УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАВНОМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
DEVICE FOR UNIFORM DISTRIBUTION OF REACTIVE POWER

Устройство для равномерного распределения реактивной мощности относится к области электротехники. Оно содержит дифференцирующие индукционные измерительные преобразователи тока и может быть использовано для равномерного распределения реактивной мощности между включенными на параллельную работу источниками напряжения, например синхронными генераторами, снабженными регуляторами напряжения этих источников.
Равномерное распределение реактивной мощности осуществляется путем регулирования ЭДС всех одновременно работающих источников напряжения в функции отклонения относительного, по отношению к номинальным токам, значения их реактивных токов от среднего относительного, по отношению к сумме номинальных токов, значения суммы реактивных токов этих источников напряжения.
Известно устройство для равномерного распределения реактивной мощности между включенными на параллельную работу источниками напряжения, снабженными регуляторами напряжения этих источников. Оно называется устройством токовой стабилизации и состоит из стольких групп катушек дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, по одному на каждый источник напряжения, сколько имеется входных зажимов у каждого регулятора. Причем каждая из катушек любой группы катушек индуктивно связана с одним из группы тех токопроводов тока нагрузки, которые подключены к регуляторам напряжения этих источников. Эти катушки соединены соответственно с выходными зажимами источников напряжения и входными зажимами регуляторов напряжения этих источников. В устройстве напряжение, подводимое к регулятору напряжения, складывается из фазного напряжения источника и напряжения на катушках. Так как последнее напряжение много меньше напряжения источника, то имеют значение только те составляющие напряжения на катушках, которые пропорциональны реактивному току источника. Регулятор напряжения поддерживает напряжение на своих входных зажимах постоянным, воздействуя для этого на источник. При этом напряжение источника зависит от реактивной составляющей тока нагрузки: оно снижается при увеличении этой составляющей. Благодаря использованию дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока такое устройство обладает значительно меньшими размерами и массой по сравнению с устройствами токовой стабилизации, основанными на применении трансформаторов тока (см. Патент РФ №2239224, МКИ 7 G05F 1/20, 2004).
Недостаток этого аналога заключается в изменении напряжения нагрузки под действием ее реактивного тока, вследствие чего ухудшается качество вырабатываемой электрической энергии.
От указанного недостатка свободно устройство для равномерного распределения реактивной мощности между включенными на параллельную работу источниками напряжения, снабженными регуляторами напряжения этих источников, с одинаковым количеством входных зажимов у каждого регулятора, которое наиболее близко по технической сущности к заявляемому устройству и выбрано в качестве прототипа. Оно содержит трансформаторы параллельной работы и столько групп катушек первых и вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, сколько имеется входных зажимов у каждого регулятора. Причем каждая из катушек любой группы катушек первых и вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей индуктивно связана с одним из тех токопроводов тока нагрузки упомянутых источников напряжения, которые подключены между одноименными зажимами этих источников и одной из общих шин, к которым подключена нагрузка. Все дифференцирующие индукционные токопроводами тока нагрузки какого-либо одного источника образуют один комплект этих преобразователей. В каждый такой комплект входит одинаковое число первых и вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей, которое равно числу групп катушек этих преобразователей. Количество комплектов дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей равно количеству всех включенных на параллельную работу источников. Все трансформаторы параллельной работы соединены с катушками только одной группы и имеют одинаковое число витков у первичных и вторичных обмоток. Взаимные индуктивности всех катушек дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока с токопроводами тока нагрузки имеют значения, обратно пропорциональные номинальным токам источников напряжения, к которым подключены эти токопроводы. Зажимы первичных обмоток трансформаторов параллельной работы подключены к выводам катушек первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока. Для каждого из включенных на параллельную работу источников напряжения вторичные обмотки любого трансформатора параллельной работы включены между входными зажимами регуляторов напряжения источников напряжения и началами тех катушек вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей, которые индуктивно связаны с токопроводами этих источников. Концы этих катушек подключены к тем выходным зажимам этих источников напряжения, к которым подключены указанные токопроводы. Количество трансформаторов параллельной работы, которое содержит прототип, равно числу групп катушек первых и вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока. У каждого трансформатора параллельной работы имеется одна первичная обмотка, к зажимам которой подключены выключатель и выводы катушки первого дифференцирующего индукционного измерительного преобразователя тока одного из включенных на параллельную работу источников напряжения, который является ведущим, а количество вторичных обмоток равно количеству всех включенных на параллельную работу источников. У остальных, ведомых, источников напряжения катушки первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока не входят в какие-либо замкнутые электрические цепи устройства (см. Патент РФ №2359310 С1, МПК G05F 1/20, H02J 3/46, 2009).
Каждый регулятор напряжения поддерживает неизменным свой входной ток, который равен отношению модуля геометрической суммы напряжений источников, действующих во входной цепи этого регулятора, к суммарному сопротивлению этой цепи. Для всех источников напряжения эти сопротивления практически равны входным сопротивлениям их регуляторов напряжения. В длительных режимах параллельной работы источников напряжения выключатели, шунтирующие первичные обмотки трансформаторов параллельной работы, разомкнуты. При этом у каждого источника упомянутая сумма напряжений состоит из трех слагаемых. Первое из них - это фазное напряжение этого источника. Второе слагаемое - это приведенная к вторичной обмотке трансформатора параллельной работы ЭДС, наведенная в одной из катушек первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока ведущего источника током нагрузки этого источника. Третье слагаемое - это ЭДС, наведенная в одной из катушек вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока источника током нагрузки этого источника. Так как в нормальных режимах работы при нагрузке источников синусоидальными токами указанные ЭДС много меньше фазных напряжений источников, то имеют значение только те составляющие этих ЭДС, которые соответствуют реактивным составляющим токов нагрузки ведущего и ведомого источников. Причем ЭДС, соответствующая реактивному току ведомого источника, арифметически складывается с его фазным напряжением, а ЭДС, соответствующая реактивному току ведущего источника, арифметически вычитается из этой суммы. У ведущего источника обе указанные ЭДС наводятся одним и тем же током, они практически равны между собой по абсолютному значению и имеют противоположное направление. Поэтому регулятор напряжения ведущего источника в установившихся режимах работы поддерживает его напряжение постоянным, не зависящим от тока нагрузки. Практически такое же напряжение поддерживается и на общих шинах всех источников при изменении их общей нагрузки в допустимых пределах. Нужное значение этого напряжения устанавливается путем регулирования входного сопротивления регулятора напряжения ведущего источника. При подключении нагрузки к включенным на параллельную работу источникам напряжения токи нагрузки проходят по токопроводам, подключенным к выходным зажимам ведущего и ведомых источников. В каждой фазе входной цепи каждого регулятора напряжения ведомого источника появляются ЭДС, пропорциональные относительным значениям токов ведущего и ведомого источников (в долях от соответствующих номинальных токов). В установившемся режиме работы составляющие этих ЭДС, пропорциональные относительным значениям реактивных составляющих указанных токов, равны между собой по абсолютному значению и имеют противоположное направление. При этом относительное значение реактивного тока каждого ведомого источника (в долях от его номинального тока) равно относительному значению реактивного тока ведущего источника (в долях от его номинального тока). Если относительное значение реактивного тока ведомого источника меньше, чем у ведущего, то напряжение этого ведомого источника станет увеличиваться, что приведет к увеличению указанного тока. И, наоборот, напряжение ведомого источника станет снижаться, если относительное значение его реактивного тока больше, чем у ведущего источника, что приведет к уменьшению указанного тока.
Этому устройству присущи два недостатка. Первый из них заключается в увеличении времени, которое требуется для осуществления операций по переводу ведомого источника в разряд ведущих и ведущего источника в разряд ведомых, а также в изменении напряжения нагрузки во время выполнения этих операций. В ходе выполнения таких операций вначале замыкают выключатели, подключенные к зажимам первичных обмоток трансформаторов параллельной работы. При этом напряжение на общих шинах источников напряжения снижается и тем сильнее, чем большую реактивную мощность потребляла нагрузка и чем меньше источников напряжения были подключены к общим шинам. Затем выводы катушек первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока бывшего ведущего источника отключают от зажимов первичных обмоток трансформаторов параллельной работы, а к этим зажимам подключают выводы катушек первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока бывшего ведомого источника. Этот источник становится ведущим после размыкания выключателей, подключенных к зажимам первичных обмоток трансформаторов параллельной работы. При этом напряжение на общих шинах источников напряжения повышается до значения, которое установлено в регуляторе напряжения нового ведущего источника. После каждого изменения состояния выключателей, подключенных к зажимам первичных обмоток трансформаторов параллельной работы, возникают переходные процессы, которые, как правило, сопровождаются колебаниями напряжений на общих шинах источников, а также токов этих источников. Для повышения безопасности и оперативности выполнения указанных операций прототип должен дополняться переключателем на n направлений с числом контактов, равным 2·m·n, где n - число источников напряжения, которые могут подключаться к общим шинам, m - число входных зажимов регуляторов напряжения этих источников. К первичным обмоткам трансформаторов параллельной работы такой переключатель может подключать катушки первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока от любого источника напряжения.
Второй недостаток проявляется в усложнении операций, как предшествующих подключению источника напряжения к общим шинам, так и обеспечивающих автономную работу этого источника на отделенную от этих шин нагрузку, а также в увеличении времени выполнения этих операций. Если источник напряжения не подключен к общим шинам, то его частота несколько отличается от частоты напряжения на этих шинах и, тем самым, от частоты ЭДС дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока ведущего источника. Тогда напряжение источника, не подключенного к общим шинам, будет представлять собой биения. Частота этих биений равна половине разности частот ведущего и не подключенного к общим шинам источников. Амплитуда биений равна амплитуде указанной ЭДС дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока ведущего источника. Это обстоятельство значительно затрудняет настройку регулятора напряжения источника, не подключенного к общим шинам, и ухудшает качество электроэнергии автономной нагрузки, получающей питание от этого источника. Кроме того, без внесения изменений в схему рассматриваемого устройства для равномерного распределения реактивной мощности исключается возможность параллельной работы указанного источника с другим, не входящим в число источников, охваченных действием этого устройства. Такая параллельная работа требуется, например, для нагрузки судового генератора на береговую сеть во время швартовных испытаний судовой электростанции. Для исключения указанных недостатков прототип должен быть существенно усложнен: дополняться переключателями, которые вводят вторичные обмотки трансформаторов параллельной работы во входные цепи регуляторов напряжения только при подключении источника напряжения к общим шинам. Но и в этом случае при работе источника на автономную нагрузку будет проявляться недостаток аналога: изменение напряжения нагрузки этого источника под действием ее реактивного тока.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение качества электроэнергии (исключение биений напряжения), вырабатываемой источником напряжения, когда он не подключен к общим шинам при одновременном обеспечении возможности параллельной работы любого источника напряжения с другим, не охваченным действием устройства для равномерного распределения реактивной мощности.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в сокращении времени выполнения и упрощении операций по вводу на параллельную работу и выводу из нее любого источника напряжении. При этом операции по подключению источников напряжения к общим шинам производятся без каких-либо переключений в цепях обратной связи по напряжению источников. Кроме того, внешняя характеристика источника напряжения, когда он не подключен к общим шинам, может быть как астатической, так и имеющей статизм по реактивному току.
Для решения поставленной задачи в устройство для равномерного распределения реактивной мощности между включенными на параллельную работу источниками напряжения, снабженными регуляторами напряжения этих источников, с одинаковым количеством входных зажимов у каждого регулятора, содержащее трансформаторы параллельной работы и столько групп катушек первых и вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, сколько имеется входных зажимов у каждого регулятора, причем каждая из катушек любой группы катушек первых и вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей индуктивно связана с одним из тех токопроводов тока нагрузки упомянутых источников напряжения, которые подключены между одноименными зажимами этих источников и одной из общих шин, к которым подключена нагрузка, кроме того, все дифференцирующие индукционные измерительные преобразователи, катушки которых индуктивно связаны с токопроводами тока нагрузки какого-либо одного источника, образуют один комплект этих преобразователей, в каждый такой комплект входит одинаковое число как первых, так и вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей, которое равно числу групп катушек этих преобразователей, количество комплектов дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей равно количеству всех включенных на параллельную работу источников, все трансформаторы параллельной работы соединены с катушками только одной группы и имеют одинаковое число витков у первичных и вторичных обмоток, взаимные индуктивности всех катушек дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока с токопроводами тока нагрузки имеют значения, обратно пропорциональные номинальным токам источников напряжения, к которым подключены эти токопроводы, зажимы первичных обмоток трансформаторов параллельной работы соединены с выводами катушек первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, а для каждого из включенных на параллельную работу источников напряжения вторичные обмотки любого трансформатора параллельной работы включены между входными зажимами регуляторов напряжения источников напряжения и началами тех катушек вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, которые индуктивно связаны с токопроводами этих источников, концы же этих катушек подключены к тем выходным зажимам этих источников напряжения, к которым подключены указанные токопроводы, отличается тем, что в предлагаемое устройство введены уравнительные соединения, по одному на каждую группу катушек первых и вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, а также дополнительные трансформаторы параллельной работы, блок-контакты выключателей источников напряжения и выключатели, подключенные между началами и концами первичных обмоток трансформаторов параллельной работы, в таком количестве, чтобы устройство содержало по одному трансформатору параллельной работы, блок-контакту и выключателю на каждый входной зажим регулятора напряжения каждого источника напряжения, причем трансформаторы параллельной работы, относящиеся к одному источнику напряжения, образуют блок трансформаторов параллельной работы, по одному блоку на каждый источник напряжения, к каждому уравнительному соединению через упомянутые блок-контакты подключены начала всех катушек первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, входящих в одну группу этих катушек, и начала всех первичных обмоток трансформаторов параллельной работы, соответствующих этой группе катушек, для каждого комплекта катушек дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока концы всех катушек первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, входящих в этот комплект, подключены к общему нулевому зажиму этого комплекта, а для каждого блока трансформаторов параллельной работы концы всех первичных обмоток трансформаторов параллельной работы подключены к общему нулевому зажиму этого блока.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого решения и существенных признаков аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Отличительные признаки предлагаемого технического решения выполняют следующие функциональные задачи.
Признак «…в устройство введены дополнительные трансформаторы параллельной работы … в таком количестве, чтобы устройство содержало по одному трансформатору параллельной работы … на каждый входной зажим регулятора напряжения каждого источника напряжения, причем трансформаторы параллельной работы, относящиеся к одному источнику напряжения образуют блок трансформаторов параллельной работы,…» совместно «…подключены начала всех катушек первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, входящих в одну группу этих катушек, и начала всех первичных обмоток трансформаторов параллельной работы, соответствующих этой группе катушек, для каждого комплекта катушек дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока концы всех катушек первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, входящих в этот комплект, подключены к общему нулевому зажиму этого комплекта, а для каждого блока трансформаторов параллельной работы концы всех первичных обмоток трансформаторов параллельной работы подключены к общему нулевому зажиму этого блока» позволяет без затруднений регулировать напряжение источника напряжения, не подключенного к общим шинам, нагружать его на автономную нагрузку, обеспечивая при этом астатическую внешнюю характеристику.
Приведенные к вторичным обмоткам трансформаторов параллельной работы ЭДС, которые наводятся в каждой катушке первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока автономного источника напряжения током нагрузки этого источника, равны по абсолютному значению и противоположно направлены ЭДС, которые наводятся в соответствующих катушках вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока этого источника этим же током. При этом сумма напряжений, действующих во входной цепи регулятора напряжения автономного источника, равна его напряжению. Регулятор напряжения поддерживает напряжение автономного источника неизменным. Следовательно, и напряжение автономной нагрузки практически не зависит от ее реактивного тока.
Признак «…в устройство введены уравнительные соединения, по одному на каждую группу катушек первых и вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, а также … блок-контакты выключателей источников напряжения … в таком количестве, чтобы устройство содержало по одному … блок-контакту … на каждый входной зажим регулятора напряжения каждого источника напряжения, … к каждому уравнительному соединению через упомянутые блок-контакты подключены начала всех катушек первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, входящих в одну группу этих катушек», позволяет начинать процесс перераспределения реактивных токов между источниками напряжения, подключенными к общим шинам, одновременно с каждым подключением к этим шинам нового источника напряжения или с каждым отключением от этих шин любого из источников напряжения. После завершения переходного процесса перераспределения реактивных токов относительные (в долях от номинального тока каждого источника напряжения) значения реактивных токов любого источника станут одинаковыми для всех источников напряжения, подключенных к общим шинам.
При параллельном подключении к каждому уравнительному соединению всех катушек первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, входящих в одну группу этих катушек, реактивные составляющие напряжений уравнительных соединений станут равными средним значениям ЭДС, наведенных во всех указанных катушках реактивными токами источников напряжения, подключенных к общим шинам. Эти средние значения ЭДС, пропорциональные среднему относительному значению реактивных токов этих источников, через трансформаторы параллельной работы вводятся во входные цепи регуляторов напряжения этих источников. При одинаковых напряжениях холостого хода всех параллельно включенных источников напряжения процесс перераспределения реактивных токов завершается, когда для каждой группы катушек каждого комплекта указанные средние значения ЭДС уравновесятся ЭДС, которые наводятся реактивными токами нагрузки источников напряжения в катушках вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока, включенных во входные цепи регуляторов напряжения. Тогда относительные значения реактивных токов каждого из параллельно включенных источников станут равными среднему относительному значению реактивных токов всех этих источников.
Признак «…в устройство введены … выключатели, подключенные между началами и концами первичных обмоток трансформаторов параллельной работы, в таком количестве, чтобы устройство содержало по одному … выключателю на каждый входной зажим регулятора напряжения каждого источника напряжения, …» используется для получения статической внешней характеристики тех источников напряжения, которые не подключены к общим шинам. В частности, при работе этих источников на стороннюю электроэнергетическую систему, источники напряжения которой не охвачены рассматриваемым устройством для равномерного распределения реактивной мощности.
При включенном состоянии указанных выключателей происходит короткое замыкание как первичных обмоток трансформаторов параллельной работы, так и катушек первых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока (не опасное ни для первичных обмоток, ни для указанных катушек), что практически равносильно короткому замыканию и вторичных обмоток этих трансформаторов. Во входных цепях регулятора напряжения действуют только две составляющие напряжений: самого источника и ЭДС, которые наводятся токами нагрузки этого источника напряжения в катушках вторых дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока. Те составляющие указанных ЭДС, которые соответствуют реактивным токам нагрузки этого источника, арифметически складываются с его напряжениями. В результате напряжение источника снижается с увеличением его реактивного тока.
Предлагаемое решение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для равномерного распределения реактивной мощности, на фиг.2 показана функциональная схема параллельной работы источников напряжения, не охваченных действием предлагаемого устройства для равномерного распределения реактивной мощности.
Устройство для равномерного распределения реактивной мощности состоит из трансформаторов 1 параллельной работы и групп катушек (в группу входят катушки, относящиеся к одной фазе устройства) первых 2 и вторых 3 дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей тока (ДИИПТ). Катушки 2 и 3 ДИИПТ индуктивно связаны с токопроводами 4 тока нагрузки источников 5 напряжения, снабженных регуляторами 6 напряжения. Начала 7 катушек 2 первых ДИИПТ подключены к началам 8 первичных обмоток 9 трансформаторов 1. Для каждого комплекта катушек 2 и 3 ДИИПТ, относящихся к одному источнику 5, концы 10 катушек 2 ДИИПТ подключены к общему нулевому зажиму 11 этого комплекта. В каждый комплект входят по столько катушек 2 первых и 3 вторых ДИИПТ, сколько имеется входных зажимов 12 у каждого регулятора 6 напряжения. Для каждого блока трансформаторов 1, относящихся к одному источнику 5, концы 13 первичных обмоток 9 трансформаторов 1 подключены к общему нулевому зажиму 14 такого блока, в каждый из которых входят столько трансформаторов 1, сколько имеется входных зажимов 12 у каждого регулятора 6 напряжения. К выводам 8 и 13 первичных обмоток 9 трансформаторов 1 подключены также выводы выключателя 15. К выходным зажимам 16 источников 5 подключены концы 17 катушек 3 вторых ДИИПТ, начала 18 которых подключены к началам 19 вторичных обмоток 20 трансформаторов 1. Концы 21 обмоток 20 подключены к входным зажимам 12 регуляторов 6 напряжения. Токопроводы 4 источников напряжения 5 через выключатели 22 этих источников соединены с общими шинами 23, к которым подключена общая нагрузка 24 источников 5 напряжения. Выключатели 22 источников 5 снабжены блок-контактами 25, через которые начала 7 катушек 2 первых ДИИПТ подключены к уравнительным соединениям 26. Количество уравнительных соединений 26 и число блок-контактов 25, приходящихся на один источник 5, равно числу входных зажимов 12 каждого регулятора 6 напряжения.
На фиг.2 показана функциональная схема параллельной работы источников напряжения, которые не охвачены действием предлагаемого устройства для равномерного распределения реактивной мощности. Источник 5 напряжения снабжен регулятором напряжения 6, блоком трансформаторов 1 параллельной работы, выключателями 15 и комплектом катушек первых 2 и вторых 3 ДИИПТ, которые индуктивно связаны с токопроводами 4 тока нагрузки этого источника. Перечисленные элементы устройства для равномерного распределения реактивной мощности, относящиеся к источнику 5, связаны между собой, как описано выше. Источник 5 соединен выключателем 27 с общими шинами 28, с которыми через выключатели 27 соединены источники 29 напряжения и к которым подключена их общая нагрузка 30. Источники 29 напряжения охвачены действием своего, отличного от предлагаемого, устройства для равномерного распределения реактивной мощности (обычно это устройства токовой стабилизации), которое на фиг.2 не показано. Уравнительные соединения 26 для источников 29 отсутствуют, или они имеют другие конструктивные особенности и параметры по сравнению с предлагаемым устройством (другое число соединений, другое напряжение между ними и т.п.). Поэтому блок-контакты выключателя 27 источника 5 не подключены к началам 7 катушек 2 первых ДИИПТ и на фиг.2 не показаны.
PH
Устройство для равномерного распределения реактивной мощности в установившихся режимах при симметричной нагрузке, когда напряжения источников 5, их токи, ЭДС, которые наводятся в катушках 2 и 3 ДИИПТ от действия этих токов, и входные токи I регуляторов 6 имеют синусоидальную форму, работает следующим образом.
k
ДИИПТ могут иметь различную конструкцию. Их катушки 2 и 3 могут располагаться на магнитном сердечнике с зазорами или на каркасе, например торообразном, без магнитного сердечника. Через окно сердечника или каркаса проходит токопровод с измеряемым током. Мгновенное значение ЭДС, которая наводится в катушке, равно произведению взаимной индуктивности М катушки с указанным токопроводом на производную проходящего через него тока. Чем меньше номинальное значение тока источника 5 напряжения, тем больше должна быть взаимная индуктивность М ДИИПТ, входящего в комплект этого источника. При неизменных размерах сердечника или каркаса катушки ДИИПТ указанная взаимная индуктивность пропорциональна числу витков катушки. В этом случае индуктивность катушки L и ее индуктивное сопротивление пропорциональны квадрату числа витков. Таким образом, при параллельной работе источников 5 с различными номинальными токами индуктивные сопротивления катушек ДИИПТ, относящихся к различным комплектам (источникам 5), неодинаковы. С уменьшением номинального значения тока источника индуктивное сопротивление катушки ДИИПТ соответствующего комплекта увеличивается быстрее, чем снижается номинальное значение тока источника.
k
k
k
k
Источники 5 напряжения до подключения их к общим шинам 23 находятся в состоянии холостого хода. Выключатели 15, шунтирующие первичные обмотки 9 трансформаторов 1 и катушки 2 первых ДИИПТ, разомкнуты. Токи входных цепей регуляторов 6 напряжения ничтожно малы по сравнению с номинальными токами источников 5. Поэтому ЭДС катушек 2 и 3 ДИИПТ можно считать равными нулю. Сопротивления входных цепей регуляторов 6 складываются из трех составляющих: входных сопротивлений R регуляторов 6, проходных сопротивлений трансформаторов 1 (сопротивлений между зажимами 19 и 21 вторичных обмоток 20 при подключенных к первичным обмоткам 9 катушек 2 первых ДИИПТ) и сопротивлений катушек 3 вторых ДИИПТ. Трансформаторы 1 напряжения будем полагать идеальными, тогда их проходные сопротивления равны сопротивлениям катушек 2 первых ДИИПТ. Активные составляющие этих сопротивлений много меньше их индуктивных сопротивлений X=ωL, где ω - круговая частота источников 5, L - индуктивность катушек первых и вторых ДИИПТ одного комплекта некоторого источника 5, а индуктивные сопротивления X много меньше входных сопротивлений R регулятора 6. Поэтому полные сопротивления входных цепей регулятора 6, подключенных к зажимам 16 источников 5 напряжения, можно выразить следующей формулой:
k
PH
PH
PH
PHN
N
N
Если к общим шинам 23 подключаются источники с несколькими различными значениями номинальных токов, то каждому значению номинального тока соответствует свое значение X и, следовательно, m. Причем чем меньше номинальный ток источника 5, тем больше соответствующее этому источнику значение параметра m. Но в любом случае параметр m не превосходит 0,1, поэтому, в первом приближении, можно считать, что входные токи I регуляторов 6 определяются упрощенным выражением: I=U/R, где U - напряжения на выходных зажимах 16 источников 5. Если источники 5 трехфазные и регуляторы 6 имеют по три входных зажима 12, то U - фазное напряжение источника. Если входных зажимов регуляторов 6 по два, то U - половина линейного напряжения источников 5. Ниже будет рассматриваться работа предлагаемого устройства применительно только к трехфазным источникам с тремя входными зажимами 12 регуляторов 6. Регуляторы 6 напряжения, осуществляя принцип отрицательной обратной связи, изменяют ЭДС источников так, чтобы входные токи I регуляторов 6 были бы равны их номинальным значениям I. Входные сопротивления всех источников 5 настраивают так, чтобы их напряжения, которые при холостом ходе равны указанным ЭДС, были бы одинаковыми, равными, например, номинальным значениям U. Таким образом, напряжения холостого хода каждого источника 5 равны одному и тому же значению U. Поэтому при точном выполнении условий синхронизации любой источник 5 подключается к общим шинам 23 без бросков уравнительных токов.
Описание того, как распределяется реактивная мощность между параллельно включенными источниками 5, становится более простым, если принять следующие, вполне допустимые, упрощения:
N
N
действующие значения ЭДС катушек 2 и 3 много меньше напряжения U источников 5: при номинальных токах источников 5 эти значения составляют 0,03-0,05 от U;
падения напряжения на участках токопроводов: от выходных зажимов источников 5 до точек 16 подключения входных цепей регуляторов напряжения 6 и от точек 16 до общих шин 23, а также на участках общих шин между точками подключения к ним выключателей 22 - пренебрежимо малы.
Эти упрощения позволяют не учитывать токи активной нагрузки источников 5 и считать, что напряжения на общих шинах 23 и выходные напряжения каждого источника 5 равны между собой.
PH
При всех перечисленных выше допущениях ЭДС, которые наводятся в катушках 3 вторых ДИИПТ реактивными токами нагрузки источников 5, арифметически, а не геометрически складываются с фазными напряжениями U источников 5. А ЭДС, которые наводятся в катушках 2 первых ДИИПТ этими же токами, после приведения к вторичным обмоткам 20 трансформаторов 1, вычитаются из фазных напряжений U источников 5. Постоянные составляющие напряжений между зажимами 17 и 18, а также между зажимами 19 и 21, вызванные прохождением токов I регуляторов 6 по катушкам 3 и вторичным обмоткам 20 трансформаторов 1, которые не влияют на распределение реактивных мощностей, можно не учитывать. Следует также иметь в виду, что указанные постоянные составляющие по абсолютному значению малы по сравнению с фазными напряжениями U источников 5 и равны в соответствии с (1) , фаза же этих постоянных составляющих напряжений отличается от фазы напряжений U примерно на π/2.
j
j
Nj
1
N1
j
j
j
Каждая катушка ДИИПТ, входящая в комплект j-го источника 5, имеет одинаковое значение взаимной индуктивности M с соответствующим токопроводом j-го источника 5. Взаимные индуктивности M разных источников 5 обратно пропорциональны номинальным токам I этих источников. Если в качестве базовых значений принять взаимную индуктивность М катушек ДИИПТ и номинальный ток I некоторого первого из источников 5, подключенных к общим шинам 23, то взаимные индуктивности M катушек ДИИПТ каждого j-го источника 5 и ЭДС E, которые наводятся токами I этого источника в указанных катушках, можно описать формулами:
N
1
N1
Nj
j
Nj
где E=ωMI - номинальное значение ЭДС взаимной индукции любой катушки ДИИПТ любого j-го комплекта, которое наводится в ней номинальным током I, проходящим по соответствующему токопроводу j-го источника 5, i - относительное значение тока этого источника (в долях от его номинального тока I).
Σ
j
Σ
j
При параллельной работе источников 5 напряжения, охваченных действием предлагаемого устройства, они подключены выключателями 22 этих источников к общим шинам, от которых получает питание нагрузка 24. Выключатели 15 остаются разомкнутыми. Блок-контакты 25 выключателей 22 находятся в замкнутом состоянии. Через эти блок-контакты к уравнительным соединениям 26 подводятся напряжения первых 2 катушек ДИИПТ. Определим переменные, зависящие от реактивных токов источников 5, составляющие напряжений уравнительных соединений 26. Собственная проводимость Y узлов 7, которые объединяются блок-контактами 25 и уравнительными соединениями 26 при включении на параллельную работу n источников 5, равна сумме проводимостей n катушек 2:  где . Если номинальные токи всех источников 5 одинаковы, то равны между собой и все Y. Тогда Y=nY. Переменные составляющие напряжений вторичных обмоток 20 трансформаторов 1, равные переменным составляющим напряжений уравнительных соединений 26, определяются выражением:
j
j
Nj
j
Σ
N
Σ
Здесь k - весовые коэффициенты. Сумма всех n весовых коэффициентов равна единице. Если номинальные токи всех источников 5 одинаковы, то все весовые коэффициенты k равны 1/n, и выражение (3) принимает вид: . Видно, что в этом случае переменные составляющие напряжений вторичных обмоток 20 трансформаторов 1 пропорциональны среднему из относительных (по отношению к номинальным токам I) значений реактивных токов всех n включенных на параллельную работу источников 5. При одинаковых относительных значениях i реактивных токов всех источников 5 значения Е переменных составляющих напряжений вторичных обмоток 20 трансформаторов 1 не зависят от весовых коэффициентов и равны Ei. Здесь i равно отношению реактивного тока I, потребляемого нагрузкой 24, к сумме номинальных токов всех источников 5.
N
При изменении суммарной реактивной мощности в установившихся режимах регуляторы 6 напряжения поддерживают равными единому для всех источников заданному значению суммы напряжений источников, включенных в цепи, содержащие выходные зажимы 16 источников 5 и входные зажимы 12 регуляторов 6. Пусть это заданное значение равно номинальному напряжению U. Тогда с учетом, что напряжения всех фаз всех источников 5 одинаковы и равны U, из предыдущего условия получаем уравнение для одной фазы j-го источника 5:
Σ
N
N
j
j
j
Σ
N
N
N
В каждом из n уравнений вида (4) равны между собой первые (U) и третьи (-Е) члены левых частей, а также правые части (U). Поэтому должны быть равными между собой и вторые (Ei) члены левой части уравнений (4). Этот факт доказывает, что у всех параллельно работающих источников равны относительные значения их реактивных токов, то есть . Из этого с учетом, что сумма всех n весовых коэффициентов k равна единице, получается, что для любого j справедливо равенство E-Е=Ei-Ei=0. Отсюда следует, что в установившихся режимах напряжения U каждой фазы любого источника 5 равны своим номинальным значениям U.
j
N
j
j
j
Если по какой-либо причине, например из-за увеличения активной мощности какого-то источника 5, относительное значение i реактивного тока этого источника уменьшилось, то для этого источника левая часть выражения (4) станет меньше U. Тогда регулятор 6 этого источника станет увеличивать его ЭДС и, следовательно, i, пока выражение (4) не станет равенством, при прежнем значении i. И, наоборот, если относительное значение i реактивного тока какого-то источника 5 увеличилось, то регулятор 6 этого источника станет уменьшать его ЭДС, что приведет к восстановлению прежнего значения его реактивного тока.
N
j
N
Σ
Σ
N
В первый момент после подключения к общим шинам 23 нового источника 5 при идеально выполненной синхронизации реактивные токи и вторые слагаемые Ei выражения (4) для каждой фазы этого источника равны нулю. Так как при этом левая часть выражения (4) меньше U из-за не равных нулю отрицательных членов (-Е), регулятор 6 напряжения нового источника начнет увеличивать ЭДС этого источника. Его реактивные токи появятся и станут возрастать. Сразу же после введения нового источника на параллельную работу его катушки 2 первых ДИИПТ подключатся к уравнительным соединениям, что в соответствии с выражением (3) из-за увеличения n приведет к снижению переменных составляющих Е напряжений вторичных обмоток 20 трансформаторов 1. Тогда для всех ранее подключенных к общим шинам 23 источников 5 напряжения левая часть выражения (4) станет больше U. Регуляторы 6 напряжения этих источников начнут снижать их ЭДС и, следовательно, их реактивные токи. Процесс перераспределения реактивной мощности, снижения реактивных токов у ранее работавших источников 5 и увеличение этих токов у вновь подключенного источника закончится, когда у всех источников 5 напряжения станут одинаковыми относительные значения реактивных токов. Аналогичным образом протекает переходный процесс и при отключении части общей реактивной нагрузки источников 5 при сохранении их числа.
N
i
Σ
i
N
N
Работа предлагаемого устройства при отключении от общих шин 23 одного из n параллельно работавших источников 5 с равномерно распределенной реактивной мощностью, чтобы не вдаваться в малосущественные детали, рассматривается для частного, но наиболее распространенного случая: все источники имеют одинаковые номинальные токи I. В первый момент после отключения одного из них ЭДС всех источников сохраняют свое значение, соответствующее предыдущему режиму. Реактивные токи каждого из оставшихся источников, оставаясь по-прежнему одинаковыми, вырастут в  раз. Также изменятся и равные между собой составляющие напряжений во входных цепях регуляторов 6: Eи Е. Из-за роста реактивных токов I за счет увеличенного падения напряжения на внутренних сопротивлениях источников 5 напряжения этих источников скачком снизятся. Левые части выражений (4) станут меньше U, и регуляторы 6 всех (n-1) источников 5 начнут увеличивать их ЭДС. Процесс восстановления напряжения на общих шинах 23 продолжится, пока это напряжение не станет равным U. Подобным образом протекает переходный процесс и при ступенчатом увеличении общей реактивной нагрузки источников 5 при сохранении их числа.
Совокупность элементов предлагаемого устройства, приходящаяся на один источник 5, без блок-контактов 25 и уравнительных соединений 26 образует устройство токовой стабилизации, которое работает, как аналог. Источник 5, снабженный указанной совокупностью элементов предлагаемого устройства, может быть подключен к сборным шинам 28 с помощью выключателя этого источника 27 (фиг.2). При этом он начинает работать параллельно с источниками 29 напряжения, которые не охвачены действием предлагаемого устройства для равномерного распределения реактивной мощности, на общую с ними нагрузку 30. Источники 29 напряжения охвачены действием своего, отличного от предлагаемого, устройства для равномерного распределения реактивной мощности. Например, источники 29 напряжения снабжаются устройствами токовой стабилизации.
j
Σ
N
j
Σ
N
Если все выключатели 27 источников 29 отключены (или эти источники отсутствуют), то работа источника 5 на нагрузку 30 производится при разомкнутом состоянии выключателей 15 и практически не отличается от рассмотренной выше работы источников 5 напряжения при холостом ходе до подключения их к общим шинам 23. В выражении U+E-Е=U слагаемые E и Е в соответствии с выражениями (2) и (3) при n=1 равны между собой. Поэтому напряжение источника 5 при его нагрузке, как и при холостом ходе, в установившихся режимах постоянно и равно U.
0
N
Если к сборным шинам 28 подключены источники 29 через замкнутые выключатели 27, то выключатели 15 источника 5 должны находиться в замкнутом состоянии. В этом случае значения входных сопротивлений R регулятора 6 устанавливают такими, чтобы напряжение холостого хода источника 5 равнялось заданному напряжению холостого хода U, которое в общем случае не равно U. Внешняя характеристика источника определяется выражением:
N
0
0
Статизм внешней характеристики источника 5 по реактивному току равен E/U. Для равномерного распределения реактивной мощности между источниками 5 и 29 их напряжения холостого хода U и статизм внешних характеристик должны быть одинаковы.