=3,27/4,57=0,715, откуда φ=42°. Видно, что при изменении величины сопротивления регулируемой активной нагрузки изменяется реактивная составляющая, вносимая устройством в электрическую сеть. При дальнейшем увеличении сопротивления регулируемой активной нагрузки растет разность фаз между током и напряжением в проводниках электрической сети, то есть растет емкостная составляющая входной цепи устройства.
Таким образом, доказано, что заявляемое устройство действительно выполняет функцию конвертирования активной нагрузки в эквивалентную емкостную нагрузку, подключаемую к электрической сети. При этом выделяемая в активной нагрузке тепловая энергия правильно учитывается прибором учета активной электрической энергии, а реактивная составляющая может быть использована для компенсации индуктивной составляющей электродвигателей, работающих в данном помещении. Это исключает потери электроэнергии, поставляемой по проводникам электрической сети от удаленной электрической подстанции, связанные с реактивными токами, величина которых при этом минимизируется. Притом процесс минимизации может быть автоматизирован применением соответствующей следящей системы.
В данном устройстве использованы некоммутируемые емкости, а схема в целом эквивалентна действию переменной емкости, величиной которой управляет регулируемая активная нагрузка 9, используемая и как эффективный обогреватель помещения. Это устройство может использоваться в сочетании с параллельно присоединенными к его входным зажимам емкостями.
Аналогичный эквивалентный конденсатор переменной емкости можно применять и в слаботочной технике, а также применительно к генераторам переменного тока повышенной частоты.