Устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности
DEVICE FOR BALANCING AND COMPENSATION OF REACTIVE POWER

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам для компенсации реактивной мощности и симметрирования трехфазных электрических сетей, и может быть использовано с целью регулирования напряжения и реактивной мощности в местах подключения данных устройств к питающей сети, а также нормализации показателей качества электрической энергии в целом.
Известно устройство для пофазной компенсации реактивной мощности (патент RU № 2697259, опубл. 13.08.2019, МПК H02J 3/18), содержащее три автоматически регулируемые конденсаторные установки с соединением по схеме звезда с нулевым проводом, подключенные между каждой фазой сети и нейтральным проводом, три регулируемых конденсатора в каждой конденсаторной установке, три трансформатора тока, выводы первичной обмотки которых подключены к соответствующим линейным проводам источника питания и нагрузки трехфазной сети, а выводы вторичной обмотки подключены к входам соответствующего блока регулирования, три пускателя электромагнитных, подключенные к трем соответствующим регулируемым конденсаторам, отличающееся тем, что в него введены: три нерегулируемые (первые) ступени в конденсаторных установках, мощность, которых рассчитана на постоянную составляющую реактивную мощность нагрузки, три независимых блока регулирования, каждый блок регулирования подключается к фазному напряжению соответствующей фазы, к своим соответствующим трансформаторам тока, установленным в каждой фазе сети и регулируемым конденсаторам, три датчика времени срабатывания, подключенные к блокам регулирования и регулируемым конденсаторам.
Недостатком данного технического решения является его ограниченный функционал возможностей, связанный с тем, что принцип действия устройства подразумевает его подключение к сети исключительно по схеме звезда, что ограничивает его диапазон регулирования реактивной мощности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности (патент RU № 2229766, опубл. 27.05.2004, МПК H02J 3/18), содержащее первый трехфазный выключатель, три трехфазные батареи конденсаторов с соединением конденсаторов каждой батареи треугольником с тремя внешними зажимами, третьи из которых подключены к фазам питающей сети через второй трехфазный выключатель, выполненный с пофазным независимым управлением, при этом в него введены дополнительный трехфазный выключатель и три нормально замкнутых однополюсных выключателя, причем трехфазные батареи конденсаторов первыми внешними зажимами напрямую, а вторыми внешними зажимами через нормально замкнутые однополюсные выключатели соединены в три общие точки, которые подключены к входам контактов первого и дополнительного трехфазных выключателей, сблокированных от одновременного включения и через контакты первого трехфазного выключателя могут быть подключены к фазам питающей сети, а через контакты дополнительного трехфазного выключателя, замкнутые между собой на выходе, - к нулевому проводу питающей сети.
Недостатками настоящего технического решения являются низкая надежность и низкий коэффициент полезного действия (КПД) вследствие сложности регулирования емкости конденсаторных установок из-за наличия большого количества коммутационных аппаратов. Кроме этого устройство характеризуется ограниченным функционалом возможностей, связанным с ограниченным количеством конденсаторных установок в устройстве.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение диапазона регулирования устройств симметрирования и компенсации реактивной мощности в фазах электрической сети.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства при одновременном повышении его надежности работы, увеличении КПД и уменьшении стоимости.
Это достигается тем, что известное устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности, содержащее три регулируемые конденсаторные установки, каждая из которых входным зажимом подключена к соответствующей фазе питающей сети, а выходным зажимом подключена к соответствующим входным зажимам первого, нормально разомкнутого, трехфазного выключателя, три выходных зажима которого замкнуты между собой и подключены к нулевому проводу питающей сети, три датчика тока фаз питающей сети и три датчика фазного напряжения питающей сети, выходы которых подключены ко входам блока управления, выходы которого, в свою очередь, подключены к управляющим входам трех регулируемых конденсаторных установок и к управляющему входу первого трехфазного выключателя, снабжено вспомогательным нормально замкнутым трехфазным выключателем, сблокированным от одновременного включения с первым трехфазным выключателем, при этом три входных зажима вспомогательного трехфазного выключателя подключены к соответствующим трем общим точкам соединения регулируемых конденсаторных установок и первого трехфазного выключателя, а три выходных зажима вспомогательного трехфазного выключателя соединены с разноименными по отношению к его входным зажимам входными зажимами трех регулируемых конденсаторных установок.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема устройства для симметрирования и компенсации реактивной мощности.
Устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности содержит три регулируемые конденсаторные установки 1, каждая из которых входным зажимом подключена к соответствующей фазе питающей сети, а выходным зажимом подключена к соответствующим входным зажимам первого, нормально разомкнутого, трехфазного выключателя 2, три выходных зажима которого замкнуты между собой и подключены к нулевому проводу питающей сети, три датчика тока фаз питающей сети 3 и три датчика фазного напряжения питающей сети 4, выходы которых подключены ко входам блока управления 5. Выходы блока управления 5 подключены к управляющим входам трех регулируемых конденсаторных установок 1 и управляющему входу первого трехфазного выключателя 2. Кроме этого, устройство содержит вспомогательный, нормально замкнутый, трехфазный выключатель 6, сблокированный от одновременного включения с первым нормально разомкнутым трехфазным выключателем 2, при этом три входных зажима вспомогательного трехфазного выключателя 6 подключены к соответствующим трем общим точкам соединения регулируемых конденсаторных установок 1 и первого трехфазного выключателя 2, а три выходных зажима вспомогательного трехфазного выключателя 6 соединены с разноименными, по отношению к его входным зажимам, входными зажимами трех регулируемых конденсаторных установок 1. При этом регулируемые конденсаторные установки 1 могут быть выполнены на базе конденсаторной группы, коммутируемой тиристорами.
Устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности работает следующим образом.
Принцип симметрирования токов и напряжений питающей сети, как и принцип пофазной компенсации реактивной мощности с помощью регулируемых конденсаторных установок 1 подразумевает целенаправленное независимое регулирование подключаемой емкости в каждой из фаз сети. Для этого устройство содержит подключенные к каждой фазе сети, три независимые регулируемые конденсаторные установки 1, управление которыми осуществляется одноименным блоком управления 5. На основе информации о токах каждой из фаз питающей сети и информации о фазных напряжениях питающей сети, поступающих от трех датчиков тока питающей сети 3 и трех датчиков фазного напряжения питающей сети 4 соответственно, блок управления 5 рассчитывает текущий режим работы питающей сети и принимает решение о необходимости изменения значения емкости, подключенной в данный момент к питающей сети.
Необходимость изменения текущего значения емкости регулируемой конденсаторной установки 1 определяется текущей приоритетной задачей воздействия на режим работы питающей сети с помощью регулируемой конденсаторной установки 1. Так, например, блок управления 5 может обеспечить режим полной компенсации реактивной мощности нагрузки, частичной компенсации реактивной мощности нагрузки, частичной или полной компенсации нулевой последовательности тока нагрузки или напряжения, или обратной последовательности тока или напряжения (режимы симметрирования). Блок управления 5 может поддерживать работу сразу нескольких перечисленных режимов работы в пределах предустановленных диапазонов регулирования. Функционирование конкретного из режимов работы может определяться как внешним оператором или системой управления верхнего уровня, так и самим блоком управления 5 на основе заложенных алгоритмов смены состояний режимов. Так, например, в силу того, что в питающих сетях, как правило, приоритетными задачами являются задачи поддержания уровней напряжения в рамках нормируемых диапазонов, приоритетным режимом блока управления 5 может выступить режим полной компенсации реактивной мощности, позволяющим воздействовать на уровни напряжения питающей сети. В случае, если текущие уровни напряжений питающей сети не выходят за пределы нормируемых диапазонов, приоритет режима полной компенсации реактивной мощности может быть снижен, а приоритет режимов симметрирования повышен. Таким образом, уровни приоритетов режимов работы в блоке управления 5 могут быть подстроены и скорректированы в зависимости от конкретного места установки устройства в составе питающей сети и характера потребления электроэнергии конкретной нагрузкой.
Блок управления 5 осуществляет также управление первым нормально разомкнутым трехфазным выключателем 2. При этом одновременно с этим осуществляется и управление вспомогательным нормально замкнутым трехфазным выключателем 6, так как упомянутые выключатели сблокированы от одновременного включения с целью предотвращения возникновения аварийных режимов работы, связанных с протеканием токов коротких замыканий. Как видно из чертежа, выключенное состояние первого трехфазного выключателя 2 и включенное состояние вспомогательного трехфазного выключателя 6 обеспечивает подключение к питающей сети трех регулируемых конденсаторных установок 1, соединенных по схеме треугольник. При этом включенное состояние первого трехфазного выключателя 2 и выключенное состояние вспомогательного трехфазного выключателя 6 обеспечивает подключение к питающей сети трех регулируемых конденсаторных установок 1, соединенных по схеме звезда.
Указанная отличительная особенность предлагаемого изобретения обеспечивает расширение его функциональных возможностей, так как в зависимости от схемы подключения регулируемых конденсаторных установок 1 к питающей сети, одно и то же состояние каждой из трех регулируемых конденсаторных установок 1 будет обеспечивать различные величины эквивалентных емкостей, подключаемых к питающей сети. Так, например, при фиксированном значении емкости регулируемых конденсаторных установок 1 и фиксированном значении напряжения питающей сети, уровень реактивной мощности, генерируемой регулируемыми конденсаторными установками 1 в питающую сеть, будет в три раза больше при соединении регулируемых конденсаторных установок 1 в треугольник, по сравнению с соединением звезда. В то же время, реализуемое предлагаемым изобретением соединение регулируемых конденсаторных установок 1 в звезду, позволяет скомпенсировать нулевую последовательность тока нагрузки, обеспечивая тем самым требуемый режим симметрирования питающей сети.
Текущее состояние каждого трехфазного выключателя в составе устройства определяет блок управления 5 на основе приоритета текущего режима работы устройства. Так, например, если текущее значение реактивной мощности, генерируемой нагрузкой, не выходит за пределы нормируемых диапазонов и при этом присутствует необходимость компенсации нулевой последовательности тока нагрузки, то блок управления 5 выдает команду на включение первого трехфазного выключателя 2 и соответственно выключение вспомогательного трехфазного выключателя 6. При этом, если блок управления 5 получил от датчиков фазного напряжения питающей сети 4 значения уровня напряжения питающей сети, которые выходят за рамки нормируемых величин, блок управления 5 повышает приоритет режима регулирования напряжения питающей сети и выдает команду на соединение регулируемых конденсаторных установок 1 в треугольник путем выключения первого трехфазного выключателя 2 и, соответственно, включение вспомогательного трехфазного выключателя 6. Такой режим способен принципиально выдать большие значения реактивной мощности и обеспечить тем самым больше возможностей для регулирования напряжения питающей сети. Алгоритмы смены состояний трехфазных выключателей не ограничиваются описанными примерами и могут быть подстроены и скорректированы в зависимости от конкретного места установки устройства в составе питающей сети и характера потребления электроэнергии конкретной нагрузкой.
Стоит отметить, что для обеспечения режима симметрирования, блоку управления 5 необходима информация о текущем значении тока нагрузки. При этом, предлагаемое устройство не нуждается в дополнительных датчиках тока нагрузки для получения этой информации. Блок управления 5 определяет ток нагрузки на основе информации о токе питающей сети, поступающей от датчиков тока фаз питающей сети 3 и тока регулируемых конденсаторных установок 1. В узлах подключения регулируемых конденсаторных установок 1 к питающей сети, при выбранном направлении токов питающей сети, токов регулируемых конденсаторных установок 1 и токов нагрузки, последние (токи нагрузки) определяются однозначно при известных величинах первых двух. При этом, токи регулируемых конденсаторных установок 1 блок управления 5 однозначно определяет на основе информации о напряжении питающей сети, поступающей от датчиков фазного напряжения питающей сети 4, и информации о выставленном самим же блоком управления 5 значении емкости регулируемых конденсаторных установок 1, подключенных в данный момент к питающей сети.
Повышение надежности работы предлагаемого устройства, увеличение его КПД и уменьшение стоимости достигнуто благодаря сокращению количества механических коммутационных аппаратов по сравнению с их количеством в устройстве-прототипе. В рамках регулирования выбранного в блоке управления 5 режима работы устройства переключение первого трехфазного выключателя 2 и вспомогательного трехфазного выключателя 6 сводится к минимуму, так как непосредственное воздействие на режимы работы питающей сети осуществляется с помощью регулирования емкости регулируемой конденсаторной установки 1.
Необходимо отметить, что выполнение регулируемых конденсаторных установок 1 на базе конденсаторной группы, коммутируемой тиристорами, обеспечивает дополнительное существенное улучшение надежности и динамических свойств предлагаемого устройства. При этом высокие быстродействие и дискретность регулирования регулируемой конденсаторной установки 1 обеспечивается благодаря применению полупроводниковых приборов, чей коммутационный ресурс и быстродействие существенно выше механических коммутационных аппаратов.
Использование изобретения позволяет существенно расширить функциональные возможности устройств симметрирования и компенсации реактивной мощности за счет увеличенного диапазона их регулирования при одновременном увеличении надежности работы, КПД и уменьшении стоимости таких устройств в целом за счет сокращения количества коммутационных аппаратов.