ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Область применения предлагаемого электромеханического компенсатора реактивной мощности - электроснабжение промышленных и бытовых объектов.
Известен компенсатор реактивной мощности представляющий собой трехфазный делитель напряжения и однофазные трансформаторы тока, состоящие из металлических сердечников с секционными обмотками, подсоединенные к фазам питающей сети параллельно. К выходу трехфазного делителя напряжения подключены датчики напряжения. К выходу однофазных трансформаторов тока подключен блок управления, состоящий из датчиков реактивного тока подключенных к выходам однофазных трансформаторов. Выходы датчиков реактивного тока и датчиков напряжения соединены с входом элемента сравнения, выходы которого подключены к инверторам. Выход инверторов соединен с блоками формирования сигнала управления, входы которых соединены с дифференциальными усилителями. К выходам дифференциальных усилителей подключены силовые модули, которые соединены с емкостными фильтрами, выходы которых подсоединены к фазе питающей сети параллельно. Выработка реактивной мощности осуществляется емкостными фильтрами [1].
Недостатком такого компенсатора реактивной мощности являются сложность конструкции, как следствие необходимости применения большого количества емкостных фильтров, что приводит к снижению надежности и коэффициента полезного действия устройства.
Также известен гибридный компенсатор реактивной мощности, представляющий собой два модуля: активной и пассивной компенсации. Пассивный модуль компенсации состоит из емкостных фильтров, которые могут подключаться параллельно линии и компенсировать реактивную мощность. Активный модуль состоит из последовательно соединенного блока управления конвертора электрической энергии, конденсатора.
Блок управления вырабатывает управляющие импульсы, которые подаются на конвертор электрической энергии, который вырабатывает электрическую энергию фильтруемую высокочастотным фильтром и подаваемую через разделительный конденсатор в линию. Применение активного и пассивного модуля компенсации позволяет гарантированно избежать электрического резонанса и плавно регулировать выдаваемую реактивную мощность в линию [2].
Недостатком гибридного компенсатора реактивной мощности является сложность конструкции из-за необходимости применения большого количества емкостных фильтров, что приводит к снижению надежности и коэффициента полезного действия.
Также известен компенсатор реактивной мощности, предназначенный для быстродействующей компенсации реактивной мощности сети и стабилизации напряжения нагрузки. Компенсатор имеет блок управления, к которому параллельно подключены датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения на нагрузке, а также трансформатор, подключенный параллельно к блоку управления, состоящий из железных сердечников и секционных обмоток. К блоку управления параллельно подключены два инвертора с общим для них индуктивно-емкостным фильтром. Инверторы управляются блоком управления, с целью регулирования индуктивно-емкостного фильтра [3].
Недостатком компенсатора реактивной мощности является сложность конструкции из-за применения индуктивно-емкостного фильтра включающего в себя большого количества элементарных емкостных фильтров, что приводит к снижению надежности и коэффициента полезного действия устройства.
Наиболее близким по технической сущности и предлагаемому техническому результату является электромеханический компенсатор, который и принят за прототип [4]. Прототип состоит из ротора в виде металлического сердечника с пазами, в которые уложены обмотки ротора, соединенные параллельно. Неподвижная секционная обмотка представляющая собой статор с пазами, в которые уложены обмотки статора, соединенные параллельно. Электромеханический компенсатор имеет блок управления, который подключен параллельно к электрической сети и в зависимости от величины реактивной мощности по заранее заданному алгоритму подает ток на обмотки ротора и секционные обмотки статора, которые создают электромеханическую связь с инерцией ротора в его колебательном движении, создавая источник реактивной мощности [4].
Недостатком прототипа является существенная внутренняя индуктивность, снижающая К.П.Д. и увеличивающая габариты компенсатора, вследствие наличия многочисленных обмоток, уложенных в пазы металлического сердечника.
Технический результат в предлагаемом электромеханическом компенсаторе реактивной мощности заключается в повышении КПД электроснабжения, уменьшении габаритов.
Обеспечивается технический результат тем, что железные сердечники расположены в ряд таким образом, что между ними помещены постоянные магниты, каждый сердечник имеет две секционных обмотки, намотанные встречно друг другу. Обмотки подключены параллельно к электрической сети через блок управления, причем число одновременно подключенных к электрической сети через блок управления обмоток определяется алгоритмом заложенным в блоке управления, что позволяет получить эффективную мощность в соответствии с формулой:  где В - индукция магнитного поля, L - длина паза, m - масса магнитов, n - общее число сетевых витков в пазах.
Устройство электромеханического компенсатора реактивной мощности показано на Фиг.1. Электромеханический компенсатор реактивной мощности состоит из железных сердечников 1 с пазами 7, в которые уложены секционные обмотки 2 и 3, постоянных магнитов 4 расположенных между сердечниками 1, блока управления 5, состоящего из программатора 8 и коммутатора 9. Железные сердечники 1 расположены в ряд друг за другом так, что между ними размещены постоянные магниты 4. Каждый железный сердечник 1 имеет свои секционные обмотки 2 и 3, соединенные параллельно. Блок управления 5 подключается параллельно к электрической сети 6 и к секционным обмоткам 2 и 3 всех сердечников 1.
Электромеханический компенсатор реактивной мощности состоит из отдельных секций, каждая из которых представлена железным сердечником 1 с двумя встречными секционными обмотками 2 и 3 и двумя магнитами 4, и в конструкцию компенсатора может быть включено множество таких секций. Компенсатор имеет блок управления 5, который подключен параллельно к электрической сети 6 для контроля реактивной мощности в электрической сети 6 и в зависимости от величины реактивной мощности по любому заранее заданному алгоритму подключает последовательно или параллельно необходимое количество рабочих секций компенсатора. Также данный компенсатор имеет невысокое значение паразитной индуктивности, за счет встречного наматывания секционных обмоток 2 и 3 на каждом сердечнике 1, т.к. они будут частично гасить индуктивность друг друга.
По сравнению с прототипом, предлагаемый электромеханический компенсатор реактивной мощности имеет следующие отличия: нем железные сердечники расположены в ряд так чтобы между ними расположить магниты.
Каждый сердечник имеет 2 секционные обмотки, которые намотаны встречно друг другу. Секционные обмотки подключаются параллельно сети с помощью блока управления, причем число одновременно включенных обмоток регулируется программой, заложенной в блоке управления. Это позволяет получить эффективную мощность в соответствии с формулой: :  где В - индукция магнитного поля, L - длина паза, m - масса магнитов, n - общее число сетевых витков в пазах. В компенсаторе используется принцип поступательного механического перемещения, обеспечивающего качественное улучшение выработки реактивной мощности, и такой тип движения позволяет вырабатывать кинетическую энергию и преобразовывать ее в реактивную мощность непосредственно в одном устройстве, без использования электрической машины
Принцип действия электромеханического компенсатора реактивной мощности заключается в следующем: выводы электрической сети 6, в которую выдается реактивная мощность, подключены через электропроводники параллельно к секционным обмоткам 2 и 3, которые создают электромагнитное поле В, пронизывающее пространство между сердечниками 1, где расположены магниты 4, поля которых направлены встречно. Блок управления 5, подключенный параллельно к электрической сети 6, контролирует значение реактивной мощности в электрической сети 6 и с помощью программатора 8 и коммутатора 9 подключает к электрической сети последовательно или параллельно необходимое количество секционных обмоток 2 и 3. При этом возникает электромеханическая связь между электромагнитным взаимодействием обмоток секционных 2 и 3, и инерцией поступательного движения магнитов 4, что приводит к созданию эффективной электроемкости С, определяющей возникновение реактивной мощности в электромеханическом компенсаторе реактивной мощности.
Электродвижущая сила E(t), индуцированная в секционных обмотках 2 и 3 равна
E(t)=V(t)BnL,
где В индукция магнитного поля, L - длина паза, n - общее число сетевых витков в пазах, V(t) - скорость перемещения магнита, определяемая из уравнения второго закона Ньютона:
где m - масса магнитов, U - напряжение сети, С - эффективная емкость, создаваемая компенсатором.
Таким образом, сетевой ток пропорционален производной от напряжения, что соответствует емкостной нагрузке:
Физически часть периода переменного тока энергия от электрической сети переходит в кинетическую энергию поступательного движения магнитов, другую часть периода - возвращается в электрическую сеть. Эффективная емкость создаваемая поступательным компенсатором в 2 раза больше чем в известных конструкциях колебательных компенсаторов.
Проведенные в Петрозаводском государственном университете испытания доказывают эффективность электромеханического компенсатора реактивной мощности.
Предлагаемый электромеханический компенсатор реактивной мощности характеризуется возможностью создания реактивной мощности при снижении габаритов и возможности ступенчатой регулировки выдаваемой реактивной мощности.
Список литературы
1. Патент RU №2453964 МПК H02J 3/18 опубл. 2012.06.20
2. Патент US №6982546 МПК G05F 1/70 опубл. 01.03.2006
3. Патент RU №2154333 МПК H02J 3/18 опубл 10.08.2000
4. Патент RU №135197 МПК H02J 3/18 опубл. 27.11.2013