Многофункциональный регулятор качества электроэнергии для трехфазных распределительных систем электроснабжения 0,4 кВ

Полезная модель относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использована в трехфазных четырехпроводных распределительных сетях низкого напряжения с нелинейной и/или несимметричной нагрузкой.
Известен способ компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети (патент РФ на изобретение №2413350, МПК H02J 3/18, опубл. 27.02.2011), в котором компенсация высших гармоник тока и реактивной мощности первой гармоники осуществляется с помощью параллельного активного фильтра. Устройство, реализующее указанный способ, содержит инвертор, накопительный конденсатор, выходной сглаживающий фильтр, датчики напряжений и токов сети, систему управления. Устройство позволяет снизить коэффициент искажения синусоидальности тока сети при наличии нелинейной нагрузки, режим работы которой связан с динамическим изменением потребляемого несинусоидального тока, а также повысить коэффициент мощности по основной составляющей в трехфазной трехпроводной сети.
Недостатком устройства является невозможность уменьшить коэффициент несимметрии тока в случае несбалансированной нагрузки, т.е. оно не обеспечивает компенсацию всех неактивных составляющих мощности (полную компенсацию неактивной мощности сети).
Наиболее близким техническим решением является "Многофункциональный регулятор качества электроэнергии для трехфазных распределительных систем электроснабжения 0,4 кВ" (патент РФ на полезную модель RU №155594 U1, МПК H02J 3/01, Н02М 1/12, H02J 3/18, H02J 3/26, Н02М 7/04, Н02М 5/45), в котором компенсация высших гармоник тока и реактивной мощности, а также симметрирование осуществляется с помощью параллельного активного фильтра. Устройство содержит транзисторный преобразователь, накопительный конденсатор, выходной фильтр, датчики и систему управления, выход преобразователя соединен с первыми выводами выходного фильтра, вторые выводы которого подключены к датчикам напряжений сети, датчикам токов регулятора и датчикам токов нагрузки, измерительные выводы датчиков соединены с системой управления, выход которой подключен к управляющим выводам транзисторов, на входе преобразователя включен дополнительный накопительный конденсатор последовательно с основным, образуя конденсаторную батарею, общий вывод конденсаторов соединен с нулевым проводом сети. Устройство (регулятор) обеспечивает одновременную компенсацию реактивной мощности основной гармоники, активную фильтрацию наиболее значимых высших гармонических составляющих тока и устранение несимметрии токов сети, что позволяет улучшить показатели качества электроэнергии в трехфазных распределительных системах электроснабжения и снизить ток в нулевом проводе за счет компенсации нулевой последовательности тока и фильтрации гармоник с частотами кратными трем по отношению к основной. Недостатком устройства является ухудшенный гармонический состав тока регулятора. В системе управления с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения трехфазного преобразователя применяют частоту модуляции с нечетным порядковым номером и кратной трем, так как в схеме без присоединения нейтрального провода к стороне постоянного тока преобразователя модуляционная гармоника компенсируется. При подключении нейтрали к регулятору этот эффект пропадает.
Технической задачей предлагаемого устройства является снижение коэффициента искажения токов регулятора и сети, и позволяет при использовании ШИМ-управления преобразователем уменьшить модуляционную частоту, вследствие чего уменьшить коммутационные потери в преобразователе по сравнению с прототипом, сохраняя функции полного симметрирования токов и компенсацию гармоник токов сети в трехфазных сетях с нейтральным проводом.
Технический результат заключается в увеличении сопротивления для гармоники на частоте модуляции путем добавления фильтрующего дросселя в провод между общей точкой конденсаторов на стороне постоянного тока регулятора и нейтрального провода.
Это достигается тем, что известном многофункциональном регуляторе качества электроэнергии для трехфазных распределительных систем электроснабжения 0,4 кВ, содержащем транзисторный преобразователь, накопительный конденсатор, выходной фильтр, датчики и систему управления для формирования импульсов управления транзисторами преобразователя, на входе которого параллельно конденсатору включен датчик напряжения, а выход преобразователя соединен с входами датчиков токов регулятора, далее подключенным к первым выводам выходного фильтра, вторые выводы которого подключены к датчикам напряжений сети и датчикам токов сети, на входе преобразователя включен дополнительный накопительный конденсатор последовательно с основным, образуя конденсаторную батарею, измерительные выводы датчиков соединены с системой управления, выход которой подключен к управляющим выводам транзисторов, согласно полезной модели, общий вывод конденсаторов соединен с нулевым проводом сети через фильтрующий дроссель.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где представлена структурная схема регулятора качества электроэнергии.
Устройство содержит полупроводниковый преобразователь 1, реализуемый на IGBT-транзисторах, выходы которого подключены к датчикам токов регулятора 2, соединенным с выводами выходного фильтра 3, выполненного в виде трехфазного дросселя, другие выводы которого подключены к датчикам напряжений сети 4 и датчикам токов нагрузки 5, которые соединены с фазными входами А1, В1, С1 идущими к сети и фазными выходами А2, В2, С2 идущими к нагрузке. К входным выводам преобразователя 1 подключена конденсаторная батарея (КБ) 6, состоящая из двух последовательно включенных полярных электролитических конденсаторов, и соединенная параллельно с датчиком напряжения 7, общий вывод конденсаторов подключен к фильтрующему дросселю 8, выход которого соединен с нулевым проводом N1, N2. Выход блока датчиков токов регулятора 2 соединен с входом 1 блока системы управления 9, выход блока датчиков напряжения сети 4 соединен с входом 2 блока 9, выход блока датчиков токов нагрузки 5 соединен с входом 3 блока 9, выход датчика напряжения 7 соединен к входу 4 блока 9. Выход блока системы управления 9 подключается к полупроводниковому преобразователю 1.
Многофункциональный регулятор качества электроэнергии для трехфазных распределительных систем электроснабжения 0,4 кВ работает следующим образом.
В общем случае нагрузка трехфазной распределительной сети является нелинейной и несбалансированной, т.е. потребляет из сети несимметричные токи несинусоидальной формы, основная гармоника которых имеет фазовый сдвиг относительно фазных напряжений сети, вследствие чего из сети помимо активной мощности потребляется неактивная мощность. Регулятор формирует такие токи, что их форма, амплитуда и фаза соответствуют неактивным составляющим токов в каждой фазе нагрузки - реактивному току основной частоты (первой гармоники), высшим гармоническим составляющим, токам обратной и нулевой последовательностей. В результате происходит компенсация наиболее значимых высших гармоник токов в фазах сети, устранение их несимметрии и изменение фазы токов. Потребляемые из сети токи имеют практически синусоидальную форму, одинаковые амплитуды и совпадают по фазе с фазными напряжениями в точке подключения регулятора. Управление преобразователем 1 осуществляется методом ШИМ, в результате на выходе преобразователя в каждой фазе формируется импульсное напряжение. Разность между этим напряжением и напряжением в точке подключения (сетевым) определяет величину и фазу токов, генерируемых регулятором. Выходной фильтр 3 обеспечивает сглаживание токов, ослабляя модуляционные гармоники. Фильтрующий дроссель 8 улучшает гармонический состав токов регулятора и дополнительно ослабляет модуляционные гармоники с частотой кратными трем, протекающие в проводе, соединяющим общую точку конденсаторов и нейтральный провод сети. Система управления 9 на основе показаний датчиков токов нагрузки 5 и датчиков напряжений сети 4 вычисляет сигналы токов, которые должны быть созданы регулятором, и формирует соответствующие сигналы управления транзисторами преобразователя 1.
Использование полезной модели обеспечивает увеличение сопротивления для гармоники на частоте модуляции путем добавления фильтрующего дросселя в провод между общей точкой конденсаторов на стороне постоянного тока регулятора и нейтрального провода.