АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ПОТЕРЬ НА РЕАКТИВНУЮ СОСТАВЛЯЮЩУЮ В СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
AUTOMATIC DEVICE AND METHOD FOR COMPENSATION OF LOSSES FOR REACTIVE COMPONENT IN ALTERNATING CURRENT NETWORKS

Область техники
Настоящее изобретение относится к электротехнике, а более точно, - к автоматическому устройству и способу компенсации потерь на реактивную составляющую в сетях переменного тока.
Изобретение может быть использовано в промышленных сетях переменного тока для снижения потерь на реактивную составляющую, которая может достигать 20-40% от общей нагрузки.
Предшествующий уровень техники
Основными потерями в промышленных сетях переменного тока являются потери на реактивную составляющую. Неполная загруженность асинхронных двигателей на предприятиях является основной причиной потерь на реактивную составляющую в промышленных сетях переменного тока, которая может достигать 20-30% от общей нагрузки. Уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети в целом характеризуется коэффициентом мощности потребителя, который определяется как отношение потребляемой активной мощности Р к полной мощности S, действительно взятой из сети, то есть cos (ϕ)=P/S.
Чем ближе значение коэффициента мощности cos(ϕ) к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности. Для асинхронных двигателей cos(ϕ) составляет около 0,7; для электродуговых печей и сварочных трансформаторов cos(ϕ) составляет около 0,4; для станков и машин cos(ϕ) не более 0,5, поэтому наиболее полное использование мощностей сети возможно только при компенсации реактивной составляющей мощности.
Следует отметить, что компенсировать реактивную мощность полностью до cos(ϕ)=1 не рекомендуется, так как при этом возможна перекомпенсация (за счет переменной величины активной мощности нагрузки и других случайных факторов). Обычно стараются достигнуть значения cos(ϕ) =0,90-0,95.
Компенсировать реактивную мощность возможно синхронными компенсаторами, синхронными двигателями, косинусными конденсаторами, т.е. конденсаторными установками. В настоящее время для компенсации реактивной мощности широкое применение получили конденсаторные установки КРМ, обладающие рядом преимуществ перед другими устройствами компенсации реактивной мощности.
Компенсация реактивной мощности может быть индивидуальной и централизованной. В первом случае параллельно нагрузке подключают один или несколько косинусных конденсаторов, во втором случае некоторое количество конденсаторов подключается к главному распределительному щиту.
Индивидуальная компенсация - самый простой и наиболее дешевый способ компенсации реактивной мощности. Количество конденсаторов, или конденсаторных батарей, соответствует количеству нагрузок, причем каждый конденсатор расположен непосредственно у соответствующей нагрузки, например, рядом с двигателем. Такая компенсация хороша только для постоянных нагрузок, например, для одного или нескольких асинхронных двигателей с постоянной скоростью вращения вала, то есть там, где реактивная мощность каждой из нагрузок во включенном состоянии с течением времени меняется незначительно и для ее компенсации не требуется изменения номиналов подключенных конденсаторных батарей. Поэтому индивидуальная компенсация ввиду неизменного уровня реактивной мощности нагрузки и соответствующей реактивной мощности компенсаторов называется также нерегулируемой компенсацией.
Централизованная компенсация представляет собой компенсацию реактивной мощности с помощью одной регулируемой установки, подключенной к главному распределительному щиту.
Централизованная компенсация применяется в системах с большим количеством нагрузок, имеющих большой разброс коэффициента мощности в течение суток, то есть для переменной нагрузки, например, несколько двигателей, размещенных на одном предприятии и подключаемых попеременно. В таких системах индивидуальная компенсация неприемлема, так как становится слишком дорогостоящей, поскольку при большом количестве оборудования требуется установка большого количества конденсаторов, и также возникает вероятность перекомпенсации, т.е. появление в сети перенапряжения.
В случае централизованной компенсации конденсаторная установка оснащается специализированным контроллером или автоматическим регулятором реактивной мощности и коммутационно-защитной аппаратурой, контакторами и предохранителями. При отклонении значения коэффициента мощности потребителя cos(ϕ) от заданного значения контроллер подключает или отключает определенные конденсаторные батареи, т.е. компенсация осуществляется ступенчато. Таким образом, контроль осуществляется автоматически, а мощность подключенных конденсаторов соответствует потребляемой в данный конкретный момент времени реактивной мощности, что исключает генерацию реактивной мощности в сеть и появление в сети перенапряжения.
Известно устройство централизованной компенсации реактивной мощности в n-фазной высоковольтной сети (см., например, RU 2561192 С1, опубликован 27.08.2015), обеспечивающее энергосбережение путем централизованной компенсации реактивной мощности в условиях переменных нагрузок. Устройство может быть использовано в высоковольтных электрических сетях напряжением от 3 кВ и выше. Указанное устройство содержит регулятор реактивной мощности, измеритель реактивной мощности, трансформатор напряжения, n батарей косинусных конденсаторов, каждая из которых включает m косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине, n блоков контакторов, каждый из которых включает m контакторов, также введены n батарей подстроечных косинусных конденсаторов, каждая из которых включает k подстроечных косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине, n блоков коммутаторов, каждый из которых включает k коммутаторов, контроллер, n анализаторов гармонического состава сигнала, при этом суммарную емкость CΣбп в каждой из n батарей подстроечных конденсаторов выбирают из соотношения CΣбп=Ск, где Ск - емкость единичного конденсатора в каждой из n батарей косинусных конденсаторов, где n, m, k>/=1.
Устройство работает следующим образом.
При изменении нагрузки в сети и связанных с этими изменениями характера и уровня реактивной мощности по сигналу с измерителя реактивной мощности регулятором реактивной мощности формируются соответствующие управляющие команды, поступающие на контакторы блоков контакторов, в соответствии с которыми (управляющими командами) к совокупности контакторов подключается соответствующая совокупность косинусных конденсаторов из батарей косинусных конденсаторов. Суммарное реактивное сопротивление подключенных к соответствующей вторичной обмотке трансформатора косинусных конденсаторов по каждой из фаз трансформируется понижающим трансформатором в высоковольтную сеть, обеспечивая необходимую компенсацию реактивной мощности. При этом, как по причине изменения характера нагрузки у потребителей, так и при изменении суммарной емкости косинусных конденсаторов, подключенных к соответствующим обмоткам понижающего трансформатора и образующих с ними последовательный контур, может возникнуть резонанс напряжений.
В связи с тем, что активные потери в указанном последовательном контуре незначительны и его добротность Q≥10, это может привести к резкому возрастанию напряжения на косинусных конденсаторах и выходу их из строя.
Для исключения последовательного резонанса и перегрузки косинусных конденсаторов, анализаторами производится постоянный анализ гармонического состава сигнала на совокупности косинусных конденсаторов, подключенных к соответствующим обмоткам понижающего трансформатора. По результатам анализа определяется частота паразитного резонанса и его мощность. Контроллером производится оценка поступающего с анализаторов сигнала и при выявлении по результатам этой оценки необходимости отстройки от частоты паразитного резонанса формируется управляющая команда с учетом информации, получаемой с регулятора о суммарной емкости косинусных конденсаторов, подключенных к каждой из фаз. Управляющая команда поступает на коммутаторы соответствующих блоков коммутаторов для подключения к уже подключенным соответствующим косинусным конденсаторам соответствующей совокупности подстроечных косинусных конденсаторов блоков подстроечных косинусных конденсаторов.
Указанное устройство не позволяет гибко компенсировать потери на реактивную составляющую при любых изменениях индуктивной нагрузки, которая изменяется при изменении нагрузки промышленных потребителей.
Известна система автоматической компенсации реактивной мощности и отклонения напряжения с широтно-импульсной модуляцией на высокой стороне трансформаторной подстанции (см., например, RU 2475917С1, опубликован 20.02.2013). Трансформаторная подстанция содержит силовой трансформатор с вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке, и входные зажимы с батареей косинусных конденсаторов, предназначенные для подключения к сети.
Система автоматической компенсации реактивной мощности содержит вольтодобавочный трансформатор и преобразователь со звеном постоянного тока, в состав которого входит рекуперативный выпрямитель с системой управления, индуктивно-емкостный фильтр и инвертор напряжения с синхронизированной с сетью системой управления, а также датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, при этом вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора через тиристорный преобразователь со звеном постоянного тока подключена к нагрузке.
В указанной системе первичные обмотки силового и вольтодобавочного трансформаторов соединены последовательно и подключены к сети, выход датчика реактивной мощности сети подключен к управляющему входу системы управления инвертором, выполненной с широтно-импульсной модуляцией и возможностью изменения направления регулирования фазы выходного напряжения инвертора по знаку управляющего сигнала. Выход датчика отклонения напряжения нагрузки подключен к управляющему входу системы управления активным выпрямителем, выполненной с широтно-импульсной модуляцией и ограничением минимального уровня выпрямленного напряжения. В звено постоянного тока включен датчик тока, выход которого подключен к дополнительному управляющему входу системы управления активным выпрямителем, кроме этого активный выпрямитель выполнен с регулированием фазы его входного тока в функции выпрямленного тока, при этом система управления активным выпрямителем выполнена с возможностью опережающего регулирования фазы его входного тока в выпрямительном режиме и отстающего регулирования в инверторном режиме.
Вольтодобавочный трансформатор, который включен на высокой стороне подстанции, управляется от преобразователя амплитуды и фазы напряжения с промежуточным звеном постоянного тока. Преобразователь получает питание от нагрузки. Дискретной ступенью компенсации реактивной мощности является батарея косинусных конденсаторов сети. При большой индуктивности RL-нагрузки инвертор работает с опережающей фазой, дополняя действие конденсаторов, а при малой индуктивности - с отстающей фазой, нейтрализуя действие дискретной ступенью.
Однако известные устройства не позволяют гибко компенсировать потери на реактивную составляющую при любых изменениях индуктивной нагрузки, которая изменяется при изменении нагрузки промышленных потребителей.
Краткое изложение существа изобретения
%
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания автоматического устройства для компенсации потерь в потребительской сети на реактивную составляющую напряжения, подаваемого от сети переменного тока, которое обеспечивает гибкую компенсацию потерь на реактивную составляющую и доведение указанных потерь до не более 2 от общей потребляемой мощности при любых изменениях величины индуктивной нагрузки.
В основу настоящего изобретения поставлена также задача создания способа компенсации потерь в потребительской сети на реактивную составляющую напряжения, подаваемого от сети переменного тока.
Поставленная задача решена путем создания автоматического устройства для компенсации потерь в потребительской сети на реактивную составляющую напряжения, подаваемого от сети переменного тока, которое содержит
повышающий трансформатор для повышения величины подаваемого напряжения до 10-100 киловольт, содержащий магнитопровод и размещенные на магнитопроводе первичную обмотку, предназначенную для подключения к сети переменного тока, и выходную вторичную обмотку,
понижающий трансформатор для понижения напряжения, выдаваемого упомянутым повышающим трансформатором, до значения, равного напряжению, подаваемому потребителю, содержащий магнитопровод и размещенные на магнитопроводе первичную обмотку, идентичную вторичной обмотке упомянутого повышающего трансформатора и подключенную встречно к вторичной обмотке упомянутого повышающего трансформатора, и вторичную обмотку, идентичную первичной обмотке повышающего трансформатора,
при этом встречно включенные вторичная обмотка повышающего трансформатора и первичная обмотка понижающего трансформатора образуют схему для формирования второй гармоники напряжения, обеспечивающую, при подаче на повышающий трансформатор напряжения от сети переменного тока, формирование второй гармоники напряжения в обмотках и магнитопроводах указанных трансформаторов, так что частота внешних колебаний напряжения сети переменного тока удваивается в упомянутой схеме для формирования второй гармоники напряжения, что обеспечивает формирование в ней автопараметрического резонанса, а колебания напряженности электромагнитного поля происходят по малой петле гистерезиса магнитопровода понижающего трансформатора,
при этом при подключении индуктивной нагрузки потребительской сети к вторичной обмотке понижающего трансформатора происходит увеличение тока в этой вторичной обмотке и нагрузке и уменьшение коэффициента cosϕ за счет восстановления угла между вектором напряженности Е электрического поля и вектором напряженности Н магнитного поля до 90 град., что при наличии автопараметрического резонанса обеспечивает переход энергии колебаний на основную петлю гистерезиса магнитопровода понижающего трансформатора, тем самым компенсируя потери на реактивную составляющую напряжения в потребительской сети.
Подаваемое напряжение в сети переменного тока составляет 120В, или 220В, или 380.
Предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало нагрузочное сопротивление для ускорения автоматической подстройки фазового угла между вектором напряженности Е электрического поля и вектором напряженности Н магнитного поля, подключенное последовательно с вторичной обмоткой понижающего трансформатора.
Предпочтительно величина нагрузочного сопротивления составляет около 100-200 Ом.
Поставленная задача решена путем создания способа компенсации потерь в потребительской сети на реактивную составляющую напряжения, подаваемого от сети переменного тока, который заключается в том, что
используют автоматическое устройство для компенсации потерь в потребительской сети на реактивную составляющую напряжения, подаваемого от сети переменного тока по п. 1, содержащее
повышающий трансформатор для повышения величины подаваемого напряжения до 10-100 киловольт и понижающий трансформатор для понижения напряжения, выдаваемого повышающим трансформатором, до значения, равного напряжению, подаваемому потребителю, причем встречно включенные вторичная обмотка повышающего трансформатора и первичная обмотка понижающего трансформатора образуют схему формирования второй гармоники напряжения,
подключают автоматическое устройство для компенсации потерь по п. 1 к сети переменного тока, посредством которого
повышают повышающим трансформатором напряжение, подаваемое потребителю от сети переменного тока, до 10-100 киловольт, а затем
понижают понижающим трансформатором напряжение, выдаваемое повышающим трансформатором, до значения, равного напряжению, подаваемому потребителю,
ω
ω
при этом при подаче на повышающий трансформатор напряжения от сети переменного тока в указанной схеме для формирования второй гармоники напряжения обеспечивается формирование второй гармоники напряжения, так что частота  колебаний напряжения сети переменного тока удваивается в упомянутой схеме формирования второй гармоники напряжения и обеспечивается формирование в ней автопараметрического резонанса с частотой 2, при этом колебания напряженности электромагнитного поля происходят по малой петле гистерезиса магнитопровода понижающего трансформатора,
подключают вторичную обмотку понижающего трансформатора к индуктивной нагрузке потребительской сети, при этом обеспечивают увеличение тока в этой вторичной обмотке и нагрузке и уменьшение коэффициента cosϕ за счет восстановления угла между вектором напряженности Е электрического поля и вектором напряженности Н магнитного поля до 90 град., что при наличии автопараметрического резонанса обеспечивает переход энергии колебаний на основную петлю гистерезиса магнитопровода понижающего трансформатора, тем самым компенсируя потери на реактивную составляющую напряжения в потребительской сети.
Поставленная задача решена также путем создания автоматического устройства для компенсации потерь в потребительской сети на реактивную составляющую напряжения, подаваемого от сети переменного тока, которое содержит для каждой фазы трехфазной сети переменного тока
повышающий трансформатор для повышения величины подаваемого напряжения до 10-100 киловольт, содержащий магнитопровод, имеющий три стержня, и размещенные на каждом стержне три первичных обмотки, соответственно, предназначенные для подключения к соответствующей фазе сети переменного тока, и три выходных вторичных обмотки,
понижающий трансформатор для понижения напряжения, выдаваемого упомянутым повышающим трансформатором, до значения, равного напряжению, подаваемому потребителю, содержащий магнитопровод, имеющий три стержня, и размещенные на каждом стержне три первичных обмотки, соответственно, идентичных трем вторичным обмоткам упомянутого повышающего трансформатора и подключенных встречно к упомянутым вторичным обмоткам повышающего трансформатора, и три вторичных обмотки, идентичных указанным первичным обмоткам повышающего трансформатора,
при этом встречно включенные вторичные обмотки повышающего трансформатора и соответствующие первичные обмотки понижающего трансформатора образуют три схемы для формирования второй гармоники напряжения, в которых, при подаче на повышающий трансформатор напряжения от сети переменного тока, обеспечивается формирование второй гармоники напряжения в обмотках и магнитопроводах указанных трансформаторов, так что частота внешних колебаний напряжения сети переменного тока удваивается в упомянутых схемах формирования второй гармоники напряжения и обеспечивается формирование в них автопараметрического резонанса, а колебания напряженности электромагнитного поля происходят по малой петле гистерезиса магнитопровода понижающего трансформатора,
так что при подключении индуктивной нагрузки потребительской сети к вторичным обмоткам понижающего трансформатора происходит увеличение тока в этих вторичных обмотках и нагрузке и уменьшение коэффициента cosϕ за счет восстановления угла между вектором напряженности Е электрического поля и вектором напряженности Н магнитного поля до 90 град., что при наличии автопараметрического резонанса обеспечивает переход энергии колебаний на основную петлю гистерезиса магнитопровода понижающего трансформатора, тем самым компенсируя потери на реактивную составляющую напряжения в потребительской сети.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит три нагрузочных сопротивления для ускорения автоматической подстройки фазового угла между вектором напряженности Е электрического поля и вектором напряженности Н магнитного поля, каждое из которых подключено последовательно с соответствующей вторичной обмоткой понижающего трансформатора, причем величина нагрузочного сопротивления составляет около 100-200 Ом.
%
Предложенное устройство обеспечивает технический эффект, заключающийся в том, что обеспечиваетсягибкая компенсация потерь на реактивную составляющую и доведение указанных потерь до не более 2 от общей потребляемой мощности от сети переменного тока при любых изменениях величины индуктивной нагрузки, практически встречающихся в промышленности.
Ожидаемый экономический эффект от применения предлагаемого устройства на предприятиях, где имеется оборудование с индуктивной нагрузкой, например, электроприводы, вентиляторы, может составить 20-30% от стоимости потребления электроэнергии данным предприятием в год.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает кривые изменения амплитуды при обычном резонансе и параметрическом резонансе, соответственно;
Фиг. 2 изображает электрическую схему для воспроизведения автопараметрического резонанса;
Фиг. 3 изображает автоматическое устройство для компенсации потерь в потребительской сети на реактивную составляющую напряжения, подаваемого от сети переменного тока, согласно изобретению;
Фиг. 4 изображает электрическую схему для формирования второй гармоники напряжения, согласно изобретению;
Фиг. 5 - изображает малую и большую петли гистерезиса магнитопровода понижающего трансформатора, формируемые при работе схемы для формирования второй гармоники напряжения.
Теоретическое обоснование предложенного решения
В основупредложенного технического решения положено явление автопараметрического резонанса.
В физике известны три вида резонанса: обычный резонанс, параметрический резонанс и автопараметрический резонанс. Обычный резонанс имеет место при равенстве частоты внешней силы собственной частоте системы. При обычном резонансе наблюдается постепенное изменение амплитуды с частотой, обусловливающее плавный подъем и затем спад резонансной кривой (кривая I) (фиг. 1). При обычном резонансе неограниченное возрастание амплитуды теоретически возможно только в идеальной системе при R=0.
ω
Ω
Параметрический резонанс наступает не только при равенстве, но и при других соотношениях частот  модуляции параметров и собственной частоты системы, например, 1/2, 1, 3/2, 2 …. Источником энергии, затрачиваемой на модуляцию параметра и возбуждение колебаний, является некоторый внешний фактор. При параметрическом резонансе (кривая II) возбуждение происходит в строго ограниченном интервале частот, и на границе этого интервала происходит резкое скачкообразное изменение амплитуды (фиг. 1). В случае параметрического резонанса при условии линейности системы амплитуда колебаний будет безгранично расти и в системе с затуханием.
На фиг. 1 видно, что резонансная кривая II параметрического резонанса имеет почти прямоугольную форму и незначительную ширину, которую к тому же можно более или менее произвольно регулировать в некоторых пределах путем изменения коэффициента модуляции параметра.
При обычном резонансе высота резонансной кривой зависит целиком (при настройке на резонансную частоту) от величины потерь, при параметрическом резонансе даже при наличии потерь резонансная кривая имеет прямоугольную форму.
Примером параметрического резонанса являются качели. Размах колебаний нарастает особенно сильно, если приседать в положениях наибольшего отклонения и выпрямляться при прохождении качелей через нижнюю точку. Это наиболее знакомый пример параметрического резонанса, в котором нарастание колебаний обусловлено не внешним воздействием, а периодическим изменением какого-либо параметра колебательной системы. В данном случае при приседании и выпрямлении происходит периодическое изменение (модуляция) приведенной длины физического маятника, каковым являются качели с находящимся на них человеком.
Наряду с параметрическим резонансом существует явление автопараметрического резонанса, при котором энергия колебаний поступает из самой системы, а внешнее воздействие является лишь управляющим фактором.
Примером системы автопараметрического резонанса являются два одинаковых встречно включенных колебательных контура. Основным свойством такой системы является автоматическая подстройка фазы колебаний в контурах.
Автопараметрический резонанс можно наблюдать в схеме, изображенной на фиг. 2.
L
ω
2ω
II
Ш
Основной частью ее является ламповый генератор , в контур которого, настроенный на частоту дополнительно введены катушка с источником переменной электродвижущей силы частоты и индуктивность  c железным магнитопроводом, который подмагничивается постоянным током от батареи .
R
М
Регулируя ток подмагничивания при помощи реостата , можно найти режим максимального изменения индуктивности в зависимости от тока в контуре, Обратная связь  генераторной части схемы устанавливается так, чтобы собственные колебания не могли возникнуть, но колебательная система генератора обладала очень малым затуханием. Генератор поддается очень удобной регулировке путем изменения обратной связи.
II
2ω
II
При соответствующем подборе затухания системы, подмагничивания в индуктивности  и амплитуды напряжения модулирующей частоты  в системе возникают автопараметрические колебания с характерной для них резонансной кривой П-образной формы. Таким образом, ферромагнитный магнитопровод индуктивности за счет гистерезиса обеспечивает модуляцию индуктивности, т.е. переход на автопараметрический резонанс. Кривая автопараметрического резонанса совпадает по форме с кривой параметрического резонанса (фиг. 1).
Вместо используемого в описанной схеме ферромагнитного магнитопровода для модуляции индуктивности, можно осуществить и модуляцию емкости, применив конденсаторы с сегнетоэлектриками, диэлектрическая проницаемость которых испытывает большие изменения при изменении напряженности электрического поля.
ϕ
cos(
)
Вышеуказанное было принято в качестве теоретического обоснования при создании автоматического устройства для компенсации потерь на реактивную составляющую напряжениямежду основной сетью и потребителем (по аналогии с параметрическими системами с двумя степенями свободы, содержащими колебательные контуры), для чего предлагается использовать два трансформатора, которые образуют автопараметрическую систему в соответствии с теоремой Мэнли и Роу (соотношения (1) приведены ниже).
Один из трансформаторов является повышающим трансформатором для повышения величины подаваемого напряжения до 10-100 киловольт и содержит магнитопровод и размещенные на магнитопроводе первичную обмотку, предназначенную для подключения к сети переменного тока, и выходную вторичную обмотку, а другой является понижающим трансформатором для понижения напряжения от повышающего трансформатора до значения, подаваемого потребителю, и содержит магнитопровод и размещенные на магнитопроводе первичную обмотку, идентичную вторичной обмотке упомянутого повышающего трансформатора и подключенную встречно к вторичной обмотке повышающего трансформатора, и вторичную обмотку, идентичную первичной обмотке повышающего трансформатора.
Встречно включенные вторичная обмотка повышающего трансформатора и первичная обмотка понижающего трансформатора образуют схему, в которой частота внешних колебаний напряжения сети переменного тока удваивается и обеспечивается формирование в ней автопараметрического резонанса.
Благодаря встречному включению обмоток повышающего и понижающего трансформаторов, являющихся высоковольтными обмотками, возникает вторая гармоника подаваемого от сети напряжения, которая в соответствии с теоремой Мэнли и Роу в режиме преобразования «вниз с усилением» обеспечивает возникновение автопараметрического резонанса при подключении нагрузки к низковольтной обмотке понижающего трансформатора.
cos(
).
ϕ
Переход схемы в самовозбужденный (автопараметрический) режим пропорционален
Процесс автоматической подстройки фазы в автопараметрических системах вытекает из соотношений (1) Мэнли и Роу (см., например, 1,2)
(1)
ω1
где:  - частота сигнала сети переменного тока,
ω2 -
частота, равная удвоенной первой частоте сети переменного тока;
- мощность колебания частоты  ;
m и n -целые числа.
Исходя из формулы (1), подстройка фазы колебаний в схеме встречно включенных обмоток будет происходить автоматически в режиме преобразования «вниз с усилением» (см., например, Кушнир и Б.А. Ферсман Теория нелинейных электрических цепей, Связь.М.1974, с. 375).
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Автоматическое устройство 1 (фиг. 3) для компенсации потерь в потребительской сети на реактивную составляющую напряжения, подаваемого от сети 2 переменного тока, содержит повышающий трансформатор 3 для повышения величины подаваемого напряжения до 10-100 киловольт.
Повышающий трансформатор 3 содержит магнитопровод 4 и размещенные на магнитопроводе 4 первичную обмотку 5, предназначенную для подключения к сети 2 переменного тока, и выходную вторичную обмотку 6.
На фиг. 3 показан трехфазный повышающий трансформатор 3 со связанной магнитной цепью, магнитопровод 4 которого в описываемом варианте выполнения содержит три стержня 4', 4'', 4''' на которых размещены три первичные обмотки 5', 5'', 5''' для каждой фазы А,В,С сети переменного тока, соответственно, и выходные вторичные обмотки 6', 6'', 6''' для каждой фазы, соответственно. Может быть использован трехфазный трансформатор с несвязанной магнитной цепью (не показан).
Устройство 1 содержит также понижающий трансформатор 7 для понижения напряжения, выдаваемого повышающим трансформатором 3, до значения, равного напряжению, подаваемому потребителю. Понижающий трансформатор 7 содержит магнитопровод 8 и размещенные на магнитопроводе 8 первичную обмотку 9, идентичную вторичной обмотке 6 повышающего трансформатора 3 и подключенную встречно к вторичной обмотке 6 повышающего трансформатора 3, и вторичную обмотку 10, идентичную первичной обмотке 5 повышающего трансформатора 3.
На фиг. 3 показан трехфазный понижающий трансформатор 7 со связанной магнитной цепью, магнитопровод 8 которого в описываемом варианте выполнения содержит три стержня 8', 8'', 8''' на которых размещены три первичные обмотки 9', 9'', 9''' для каждой фазы А,В,С сети переменного тока, соответственно, и выходные вторичные обмотки 10', 10'', 10''' для каждой фазы, соответственно. Может быть использован трехфазный трансформатор с несвязанной магнитной цепью (не показан).
Встречно включенные вторичные обмотки 6 повышающего трансформатора 3 и первичные обмотки 9 понижающего трансформатора 7 в каждой фазе образуют схему 11 для формирования второй гармоники напряжения (фиг. 4), в которой при подаче на повышающий трансформатор 3 напряжения от сети 2 переменного тока, обеспечивается формирование второй гармоники напряжения в магнитопроводах и обмотках трансформаторов 3 и 7, так что частота внешних колебаний сети 2 переменного тока удваивается в схеме 11 для формирования второй гармоники напряжения и обеспечивает формирование в ней автопараметрического резонанса, а колебания напряженности электромагнитного поля происходят по малой петле 12 гистерезиса (фиг. 5) магнитопровода понижающего трансформатора.
При подключении индуктивной нагрузки 13 потребительской сети, например, электропривода, к вторичной обмотке 10 понижающего трансформатора 7 (фиг. 3) происходит увеличение тока в этой вторичной обмотке 10 и индуктивной нагрузке 13 и уменьшение коэффициента cos ϕ за счет восстановления угла между вектором напряженности Е электрического поля и вектором напряженности Н магнитного поля до 90 град., что при наличии автопараметрического резонанса обеспечивает переход энергии колебаний на основную петлю 14 гистерезиса магнитопровода понижающего трансформатора 7, тем самым компенсируя потери на реактивную составляющую напряжения в потребительской сети.
Подаваемое напряжение в сети переменного тока составляет 120В, или 220В, или 380В.
Устройство дополнительно содержит нагрузочное сопротивление 15 в цепи каждой вторичной обмотки понижающего трансформатора, величина которого составляет около 100-200 Ом, предназначенное для ускорения автоматической подстройки фазового угла между вектором напряженности Е электрического поля и вектором напряженности Н магнитного поля.
Способ компенсации потерь в потребительской сети на реактивную составляющую напряжения, подаваемого от сети переменного тока, раскрыт на примере трехфазной сети 2 переменного тока.
Для реализации способа используют автоматическое устройство 1 для компенсации потерь в потребительской сети на реактивную составляющую напряжения, подаваемого от трехфазной сети 2 переменного тока.
Подключают автоматическое устройство 1 для компенсации потерь к сети 2 переменного тока, для чего выводы обмоток 5', 5'', 5''' повышающего трансформатора 3 подключают к соответствующим фазам А,В,С сети 2 и повышают напряжение, подаваемое потребителю от сети переменного тока, до 10-100 киловольт.
Затем посредством понижающего трансформатора 7 понижают напряжение, выдаваемое повышающим трансформатором 3, до значения, равного напряжению, подаваемому потребителю, например, до 380 В.
ω
ω,
При подаче на повышающий трансформатор 3 напряжения от сети 2 переменного тока в схеме 11 для формирования второй гармоники напряжения обеспечивается формирование второй гармоники напряжения, так что частота  внешних колебаний напряжения сети переменного тока удваивается в упомянутой схеме 11 для формирования второй гармоники напряжения и обеспечивается формирование в ней автопараметрического резонанса с частотой 2при этом колебания напряженности электромагнитного поля происходят по малой петле гистерезиса 12 магнитопровода понижающего трансформатора,
Подключают вторичные обмотки 10', 10'', 10''' понижающего трансформатора 7 к индуктивной нагрузке 13 потребительской сети, при этом обеспечивают увеличение тока в этой вторичной обмотке 10', 10'', 10''' и нагрузке 13 и уменьшение коэффициента cosϕ за счет восстановления угла между вектором напряженности Е электрического поля и вектором напряженности Н магнитного поля до 90 град., что при наличии автопараметрического резонанса обеспечивает переход энергии колебаний на основную петлю 14 гистерезиса магнитопровода понижающего трансформатора 7, тем самым компенсируя потери на реактивную составляющую напряжения в потребительской сети.
Промышленная применимость
%
Предложенное автоматическое устройство для компенсации потерь в потребительской сети на реактивную составляющую напряжения, подаваемого от сети переменного тока может быть использовано для обеспечения гибкой компенсации потерь на реактивную составляющую и доведения указанных потерь до не более 2 от общей потребляемой мощности при любых изменениях величины индуктивной нагрузки, при этом экономический эффект от применения предлагаемого устройства на предприятиях, где имеется оборудование с индуктивной нагрузкой, например, электроприводы, вентиляторы, может составить 20-30% от стоимости потребления электроэнергии данным предприятием в год.