ТРЕХФАЗНЫЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ
THREE-PHASE COMPENSATOR OF REACTIVE POWER AND METHOD OF ITS CONTROL

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для компенсации переменной реактивной мощности и повышения коэффициента мощности трехфазных потребителей электроэнергии.
Коэффициент мощности является одним из основных энергетических показателей приемников электрической энергии, определяющим потребление ими непроизводительной реактивной мощности. Низкое значение коэффициента мощности приводит к существенным потерям активной мощности. Повышение коэффициента мощности достигается компенсацией реактивной мощности, значение которой зависит от фазы потребляемого тока относительно питающего напряжения.
Компенсация реактивных нагрузок в сети потребителя позволяет:
1) снизить плату поставщику за потребленную электроэнергию; 2) снизить потери активной энергии в передающих линиях и трансформаторах; 3) уменьшить требуемую мощность трансформаторов и сечения кабелей; 4) уменьшить токовые нагрузки элементов системы электроснабжения (кабельных и воздушных линий, трансформаторов), обеспечив возможность расширения производства; 5) улучшить качество электроэнергии за счет уменьшения отклонений напряжения от номинального значения.
Известен трехфазный компенсатор реактивной мощности [патент РФ № 2239271, H02J 3/16, H02J 3/18 от 2004.10.27], который компенсирует реактивную мощность за счет приближения фазы тока к питающему напряжению. Устройство содержит силовой инверторный блок, включающий в себя трехфазный трансформатор, блок автономных инверторов напряжения, источник реактивной мощности, систему управления, включающую в себя блок вычисления активной и реактивной мощности, блок вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, блок вычисления заданных значений фазных токов, блок управления автономными инверторами напряжения, устройство дозарядки источника реактивной мощности и источник заданного значения напряжения. При этом блок вычисления переменных составляющих активной и реактивной мощности выполнен в виде двух устройств, каждое из которых содержит интегратор, подключенный параллельно входам сумматора, при этом вход каждого устройства является входом интегратора, а его выход - выходом сумматора.
Однако данное устройство сложно и дорого в изготовлении и при эксплуатации, так как присутствуют многофазный трансформатор, четыре трехфазных инвертора и в качестве накопителя энергии используется конденсатор. Также устройство имеет невысокие энергетические показатели.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является статический трехфазный компенсатор реактивной мощности [авторское свидетельство СССР № 610235, H02J 3/18 от 1978.06.05], который компенсирует реактивную мощность за счет регулируемого потребления реактивного компонента полной мощности. Устройство содержит силовой ламповый блок, соединенный по мостовой схеме, с дросселем в качестве нагрузки, поглотитель энергии, выход которого подсоединен на стороне переменного тока к трем фазам преобразовательного моста, трансформатор и лавинный ограничитель.
Однако в данном устройстве используются силовые лампы, что на сегодняшний день является нерациональным решением, кроме того, присутствуют трансформатор и лавинный ограничитель, усложняющие и удорожающие данное устройство. Устройство имеет также невысокие энергетические показатели ввиду потерь в лампах, трансформаторе и поглотителе энергии.
Задачей изобретения является повышение энергетических показателей, быстродействия и плавности регулирования компенсатора реактивной мощности.
Поставленная задача достигается тем, что трехфазный компенсатор реактивной мощности, содержащий блок управления вентилями, дроссель с зазором, в отличие от прототипа содержит блок силовых вентилей и LC-фильтр высоких частот, а блок управления вентилями включает в себя блок анализа сети и блок управления переключением вентилей.
Поставленная задача достигается также способом управления трехфазным компенсатором реактивной мощности, по которому переключают вентили: синхронизирующие сигналы с блока анализа сети подают в блок управления переключением вентилей и делают квантованные по уровню синусоидальные сигналы полностью соответствующими по фазе синусоидам тока, который необходим для компенсации определенной реактивной мощности по первой гармонике. После чего выявляют и включают фазу с максимальным током, одновременно с этим производят постоянное переключение работы двух оставшихся фаз, пропорциональное токам этих фаз с высокой частотой, и осуществляют соответствующее включение вентилей, чтобы ток через вентили и дроссель с зазором протекал в одном направлении. Регулирование выдаваемой или потребляемой реактивной мощности осуществляют путем изменения углов между квантованными по уровню синусоидальными сигналами (блоки 18-20 на фиг.3) и синусоидами фазного напряжения трехфазной сети. При величине этих углов -90° переводят трехфазный компенсатор реактивной мощности в режим генерации реактивной мощности в трехфазную сеть, а при величине углов +90° переводят трехфазный компенсатор реактивной мощности в режим потребления из трехфазной сети реактивной мощности. Регулирование в первом режиме вниз от максимальной мощности осуществляют путем изменения величины углов до -91°, а во втором режиме до +91°.
-3
-3
Существо изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг.2 представлена блок-схема, отражающая принципиальную конструкцию устройства; на фиг.3 представлена функциональная схема блока управления переключением вентилей (11); на фиг.4 представлены осциллограммы с блока-осциллографа 28 за 0,2 с, показывающие формы сигналов, получаемые с блоков 18-21 (а - 18, б - 19, в - 20, г - 21); на фиг.5 представлены осциллограммы с блока-осциллографа 28 за 5×10 с, показывающие формы сигналов, получаемые с блоков 18-21 (а - 18, б - 19, в - 20, г - 21); на фиг.6 представлены осциллограммы с блока-осциллографа 74 за 0,2 с, показывающие формы выходных сигналов для блоков 62-67 (а - 62, б - 63, в - 64, г - 65, д - 66, е - 67) (эти сигналы поступают на выход блока 11 через блоки 68-73); на фиг.7 представлены осциллограммы с блока-осциллографа 74 за 5×10 с, показывающие формы выходных сигналов для блоков 62-67 (а - 62, б - 63, в - 64, г - 65, д - 66, е - 67) (эти сигналы поступают на выход блока 11 через блоки 68-73).
На фиг.1 буквами А, В, С обозначена трехфазная сеть промышленной частоты; цифрами 1-6 обозначены вентили, имеющие одностороннюю проводимость - как показано стрелками; буквой L обозначен дроссель с зазором. Трехфазный мост служит для осуществления энергообмена реактивной мощностью между сетью и накопителем энергии - дросселем с зазором. Природа реактивной мощности заключается в том, что в одни моменты времени мощность потребляется из сети, а в другие - отдается. Таким образом, управляя потоком энергии между дросселем с зазором и сетью, можно производить компенсацию реактивной мощности.
Фиг.2 отображает общую схему компенсатора, где 7 - трехфазная сеть; 8 - блок силовых вентилей; 9 - дроссель с зазором; 10 - блок анализа трехфазной сети, предназначенный для вычисления необходимой реактивной мощности и определения моментов переключения вентилей; 11 - блок управления переключением вентилей; 12 - LC-фильтр высоких частот. Блоки 10 и 11 могут быть объединены в один - блок управления вентилями 13, при реализации функций этих блоков на микроконтроллере. Блок силовых вентилей 8 входом подключен через LC-фильтр высоких частот 12 к трехфазной сети 7, к выходу блока 8 (сторона постоянного тока) подключен дроссель с зазором 9. Блок 10 производит анализ трехфазной сети, т.е. блока 7, после чего данные с блока 10 поступают в блок 11 для осуществления управлением блоком 8.
На фиг.3 представлена функциональная блок-схема управления переключением вентилей, где 14-17 - входные блоки, подающие сигналы управления на блоки 18-21 с блока анализа сети 10; блоки 18-20 - источники квантованных по уровню синусоидальных сигналов, блок 21 - источник пилообразного сигнала, причем период пилообразного сигнала равен периоду дискретизации квантованного по уровню синусоидального сигнала; 22-24 - блоки сравнения с нулем; 25-27 - блоки, выдающие модуль исходного сигнала; 28 - осциллограф, измерения которого представлены на фиг.4 и 5; 29-31 - блоки логического отрицания; 32-34 - блоки арифметического умножения; 35-40 - блоки логического «или»; 41-43 - блоки сравнения; 44-49 - блоки логического отрицания; 50-61 - блоки логического «или»; 62-67 - блоки логического «и»; 68-73 - выходные блоки, блоки подачи сигналов на вентили 1-6 соответственно; 74 - осциллограф, измерения которого представлены на фиг.6 и 7. На выходных блоках сигнал «1» соответствует состоянию «включено», а сигнал «0» - «выключено». Амплитуды всех сигналов равны единице. Квантованные по уровню синусоидальные сигналы по фазе полностью соответствуют синусоидам тока, который необходим для компенсации определенной реактивной мощности по первой гармонике. Представленная схема работает следующим образом: блоки 18-21 через блоки 14-17 синхронизируются с сетью, кроме того, квантованным по уровню синусоидальным сигналам блоков 18-20 задаются определенные углы для обеспечения требуемой реактивной мощности. Далее рассмотрим конкретно несколько цепочек взаимодействия - остальные подобны рассматриваемым. Квантованный по уровню синусоидальный сигнал с блока 18 поступает в блок 25, на выходе которого получается модуль квантованного по уровню синусоидального сигнала, который поступает в блок 32 совместно с сигналом с блока 21. Сигнал с блока 25 также поступает в блок 43. В блоке 32 происходит перемножение двух сигналов, на выходе получается пилообразный сигнал, вписанный в модуль квантованного по уровню синусоидального сигнала, или же пилообразный сигнал, промодулированный квантованным по уровню синусоидальным сигналом. Последний сигнал сравнивается в блоке 41 с выходным сигналом блока 26 - модулем квантованного по уровню синусоидального сигнала с блока 19. Сигнал с блока 41 поступает в блоки 46, 49, 53, 59. Сигналы с блоков 46, 49 после логического отрицания поступают в блоки 54, 60 соответственно. Сигналы в блоках 53, 54, 59, 60 подвергаются логической операции «и» совместно с другими соответствующими сигналами, после чего поступают в блоки 63, 64, 66, 67 соответственно, где они подвергаются логической операции «или» совместно с другими соответствующими сигналами, после чего поступают на выход блока 11 - в блоки 69, 70, 72, 73 соответственно. Этой цепочке преобразования сигналов аналогичны цепочки: 15 (19-26) - 68, 70, 71, 73 (62, 64, 65, 67) и 16 (20-27) - 68, 69, 71, 72 (62, 63, 65, 66). Одновременно с этой цепочкой преобразования происходит следующее: сигнал с блока 18 поступает в блок 22, где сравнивается с нулем, после чего поступает в блоки 29, 39, 40. Сигнал с блока 29 после логического отрицания поступает в блоки 36, 37 соответственно. Сигналы в блоках 36, 37, 39, 40 подвергаются логической операции «и» совместно с другими соответствующими сигналами, после чего поступают в блоки 59, 60, 62 (с блока 36), 56, 61, 63 (с блока 37), 50, 55, 66 (с блока 39), 51, 52, 67 (с блока 40). Сигналы в блоках 50-52, 55, 56, 59-61 подвергаются логической операции «и» совместно с другими соответствующими сигналами и поступают в блоки 62-67, где они подвергаются логической операции «или» совместно с другими соответствующими сигналами, после чего поступают на выход блока 11 - в блоки 68-73. Этой цепочке преобразования сигналов аналогичны цепочки: 15 (19-23)-62-67 и 16 (20-24)-62-67.
Пример конкретной реализации способа
Способ управления основан на том факте, что в любой момент времени сумма токов в трехфазной системе равна нулю или , следовательно, один из них равен сумме двух других не только векторно, но и по модулю мгновенного значения ввиду равенства знаков последних токов. Из этих соображений можно получить 6 случаев, которые иллюстрирует таблица 1. Границами случаев являются переходы токов через ноль.
Таблица 1 - Возможные случаи соотношения токов
1
2
3
4
5
6
Ia
«+» (>0)
«-» (<0)
«-» (<0)
«-» (<0)
«+» (>0)
«+» (>0)
Ib
«-» (<0)
«+» (>0)
«-» (<0)
«+» (>0)
«-» (<0)
«+» (>0)
Ic
«-» (<0)
«-» (<0)
«+» (>0)
«+» (>0)
«+» (>0)
«-» (<0)
В данной таблице «случаи» расположены определенным образом: такое чередование знаков токов фаз имеет место при емкостном характере тока, т.е. при угле между током и напряжением в каждой из фаз, равном -90°.
Квантованные по уровню синусоидальные сигналы блоков 18-20 (фиг.3) по форме полностью соответствуют емкостным фазным токам компенсатора (блок 18 - току фазы А, блок 19 - току фазы В, блок 20 - току фазы С). По существу все оставшиеся блоки нужны для преобразования квантованных по уровню синусоидальных сигналов блоков 18-20 в фазные токи компенсатора посредством соответствующего переключения вентилей.
Вышеописанное поясняют чертежи: фиг.4 и 5 с осциллограммами с блока 28 (фиг.3), иллюстрирующие все три квантованных по уровню синусоидальных сигнала и пилообразный сигнал (а - сигнал с блока 18, б - 19, в - 20, г - 21).
За выявление, какой случай имеет место в данный момент, ответственны блоки: 22-24, 29-31, 35-40 (фиг.3), где блоки 35-40 соответствуют столбцам таблицы (единица на выходе одного из блоков 35-40 для соответствующего случая).
Подробно рассмотрим первый случай (остальные случаи аналогичны первому). В этом случае происходит потребление тока из фазы А и отдача тока в фазы В и С. Модуль тока фазы А равен сумме модулей токов фаз В и С. Во время этого промежутка времени вентиль в «положительной» ветви моста фазы А (вентиль 1 на фиг.1) открыт и ток из фазы А течет в дроссель с зазором. Чтобы цепь была замкнута (протекал ток), необходимо открыть вентили в «отрицательной» ветви моста фаз В и С (вентили 5 и 6 на фиг.1). Но одновременно открыть вентили фаз В и С нельзя - произойдет короткое замыкание. Следовательно, надо открыть сначала один, а потом другой. Поэтому необходимо правильно определить время открытия и закрытия этих вентилей.
Для того чтобы осуществить правильное переключение, необходимо:
1) вписать пилообразный сигнал в модуль квантованного по уровню синусоидального сигнала (промодулировать пилообразный сигнал квантованным по уровню синусоидальным сигналом), эквивалентного искомому току фазы А для первого случая таблицы 1; 2) фаза В будет работать, пока ее амплитуда будет больше значения сигнала, полученного в предыдущем пункте, т.е.: фаза В работает, пока  (пилообразный сигнал), иначе работает фаза С, причем время работы этих фаз пропорционально токам этих фаз или , что осуществляется с помощью блоков: 25-27, 32-34, 41-43 и 21 (фиг.3).
Для осуществления совместной работы блоков 22-24, 29-31, 35-40 и 25-27, 32-34, 41-43 и обеспечения протекания токов в одном направлении через вентили и дроссель с зазором применяются блоки 44-67 (фиг.3).
a
b
c
Пилообразный сигнал блока 21 нужен (в первом «случае») для разбиения величины |I| на части, равные |I| и |I|, т.е. , а также для разделения во времени работы фаз В и С и для увеличения частоты работы системы.
Все шесть случаев реализуются за период 0,02 секунды для частоты в 50 Гц, но производить переключения с частотой 1/(0,02/6)=300 Гц нецелесообразно, так как в этом случае энергообмен будет нарушен и высшие гармоники будут недопустимо велики. В идеале все три фазы должны работать непрерывно, и чтобы приблизиться к этому, необходимо, например, для первого случая быстро переключать фазы В и С, что существенно улучшает характеристики преобразователя. Например, для частоты переключений 12600 Гц (период в 49,4 мкс) переключения за «случай» происходят 12600/300=42 раза, что дает намного более высокие энергетические показатели.
На выходе блока управления переключением вентилей получаются сигналы, показанные на фиг.6 и 7 (а - сигнал с блока 62, б - 63, в - 64, г - 65, д - 66, е - 67). Из фиг.7 видно, что до момента времени 1,6667 мс длится «случай» 1, а после происходит переключение режима работы на «случай» 6 и т.д. Можно сказать, что способ переключения детерминирован временем и имеет множество повторяющихся последовательных комбинаций. Надо также отметить, что квантованные по уровню синусоидальные сигналы блоков 18-20 (фиг.3) должны квантоваться на основе равенства площадей под исходной и дискретной синусоидами, т.е.
1
2
1
2
для времени от t до t и k от n до n. Период дискретизации синусоид должен быть равным периоду пилообразного сигнала. Чем выше дискретизация, тем выше частота переключения, тем легче отфильтровать высшие гармоники тока.
Регулирование осуществляется за счет изменения углов между квантованными по уровню синусоидальными сигналами блоков 18-20 (фиг.3) и соответствующими фазными напряжениями трехфазной сети. При максимальной мощности эти углы в случае отдачи реактивной мощности составляют -90° (система симметричная). Если требуется уменьшить отдаваемую реактивную мощность, эти углы увеличиваются, в предельном случае примерно до -91° (при этом наступает режим холостого хода). В случае потребления трехфазным компенсатором реактивной мощности эти углы будут составлять +90° и +91° для режима холостого хода, регулирование осуществляется между этими углами.
Через дроссель с зазором протекает ток, имеющий постоянную и переменную составляющие. Чем больше индуктивность, тем меньше переменная составляющая и наоборот. Величину реактивной мощности определяет активное сопротивление дросселя с зазором - чем оно меньше, тем большая мощность может быть скомпенсирована и наоборот. Потребляемая (теряемая) активная мощность составляет 1,23% от компенсируемой (полезной) реактивной мощности или Q=81Р. LC-фильтр высоких частот является маломощным и обеспечивает коэффициент высших гармоник в пределах, предусмотренных ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего пользования».
Предложенный способ позволяет эффективно компенсировать реактивную мощность с помощью трехфазного моста на основе IGBT-транзисторов и дросселя с зазором, также способ предусматривает плавное и быстрое регулировании мощности такого преобразователя.