ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫЙ КОМПЕНСАТОР ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫЙ КОМПЕНСАТОР ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ


RU (11) 2158953 (13) C1

(51) 7 G05F1/30, H02J3/18 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 99113149/09 
(22) Дата подачи заявки: 1999.06.16 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1999.06.16 
(45) Опубликовано: 2000.11.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 1793514 A1, 07.02.1993. RU 2041554 C1, 10.08.1995. SU 1636833 A, 23.03.1991. US 4891569 A, 20.08.1982. 
(71) Заявитель(и): Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет 
(72) Автор(ы): Климаш В.С.; Симоненко И.Г. 
(73) Патентообладатель(и): Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет 
Адрес для переписки: 681013, Хабаровский край, г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Ленина 27, КнАГТУ, патентный отдел 

(54) ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНЫЙ КОМПЕНСАТОР ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ 

Предложен компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности с четырехквадратным управлением, который отличает повышенное быстродействие, улучшенная форма выходного напряжения и простота реализации замкнутой системы авторегулирования как в пусковых, так и стационарных режимах, что является техническим результатом. Компенсатор построен по принципу независимого широтно-импульсного регулирования поперечной составляющей вольтодобавки в функции реактивной мощности сети и продольной составляющей вольтодобавки в функции отклонения напряжения нагрузки. Компенсатор выполнен на двух вольтодобавочных трансформаторах, двух трехфазных инверторах напряжения с общим для них трехфазным рекуперативным выпрямителем. В его состав также входят датчики реактивной мощности сети и отклонения напряжения нагрузки, батарея косинусных конденсаторов, фильтр, трехфазный автомат, пусковой переключатель и таймер. 3 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам компенсации реактивной мощности, и может быть использовано при создании электротехнических систем и комплексов с повышенным коэффициентом мощности и стабильным напряжением.

За прототип выбран трансформаторно-тиристорный компенсатор (патент РФ N 1793514, H 02 J 3/18, 15.11.93), который содержит датчик реактивной мощности сети, датчик отклонения напряжения нагрузки, два трехфазных вольтодобавочных трансформатора, два трехфазных инвертора напряжения с общим входом и трехфазный рекуперативный выпрямитель, включающий в себя вентильный блок с системой импульсно-фазового управления, входной трехфазный автомат и выходной LC-фильтр.

Известный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности построен по принципу фазового регулирования двух составляющих добавочного напряжения, формируемых трехфазными инверторами напряжения. Фаза выходного напряжения первого трехфазного инвертора регулируется в функции реактивной мощности сети, а фаза второго трехфазного инвертора напряжения - в функции отклонения напряжения нагрузки.

Для четырехквадрантного формирования добавочного напряжения в прототипе применен трехфазный рекуперативный выпрямитель, который обеспечивает двухсторонний обмен энергией без регулирования выпрямленного напряжения. В первом и втором квадрантах энергия в звене постоянного напряжения направлена от трехфазного рекуперативного выпрямителя к трехфазным инверторам напряжения, а в третьем и четвертом квадрантах в обратном направлении за счет смены полярности выпрямленного тока. Это обстоятельство обуславливает необходимость обеспечения выпрямительного и инверторного режимов работы трехфазному рекуперативному выпрямителю за счет применения в нем вентильного блока со специальным управлением.

К недостатком известного устройства прежде всего следует отнести большой процент высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения из-за отсутствия в общем потоке генерируемой реактивной мощности нерегулируемой части и расширенного в связи с этим диапазона регулирования действующего значения результирующего добавочного напряжения, а также низкое быстродействие, вызванное тем, что при интенсивном регулировании фазы выходного напряжения как первого, так и второго трехфазных инверторов наблюдается одностороннее подмагничивание вольтодобавочных трансформаторов. Кроме того, сложность управления стационарными режимами с ориентацией результирующего вектора добавочного напряжения во всех четырех квадрантах, в связи с отсутствием независимого регулирования продольной и поперечной составляющими этого вектора. И, наконец, сложность формирования динамики пуска с ограничением или полным отсутствием постоянных подмагничивающих составляющих в магнитных потоках первого и второго вольтодобавочных трансформаторах.

Задача изобретения - улучшить качество выходного напряжения, повысить быстродействие и упростить управление пусковыми и стационарными режимами.

Для решения поставленной задачи применен принцип независимого широтно-импульсного регулирования продольной и поперечной составляющих добавочного напряжения и суммирования его с напряжением сети.

В результате этого коэффициент гармоник улучшен примерно в 2 раза, а быстродействие в 3 раза. В устройстве не требуется специального блока амплитудно-фазовой ориентации вектора добавочного напряжения во всех четырех квадрантах. Переход от одного квадранта к другому происходит при смене знаков сигналов обратных связей, что существенно упрощает построение системы автоматического регулирования. Высокое качество и простота пусковых режимов обеспечивается обнулением на время пуска поперечной составляющей вектора вольтодобавки.

Решение поставленной задачи достигается тем, что управляющий вход системы управления вторым трехфазным инвертором напряжения подключен к общей точке переключателя, который шунтирует его на время пуска и затем подключает к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, а управляющий вход переключателя через таймер подключен к информационному выходу трехфазного автомата, при этом коэффициенты трансформации первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов неодинаковы и пропорциональны соответственно отклонению реактивной мощности сети и отклонению напряжения нагрузки, к входным зажимам устройства подключена батарея косинусных конденсаторов и вход блока синхронизации, ортогональный и синфазный выходы которого соответственно подключены к синхронизирующим входам систем управления первым и вторым трехфазными инверторами напряжения, которые выполнены по 180o-ному алгоритму с широтно-импульсным регулированием и реверсом фазы поперечной и продольной составляющих добавочного напряжения в зависимости от знака сигналов, поступающих соответственно с датчика реактивной мощности сети и датчика отклонения напряжения нагрузки.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема трансформаторно-тиристорного компенсатора отклонений напряжения и реактивной мощности с четырехквадрантным управлением; на фиг. 2 - схема блока синхронизации и векторная диаграмма, поясняющая его подключение; на фиг. 3а,б - векторные диаграммы режимов работы устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит входные и выходные зажимы 1 и 2, первый и второй трехфазные вольтодобавочные трансформаторы 3 и 4, батарею косинусных конденсаторов 5, первый трехфазный инвертор напряжения 6 с системой управления 7, выполненной по 180o-ному алгоритму с широтно-импульсным регулированием поперечной составляющей добавочного напряжения, второй трехфазный инвертор напряжения 8 с системой управления 9, выполненной по 180-градусному алгоритму с широтно-импульсным регулированием продольной составляющей добавочного напряжения, блока синхронизации 10, трехфазный рекуперативный выпрямитель 11 с управляемым вентильным блоком 12, входным трехфазным автоматом 13 и выходным индуктивно-емкостным фильтром 14, датчик реактивной мощности сети 15, датчик отклонения напряжения нагрузки 16, переключатель 17 и таймер 18.

В качестве вентильного блока 12 в трехфазном рекуперативном выпрямителе 11 может быть применен двухкомплектный тиристорный выпрямитель с естественной коммутацией и раздельным согласованным управлением, при котором в выпрямительном режиме работает прямой тиристорный мост с заданным и не регулируемым углом управления , а в инверторном - обратный тиристорный мост с углом управления -. Переключение мостов производится при смене знака выпрямленного тока с выдержкой времени, необходимой для восстановления запирающих свойств тиристоров.

Вентильный блок 12 трехфазного рекуперативного выпрямителя 11 также может быть выполнен по трехфазной мостовой схеме на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью тока. В таком исполнении он может дополнить решение задачи компенсации реактивной мощности сети за счет опережающего регулирования углами коммутации тиристоров и не требует контроля знака выпрямленного тока при двухстороннем обмене энергией.

Элементы устройства соединены следующим образом. Входные зажимы 1 подключены к сети, а выходные зажимы 2 - к нагрузке. Первичные обмотки первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов 3 и 4 соединены пофазно последовательно и включены между входными и выходными зажимами 1 и 2. Вторичные обмотки первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов 3 и 4 подключены соответственно к выходам первого и второго трехфазных инверторов напряжения 6 и 8, выходы которых объединены и через трехфазный рекуперативный выпрямитель 11 подключены к входным 1 или выходным 2 зажимам устройства. Управляющий вход системы управления 7 первым трехфазным инвертором напряжения 6 подключен к выходу датчика реактивной мощности сети 15, управляющий вход системы управления 9 вторым трехфазным инвертором напряжения 8 через переключатель 17 подключен к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки 16, а синхронизирующие входы систем управления 7 и 9 соответственно подключены к ортогональному и синфазному выходам блока синхронизации 10, вход которого и батарея косинусных конденсаторов подключены к входным зажимам 1. Управляющий вход переключателя 17 через таймер 18 подключен к информационному входу трехфазного входного автомата 13, входящего в состав трехфазного рекуперативного выпрямителя 11.

Блок синхронизации 10 (фиг. 2) содержит трехфазный трансформатор 19, активные фильтры 20 и 21, элементы фазового сдвига на 120 электрических градусов 22 и 23, сумматоры 24 и 25.

На ортогональном выходе блока синхронизации 10 формируется трехфазная синусоидальная система напряжений a1, b1, c1, сдвинутая относительно трехфазной сети на 90 электрических градусов, а на синфазном выходе - трехфазная система напряжений a2, b2, c2, совпадающих по фазе с напряжением сети.

На диаграммах (фиг. 3а,б) введены следующие обозначения: напряжения сети и нагрузки; токи сети и нагрузки; фазы токов сети и нагрузки; токи рекуперативного выпрямителя и батареи конденсаторов; добавочное напряжение и его поперечная и продольная составляющие.

Трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности (фиг. 1) работает следующим образом.

Выходное напряжение устройства складывается из напряжения сети и добавочного напряжения которое регулируется по величине и фазе за счет независимого регулирования амплитудных значений первых гармоник его поперечной и продольной составляющих. Оно определяется по выражению

(1)

Составляющие добавочного напряжения

(2)



где KТ1, KТ2 - коэффициенты трансформации первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов 3 и 4; 1, 2 - коэффициенты передачи напряжения первым и вторым инверторами 6 и 8, определяемые отношением длительности импульса к периоду коммутации, и обратно пропорциональны скважностям; 1 - фаза напряжения первого трехфазного инвертора 6, которая в зависимости от знака реактивной мощности сети принимает два значения -90o и +90o; 2 - фаза напряжения второго трехфазного инвертора 8, которая в зависимости от знака отклонения напряжения нагрузки принимает два значения - 0o и 180o.

Из выражений (1) и (2) получим



или с учетом отклонений напряжения в сети и падения напряжения на трансформаторах 

(3)

Здесь zK1, zK2 - сопротивления короткого замыкания вольтодобавочных трансформаторов; I1 - ток, потребляемый из сети, который совпадает по фазе с напряжением сети и определяется суммой токов нагрузки, трехфазного рекуперативного выпрямителя и батареи косинусных конденсаторов.

(4)

Угол между током нагрузки и напряжением сети регулируется фазой выходного напряжения в зависимости от фазы тока нагрузки, а также от угла управления и способа коммутации тиристоров трехфазного рекуперативного выпрямителя 11.

Из выражения (3) и из векторных диаграмм a,b (фиг. 2) видно, что амплитуду и фазу вектора напряжения можно регулировать изменением коэффициентов передачи 1 и 2 первого и второго трехфазных инверторов напряжения.

В устройстве изменение 1 осуществляется в функции отклонения от нуля реактивной мощности сети, а изменение 2/- в функции отклонения напряжения нагрузки от заданного уровня U3 . Реверс поперечной и продольных составляющих вектора добавочного напряжения производится изменением соответственно фазы 1 и фазы 2 на 180o.

При переходе от режима потребления к режиму генерации реактивной мощности меняются величина и знак сигнала обратной связи на выходе датчика 15 реактивной мощности сети. По знаку этого сигнала система управления 7 первым трехфазным инвертором напряжения 6 переключает алгоритм управления тиристорами и меняет знак поперечной составляющей вольтодобавки на противоположный, а по величине этого сигнала производится регулирование амплитуды вектора для компенсации фазы входного тока (фиг. 3). С выхода датчика отклонения напряжения нагрузки 16 снимается сигнал, пропорциональный отклонению напряжения нагрузки. По знаку этого сигнала, система управления 9 вторым трехфазным инвертором напряжения 8 изменяет знак продольной составляющей а в зависимости от величины этого сигнала регулирует амплитуду этой составляющей.

В результате такого продольно-поперечного регулирования напряжения вольтодобавки производится стабилизация выходного напряжения и компенсация реактивной мощности сети независимо от величины и характера нагрузки, а также от колебаний и отклонений напряжения в сети.

Пуск вольтодобавочных трансформаторов без постоянной составляющей в кривой намагничивающего тока и магнитного потока может быть произведен двумя способами: 1 - подключением вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора к напряжению, имеющему фазу 90o по отношению к сети; 2 - шунтированием вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора. В предлагаемом устройстве реализованы оба способа.

Предлагаемое устройство как более совершенное, построенное по принципу прямой компенсации может заменить в системах электроснабжения известные компенсаторы реактивной мощности и стабилизаторы трехфазного напряжения. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности, содержащий датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения нагрузки, первый и второй трехфазные инверторы напряжения с индивидуальными для них системами управления, первый и второй трехфазные вольтодобавочные трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и включены в цепь нагрузки, а их вторичные обмотки соответственно подключены к выходам первого и второго трехфазных инверторов напряжения, при этом входы первого и второго трехфазного инверторов напряжения объединены и через трехфазный рекуперативный выпрямитель подключены к нагрузке, в состав трехфазного рекуперативного выпрямителя входит вентильный блок с системой управления, трехфазный автомат и выходной индуктивно-емкостный фильтр, а управляющий вход системы управления первым трехфазным инвертором напряжения подключен к выходу датчика реактивной мощности сети, отличающийся тем, что управляющий вход системы управления вторым трехфазным инвертором напряжения подключен к общей точке переключателя, который шунтирует его на время пуска и затем подключает к выходу датчика отклонения напряжения нагрузки, а управляющий вход переключателя через таймер подключен к информационному выходу трехфазного автомата, при этом коэффициенты трансформации первого и второго трехфазных вольтодобавочных трансформаторов не одинаковы и пропорциональны соответственно отклонению реактивной мощности сети и отклонению напряжения нагрузки, к точкам соединения датчика реактивной мощности сети и первичной обмотки первого трехфазного вольтодобавочного трансформатора подключена батарея конденсаторов и вход блока синхронизации, ортогональный и синфазный выходы которого соответственно подключены к синхронизирующим входам систем управления первым и вторым трехфазными инверторами напряжения, которые выполнены по 180-градусному алгоритму с широтно-импульсным регулированием и реверсом фазы поперечной и продольной составляющих добавочного напряжения в зависимости от знака сигналов, поступающих соответственно с датчика реактивной мощности сети и датчика отклонения напряжения нагрузки.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru