СПОСОБ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
POWER SAVING METHOD

Изобретение относится к области электротехники, а именно к повышению качества тока в электропитающих сетях, особенно при включении (отключении) мощных нагрузок.
Известен способ энергосбережения на основе оптимизации энергосберегающих мероприятий (ЭСП) по всем этапам электротехнологического процесса (ЭТП) /1/. Способ заключается в следующем: разбивают весь энерготехнологический процесс на этапы его проведения, устанавливают измерители энергии и измеряют или вычисляют потребляемую энергию на каждом этапе, определяют энергоемкость этапов в исходном варианте проведения ЭТП, намечают ЭСМ, в качестве которых могут выступать регулирование параметров изменения режимов, замена элементов, прочие технические, технологические, производственные, организационные меры, направленные на повышение эффективности данного этапа ЭТП, определяются энергоемкости этапов при внедрении намеченных ЭСМ, вычисляют коэффициенты эффективности ЭСМ. ЭТП проводят применением таких ЭСМ на каждом этапе, чтобы его общий коэффициент эффективности принимал оптимальное значение. К недостаткам можно отнести ограниченные функциональные возможности, поскольку проведение энергосберегающих мероприятий необходимо проводить на каждом этапе технологического процесса. К недостаткам можно отнести ограниченные функциональные возможности, поскольку проведение энергосберегающих мероприятий необходимо проводить на каждом этапе электротехнического процесса.
Известен также способ управления энергоресурсами /2/. За заданный промежуток времени система определяет приращения расходов энергоносителей, сквозных энергозатрат и производительности выпуска продукции, определение динамической энергоемкости, оценки расходования энергоресурсов объекта управления по динамической энергоемкости. Система обеспечивает в динамике в пошаговом режиме оценку приращенной за заданный промежуток времени расходов энергоносителей сквозной энергоемкости и производительности выпуска продукции. Эти оценки проводятся как для сквозных энергозатрат, так и для их отдельных составляющих. К недостаткам данного способа можно отнести ухудшение эксплуатационных характеристик элементов защиты из-за кратковременных перенапряжений.
Известен также способ управления энергопотреблением, заключающийся в параллельном подключении компонентов и использовании реверсивных фильтров, что позволяет уменьшить фазовый угол тока и напряжения, снизить гармоники в сети, снизить гармонические искажения (суммарное значение коэффициента нелинейных искажений) до очень низких значений, при включении выпрямителя напряжения уменьшить напряжение /3/. Если напряжение и ток различаются по фазе, система уменьшает угол между током и напряжением. Система снижает потребление энергии и реагирует на нагрузку посредством тока и регулирует потребление мощности, регулирует напряжение с учетом потребления тока. Это особенно полезно для отраслей промышленности с высоким потреблением тока, например с нагрузкой сети до 2500 А. Элементы сети - конденсаторы, дугогасительное устройство, варисторы, ограничитель скачков напряжения, индуктивности или обмотки трансформатора - группируются для работы в однофазной сети, возможно подключение к двухфазной или трехфазной сети. Недостатком предложенного решения является то, что при выполнении данного способа происходит временная потеря экономии электроэнергии в результате ухудшения динамики процесса.
Также известен способ повышения качества электроэнергии, описанный в /4/, при уменьшении несинусоидальной формы питающего напряжения которого производят распределение потребления электроэнергии между электронными устройствами, искажающими форму питающего напряжения, и электронными устройствами, улучшающими форму питающего напряжения, в течение полуволны питающего напряжения сети. При этом улучшается форма питающего напряжения при упрощении конструкции.
Наиболее близким по технической сути является способ повышения качества электроэнергии в многофазной системе энергоснабжения при симметрировании по одной из фаз и комбинированном отборе мощности /5/. Процесс компенсации высших гармонических составляющих ставят в зависимость от характеристик последних в каждой из фаз и осуществляют совместно с симметрированием токов в упомянутых фазах, а процесс симметрирования осуществляют относительно опорной фазы. К недостаткам способа можно отнести то, что невозможно определить конкретные значения частот и мощностей гармоник в сети.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение качества сети за счет более эффективного подавления случайно образующихся за счет изменения характера нагрузки гармоник в сети.
Способ энергосбережения включает в себя параллельное подключение компонентов сети между фазными проводами и общим проводом, симметрирование токов в фазах и межфазных токов, использование адаптивных режекторных фильтров в качестве последовательных колебательных контуров, представляющих собой последовательно соединенные конденсаторы и дроссели,
для уменьшения мощности паразитных высших гармоник, через заданные контроллером промежутки времени измеряется резонансная частота, мощность и спектр помех гармоник в сети, по результатам измерений вычисляется величина добротности колебательного контура, зависящая от мощности гармоник и их полосы, возникающих при изменении параметров сети. Для уменьшения добротности дается управляющая команда для подключения дополнительных конденсаторов и отключения дополнительных дросселей адаптивных режекторных фильтров, тем самым увеличивая емкость в режекторном фильтре и уменьшая индуктивность при сохранении значения резонансной частоты. А для увеличения добротности дается управляющая команда на отключение дополнительных конденсаторов и подключения дополнительных дросселей, причем количество подключаемых конденсаторов и дросселей зависит от текущего измеренного значения гармоники в сети. Резонансные явления в электрических питающих сетях любой конфигурации, возникающие в виде высших гармоник тока, образованных в результате бросков тока при изменении нагрузки и распределенными погонными паразитными емкостями и индуктивностями проводников и компонентов электрических сетей, подавляются адаптивными динамическими режекторными фильтрами в течение всего времени эксплуатации сети, учитывая, что все частоты этих гармоник, полосы частот и мощности непрерывно изменяются. Динамическое ослабление гармоник осуществляется согласно алгоритму в настраиваемых режекторных фильтрах в Q раз, где Q - добротность последовательного колебательного контура, образованного соответствующими конденсатором и дросселем. Величина добротности вычисляется в зависимости от мощности той или иной гармоники, возникающей при изменении параметров сети - включении, выключении нагрузки и так далее. При уменьшении добротности полоса подавления расширяется, а мощность подавляемых гармоник уменьшается. Изменение добротности осуществляется изменением соотношения емкости и индуктивности последовательного колебательного контура на измеренной частоте: увеличение индуктивности и уменьшение емкости приводит к увеличению добротности, и наоборот:
где ρ - волновое сопротивление,
R - активные потери в последовательном колебательном контуре.
где L - индуктивность дросселя,
C - емкость кондиционера.
Адаптивные режекторные фильтры подключаются параллельно нагрузке.
Высшие гармоники в сети возникают в результате образования паразитных колебательных контуров, образованных элементами сети и динамической нагрузки, таких как распределенная емкость и индуктивность проводников и элементов сети и нагрузки, и воздействия на них бросков тока и напряжения во время переходных процессов при изменении динамических характеристик нагрузки во время работы сети (включение и выключение потребителей, изменение тока потребления, активной, реактивной составляющих нагрузки и так далее).
На фиг.1 показан график амплитудно-частотной характеристики помех в сети и добротности фильтров для компенсации этих помех.
Способ осуществляется следующим образом.
Непрерывно, в течение всего времени эксплуатации сети измеряются частота, спектр и мощность паразитных высших гармоник. Контроллер на основании значений частот гармоник, определенных сканером, вычисляет номиналы конденсаторов и индуктивностей дросселей, обеспечивающих резонанс напряжений при заданной добротности. Контроллер вырабатывает сигналы управления для КМОП-ключей, которые последовательно подключают дроссели и конденсаторы.
При возникновении новых гармоник в результате работы сети по новым текущим значениям частот гармоник контроллер рассчитывает новые значения конденсаторов и индуктивностей дросселей для их коммутации. По результатам измерений вычисляются необходимые значения добротности для получения необходимого уровня подавления гармоник. По рассчитанной добротности вычисляются значения емкостей конденсаторов и индуктивностей дросселей, выдаются управляющие команды контроллеру на подключение соответствующих конденсаторов и дросселей. Количество этих подключаемых последовательно компонентов в каждой силовой электрической сети может меняться в зависимости от текущего значения гармоник сети.
Пример конкретного выполнения.
1
2
3
5
8
В результате подключения мощной дополнительной нагрузки к сети возникли паразитные гармоники, действующие во время переходного процесса, с частотами f, f, f … f… f …, мощности и полосы излучения этих частот, измеренные сканером, обрабатываются контроллером, и по результатам этой обработки осуществляется выбор рассчитанного значения емкостей конденсаторов и индуктивностей дросселей на их подключение параллельно нагрузке. Если в результате такого подключения амплитуда этих паразитных гармоник в сети уменьшается до величины установленного значения, процедура заканчивается. Если нет, цикл повторяется. Это осуществляется в течение всего времени эксплуатации сети.
Изобретение позволяет решить проблемы подавления высших гармоник в силовых электрических сетях любой конфигурации постоянного и переменного токов, одно-, двух-, и трехфазных форм токов, работающих как в стационарном режиме, так и в режиме переходных процессов - включения, выключения, подключения дополнительных мощных нагрузок как адаптивных, так и активно реактивных.
Источники информации
1. Патент РФ №2357342.
2. Патент РФ №2315324.
3. Патент РФ №2340991.
4. Патент США №7573253.
5. Патент РФ №2390083 - прототип.