Трехфазный транзисторный компенсатор реактивной мощности

Сидоров Сергей Николаевич, кандидат технических наук, окончил Ульяновский политехнический институт, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация

промышленных установок» УлГТУ. Имеет ряд

статей и около 50 изобретений в области преобразовательной техники.

Кудряшов Павел Владимирович, аспирант кафедры кафедры «Электропривод и автоматизация, промышленных установок».

УДК 621.314.632

М. Л. БОРОВИКОВ, М. В. ПЕТРОВА, Н. И. ГОРБАЧЕВСКИЙ

трехфазный транзисторный компенсатор

реактивной мощности

Обсуждаются вопросы построения компенсаторов реактивной мощности в трехфазных сетях на основе транзисторных мостов с ШИМ-регулированием и использованием в качестве накопительных емкостей электролитических конденсаторов. Даются рекомендации по расчету параметров силовой части компенсатора.

Компенсация реактивной мощности продолжает оставаться актуальной задачей, потому что основные электрогтриехмники (асинхронные двигатели, трансформаторные нагрузки и т. п.) являются ее потребителями [1]. Наиболее распространенными устройствами для решения этой задачи являются батареи косинусных конденсаторов, подключаемых параллельно нагрузке и обеспечивающих требуемые нагрузкой реактивные токи без загрузки ими сети. Недостатки таких устройств связаны с трудностями организации плавного регулирования величины емкости, а также с низкой надежностью косинусных конденсаторов, весьма восприимчивых к влиянию высших гармоник тока.

Этих недостатков лишены полупроводниковые устройства компенсации, выполняемые в виде мостовых схем инверторов напряжения на двухоперационных ключах с обратными диодами и накопительной емкостью в диагонали моста постоянного тока [2]. Возможности таких устройств в однофазных сетях рассмотрены достаточно подробно

и доказана техническая и экономическая

• *

целесообразность их применения с

преимущественным использованием в качестве ключей ЮВТ - транзисторов.

Публикации по вопросам построения трехфазных схем компенсаторов реактивной мощности} или в более широком понимании - пассивных составляющих мгновенной мощности, в отечественной литературе практически отсутствуют. Предложенное в [4] построение трехфазного компенсатора не может обеспечить синусоидальные токи компенсации, так как базируется на использовании лишь одного накопительного

конденсатора, которому предоставляются лишь интервалы в 60 электрических градусов для заряда и разряда, в то время как для обеспечения синусоидальности требуется в три раза больше.

Простейшее решение в виде реализации трехфазного компенсатора на основе группового соединения однофазных не является единственным, а тем более лучшим, так как требует повышенных аппаратурных затрат.

На рис.1 приведена упрошенная принципиальная схема построения трехфазного моноблочного компенсатора реактивной мощности, которая позволяет формировать во всех фазах синусоидальные

токи компенсации 1К, обеспечивающие разгрузку

источника питания и сети от реактивных токов.

Примем такое описание линейных напряжений

и ,г = и„, вт со I = II' зшб;

л с т т 7

2п 2п

иВА = ит 5т(е + —),

(О

где 9 =Ш .

Тогда для фазных напряжений имеем выражения

и шЧ*

• 4з

ж

вш(9 +-);

I/ п

71

Реактивные токи, отстающие на углы у от

фазных напряжении, выражениями

4л

будут

определяться

>-

V = 1тр ~Цг).

Для того чтобы скомпенсировать эти токи, нужно подключить параллельно фазам нагрузки источники

эдс

71

^ = Ек,п + —);

1 Кт

71

екв = Ек,г зш

еКС = ЕК.п 5Ш(е •—)•

Такие ЭДС компенсации могут быть получены с помощью параллельного включения емкостей, величина которых определяется выражением

С =

^ ЕКт

Из этих диаграмм ясно, что трехфазная мостовая схема инвертора с одним конденсатором в цепи постоянного тока не способна выработать систему ЭДС по выражению (4). Для этой цели должно быть

Рис.1. Вариант построения трехфазного транзисторного компенсатора реактивной мощности

три конденсатора, у которых потенциалы положительных обкладок должны быть разными. Это может быть достигнуто путем введения в схеме рис.1 в цепях конденсаторов С1, С2, СЗ диодов Д7, Д8, Д9 и отделения общей точки транзисторов 77, ТЗ, Т5, Т7, Т8, Т9 от общей точки диодов Д1, ДЗ, Д5, Д7} Д8, Д9.

В состав компенсатора должен входить ключ Ок,

включающий его в работу и отключающий при аварийных режимах или в каких- либо других ситуациях. Целесообразно этот ключ выполнять в виде тиристорного пускателя, который управляется от блока управления включением БУВ сигналами задающего устройства ЗУ и системы управления транзисторами так, чтобы включение компенсатора при полностью разряженных накопительных емкостях С/, С2, СЗ осуществлялось на однофазное напряжение в момент перехода его через ноль, чтобы ограничить темп нарастания зарядного тока, а при достижении

зарядным напряжением значения V?п включается

третья фаза, и напряжение на конденсаторах С1-СЗ доводится до максимального, практически равного

2ит. После первоначального заряда происходит

стационарный процесс формирования токов

компенсации которые вытесняют реактивные

составляющие из сетевых токов ¿с и замыкаются

через нагрузку. В соответствии с общепринятой терминологией трехфазных цепей токи компенсации

можно подразделить на фазные (/^, ¡кв, 1КС ) и

линейные {}клв , 1КВС, 1КСА ) , которыми в данном случае являются токи конденсаторов С1, С2, СЗ:

с\ 1 квс "" 1кв 1КС >

С 2 • = 1 КС А = ^ КС • ~~ 1КА >

СЗ • ~ 1КЛВ = 1КА • ~~ 1кв-

В свою очередь функции компенсирующих ЭДС выполняют ириращения напряжений конденсаторов

а = е КВС ~ екв ~ еКС ?

С 2 = еС.А ~ е КС. ~~ еКА >

СЗ ~ екл в ~ еКА ~~ екв-

Система управления компенсатором, состоящая из датчиков токов сети и нагрузки ДТ1, ДТ2, датчика напряжения нагрузки, задающего устройства ЗУ, блока управления включением компенсатора БУВ, системы управления транзисторами СУТ, выполняется в виде системы поддержания заданного

значения тока сети гс, в оптимальном случае -

минимального. Система содержит внутренний контур формирования требуемых токов компенсации - по величине и форме. Поэтому задающее устройство вырабатывает два сигнала задания: заданное значение тока сети, которое может быть представлено постоянным напряжением, и заданное значение тока компенсации - * в виде периодического сигнала необходимой формы.

Формирование токов компенсации /с/таким

образом определяется системой управления и решениями уравнений для соответствующих схем замещения

I С

йгиа,оиа :

и С ~~ и /?Л7 у

ск

+ г1С1

Л

~ С(

Ж а -г -т Ша ск

1 а '

ь

1К

Д1

Т1

ж

Т7 С1

иа

и,

св

Т4

а

Ьг

гт.

Д4

гк

С1

©

а

С1

а

св

Ьу

п

р м

Д1 Д7

Т1

©

Т7

и,

св

К

С1

исг %

ТЗ

Т4

Ьг

в

Ь

1к

П

Д1 Д7

ф

исв

К

И-О:

Т7 ТЗ

и,

С1 А

а

Т4

Д4

Рис.2. Схемы замещения для разряда и заряда

накопительной емкости

где игп=и„,ф,)±ис1<м-, и х (0,) -

определяется выражениями (1).

На рис.2 в качестве примера приведены схемы замещения для разряда (а и б - ииверторный режим) и заряда (в и г - выпрямительный режим) конденсатора С/. Схемы а и г соответствуют открытому состоянию, б и в - закрытому состоянию соответствующих транзисторов в течение периода несущей частоты

71 471

Тп на интервалах О<0<у и п <0 <— углового

измерения времени. Всего блоков, подобных рис.2, схем замещения усматривается четыре. Как и в случае однофазных компенсаторов, все координаты рассматриваемого можно разделить на «гладкие»

составляющие , еш, А17С01, изменяющиеся с

^ 1

частотой коммутации Jn =-транзисторов

Т

п

lKi ~~ hcm ^ ^к >

KOi

и а = иГгп + А и ГШ

Сер

COi

CK

еLi ~~ eLO + •

Гладкие составляющие

выражениями (3), (4).

Переменные составляющие определены по выражениям

определяются

могут быть

Шск =

1

С

1

KOi

beL = LK

к

М

Ki

А t:

где

М

к определяется свойствами системы

управления - порогом чувствительности регулятора тока, его динамическими свойствами и частотой переключения транзисторов.

А*, =г>Тп или Аг1 =

где 8 / = уаг - относительная продолжительность

замкнутого состояния транзисторов, которая в данном случае является управляющим воздействием на объект

LK Ci

для

управления, в виде контуров

формирования токов компенсации.

Предлагаемая схема трехфазного компенсатора позволяет уменьшить число необходимых элементов транзистор - диод с 12 при групповом построении до 9 при моноблочном. Но это не главное преимущество моноблочного построения. Главным преимуществом является повышение надежности обменных процессов между сетью, емкостями и индуктивностями при формировании токов компенсации за счет отсутствия

интервалов времени, когда напряжение питания снижается до нуля, что неблагоприятно сказывается на процессе заряда накопительных емкостей. Другим преимуществом является упрощение построения системы управления за счет уменьшения аппаратурных затрат, а также ее повышенные возможности за счет наличия многофазного источника для формирования вспомогательных сигналов в системе управления. Так что в трехфазных сетях моноблочному построению транзисторных компенсаторов следует отдавать предпочтение.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Жежеленко И. В., Саенко Ю. JL Реактивная мощность в задачах электроэнергетики //Электричество.- 1987г-№2.- С.7-12.

2. Лабунцов В. А., Чжан Дайжун. Однофазные полупроводниковые компенсаторы пассивных составляющих мгновенной мощности // Электричество. - 1993. - №12. - С.20-32.

3. Петрова М. В. Математическое моделирование компенсирующего преобразователя для улучшения качества электрической энергии сетей электроснабжения жилых зданий /Автореферат дисс. ... канд. техн. наук - Ульяновск, 2002.

4. A.c. №1610540 Источник реактивной мощности /Кантер И. И., Рейс Ю. Э. // Б.И. - 1991.- №44.

Боровиков Михаил Алексеевичу доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ. Окончил Томский политехнический институт. Имеет статьи и-монографии по вопросам повышения качества электроэнергии автоматизированных

электроприводов.

Петрова Марина . Валерьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и АПУ» УлГТУ. Окончила Ульяновский политехнический институт, Имеет статьи и доклады по вопросам повышения качества электроэнергии.

Горбачевский Николай Иванович, главный энергетик завода грузовых шин ОАО «Ниэ/сиекамскшина». Окончил Алтайский

политехнический институт. Имеет изобретение по технологии и публикации по вопросам эффективности электропотребления в шинном производстве.

i

^ . ( •• г