СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОНДИЦИОНЕРОМ ЭЛЕКТРОСЕТИ
METHOD OF POWER GRID CONDITIONER CONTROL

Изобретение относится к технике преобразования электрической энергии и может быть использовано в устройствах и системах бесперебойного питания переменного тока, а также в устройствах автоматики и измерительной техники.
Известны преобразовательные устройства, которые предназначены для подавления паразитных гармоник тока в электросети и подключаются к ней параллельно [1]. В таких устройствах, называемых активными кондиционерами гармоник, измеряют ток электросети и производят анализ его формы и величины. На основе анализа гармонического состава тока электросети формируется алгоритм широтно-импульсного управления двухполярным ключом. С помощью ключа по закону, определяемому суммой заданных гармоник, к электросети подключают LC-фильтр последовательного типа. Собственную частоту LC-фильтра выбирают меньшей (или равной), чем нижняя частота гармоник тока электросети. С помощью одного ключевого транзистора коммутируют фильтр в течение времени положительной полярности напряжения электросети, с помощью другого - в течение отрицательной.
В случае изменяющейся нагрузки эффективность активного кондиционера гармоник оказывается низкой. Состав подавляемых гармоник тока в кондиционере гармоник ограничен областью низких частот.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому способу являются устройства, называемые корректорами коэффициента мощности [2]. С помощью корректора коэффициента мощности форма тока, отбираемого из электросети, формируется такой же, какую имеет напряжение электросети. В идеальном случае форма напряжения и форма тока будут синусоидальными и синфазными даже при нелинейной нагрузке, например, такой как выпрямитель с резистивно-емкостной нагрузкой.
Корректор коэффициента мощности включается в силовой канал преобразования энергии последовательно. Выход из строя корректора коэффициента мощности приводит к разрыву канала преобразования энергии и отказу всей системы. Кроме того, весь ток, потребляемый нагрузкой, проходит через корректор и его использование неизбежно приводит к дополнительным потерям энергии.
Решение задачи повышения эффективности и электромагнитной совместимости преобразования электрической энергии заключается в том, что кондиционер подключают к линии однофазной электросети параллельно. Причем выходы инвертора тока кондиционера соединяют с линией электросети в точке между источником напряжения электросети с одной стороны и нагрузкой с другой. С помощью инвертора в линию электросети генерируют ток, по форме повторяющий разность между напряжением электросети и током нагрузки.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение эффективности и электромагнитной совместимости преобразования электрической энергии путем восстановления формы тока электросети до формы, которую имеет напряжение электросети. При этом электросеть не разрывается, а коэффициент мощности нагрузки вместе с кондиционером оказывается практически равным единице.
Сущность предлагаемого способа управления состоит в том, что измеряют величину и форму входного напряжения и тока однофазной электросети, сигнал напряжения умножают на управляющий сигнал и сравнивают с сигналом датчика тока электросети. Полученный разностный сигнал используют для управления широтно-импульсным модулятором силового канала кондиционера.
В качестве силового канала кондиционера используют двухтактный инвертор с двухполярным питанием, который подключают к электросети параллельно, между первичным источником напряжения и нагрузкой. Причем первый вывод инвертора подключают к фазному проводнику электросети в точке между датчиком тока и нагрузкой, другой вывод инвертора подключают к проводнику нейтрали. Между точкой соединения инвертора с фазным проводником и нагрузкой включают второй датчик тока, выходной сигнал которого выпрямляют и интегрируют и затем используют для умножения на сигнал напряжения электросети. Результат умножения сравнивают с сигналом первого датчика тока (отрицательной обратной связи) и с помощью полученного разностного сигнала управляют широтно-импульсным модулятором, генерирующим в противофазе два сигнала управления импульсными ключами инвертора. С помощью ключей коммутируют в нагрузку напряжение соответствующей полярности, которое затем фильтруется с помощью Г-образного фильтра, состоящего из дросселя и конденсатора. Максимальный выходной ток инвертора ограничивают путем ограничения мгновенного значения тока каждого ключа инвертора.
Исходную величину действующего значения выходного тока кондиционера задают путем установки коэффициента деления (умножения) величины выходного сигнала датчика напряжения.
На фигуре 1 изображена функциональная блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фигурах 2 и 3 - диаграммы напряжений и токов, поясняющие заявляемый способ управления кондиционером электросети.
Л
H
Л
Л
Л
На фигуре 1 условно изображены проводники 1 линии однофазной электросети с первичным источником 2 напряжения переменного тока. Проводники электросети имеют распределенное по длине комплексное сопротивление 3, а нагрузка представлена нелинейным сопротивлением 4. Устройство для осуществления предлагаемого способа управления содержит двухтактный инвертор 5 с двухполярным симметричным питанием и Г-образный фильтр, включающий дроссель 6 и конденсатор 7. С помощью датчика тока 8 измеряется ток линии электросети i, а с помощью датчика 9 - ток нагрузки i. Управление инвертором производится с помощью цифрового контроллера 10, который включает широтно-импульсный модулятор 11. С помощью контроллера реализуются алгоритмы блока 12 нормирования (задания коэффициента пропорциональности) сигнала напряжения u, блоков выпрямления 13, интегрирования 14 и умножения двух переменных 15. Посредством блока 16 реализуется функция вычитания сигнала тока i из сигнала, полученного в результате умножения. Разностный сигнал используется в качестве управляющего для широтно-импульсного модулятора. Задание коэффициента k пропорциональности для сигнала напряжения линии u и, таким образом, величины задания производится оператором по каналу 17 либо с помощью внешнего сервера по шине 18.
Л
К
H
Л
На фигуре 2 на диаграмме 2.1 приведены кривая 19 тока линии электросети i, кривая 20 тока кондиционера i и кривая 21 тока нагрузки i. На диаграмме 2.2 изображена кривая 22 напряжения электросети u, а пунктирной линией показаны искажения 23 формы напряжения, обусловленные импульсной формой тока нелинейной нагрузки. На диаграмме 2.3 показана ломаная линия 24 выходного напряжения ключевых элементов инвертора.
На фигуре 3 изображены аналогичные процессы для индуктивно-активной нагрузки. С помощью кривой 25 синусоидальной формы на фигуре 3а условно показано напряжение электросети, которому соответствует вектор 26 на комплексной плоскости фигуры 3б. Ток индуктивно-активной нагрузки показан с помощью кривой 27 на фигуре 3а и вектора 28 на фигуре 3б, а ток кондиционера электросети изображен с помощью кривой 29 и соответствующего вектора 30. С помощью кривой 31 и вектора 32 показан ток линии электросети.
Способ управления кондиционером электросети осуществляется следующим образом.
Л
H
Задающим сигналом, подобным кривой 22 на фигуре 2, для кондиционера электросети (фигура 1) является сигнал u напряжения электросети в непосредственной близости к нагрузке. Ток нагрузки i, изображенный с помощью кривой 21, имеет импульсную форму, характерную для устройств с источниками питания, содержащими на входе выпрямитель и емкостный фильтр (например, компьютеры). Такая форма тока характеризуется низким значением коэффициента мощности.
Л
Л
Л
Л
И
Л
Л
Для повышения коэффициента мощности форма тока должна повторять форму напряжения. Поэтому из сигнала ku, пропорционального напряжению (кривая 22), вычитается сигнал i тока линии, показанного с помощью кривой 19, и в линию электросети вводится ток, пропорциональный полученной разности (ku-i). Заметим, что ток электросети без кондиционера равен току нагрузки (кривая 21). Таким образом, строится отрицательная обратная связь по току линии электросети. С этой целью с помощью блока 16 (на фигуре 1) производится процедура вычитания и усиления разностного сигнала, который с помощью широтно-импульсного модулятора 11 преобразуется в импульсные сигналы управления двухтактного инвертора 5. Коэффициент заполнения импульсных сигналов γ=t/Т, то есть отношение длительности импульсов (ширины) к периоду повторения, изменяется в соответствии с управляющим (модулирующим) сигналом γ~(ku-i). Несущая частота модуляции значительно (в сотни и тысячи раз) превышает частоту напряжения электросети (50 Гц).
Двухтактный инвертор 5 построен по типичной схеме на основе двух транзисторных ключей, из которых с помощью первого ключа в нагрузку коммутируется положительное напряжение, величиной, например, 400 В, а с помощью второго ключа - отрицательное напряжение величиной (-400) В. Параллельно каждому ключевому транзистору включены диоды рекуперации, то есть возврата энергии из нагрузки инвертора в первичный источник питания. Такая схема часто называется четырехквадрантной. Выходное напряжение и ток инвертора фильтруются с помощью Г-образного фильтра на основе дросселя 6 и конденсатора 7.
Л
К
В описанной выше схеме управления инвертора используется внешняя отрицательная обратная связь по току i электросети (в точке подключения датчика), который измеряется с помощью датчика тока 8. Таким образом, кондиционер электросети является преобразователем (усилителем) тока, выходной ток i которого соответствует задающему сигналу.
Л
К
H
Л
К
H
Л
Ток линии электросети i равен сумме тока кондиционера i (кривая 20 на фигуре 2) и тока нагрузки i (кривая 21), то есть i=i+i. В результате сложения результирующий ток линии электросети i имеет практически синусоидальную форму (кривая 19), поскольку в результате изменения формы тока изменяется форма напряжения электросети (кривые 22 и 23). Искажения 23 формы напряжения электросети, обусловленные нелинейностью данной нагрузки, значительно уменьшаются.
H
H
K
Л
Л
K
Н
Ток нагрузки i в общем случае меняется в весьма широких пределах, от нуля на холостом ходу до максимального значения. Более того, кондиционер электросети должен сохранять работоспособность и в случаях перегрузки. С уменьшением действующего значения тока нагрузки i выходной ток i кондиционера, пропорциональный разности (ku-i), может возрастать, нагружая электросеть. Для построения пропорциональной зависимости среднего по модулю значения выходного тока кондиционера i от тока нагрузки i с помощью датчика тока 9 вводится дополнительная положительная обратная связь по току нагрузки. Сигнал датчика тока выпрямляется с помощью блока 13 и затем его значение интегрируется с помощью блока 14. Результирующий сигнал цепи обратной связи по току нагрузки  умножается на сигнал датчика напряжения с помощью блока 15. Таким образом, сигналом управления (модулирующим) для широтно-импульсного модулятора будет сигнал, который приближенно можно записать в виде выражения: .
H
В зависимости от коэффициента нормирования k выходной ток кондиционера может быть установлен минимальным, но достаточным для полной коррекции тока нелинейной нагрузки в данной конкретной точке электросети. При этом в идеальном случае действующее значение тока электросети не должно меняться при подключении к ней кондиционера, который для электросети будет генератором реактивной мощности. Задача определения такого значения коэффициента k решается с помощью блока 10 автоматически путем решения задачи поиска экстремума (минимума) выходного тока кондиционера при вариациях параметра k для данного усредненного тока нагрузки i. Поиск экстремума производится в условиях ограничений, определяемых заданными значениями коэффициента мощности, коэффициента гармоник тока и других.
На фигуре 3 изображены процессы, характерные для линейной резистивно-индуктивной нагрузки. При этом ток линии электросети (кривая 31) практически не имеет фазового сдвига относительно кривой 25 напряжения электросети, но в общем случае может быть меньше, чем ток нагрузки (кривая 27). Это означает, что посредством кондиционера электроэнергия может добавляться в точку соединения с электросетью. Одновременно часть тока кондиционера может ответвляться в другие цепи электросети, минуя нагрузку, в том числе проходить через первичный источник, изображенный на фигуре 1 в виде генератора 2.
Питание инвертора кондиционера электросети может осуществляться от той же электросети, при этом его источник питания подключают к линии электросети в точках, расположенных ближе к первичному источнику, чем нагрузка и датчики тока и напряжения, либо в другую ветвь той же электросети древовидной топологии. В противном случае кондиционер оказывается дополнительной переменной нагрузкой для собственной системы автоматического управления. Это уменьшает эффективность кондиционера электросети и снижает динамические свойства всей системы, включающей кондиционер и нагрузку. Для исключения собственных искажений, вносимых в электросеть, коэффициент мощности кондиционера электросети должен иметь высокое, близкое к единице, значение.
Питание кондиционера может осуществляться от другой электросети (например, другой фазы трехфазного напряжения). В общем случае кондиционер электросети может использоваться не только для коррекции формы тока в линии электросети, но и для передачи энергии в конкретную точку электросети от первичного источника питания кондиционера. При этом наряду с коррекцией формы тока может осуществляться передача электроэнергии из одной электросети, например фазы «В», в другую электросеть, например фазы «А». Для подобного применения кондиционера электросети нормирующий коэффициент k (коэффициент деления) увеличивают путем ввода по шине 18 соответствующих исходных данных. В этом случае в спектре выходного тока кондиционера будет присутствовать синфазная напряжению электросети первая гармоника с частотой, равной частоте напряжения.
Применение предлагаемого способа управления и кондиционера электросети активного типа позволяет существенно повысить качество электрической энергии в распределенных на значительном пространстве электросетях с нелинейной нагрузкой путем коррекции формы тока и, как следствие, напряжения электросети. Применение кондиционера совместно с источником бесперебойного питания позволяет значительно увеличить общую допустимую величину мощности подключаемой нагрузки. В трехфазной электросети можно установить три кондиционера, при этом они могут использоваться одновременно для коррекции и выравнивания фазных токов. В случае отказа кондиционера он отключается по команде контроллера или в результате срабатывания предохранителя.
Источники информации
1. Климов В.П., Москалев А.Д. Способы подавления гармоник тока в системах электропитания. Сайт http://www.tensy.ru/.
2. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. - М.: Солон-ПРЕСС, 2007, страница 379.