АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ

Полезная модель относится к электротехнике, преимущественно к устройствам, повышающих эффективность потребления электроэнергии, а именно к устройствам, обеспечивающим централизованную компенсацию реактивной мощности и уменьшения сдвига фаз в условиях переменных нагрузок.
Основными направлениями энергосбережения на предприятии являются повышения качества электроэнергии путем компенсации реактивной мощности (корректировки коэффициента мощности), снижение уровня гармоник в сети, а также снижение несимметрии питающих токов и напряжений сети.
Циркуляция реактивной составляющей электрической энергии между источником переменного тока и приемником, обусловленная наличием в нем реактивных сопротивлений, приводит к потерям энергии, в том числе в проводах электрической сети предприятия.
При нарушении симметрии («перекосе фаз») происходит недоиспользование пропускной способности трехфазных элементов сети, возникают дополнительные потери мощности в обмотках электрических машин.
Наиболее перспективными направлением компенсации реактивной мощности в 3-х фазных сетях напряжением до 0,4 кВ являются устройства энергосбережения выполненные на базе косинусных конденсаторов.
Основными преимуществами использования батарей косинусных конденсаторов в устройствах энергосбережения являются: отсутствие механически перемещаемых частей в процессе эксплуатации, простота монтажа и эксплуатации и возможность установки в любых точках электросети.
Известно устройство (Патент РФ №2337424 от 17.08.2007 г.) централизованной компенсации реактивной мощности в  сети,
содержащее регулятор реактивной мощности, измеритель реактивной мощности, выход которого подключен к управляющему входу измерителя реактивной мощности, трансформатор напряжения, выводы первичной обмотки которого подключены к соответствующим линейным проводам  высоковольтной сети, а выводы вторичной обмотки которого подключены к общей шине и соответствующим входам измерителя реактивной мощности,  батарей косинусных конденсаторов, каждая из которых включает  косинусных конденсаторов, первые выводы которых объединены и подключены к общей шине,  блоков контакторов, каждый из которых включает  контакторов, первые силовые выводы которых подключены к вторым выводам соответствующих косинусных конденсаторов из  батарей косинусных конденсаторов, вторые выводы которых объединены, а управляющие входы которых подключены к соответствующим управляющим выходам регулятора реактивной мощности.
Положительной отличительной особенностью данного устройства централизованной компенсации реактивной мощности является то, что в нем в качестве средства компенсации реактивной мощности используются автоматически коммутируемые батареи косинусных конденсаторов.
Однако в устройстве, отсутствуют средства защиты косинусных конденсаторов от перенапряжений обусловленных как наличием высших гармоник, так и скачков напряжения в моменты резкого изменения реактивной составляющей нагрузки потребителей. Указанные обстоятельства приводят к снижению надежности функционирования устройства вследствие отказов косинусных конденсаторов и силовых контакторов из-за перенапряжений, наличие коммутационных бросков напряжения в сети из-за возникновения высоковольтных разрядов между контактами в момент срабатывания контакторов.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство (Патент РФ №2586061 от 18.02.2014 г.) содержащее: регулятор
реактивной мощности, измеритель реактивной мощности, входы которого подключаются к выходам датчиков напряжения и тока каждой из фаз сети, а выход, которого подключен к соответствующему информационному входу регулятора реактивной мощности, модули контакторов, модули регуляторов, первые выводы n управляемых адаптивных реактивных элементов которых подключаются к проводу нейтрали сети, а вторые выводы, которых через соответствующие модули контакторов подключаются к соответствующим линейным проводам сети, адаптивный компенсатор гармоник, входы которого подключаются к соответствующим линейным проводам сети, выход которого подключается к нейтрали сети, а информационный вывод которого подключен к соответствующему информационному выводу регулятора реактивной мощности, датчики помех, первые выводы которых подключаются к соответствующим линейным проводам сети, вторые выводы которых подключаются к проводу нейтрали сети, а информационные выходы которых подключены к соответствующим информационным входам регулятора реактивной мощности, при этом информационные выводы регулятора реактивной мощности соединены с информационными выводами управляемых адаптивных элементов каждого из модулей регулирования.
В известном устройстве коммутация косинусных конденсаторов осуществляется в моменты равенства имеющегося на них остаточного напряжения и напряжения соответствующей фазы сети, что практически исключает коммутационные токи и обеспечивает уменьшения перегрузок реактивных элементов и элементов коммутации по причине снижения зарядно-разрядных токов и, как следствие, повышение надежности функционирования адаптивной системы энергосбережения. Кроме того обеспечивается повышения быстродействия процессов компенсации реактивной мощности в условиях переменных нагрузок и отказов отдельных элементов системы энергосбережения сети; уточнения настроек адаптивного компенсатора гармоник после завершения процессов коммутации реактивных элементов;
уменьшения уровня помех обусловленных процессами коммутации реактивных элементов.
Однако недостатком данного устройства являются - асимметрия напряжения в фазах сети, изменение которой обусловлено, в том числе, подключением реактивных элементов в процессе компенсации реактивной мощности, что приводит к повышенному износу силового оборудования предприятия.
Технической задачей заявленного является улучшение качества электрической энергии и повышение устойчивости функционирования за счет повышения точности компенсации реактивной мощности и устранение несимметрии межфазных напряжений, при обеспечении зашиты реактивных элементов от перенапряжений.
Поставленная задача решается за счет того, что в адаптивное устройство энергосбережения, содержащее регулятор реактивной мощности, измеритель реактивной мощности, входы которого подключаются к выходам датчиков напряжения и тока каждой из фаз сети, а выход которого подключен к соответствующему информационному входу регулятора реактивной мощности, модули контакторов, модули регулирования, первые выводы n управляемых адаптивных реактивных элементов которых подключаются к проводу нейтрали сети, а вторые выводы, которых через соответствующие модули контакторов подключаются к соответствующим линейным проводам сети, адаптивный компенсатор гармоник, входы которого подключаются к соответствующим линейным проводам сети, выход которого подключается к нейтрали сети, а информационный вывод которого подключен к соответствующему информационному выводу регулятора реактивной мощности, датчики помех, первые выводы которых подключаются к соответствующим линейным проводам сети, вторые выводы которых подключаются к проводу нейтрали сети, а информационные выходы которых подключены к соответствующим информационным входам регулятора реактивной мощности, при этом
управляющие выводы управляемых адаптивных элементов каждого из модулей управляемых адаптивных реактивных элементов соединены с соответствующими управляющими выводами регулятора реактивной мощности, введены: измеритель разности фаз, информационные входы которого подключаются к выходам соответствующих датчиков напряжения и тока, контроллер перекоса фаз, информационный вход которого подключен к выходу измерителя разности фаз, дополнительные модули регулирования, каждый из которых содержит в своем составе m управляемых адаптивных реактивных элемента, которые включаются между соответствующими линейными проводами сети, управляющие выводы которых соединены с соответствующими управляющими выводами контроллера перекоса фаз, при этом информационный вывод контроллера сдвига фаз соединен с соответствующим информационным выводом регулятора реактивной мощности. При этом адаптивность управляемых адаптивных реактивных элементов заключается прежде в сего в их функциональной возможности обеспечивать коммутацию реактивных элементов (косинусных конденсаторов) в момент равенства коммутируемого напряжения с остаточным напряжением на косинусных конденсаторах.
Полезная модель поясняется чертежом, который не охватывает и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а является лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения. Связи, указанные между функциональными блоками, в общем случае являются многоканальными, для обеспечения алгоритма функционирования отраженного в формуле и описании полезной модели. Питание функциональных блоков осуществляется от источника бесперебойного питания, который на чертежах не показан.
На фиг. 1 приведена функциональная схема адаптивного устройства энергосбережения.
Адаптивное устройство энергосбережения содержит регулятор реактивной мощности 1, измеритель реактивной мощности 2, датчики напряжения и тока 3 в каждой из фаз сети, модули контакторов 4, модули регулирования 5, управляемые адаптивные реактивные элементы 6, адаптивный компенсатор гармоник 7, датчики помех 8, измеритель разности фаз 9, контроллер перекоса фаз 10, дополнительные модули регулирования 11. Все указанные узлы, кроме датчиков напряжения и тока 3, которые являются выносными, размещены внутри единого корпуса 12.
Функциональный состав дополнительных модулей регулирования 11 аналогичен модулям регулирования 5 и на чертеже не показан. Отличие заключается только в числе входящих в их состав управляемых адаптивных реактивных элементов, которое определяется в каждом конкретном случае по результатам предварительного обследования электрических сетей конкретного предприятия.
Адаптивное устройство энергосбережения работает следующим образом.
В штатном режиме при изменении нагрузки в сети и связанного с этим изменении характера и уровня реактивной мощности, по сигналу с измерителя реактивной мощности 2, выработанному по информации с датчиков напряжения и тока 3, регулятором 1 формируется соответствующая управляющая команда на управляемые адаптивные реактивные элементы 6 модулей регулирования 5.
При этом каждый из управляемых адаптивных реактивных элементов 6, как и в устройстве, использованном в качестве прототипа, в своем составе содержит реактивный элемент, электронный коммутатор и контроллер, обеспечивающий подключение реактивных элементов (косинусных конденсаторов) в момент равенства напряжения сети с остаточным напряжением на косинусном конденсаторе, а также формирование информационного сигнала для регулятора реактивной мощности 1 о
завершении процесса коммутации. После чего регулятором реактивной мощности 1 формируется команда для соответствующего модуля контактора 4, обеспечивающего подключение модуля регулирования 5 к соответствующему линейному проводу.
После включения всех контакторов 4, регулятором реактивной мощности 1 выдается управляющий сигнал на контроллер перекоса фаз 10. Контроллер перекоса фаз 10 по информации, полученной из измерителя разности фаз 9, формирует команды для дополнительных модулей регулирования 11 (аналогичные по своему функциональному выполнению модулям регулирования 5) на подключение соответствующих номиналов межфазных реактивных элементов (косинусных конденсаторов), обеспечивающих балансировку фаз напряжений в линейных проводах. По завершению процесса регулирования сдвига фаз, с контроллера перекоса фаз 10 на регулятор реактивной мощности 1 выдается информационный сигнал. После этого регулятором реактивной мощности 1 осуществляется оценка изменение реактивной мощности, произошедшие вследствие изменения реактивного сопротивления дополнительных модулей регулирования 11 в процессе устранения перекоса фаз и, при необходимости (превышение уровня реактивной мощности выше заданного значения), выдается команда на управляемые адаптивные реактивные модули 6 регулировочных модулей 5 для уточнения компенсации реактивной мощности в сети. На этом цикл регулировки реактивной мощности и компенсации сдвига фаз завершается. Таким образом, компенсация реактивной мощности и компенсация сдвига фаз осуществляется последовательно двумя самостоятельными петлями регулирования с независимыми исполнительными элементами - модулями регулирования 5 и дополнительными модулями регулирования 11. При этом алгоритмом регулирования, заложенным в регулятор реактивной мощности 1, может быть предусмотрено выполнение описанного выше цикла в виде
нескольких итераций, однако приоритетом является не превышение уровня реактивной мощности в сети заданного предела.
После этого регулятором реактивной мощности 1 формируется управляющий сигнал на адаптивный компенсатор гармоник 7 для уточнения настройки входящих в его состав режекторных фильтров. При этом влияние адаптивного компенсатора гармоник 7 на уровень реактивной мощности в сети незначительно, что не требует последующей подстройки модулей регулирования 4 и дополнительных модулей регулирования 11.
При кратковременных случайных отключениях напряжения сети с последующим включением, а также под воздействием других помех, превышающих заданный уровень, датчиками помех 8 формируется соответствующий сигнал, по которому регулятор 1 одновременно формирует сигнал на отключение контакторов 4 и соответствующий управляющий сигнал на управляемые адаптивные реактивные элементы 6 соответствующих модулей регулирования 5, что обеспечивает их оперативное отключение от соответствующих линейных проводов сети. При этом фильтром, входящим в состав датчиков 8, исключается выдача с них управляющих сигналов, длительность которых меньше времени срабатывания контакторов 4. После окончания действия помехи регулятором 1 формируется управляющая команда на включение соответствующих управляемых адаптивных реактивных элементов 6 блоков регулирования 5. По получении сигнала о завершении всех коммутаций в соответствующем модуле регулирования 6 регулятором реактивной мощности 1 формируется команда для соответствующего модуля контактора 4, обеспечивающего подключение модуля регулирования 5 к соответствующему линейному проводу.
Таким образом, в предложенном техническом решении обеспечивается улучшение качества электрической энергии и повышение устойчивости функционирования за счет повышения точности компенсации реактивной
мощности и уменьшения несимметрии межфазных напряжений, что позволит повысить надежность и время эксплуатации оборудования на предприятии.
Обеспечение коммутации реактивных элементов в модулях регулирования 4 и дополнительных модулей регулирования 11 в момент равенства остаточного напряжения на косинусных конденсаторах и коммутируемого напряжения позволит повысить надежность функционирования адаптивной системы энергосбережения.
В одной из конкретных реализаций адаптивное устройство энергосбережения выполнено на базе конструктивно законченного блока на базе металлического шкафа, подключаемого к линейным проводам сети через встроенный модуль защиты, включающий в себя блок предохранителей и ограничитель напряжения. В качестве измерителя реактивной мощности и измерителя сдвига фаз использован встроенный в блок мультиметр, дисплей которого выведен на переднюю панель корпуса блока, что позволяет обеспечивать оперативный визуальный контроль функционирования устройства. Питание слаботочных сетей осуществляется от встроенного источника бесперебойного питания. Блок регулятора реактивной мощности и контроллер перекоса фаз выполнены в виде единого контроллера, размещаемого внутри корпуса блока. Коммутаторы в управляемых адаптивных реактивных элементах выполнены на тиристорах с обеспечением оптронной развязки от цепи управления. В качестве реактивных элементов использованы косинусные конденсаторы. Датчики тока и напряжения включаются в комплект поставки адаптивного устройства энергосбережения, при этом они выполнены в виде выносных модулей и подключаются к блоку через разъемное соединение.