СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (ВАРИАНТ 3)
METHOD TO INCREASE EFFICIENCY OF POWER USAGE (VERSION 3)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для повышения эффективности использования электроэнергии, посредством снижения в потоке мощности энергосистемы непроизводительных потерь.
Известен способ компенсации реактивной «мощности» (1), принятый в качестве аналога, при осуществлении которого индуктивная составляющая тока, генерируемая нелинейной нагрузкой, компенсируется емкостным током батарей конденсаторов (БК). Известный способ - аналог обладает недостатками, главными из которых являются зависимость реактивной мощности, генерируемой БК, от напряжения и их чувствительность к искажениям формы питающего напряжения. При этом имеет место малый срок службы БК и их недостаточная электрическая прочность.
Известен способ (2) повышения качества электроэнергии, принятый в качестве прототипа, при осуществлении которого из потока мощности, отбираемого неактивной нагрузкой, извлекают часть энергии, обуславливающую ее непроизводительные потери, и после преобразования, используют для «заряда аккумуляторных батарей, от которых питаются электроустановки постоянного тока, а также инверторы, от которых питаются электроустановки переменного тока и (или) с помощью которых электрическая энергия возвращается обратно в электрическую сеть, а также утилизируют в электроустановках, для которых качество электрической энергии не является значимым (различные электронагреватели)». В известном способе не предусмотрена компенсация реактивной «мощности», и, таким образом, имеют место непроизводительные потери энергии, обусловленные реактивными токами.
Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности использования электроэнергии.
Это достигается тем, что согласно предложенному способу, из потока мощности, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой, его индуктивную составляющую, величина которой равна заранее заданной или меньше нее, извлекают соответственно: или индивидуально, или совместно с энергией основной гармоники, в виде эквивалентной энергии последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, длительность которых изменяется по закону изменения извлекаемого тока, и утилизируют, посредством ее использования для питания нагрузки постоянного тока.
На чертеже представлена схема, поясняющая сущность заявленного способа.
При этом введены следующие обозначения:
1 - энергосистема
2 - датчик тока нагрузки
3 - полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель
4 - емкостный накопитель
5 - датчик питающего напряжения
6 - нелинейная нагрузка
7 - блок формирования логического сигнала
8 - блок формирования модулирующего сигнала
9 - нагрузка постоянного тока
10 - датчик напряжения
11 - блок управления сигналом основной частоты
12 - фильтр гармоники тока основной частоты
13 - смеситель
Суть способа заключается в следующем. Как известно, в энергосети, при питании от нее активно-индуктивных нагрузок, в течение четверти периода знак мгновенной мощности изменяется на противоположный. Это связано с тем, что часть энергии, запасенная в магнитном поле реактивной нагрузки, возвращается назад в источник в виде реактивного тока. В этом случае, протекание реактивного тока обеспечивается ЭДС самоиндукции. При этом знаки питающего напряжения и ЭДС самоиндукции, как известно, противоположны. Отрицательный эффект, связанный с реактивными токами, заключается в дополнительных непроизводительных потерях энергии в энергосистеме. В заявленном способе, задача повышения эффективности использования электроэнергии решается путем снижения ее непроизводительных потерь. При этом предлагается извлекать из потока энергии, используемого активно-индуктивной нагрузкой, индуктивную составляющую и утилизировать, посредством ее использования для питания нагрузки постоянного тока.
Задача извлечения индуктивной составляющей решается посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя, построенного на IGBT модулях. Протекание индуктивной составляющей тока через каждое из плеч полностью управляемого транзисторного выпрямителя обеспечивается, в каждом полупериоде питающего напряжения, действием ЭДС самоиндукции. При этом транзисторы каждого из плеч управляемого моста открываются на время, в течение которого в энергосистеме протекает индуктивная составляющая тока. Использование IGBT-транзисторов, при выпрямлении тока, позволяет использовать их управляющие свойства относительно токов. Управление транзисторами осуществляют посредством модулирующего сигнала с заданными характеристиками. При этом в случае, если мощность, необходимая нагрузке постоянного тока, меньше или равна извлекаемой из энергосистемы индуктивной составляющей мощности, извлечением ее тока управляют посредством модулирующего сигнала, который предварительно формируют как результат сравнения знаков двух его составляющих, - аналоговой, пропорциональной току, отбираемому активно-индуктивной нагрузкой, и составляющей, которую в случае равенства знаков сравниваемых: напряжения, питающего нагрузку, и напряжения, пропорционального упомянутой аналоговой составляющей, - формируют в виде логического сигнала. В случае если величина мощности, необходимой упомянутой нагрузке постоянного тока, превышает величину извлекаемой мощности индуктивной составляющей, - из энергосистемы, дополнительно, извлекают мощность гармоники основной частоты, в доле, равной мощности, недостающей нагрузке постоянного тока. При этом управление работой транзисторного выпрямителя осуществляют посредством модулирующего сигнала, включающего, в том числе, две составляющие, одну из которых формируют описанным выше способом, а другую формируют пропорционально гармонике тока основной частоты. Таким образом, из энергосистемы извлекается, как индуктивная составляющая мощности, возвращаемая в энергосистему активно-индуктивной нагрузкой, так и дополнительная мощность гармоники основной частоты, в долях, необходимых для осуществления заявленного способа. При этом, осуществляется избирательное выпрямление только той составляющей тока, которая задается сигналом управления. На выходе управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя присутствует последовательность однополярных периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, энергия которых, за период их повторения, эквивалентна (в зависимости от соотношения энергий - извлекаемой из энергосистемы индуктивной составляющей энергии, и энергии, необходимой нагрузке постоянного тока): или извлекаемой индуктивной составляющей энергии, или сумме энергий - извлекаемой индуктивной составляющей энергии и доле дополнительной энергии гармоники основной частоты, недостающей для нормального функционирования нагрузки постоянного тока. Таким образом, вся индуктивная составляющая энергии, извлекаемая из потока мощности энергосистемы, расходуется на питание нагрузки постоянного тока, а в случае, если этой энергии недостаточно, т.е. если ее величина меньше величины энергии, необходимой для питания упомянутой нагрузки, то дополнительно используют энергию гармоники основной частоты. При этом контур, в котором замыкается реактивная составляющая, генерируемая нагрузкой, ограничивается точкой подсоединения устройства, обеспечивающего ее извлечение, и энергосистема, таким образом, разгружается от индуктивной составляющей тока.
Рассмотрим пример осуществления способа. Предварительно, ориентировочно оценивают реактивную составляющую мощности, возвращаемую в энергосистему активно-индуктивной нагрузкой, и соотносят ее с мощностью, необходимой для питания одной или нескольких имеющихся нагрузок постоянного тока. Режим несоответствия мощностей: извлекаемой из энергосистемы и требуемой нагрузке постоянного тока отслеживается по факту снижения напряжения в емкостном накопителе 4, посредством датчика напряжения 10. При этом в случае, если мощность, необходимая нагрузке постоянного тока, больше мощности, извлекаемой из энергосистемы, блоком 5 формируется сигнал на дополнительный отбор из энергосистемы недостающей мощности, в виде мощности гармоники основной частоты, в доле, необходимой упомянутой нагрузке для ее нормальной работы. При этом если индуктивная составляющая мощности, извлекаемая из энергосистемы, больше или близка к мощности, необходимой для нормального функционирования имеющихся нагрузок постоянного тока, о чем свидетельствует соответствие напряжения в блоке 4 заданной величине, энергию индуктивной составляющей утилизируют самостоятельно, посредством ее использования для питания нагрузки постоянного тока. В соответствии с заявленным способом, в этом случае, процесс утилизации осуществляют следующим образом.
Активно-индуктивная нагрузка 6 отбирает из энергосистемы вместе активной, индуктивную составляющую энергии. При этом, последняя загружает энергосистему реактивным током. Посредством датчика тока 2 и датчика питающего напряжения 6, формируют пропорциональные им сигналы. При этом на выходе датчика тока 2, сигнал, пропорциональный индуктивному току, генерируемому нагрузкой 6, отстает от напряжения на некоторый угол, определяющий коэффициент мощности в энергосистеме. В блоке формирования логического сигнала 7 сравниваются знаки поступающих на его входы, с выходов датчика тока 2 и датчика питающего напряжения 5, сигналов, и на его выходе формируется цифровая последовательность нулей и единиц, причем при совпадении знаков сигналов, пропорциональных току и напряжению, на выходе блока 7 формируется логическая единица, а в остальных случаях - логический ноль. Таким образом, логическая единица соответствует той части периода, в течение которого нагрузка 6 отбирает из энергосистемы активную мощность. Далее, сигнал с выхода блока 7 поступает на один из входов блока формирования модулирующего сигнала 8, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный току, отбираемому нагрузкой 6. Таким образом, в те моменты, в течение которых логический ноль, поступающий с выхода блока 7, совпадает на входе блока 8 с положительной полуволной, отбираемого нагрузкой 6 - тока, на выходе блока 8 формируются модулирующие импульсы напряжения, пропорциональные индуктивной составляющей тока, отбираемого нагрузкой 6, и синфазные по отношению к ней. С выхода блока 8 сформированные упомянутые модулирующие импульсы напряжения поступают на один из входов смесителя 13, на втором входе которого сигнал отсутствует, ввиду его блокировки блоком управления сигналом основной частоты 11. В течение времени действия импульсов напряжения, сформированных блоками 8 и 13, на управляющих входах полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, питание последнего осуществляется за счет ЭДС самоиндукции. Таким образом, посредством управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, осуществляется извлечение индуктивной составляющей тока, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой 6, в форме, способствующей ее накоплению. При этом на его выходе формируются последовательности однополярных, периодически повторяющихся широтно-модулированных импульсов тока, энергия которых, за период их повторения, эквивалентна извлекаемой из энергосистемы индуктивной составляющей тока, а их длительность изменяется по закону изменения огибающей упомянутой индуктивной составляющей, которая посредством накопителя энергии 4, преобразуется в энергию постоянного тока, используемую для питания нагрузки 9.
Как уже было отмечено, данный случай соответствует факту дефицита энергии высшей доминирующей гармоники, необходимой для питания нагрузки постоянного тока 9. При этом величина напряжения в емкостном накопителе 4 равна заданному значению, и на выходе датчика напряжения 10 формируется сигнал, блокирующий прохождение сигнала, эквивалентного току основной гармоники, сформированного цепочкой, состоящей из блоков 12 и 11, на второй вход смесителя 13. При этом посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, из энергосистемы отбирается только индуктивная составляющая энергии.
В случае если энергии индуктивной составляющей недостаточно для питания нагрузки постоянного тока 9, формирование сигнала, управляющего работой транзисторного ШИМ-выпрямителя 3, осуществляют следующим образом. Сигнал, эквивалентный индуктивному току, отбираемому нагрузкой 6, и сформированный описанным выше способом, поступает на один из входов смесителя 13, на второй вход которого, с выхода блока управления сигналом основной частоты 11, работой которого управляют посредством сигнала, сформированного датчиком напряжения 10 и характеризующего степень использования извлеченной из энергосистемы индуктивной составляющей энергии - нагрузкой постоянного тока 9, поступает сигнал, эквивалентный току гармоники основной частоты и сформированный посредством цепочки, состоящей из датчика тока нагрузки 2 и фильтра гармоники тока основной частоты 12. Рассматриваемый режим несоответствия мощностей нагрузки постоянного тока 9 и индуктивной составляющей энергии, используемой для ее питания, определяемый по факту снижения напряжения в емкостном накопителе 4, меньше заданного. В этом случае, на выходе датчика напряжения 10 формируется сигнал, управляющий работой блока управления сигналом основной частоты 11, поступающий на его управляющий вход и разрешающий прохождение через него сигнала, эквивалентного току гармоники основной частоты с выхода фильтра гармоники тока основной частоты 12 на второй вход смесителя 13, осуществляющего управление транзисторным ШИМ-выпрямителем 3, посредством которого из энергосистемы полностью извлекается индуктивная составляющая энергии, и, доля энергии гармоники основной частоты, недостающая нагрузке постоянного тока 9 для нормальной работы.
О реализации заявленного способа необходимо отметить следующее.
Использование в заявленном способе полностью управляемого ШИМ-выпрямителя транзисторного типа, работающего в ключевом режиме на частотах, превышающих частоту модулируемого управляющего сигнала, является оптимальным. При этом полностью управляемый транзисторный ШИМ-выпрямитель позволяет произвольно, в зависимости от поставленной задачи, формировать огибающую выпрямленного тока, потребляемого из питающей сети. Помехи от работы полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя могут быть отфильтрованы посредством стандартных решений при минимальных энерго- и материальных затратах.
Необходимо отметить также следующий факт. Одним из преимуществ извлечения тока заданной частоты посредством полностью управляемого транзисторного ШИМ-выпрямителя является простота его перестройки при изменении текущего коэффициента мощности в энергосистеме. Для этого достаточно изменить модулирующий сигнал управления.
Таким образом, в результате последовательности действий, воспроизведенных в соответствии с заявленным способом повышения эффективности использования электроэнергии, из энергосистемы извлекается и утилизируется индуктивная составляющая тока, отбираемого активно-индуктивной нагрузкой.
Источники информации
1. Рекус Г.Г. Электрооборудование производств: Справ, пособие [Текст] / Рекус Г.Г. - М.: Высш. шк., 2007, с.334.
2. Патент РФ №2320067, опубликовано: 2007.01.20.