ТРЕХФАЗНЫЙ КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Трехфазный корректор коэффициента мощности относится к электротехнике, в частности, к силовой преборазовательной технике, и может быть использован в системах питания с мощными управляемыми выпрямительными установками.
Развитие современных технологий полупроводников ведет к возрастающему количеству потребителей, содержащих в системах питания управляемые выпрямители. Такие преобразователи увеличивают значение потребляемой реактивной мощности и ухудшают форму кривой тока питающей сети, что в совокупности приводит к снижению коэффициента мощности электроприемников, содержащих их в своем составе. В системах электропитания потребление реактивной мощности приводит к дополнительным эксплуатационным затрата, а наличие высших гармонических составляющие тока по фазам питающей сети - к негативным последствиям и аварийным ситуациям.
Традиционными устройствами компенсации реактивной мощности являются нерегулируемые конденсаторные батареи (КБ) постоянной мощности и регулируемые релейные или статические тиристорные компенсаторы (СТК). Однако, для управляемых выпрямителей с изменяющейся потребляемой реактивной мощностью, постоянно включенные КБ неприемлемы, а релейные КБ и СТК при их возможности регулирования величины компенсируемой реактивной мощности имеют ряд существенных недостатков. Все емкостные компенсаторы реактивной мощности критичны к гармоническим искажениям формы тока [1].
Широко распространенным способом компенсации мощности искажения является применение пассивных фильтров (ПФ). Настроенные ПФ могут вызвать резонансные явления в системе, которые, в свою очередь, приводят к дополнительным искажениям тока и напряжения. Наличие большого количества пассивных элементов увеличивает потери в ПФ и в системе электропитания в целом. С увеличением количества компенсируемых гармоник растут массогабаритные показатели и затраты на изготовление ПФ.
Известен трехфазный компенсатор реактивной мощности [2], который содержит трехфазный трансформатор, три однофазных инвертора с системами управления, выпрямитель, три однофазных измерительных трансформатора тока, трехфазный измерительный трансформатор напряжения, три однофазных датчика реактивного тока, три датчика напряжения, три элемента сравнения и нагрузку.
Существенным недостатком данного устройства является наличие в его составе выпрямителя, питающего однофазные инверторы, который генерирует дополнительные
высшие гармоники тока в питающую сеть, что приводит к необходимости увеличения установленной мощности компенсатора.
Наиболее близким к заявленному изобретению по максимальному количеству сходных признаков и достигаемому результату является трехфазный компенсатор реактивной мощности [3], осуществляющий коррекцию коэффициента мощности трехфазной нагрузки.
Трехфазный компенсатор реактивной мощности содержит узел силовых инверторных блоков, блок датчиков параметров питающей сети, систему управления, устройство дозарядки источника реактивной мощности и источник заданного значения напряжения. Узел силовых инверторных блоков включает в себя последовательно соединенные трехфазный трансформатор, автономные инверторы напряжения, источник реактивной мощности. Система управления включает в себя блок вычисления активной и реактивной мощности, блок Вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности, блок вычисления заданных значений фазных токов, блок управления автономными инверторами напряжения. Блок вычисления переменных составляющих активной и реактивной мощности выполнен в виде двух устройств, каждое из которых содержит интегратор, подключенный параллельно входам сумматора, при этом вход каждого устройства является входом интегратора, а его выход-выходом сумматора.
При уменьшении коэффициента мощности, вызванного фазовым сдвигом между входным током и питающим напряжением, а также нарушением симметрии или искажением формы входного тока, происходит изменение значений сигналов токов и напряжений, поступающих на вход блока вычисления активной и реактивной мощности, соответственно, на выходе этого блока изменяются вычисленные значения активной и реактивной мощности. В блоке вычисления переменной составляющей активной и реактивной мощности с помощью интегратора и сумматора осуществляется выделение значений высших гармоник, активной и реактивной мощности. При этом из сигналов активной и реактивной мощности, поступающих на вход этого блока, с помощью интегратора вычисляется инверсное значение активной и реактивной мощности основной частоты. На выходе сумматора формируется сигнал, пропорциональный высшим гармоническим составляющим активной и реактивной мощности. По величине этих сигналов, а также значениям фазных напряжений в блоке вычисления заданных значений фазных токов формируются сигналы заданных значений фазных токов. Заданные значения фазных токов компенсатора определяются переменной составляющей активной и реактивной мощности трехфазной нагрузки, а также значениями фазных напряжений
трехфазного источника питания. Сигналы текущего и заданного значений фазных токов сравнивается в блоке управления автономными инверторами напряжения, где в зависимости от соотношения этих сигналов происходит управление автономными инверторами напряжений. Управление заключается в формировании фазных токов, которые, протекая в противофазе с индуктивной составляющей тока нагрузки, компенсируют переменные составляющие активной и реактивной мощности и тем самым осуществляют приближение фазы тока к питающему напряжению, а также симметрирование и улучшение формы потребляемого тока. Так осуществляется компенсация реактивной мощности нагрузки и повышение коэффициента мощности.
Однако высшие гармоники тока, генерируемые силовым инверторным блоком в питающую сеть, создают дополнительные потери в трехфазном трансформаторе. Эти потери могут быть причиной выхода из строя трансформатора вследствие перегрева. Протекание по обмоткам трансформатора несинусоидальных токов, вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, приводит к увеличению активного сопротивления обмоток трансформатора и, как следствие, к дополнительному нагреву и уменьшению срока его службы.
Кроме того, наличие общего накопителя энергии для параллельно включенных инверторных мостов приводит к возникновению контуров протекания токов нулевой последовательности, что увеличивает действующее значение фазного тока силового инверторного блока и приводит к необходимости увеличения площади сечения его токоведущих шин. Для устранения данного эффекта необходимо применять специальные алгоритмы в системе управления, которые отсутствуют в системе управления данного трехфазного компенсатора реактивной мощности.
В основу предлагаемого решения положена задача расширения технологических возможностей трехфазного корректора коэффициента мощности, а техническим результатом является повышение коэффициента мощности сильноточных электроприемников, содержащих в своем составе мощные управляемые выпрямители, за счет распределения потоков реактивной мощности и мощности искажения между отдельными его узлами, не имеющими общего накопителя энергии, и подключенными к питающей сети без использования дополнительного согласующего трансформатора.
Этот технический результат достигается тем, что в трехфазном корректоре коэффициента мощности узел силовых инверторных блоков состоит из двух силовых инверторных модулей, каждый из которых содержит шесть ключевых элементов, включенных по трехфазной мостовой схеме, три однофазных дросселя и накопительный конденсатор с датчиком напряжения, а система управления содержит блок АЦП, блок
определения опорных компенсирующих токов с ПИ-регуляторами напряжений на конденсаторах, токовые ПИД-регуляторы и блок векторной широтно-импульсной модуляции, причем выходы блока АЦП подключены к входам блока определения опорных компенсирующих токов с ПИ-регуляторами напряжений на конденсаторах, выход которого подсоединен через блок токовых ПИД-регуляторов ко входу блока векторной широтно-импульсной модуляции, являющегося конечным выходным блоком данной системы управления.
Компенсация реактивной мощности осуществляется с помощью инверторного модуля на ключевых элементах с наивысшим из всех силовых полупроводниковых приборов значением максимально допустимого тока, а компенсация мощности искажения, значение которой в системах, с управляемыми выпрямительными установками в несколько раз меньше реактивной - с помощью инверторного модуля на ключевых элементах с более низким значением максимально допустимого тока, но наивысшим значением частоты коммутации. Такое разделение по функциональному назначению между двумя инверторными модулями позволяет использовать данный компенсатор с сильноточными управляемыми выпрямительными установками, не прибегая к использованию согласующих трехфазных трансформаторов. Кроме того, не требуется дополнительных схем подзаряда накопительных конденсаторов, что существенно снижает массогабаритные показатели устройства и повышает его КПД.
Система управления двухмодульным корректором коэффициента мощности содержит блок определения опорных компенсирующих токов в соответствии с теорией мгновенных значений токов в синхронной системе dq-координат, ориентированной по вектору виртуального потока питающей сети, что позволяет использовать заявленное изобретение при некачественном напряжении питающей сети.
На чертеже представлена структурная схема трехфазного корректора коэффициента мощности.
Трехфазный корректор коэффициента мощности 1, подключенный параллельно питающей сети и выпрямительной нагрузке 2, содержащий узел силовых инверторных блоков, включающий два силовых инверторных модуля 3, 4, два накопительных конденсатора 5, 6 с датчиками напряжения 7, 8, шесть однофазных дросселей 9, 10, блок датчиков 11 параметров питающей сети, включающий в себя три датчика фазного тока и два датчика линейного напряжения, и систему управления 12. Силовые инверторные модули 3, 4 составлены по трехфазной мостовой схеме на шести ключевых элементах 13, 14, 15, 16, 17, 18 и 19, 20, 21, 22, 23, 24 соответственно.
Ключевые элементы 13, 14, 15, 16, 17, 18 силового инверторного модуля 3, компенсирующего реактивную мощность, выполнены на ЕТО-тиристорах с обратными диодами, частота коммутации которых превышает частоту коммутации запираемых GТО- и GCT-тиристоров, а их максимально допустимые параметры соответствуют аналогичным параметрам мощных однобперационных тиристоров. Ключевые элементы 19, 20, 21, 22, 23, 24 силового инверторного модуля 4, компенсирующего мощность искажений, выполнены на IGВТ-транзисторах с обратными диодами, которые обладают наивысшими значениями частоты коммутации при допустимых значениях обратного напряжении порядка 600-1700 В.
Информационные выводы датчиков 7, 8 напряжения на накопительных конденсаторах 5, 6 и блока датчиков 11 параметров питающей сети подводятся к системе управления 12 инверторными модулями 3, 4, которые через однофазные дроссели 9, 10 подключаются к сети параллельно выпрямительной нагрузке 2.
Система управления 12, реализованная на DSP-контроллере, содержит блок АЦП выходы которого подключены к входам блока определения опорных компенсирующих токов с ПИ-регуляторами напряжений на конденсаторах, выход которого подсоединен через блок токовых ПИД-регуляторов ко входу блока векторной широтно-импульсной модуляции, являющегося конечным выходным блоком данной системы управления.
Трехфазный корректор коэффициента мощности работает следующим образом.
Сигналы мгновенных значений фазных токов нагрузки и линейных напряжений питающей сети от блока датчиков 11 и датчиков 7, 8 подаются в систему управления 12 на вход блока АЦП, где оцифровываются и поступают далее в блок определения опорных компенсирующих токов, где происходит преобразование исходных дискретных значений трехфазной системы токов нагрузки и напряжений питающей сети к синхронной системе dq-координат, ориентированной по вектору виртуального потока, цифровая фильтрация токов нагрузки в dq-координатах для вычисления их активных и неактивных составляющих, определение с помощью ПИ-регуляторов значений активных составляющих тока потребляемых инверторными модулями для поддержания заданных значений напряжения на накопительных конденсаторах и вычисление значений компенсирующих токов. Полученные опорные значения компенсирующих токов поступают в блок токовых ПИД-регуляторов, где вычисляются необходимые для их формирования значения напряжений на выходе мостовых преобразователей инверторных модулей 3, 4. На основе этих значений в блоке векторной широтно-импульсной модуляции формируются управляющие сигналы ключевыми элементами 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 коммутирующими напряжения на конденсаторах 5, 6. С помощью
однофазных дросселей 9, 10 происходит выделение заданной формы фазных компенсирующих токов и фильтрация высших гармоник, кратных частоте коммутации преобразователей инверторных модулей, после чего эти токи суммируются с фазными токами выпрямительной нагрузки.
Одновременно с изменением угла управления выпрямителем и (или) параметров его цепи постоянного тока изменяются сигналы с информационных выходов блока датчиков 11, что мгновенно отслеживается системой управления 12, которая вычисляет новые значения компенсирующих токов и устанавливает соответствующие сигналы на выходе.
Таким образом, осуществляется компенсация реактивной мощности и мощности искажения нагрузки, и повышение коэффициента мощности с помощью трехфазного корректора коэффициента мощности.
Источники информации
1. Глинтерник С.Р. Тиристорные преобразователи со статическими компенсирующими устройствами. - Л: Энергоатомиздат, 1988.
2. Патент РФ №2251192, Н02J 3/18, опуб. 27.05.2005.
3. Патент РФ №2239271, Н02J 3/18, опуб. 24.10.2004.