ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕХФАЗНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С НЕЛИНЕЙНЫМИ НАГРУЗКАМИ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам для фильтрации высших гармоник тока в фазных проводниках и третьей гармоники в нулевом проводнике трехфазной электрической сети, питающей нелинейные нагрузки.
Известно устройство для компенсации тока 3-й гармоники нейтрали сети (RU 2447563, МПК 9 H02J 3/01, опубл. 10.01.2012 г.), содержащее трехфазный однополупериодный выпрямитель, аноды которого через предохранители подключены к каждой из фаз сети, фильтр с полосой пропускания 150 Гц, фазорегулирующее устройство, переменный резистор и трансформатор тока.
Недостатком данного устройства является отсутствие компенсации высших гармоник тока в фазных проводниках сети, в результате чего не обеспечивается комплексное повышение качества электроэнергии.
За ближайший аналог принято фильтрокомпенсирующее устройство для трехфазной системы электроснабжения (RU 2046489, МПК H02J 3/18, H02J 3/01, опубл. 20.10.1995 г.), состоящее из комбинации реактора, конденсатора и резистора, подключенных ко вторичным выводам одноименных обмоток трехстержневого трансформатора, подключаемого к фазным проводникам питающей сети.
Недостатком данного устройства является применение схемы соединения «звезда» для емкостных и индуктивных компонентов. В процессе работы за счет переменных нагрузок и непостоянного теплового режима данных элементов происходит изменение их емкостных и индуктивных сопротивлений. В результате происходит смещение потенциала нулевой точки фильтрокомпенсирующего устройства, что оказывает негативное влияние на симметричность режима работы устройства и сети, и приводит к снижению качества электроэнергии. Кроме того, данное устройство, ввиду особенностей трехстержневого трансформатора, не позволяет подавлять третью гармонику тока, что также снижает качество электроэнергии.
Полезная модель решает задачу повышения эффективности работы фильтрокомпенсирующего устройства, что положительно скажется на качестве электроэнергии в системах электроснабжения с нелинейными нагрузками, за счет расширения функциональных возможностей (подавления токов высших гармоник в фазных проводниках и подавления тока третьей гармоники в нулевом проводнике) и повышения электромагнитной совместимости (снижения уровня несимметрии фазных напряжений) устройства с системой электроснабжения.
Для получения технического результата в фильтрокомпенсирующем устройстве для трехфазных систем электроснабжения с нелинейными нагрузками, содержащем трехфазный трехобмоточный трехстержневой трансформатор, три обмотки каждой фазы которого расположены на одном стержне, первые одноименные выводы первой и второй обмоток подключены к питающей сети системы электроснабжения, ко вторым выводам первой обмотки подключены конденсаторы, ко вторым выводам второй обмотки подключены реакторы, вторые выводы третьей обмотки соединены с резисторомами, предлагается соединить каждую из трехфазных обмоток трансформатора по схеме «треугольник», выбрать емкость конденсаторной батареи с учетом предотвращения резонанса напряжений в рабочем диапазоне частот, дополнительно оснастить устройство блоком компенсации токов третьей гармоники.
На прилагаемой к описанию схеме изображено: фильтрокомпенсирующее устройство для трехфазных систем электроснабжения с нелинейными нагрузками.
На схеме приняты следующие обозначения:
L1, L2, L3 - фазные проводники трехфазной сети;
N - нулевой проводник;
1 - блок компенсации высших гармоник тока в фазных проводниках;
2 - блок компенсации тока третьей гармоники в нулевом проводнике;
3 - электрическая сеть 0,4 кВ;
4 - нелинейная нагрузка;
5, 6, 7 - трехфазные обмотки трансформатора;
8 - сборка конденсаторов;
9 - сборка реакторов;
10 - сборка резисторов;
11 - фильтр третьей гармоники тока;
12 - фазосдвигающее устройство;
13 - трансформатор тока.
Как показано на схеме устройство состоит из двух функциональных элементов: блока (1) компенсации высших гармоник тока в фазных проводниках (БКФ), содержащего трехобмоточный трансформатор, сборки конденсаторов, реакторов и резисторов, и блока (2) компенсации тока третьей гармоники в нулевом проводнике (БКН), содержащего узкополосный фильтр с полосой пропускания 150 Гц, фазосдвигающий модуль и трансформатор тока, установленный в нулевом проводнике сети.
Снижение уровня несимметрии фазных напряжений достигается за счет исключения смещения потенциала нулевой точки БКФ путем соединения обмоток трехстержневого трехфазного трансформатора по схеме «треугольник». Данное решение обеспечивает симметричную работу фильтрокомпенсирующего устройства вне зависимости от его нагрузки. Однако при схеме соединения «треугольник» в одной из обмоток реактивная компонента оказывается включена последовательно с индуктивностью обмотки трансформатора, что создает предпосылки для возникновения резонанса напряжений.
БКФ подключается к электрической сети (3), питающей нелинейную нагрузку (4). БКФ состоит из трехфазного трансформатора с тремя трехфазными обмотками (5, 6, 7), конденсаторной батареи (6), реактора (7) и резистора (8). При этом выводы обмоток 3 и 4 с подключены к фазным проводникам сети. В цепь обмотки 5 подключена сборка конденсаторов, а в цепь обмотки 4 подключена сборка реакторов. Обмотка 5 соединена в «треугольник» и содержит активную нагрузку.
Номиналы конденсатора и реактора подбираются таким образом, чтобы протекающие через них токи промышленной частоты имели одинаковую величину. В сочетании с требованием о недопущении резонанса напряжений на рабочем диапазоне частот расчет параметров БКФ проводится на основе системы уравнений:
,
1
2
Р
Т
где W и W - соответственно число витков первичной и вторичной обмотки трансформатора; Ск - емкость конденсатора; ω - частота протекающего тока (с учетом компенсируемых высших гармоник); L - индуктивность реактора; L - эквивалентная индуктивность обмотки трансформатора, в цепи которой установлен конденсатор.
При создании указанных условий на основной частоте токи в обмотках 5 и 6 уравновешены и в обмотке 7 не индуцируется ЭДС, что позволяет избежать потерь на активном сопротивлении от токов промышленной частоты. При протекании токов высших гармоник за счет разности емкостного и индуктивного сопротивления происходит индуцирование ЭДС в обмотке 7 и энергия гармоник рассеивается на активном сопротивлении, в результате чего достигается улучшение формы кривой тока в фазных проводниках за счет подавления высших гармоник тока.
Соединение обмоток трансформатора по схеме «треугольник» позволяет обеспечить симметричный режим работы устройства вне зависимости от нагрузки и теплового режима.
За счет использования трехстержневого трансформатора БКФ представляет собой большое сопротивление для токов третьей гармоники. Поэтому фазные токи третьей гармоники используются для компенсации тока третьей гармоники в нулевом проводнике посредством БКН.
БКН подключается к сети параллельно с БКФ. На входе устройства в каждой фазе установлены диоды 11, обеспечивающие протекание положительных полуволн тока третьей гармоники. Далее следует блок узкополосной фильтрации третьей гармоники и фазосдвигающее устройство 12, где третья гармоника устанавливается в противофазу с утроенным током третьей гармоники, протекающим в нулевом проводнике, что позволяет осуществить его компенсацию посредством трансформатора тока 13. В результате достигается улучшение формы кривой тока путем подавления третьей гармоники тока в нулевом проводнике.
Описание работы устройства.
U0
U0
U0
Рассмотрим преимущества предложенной схемы на примере моделирования электрической трехфазной сети с нелинейными нагрузками. Фазная несимметрия индуктивных и емкостных компонентов моделируется за счет изменения их номиналов на +10% и -10% для фаз L1 и L3 соответственно. Расчет производится для случая симметрии нелинейной нагрузки сети. По величине напряжений, измеренных на зажимах фильтрокомпенсирующего устройства, рассчитан оценочный показатель - коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности (K). Для схемы соединения «звезда», примененной в прототипе для расчетной схемы K=2,36, для предложенного устройства со схемой «треугольник» данный показатель составил K=1,07. В результате обеспечивается снижение уровня несимметрии фазных напряжений.
3
5
7
9
Нелинейная нагрузка моделируется посредством источников тока высших гармоник с усредненными величинами токов. До подключения устройства коэффициенты высших гармоник тока в сети составляли: K=20%, K=14%, K=5%, K=3%. После подключения устройства в фазных проводниках амплитудное значение тока: третьей гармоники уменьшилось на 7%, пятой гармоники уменьшилось на 45,3%, седьмой гармоники уменьшилось на 62,7%, девятой гармоники - на 54,6%. В нулевом проводе произошли следующие изменения: значение амплитуды третьей гармоники уменьшилось на 64%, пятой гармоники - на 3%, седьмой гармоники - на 3,6%, девятой - на 2%.
Для сравнения, при включении в сеть ближайшего аналога в фазных проводниках амплитудное значение тока: третьей гармоники уменьшилось на 1,3%, пятой гармоники уменьшилось на 46,1%, седьмой гармоники уменьшилось на 60,2%, девятой гармоники - на 52,1%. В нулевом проводнике гармонический состав тока не изменился.