Устройство для подключения конденсаторов к трехфазной сети
CAPACITORS TO THE THREE-PHASE NETWORK CONNECTION DEVICE

Изобретение относится к энергетической электронике, в частности к устройствам для подключения трехфазных батарей косинусных конденсаторов, используемых для компенсации реактивной мощности в сетях промышленного электроснабжения.
Известно устройство для подключения конденсаторов к трехфазной сети при помощи вентильного преобразователя с системой управления. Конденсаторы включены пофазно последовательно с тиристорами вентильного преобразователя и напряжение на них подается при помощи автоматического выключателя. (Солодухо Я.Ю. Состояние и перспективы внедрения в электропривод статических компенсаторов реактивной мощности (обобщение отечественного и зарубежного опыта). Реактивная мощность в сетях с несинусоидальными токами и статические устройства для ее компенсации. - М.: Информэлектро. 1981. - 88 с. Рис. 24, а, стр. 63, и рис. 8, стр. 32). Вентильный преобразователь (трехфазный тиристорный ключ переменного тока) может быть включен, как до, так после конденсаторов относительно сети с автоматическим выключателем. При той и другой схемах физические процессы подключения конденсаторов к сети идентичны. Вместе с тем, из соображений удобства эксплуатации, при подключении индивидуальной конденсаторной батареи, его целесообразно включать после конденсаторов. При выключении автоматического выключателя конденсаторы разряжают на резисторы. Перед последующим включением конденсаторов их дополнительно разряжают на «землю». Разрядные резисторы подключают параллельно конденсаторам. В мощных высоковольтных установках разрядные резисторы непосредственно подключены к конденсаторам и их не отключают на протяжении всего времени эксплуатации. В установках низкого напряжения разрядные резисторы подключают к конденсаторам через контакты дополнительного электрического аппарата.
К недостаткам известного устройства с тиристорным управляемым подключением конденсаторов к трехфазной сети следует отнести их сложность и сравнительно низкую надежность.
Известно также устройство для подключения конденсаторов к трехфазной сети, которое взято за прототип (Климат B.C., Тараканов В.И. Способы включения трехфазного электрооборудования и их реализация. Журнал "Электротехнические комплексы и системы управления". Воронеж, 2015, №2, рис. 6, стр. 27.). Устройство - прототип может реализовать подключение как индуктивных нагрузок (Способ включения трехфазных нагрузок. Патент 2510070 РФ / B.C. Климат, В.И. Тараканов. Опубл. 20.03.2014., Б.И. №8), так и емкостных нагрузок (Способ включения трехфазных конденсаторов. Патент 2577769 РФ / B.C. Климат, В.И. Тараканов, А.Ю. Гетопанов. Опубл. 20.03.2016., БИ №8).
В известном устройстве (прототипе) после включения автоматического выключателя трехфазное напряжение сети подается на конденсаторы через вентильный преобразователь, который выполнен на тиристорах и при помощи специальной синхронизированной и фазированной с сетью аналого-цифровой системы управления производит подключение сначала двух фаз, а затем третьей фазы батареи конденсаторов к трехфазной сети.
После достижения напряжения на конденсаторах установившегося значения вентильный преобразователь шунтируется контактором, а после выключения автоматического выключателя конденсаторы разряжают на резисторы, которые подключаются параллельно конденсаторам.
Однако и это устройство создает сложности при эксплуатации компенсаторов реактивной мощности и снижает надежность системы электроснабжения в целом. Особенно этот недостаток проявляет себя применительно к высоковольтным системам электроснабжения.
Задачей предлагаемого технического решения является упрощение устройства подключения конденсаторов к трехфазной сети и повышение надежности, как устройства, так и системы электроснабжения целом. При постановке задачи рассматривается трехфазная сеть, как с нулевым проводом, так и без него.
В результате решения поставленной задачи значительно снизятся затраты на производство, эксплуатацию и ремонт устройств подключения конденсаторов к трехфазной сети, увеличится срок службы конденсаторов, повысится эксплуатационная надежность системы электроснабжения.
Решение поставленной задачи для трехфазной сети без нулевого провода достигается тем, что в качестве вентильного преобразователя применен диодный выпрямитель, выполненный по трехфазной мостовой схеме, между катодной и анодной группами которого включен реактор, а к входу диодного выпрямителя подключен трехфазный контактор с короткозамыкающей перемычкой, шунтирующий диодный выпрямитель после завершения процесса заряда конденсаторов.
Решение поставленной задачи применительно к трехфазной сети с нулевым проводом, достигается тем, что между катодной и анодной группами включен сдвоенный реактор, средняя точка которого подключена к нулевому проводу трехфазной сети, образуя из вышеупомянутых групп два трехфазных нулевых диодных выпрямителя, при этом средняя точка сдвоенного реактора соединена с короткозамыкающей перемычкой трехфазного контактора.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами, где на фиг. 1 приведена схема устройства, а на фиг. 2 и фиг. 3 осциллограммы физических процессов при подключении конденсаторов к трехфазной сети, полученных имитационным моделированием устройства в среде MatLab.
В состав устройства (фиг. 1) входят следующие элементы: 1 - трехфазная сеть (с нулевым или без нулевого провода); 2 -потребитель (трансформаторная подстанция с RL- нагрузкой); 3 - автоматический выключатель; 4 - конденсаторы; 5 -диодный выпрямитель (с катодной и анодной трехфазными группами); 6 - реактор (или сдвоенный реактор для сети с нулевым проводом); 7 - трехфазный контактор с короткозамыкающей перемычкой (короткозамыкатель); 8 - разрядные резисторы; 9 - контакты дополнительного электрического аппарата, 10 - нулевой провод (изображен пунктирной линией).
Элементы устройства соединены следующим образом.
Входные зажимы конденсаторов 4 через автоматический выключатель 3 подключены к трехфазной сети 1, а выходные зажимы непосредственно подключены к входу диодного выпрямителя 5, выполненного по трехфазной мостовой схеме. Между катодной и анодной группами диодного выпрямителя 5 включен реактор 6, который применительно к трехфазной сети с нулевым проводом выполнен сдвоенным и его средняя точка подключена к нулевому проводу 10, образуя из вышеупомянутых групп два трехфазных нулевых диодных выпрямителя. Кроме этого, средняя точка сдвоенного реактора 6 соединена (изображено пунктирной линией) с короткозамыкающей перемычкой трехфазного контактора 7.
Трехфазный контактор 7 закорачивает вход диодного выпрямителя 5, а параллельно конденсаторам 4 непосредственно или через контакты 9 дополнительного электрического аппарата подключают разрядные резисторы 8.
Численными экспериментами в среде MatLab показано, что за счет естественных свойств устройства производится плавное симметричное включение с завершением процесса нарастания тока и напряжения заряда конденсаторов (фиг. 2, фиг. 4) до их установившихся значений за несколько периодов сетевого напряжения. Время заряда конденсаторов задается индуктивностью реактора 6. В результате моделирования также установлено, что для схемы устройства с нулевым проводом и для схемы без нулевого провода при симметричном напряжении сети и симметричной нагрузке, одинаковых параметрах фазных конденсаторов и одинаковых параметрах полуобмоток сдвоенного реактора, процессы напряжений и токов на конденсаторах в пусковых и квазистационарных режимах идентичны.
На фиг. 2 и фиг. 3 в относительных единицах приведены напряжения и токи на элементах устройства, для которых введены следующие обозначения:
1
1H
c
1
2
L
Здесь U и U - напряжение сети и его номинальная величина, U - напряжение на конденсаторах, Ud и Ud0 - выпрямленное напряжение и выпрямленное напряжение при номинальном напряжении сети, I и I - ток сети и ток потребителя, Id и Id0 - выпрямленный ток и выпрямленный ток при номинальном напряжении сети, I с и I - емкостная и индуктивная составляющие тока сети.
Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.
Трансформаторная подстанция с активно-индуктивной нагрузкой 2 получает питание от трехфазной сети 1 и, загружая ее реактивной мощностью, потребляет большой ток. Для уменьшения тока потребления и потерь в электропередаче посредством автоматического выключателя 3 к трехфазной сети 1 подключают конденсаторы 4.
При включении автоматического выключателя 3 конденсаторы 4 подключаются к трехфазной сети 1 через трехфазный мостовой диодный выпрямитель 5 с реактором 6 в цепи постоянного тока. За счет естественных свойств устройства производится плавное увеличение тока реактора 6 по экспоненциальному закону (см. фиг. 3, снизу) с плавным и симметричным нарастанием тока и напряжения заряда конденсаторов 4 во всех фазах (см. фиг. 2 и фиг. 4).
После заряда конденсаторов 4 до установившегося значения напряжения включают контактора 7, который, шунтируя трехфазный мостовой диодный выпрямитель 5, выполняет две функции. Во-первых, он завершает процесс подключения конденсаторов 4, обеспечивая синусоидальный ток в конденсаторах и в сети. Во-вторых, через диоды мостового выпрямителя 5, с закороченными контактором 7 входными зажимами, создается замкнутый контур для гашения электромагнитной энергии, накопленной в реакторе 6.
Таким образом, устройство для подключения конденсаторов к трехфазной сети можно охарактеризовать как гибридный электронно-электрический аппарат, который на начальной стадии со сравнительно высоким быстродействием формирует процесс мягкого подключения конденсаторов электронным аппаратом, а на завершающей стадии электрическим аппаратом шунтирует трехфазный мостовой диодный выпрямитель, отсекая электронную часть устройства от схемы системы электроснабжения.
Из осциллограмм (фиг. 3) видно, что быстродействие процессов подключения и отключения конденсаторов не превышает десятой доли секунды, а в стационарном режиме работы конденсаторов (на заданном при численном эксперименте рабочем интервале времени от 0,2 до 0,3 секунды) ток сети имеет синусоидальную форму, уменьшенную амплитуду и совпадает по фазе с напряжением сети. В приведенном численном эксперименте показано (фиг. 5), что после подключения конденсаторов фаза тока сети уменьшилась с 60 до 0 град, а ток и мощность, потребляемые из сети снизились в два раза. Снижение тока уменьшает потери в линиях электропередачи, а разгрузка сети от реактивной мощности устраняет потерю напряжения и создает вакансию для передачи полезной, совершающей работу, активной энергии.
Областью применения предлагаемого устройства являются компенсаторы реактивной мощности в сетях промышленного электроснабжения.
Наиболее целесообразной областью применения могут стать высоковольтные системы электроснабжения с установками, построенными по принципу косвенной компенсации реактивной мощности, в которых конденсаторы подключаются к сети на продолжительное время.
Предлагаемое техническое решение, как более надежное для систем электроснабжения, может заменить известные устройства для подключения конденсаторов к трехфазной сети, в которых применяются силовые преобразователи на управляемых полупроводниковых приборах с микроэлектронной системой управления.