RU2677628C1

RU2677628C1 - Трехфазный компенсатор реактивной мощности

Info

Publication number: RU2677628C1
Application number: RU2017143752A
Authority: RU
Inventors: Юрий Михайлович Кулинич; Виктор Валерьевич Колобов
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-01-18

Abstract

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для компенсации реактивной мощности и повышения коэффициента мощности трехфазных потребителей, в частности промышленных предприятий. Технический результат заключается в достижении высокого коэффициента мощности K_M за счет приближения потребляемых токов (i_A, i_B, i_С) к синусоидальной форме и приближения их фаз к питающему напряжению (u_А, u_B, u_C). Это, в свою очередь, увеличивает коэффициент мощности K_M за счет увеличения cosϕ и коэффициента искажения формы кривой потребляемого тока. Трехфазный компенсатор реактивной мощности содержит трехфазную нагрузку, систему управления, трехфазный датчик напряжения, датчики токов нагрузки и компенсатора, трехфазный реактор, трехфазный автономный инвертор напряжения, источник реактивной мощности. Система управления включает в себя блоки прямого преобразования Парка, фильтры низких частот, блоки обратного преобразования Парка, PI регулятор, трехфазные вычитатели и блок управления автономным инвертором напряжения. Питающая сеть представлена генератором, включенным последовательно с трехфазной линией, имеющей активно индуктивный характер сопротивления. 1ил.

Description

Устройство относится к электротехнике и предназначено для компенсации реактивной мощности и повышения коэффициента мощности трехфазных потребителей, в частности, промышленных установок.

Коэффициент мощности нагрузки является одним из основных энергетических показателей приемников электрической энергии, определяющим потребление им непроизводительной реактивной мощности. Низкое значение коэффициента мощности нагрузки приводит к существенным потерям электроэнергии.

При несинусоидальной форме напряжения питающей сети и тока нагрузки коэффициент мощности нагрузки K_М определяется по формуле [Л.А. Бессонов. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Учебник. - 10-е изд. - М.: Гардарики, 2000]:

где ϕ - угол сдвига между потребляемым током и питающим напряжением;

ν - коэффициент искажения формы потребляемого тока.

Последний коэффициент характеризует степень искажения тока нагрузки и определяется отношением первой гармоники потребляемого тока I₁ к его действующему значению I_потр:

Таким образом, коэффициент мощности нагрузки K_M характеризует степень потребления нагрузкой активной и, соответственно, реактивной мощности. Увеличение K_M способствует повышению потребления активной мощности и одновременному уменьшению реактивной.

Компенсация реактивной мощности нагрузки является эффективным средством повышения коэффициента мощности нагрузки, значение которого зависит от приближения фазы потребляемого тока к питающему напряжению, а также улучшения формы потребляемого тока

Известен трехфазный компенсатор реактивной мощности [Энергетическая электроника: Справочное пособие. Пер. с нем. Под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 243.], который компенсирует реактивную мощность нагрузки q за счет приближения фаз потребляемых токов (i_A, i_B, i_C) к питающему напряжению (u_А, u_В, u_C).

Устройство содержит трехфазный управляемый выпрямитель, трехфазный автономный инвертор напряжения, а также трехфазный реактор и конденсатор. Управление трехфазным автономным инвертором напряжения осуществляется от синхронизированной с сетью системой управления.

Вход управляемого выпрямителя подключен к питающей сети, а его выход через конденсатор связан с входом трехфазного автономного инвертора напряжения. Выходы трехфазного автономного инвертора напряжения через трехфазный реактор подключены к питающей сети.

Устройство работает следующим образом. На ключевые элементы автономного инвертора напряжения подается управляющий сигнал, который формирует на выходе каждой фазы трехфазного автономного инвертора нерегулируемые по величине токи компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC). Токи компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC) соответствуют гармоникам основной частоты, которые на 90° опережают соответствующие питающие напряжения (u_А, u_В, u_C). При индуктивном характере токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) опережающие по фазе токи компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC), имеющие емкостной характер, компенсируют индуктивную составляющую токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC). В этом случае фазы потребляемых токов (i_А, i_B, i_C) приближаются к питающему напряжению (u_А, u_B, u_C), способствуя повышению коэффициента мощности нагрузки K_M. Таким образом, компенсатор с нерегулируемой величиной токов компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC) повышает коэффициент мощности нагрузки K_M при определенных (номинальных) токах нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC).

Достоинство известного трехфазного компенсатора реактивной мощности заключается в высоком значении коэффициента мощности нагрузки K_M, достигаемом при номинальных токах нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC). Это обусловлено формированием емкостных токов компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC), компенсирующих противоположные по характеру индуктивные токи нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC).

Недостаток известного трехфазного компенсатора реактивной мощности заключается в уменьшение коэффициента мощности нагрузки K_M при отклонении токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) от номинального значения. Это обусловлено тем, что компенсатор при любом режиме работы нагрузки формирует одинаковые нерегулируемые по величине токи компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC). В результате этого при отклонении токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) от номинального значения, сформированные нерегулируемые токи компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC), не в полной мере компенсируют индуктивную составляющую токов нагрузки, из за чего увеличиваются углы сдвига фаз (ϕ_А, ϕ_B, ϕ_C) между потребляемыми токами (i_A, i_B, i_C) и питающим напряжением (u_А, u_B, u_C), что вызывает неполную компенсацию реактивной мощности нагрузки. Следствием этого является низкий коэффициент мощности K_M, который уменьшается, согласно выражения (1), за счет снижения cosϕ.

Кроме того, в нерегулируемом компенсаторе при постоянной величине токов компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC), соответствующих гармонике основной частоты, происходит ухудшение формы потребляемых токов (i_A, i_B, i_C). Это обусловлено тем, что получение синусоидальной формы потребляемых токов (i_А, i_B, i_C) при несинусоидальной форме токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) возможно только при несинусоидальных токах компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC). Следствием этого является уменьшение коэффициента мощности K_M за счет снижения коэффициента искажения формы кривой потребляемого тока ν.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков и достигаемому результату является трехфазный компенсатор реактивной мощности [Н. Akagi, Y. Kanazawa, A. Nabae. Instantaneous Reactive Power Compensators Comprising Switching Devices without Energy Storage Components. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. IA-20, NO. 3, MAY/JUNE 1984], который повышает коэффициент мощности нагрузки K_M за счет приближения фаз потребляемых токов (i_A, i_B, i_C) к питающему напряжению (u_А, u_B, u_C).

Трехфазный компенсатор реактивной мощности содержит трехфазную нагрузку, трехфазный реактор, трехфазный автономный инвертор напряжения, источник реактивной мощности, трехфазный датчик напряжения, три датчика токов нагрузки, три датчика токов компенсатора и систему управления.

Трехфазный автономный инвертор напряжения состоит из шести IGBT-транзисторов. Три IGBT-транзистора соединены коллекторами и образуют катодную группу инвертора, другие три IGBT-транзистора соединены эмиттерами и образую анодную группу инвертора. Эмиттеры IGBT-транзисторов катодной группы инвертора соединены с соответствующими коллекторами IGBT-транзисторов анодной группы, при этом выводы точек этого соединения являются выходами трехфазного автономного инвертора напряжения. Выводы общих точек соединения IGBT-транзисторов анодной и катодной групп образуют вход цепи постоянного тока трехфазного автономного инвертора напряжения, который является первым входом трехфазного автономного инвертора напряжения. Выводы затворов (управляющих электродов) IGBT-транзисторов образуют вход цепи управления трехфазным автономным инвертором напряжения, который является вторым входом трехфазного автономного инвертора напряжения.

Источник реактивной мощности представляет собой конденсатор.

Система управления включает в себя два блока прямого преобразования Парка, блок обратного преобразования Парка, блок управления трехфазным автономным инвертором напряжения, шесть множителей, два делителя, два сумматора, трехфазный вычитатель и два отрицателя.

Трехфазная нагрузка подключена к питающей сети через датчики токов нагрузки. Соответствующие выходы трехфазного автономного инвертора напряжения через последовательно соединенные трехфазный реактор и датчики токов компенсатора также соединены с трехфазной сетью. Первый вход трехфазного автономного инвертора напряжения связан с источником реактивной мощности. Входы трехфазного датчика напряжения подключены к соответствующим фазам питающей сети, а его выходы соединены с соответствующими первыми входами первого блока прямого преобразования Парка. К соответствующим первым входам второго блока прямого преобразования Парка подключены выходы датчиков токов нагрузки. Первый выход первого блока прямого преобразования Парка соединен с входом третьего множителя, а также с вторым входом второго множителя и с первым входом второго делителя. Второй выход первого блока прямого преобразования Парка подключен к входам четвертого множителя, к второму входу первого множителя и к первому входу первого делителя. Первый и второй выходы второго блока прямого преобразования Парка соединены, соответственно, с первыми входами первого и второго множителей. Выход первого множителя подключен к входу отрицателя, выход которого подключен к первому входу первого сумматора. Выход второго множителя связан с вторым входом первого сумматора. Выход третьего и четвертого множителей подключены к первому и второму входам второго сумматора. Выход второго делителя связан через отрицатель с вторым входом пятого множителя. Выход первого делителя подключен к второму входу шестого множителя. Выход первого сумматора подключен к первым входам пятого и шестого множителя. Выходы шестого и пятого множителя соединены с первым и вторым входами блока обратного преобразования Парка, соответственно. Выходы блока обратного преобразования Парка, подключены к соответствующим инверсным входам трехфазного вычитателя. Выходы датчиков токов компенсатора соединены с прямыми входами трехфазного вычитателя. Выходы трехфазного вычитателя подключены к соответствующим входам блока управления трехфазным автономным инвертором напряжения, выход которого связан с вторым входом трехфазного автономного инвертора напряжения.

Устройство работает следующим образом. Сигналы питающих напряжений (u^* _А, u^* _B, u^* _C) и токов нагрузки (i^* _LA, i^* _LB, i^* _LC) с выходов трехфазного датчика напряжения и датчиков токов нагрузки подаются на входы соответствующих блоков прямого преобразования Парка. В этих блоках по величине этих сигналов рассчитываются значения проекций обобщенных векторов питающего напряжения (u_α, u_β) и тока нагрузки (i_Lα, i_Lβ) на вращающиеся оси координат αβ. По этим значениям с помощью первого и второго множителя, первого отрицателя и первого сумматора рассчитывается значение реактивной мощности нагрузки q согласно выражению:

По значению реактивной мощности нагрузки q и значениям проекций обобщенного вектора питающего напряжения (u_α, u_β) на вращающиеся оси αβ с помощью третьего, четвертого, пятого и шестого множителей, второго сумматора, второго отрицателя и делителей рассчитываются значения проекций обобщенного вектора тока компенсатора (i_kα, i_kβ) в соответствие с выражениями:

В блоке обратного преобразования Парка по сигналам проекций обобщенных векторов тока компенсатора (i_kα, i_kβ) вычисляются заданные значения токов компенсатора (i'_kA, i'_kB, i'_kC). С помощью трехфазного вычитателя значения заданных токов компенсатора (i'_kA, i'_kB, i'_kC) сравнивается с сигналами его текущих значений (i^* _kA, i^* _kB, i^* _kC). В соответствии с этой разностью в блоке управления автономным трехфазным инвертором напряжения формируются управляющие сигналы, которые с выхода блока управления автономным трехфазным инвертором напряжения подаются на второй вход трехфазного автономного инвертора напряжения, в котором за счет энергии источника реактивной мощности формируются токи компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC).

В случае низкого значения коэффициента мощности нагрузки K_M, вызванного фазовым сдвигом между токами нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) и питающим напряжением (u_А, u_B, u_C), по величине этих сигналов, поступающих на входы соответствующих блоков прямого преобразования Парка, вычисляется значение реактивной мощности q потребляемой нагрузкой. По значению реактивной мощности q и значениям проекций обобщенного вектора напряжения питающей сети (u_α, u_β) рассчитываются значения проекций обобщенного вектора тока компенсатора (i_kα, i_kβ). В блоке обратного преобразования Парка формируется сигналы заданного значения токов компенсатора (i'_kA, i'_kB, i'_kC), определяемые только реактивной мощностью нагрузки q. Сигналы текущего (i^* _kA, i^* _kB, i^* _kC) и заданного значений (i'_kА, i'_kB, i'_kC) токов компенсатора сравниваются с помощью трехфазного вычитателя, после чего в зависимости от соотношения этих сигналов происходит управление блоком автономного инвертора напряжения. Управление этим блоком заключается в формировании токов компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC), которые, протекая в противофазе с индуктивными составляющими токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC), компенсируют реактивную мощности нагрузки q и тем самым осуществляют приближение фаз потребляемых токов (i_А, i_B, i_C) к питающему напряжению (u_А, u_B, u_C). Таким образом осуществляется компенсация реактивной мощности нагрузки q (повышение коэффициента мощности), при уменьшении коэффициента мощности, вызванного фазовым сдвигом между токами нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) и питающим напряжением (u_А, u_B, u_C) как при номинальных токах нагрузки, так и при отклонении токов нагрузки от номинальных значений.

При уменьшении коэффициента мощности нагрузки K_M, вызванного искажением формы токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) и питающего напряжения (u_А, u_B, u_C), происходит изменение значений сигналов токов нагрузки (i^* _LA, i^* _LB, i^* _LC) и питающего напряжения (u^* _А, u^* _B, u^* _C), т.е. в форме этих сигналов появляются составляющие высших гармоник. В результате этого на выходе блоков прямого преобразования Парка изменяются вычисленные значения проекций обобщенных векторов питающего напряжения и токов нагрузки, которые также имеют гармонические составляющие. По этим значениям рассчитывается величина реактивной мощности нагрузки q согласно выражению (3).

Допустим что, питающие напряжения (u_А, u_B, u_C) и токи нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) содержат составляющие первой (основной) и третьей гармоник. Тогда значение реактивной мощности нагрузки, рассчитанное по выражению (3), примет вид:

где q¹ - реактивная мощность основной гармоники нагрузки,

q³ - реактивная мощность третьей (высшей) гармоники нагрузки,

- дополнительная составляющая реактивной мощности нагрузки.

В общем случае при несинусоидальной нагрузке значение реактивной мощности нагрузки q, рассчитанное по формуле (3), примет вид:

- суммарная реактивная мощность высших гармоник нагрузки,

q_д - дополнительная составляющая реактивной мощности нагрузки.

Из выражения (6) следует, что известное устройство для компенсации реактивной мощности не в полной мере компенсирует реактивную мощность нагрузки поскольку при вычислении реактивной мощности нагрузки не учитывается дополнительная составляющая мощности нагрузки q_д. Соответственно, токи компенсатора (i_kА, i_kB, i_kC), определяемые рассчитанной реактивной мощностью нагрузки q, при сложении с токами нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) не полностью компенсируют высшие гармонические составляющие этих токов.

Таким образом, достоинством известного устройства является высокий коэффициент мощности K_M при номинальных значениях токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC), а также при отклонении токов нагрузки от номинальных значений. Это обусловлено полной компенсацией реактивной мощности нагрузки q за счет приближения фаз питающих токов (i_А, i_B, i_C) к питающему напряжению (u_А, u_B, u_C).

Недостаток известного трехфазного компенсатора реактивной мощности заключается в недостаточно высоком коэффициенте мощности K_M при искажение формы токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) и питающего напряжения (u_А, u_B, u_C), вызванного наличием в их форме гармонических составляющих. Это обусловлено тем, что искажение формы токов нагрузки (i_LА, i_LB, i_LC) и питающего напряжения (u_А, u_B, u_C) приводит к появлению дополнительной составляющей q_д реактивной мощности нагрузки q рассчитанной по выражению (3. В результате этого, сформированные токи компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC), определяемые рассчитанной реактивной мощностью нагрузки q, не полностью компенсируют гармонические составляющие несинусоидальных токов нагрузки (i_LA, i_LB,i_LC). Из-за этого потребляемые токи (i_А, i_B, i_C) сохраняют свою несинусоидальную форму. В результате этого происходит уменьшение коэффициента мощности K_M за счет снижения коэффициента искажения формы кривой потребляемого тока ν.

В основу изобретения положена задача, заключающаяся в разработке трехфазного компенсатора реактивной мощности, в котором обеспечивается достижение высокого значения коэффициента мощности нагрузки K_M при его уменьшении, вызванного фазовым сдвигом между токами нагрузки (i_LА, i_LB, i_LC) и питающим напряжением (u_А, u_B, u_C) как при номинальных токах нагрузки, так и при отклонении токов нагрузки от номинальных значений, а также искажением формы токов нагрузки (i_LА,i_LB, i_LC) и питающего напряжения (u_А, u_B, u_C), вызванного наличием в них гармонических составляющих.

Для решения поставленной задачи в известном трехфазном компенсаторе реактивной мощности, содержащем трехфазную нагрузку, трехфазный реактор, трехфазный автономный инвертор напряжения, источник реактивной мощности, датчик трехфазного напряжения, три датчика токов нагрузки, три датчика токов компенсатора, систему управления, включающую в себя два блока прямого преобразования Парка, блок обратного преобразования Парка, трехфазный вычитатель, блок управления трехфазным автономным инвертором напряжения, при этом трехфазная нагрузка подключена к питающей сети через датчики токов нагрузки, соответствующие выходы трехфазного автономного инвертора напряжения через последовательно соединенные трехфазный реактор и датчики токов компенсатора также подключены к питающей сети, первый вход трехфазного автономного инвертора напряжения подключен к источнику реактивной мощности, входы датчиков напряжения подключены к фазам питающей сети, а их выходы соединены с соответствующими первыми входами первого блока прямого преобразования Парка, к соответствующим первым входам второго блока прямого преобразования Парка, подключены выходы датчиков токов нагрузки, выход блока управления трехфазным автономным инвертором напряжения подключен к второму входу трехфазного автономного инвертора напряжения, входы блока управления трехфазным автономным инвертором напряжения подключены к выходам трехфазного вычитателя, первые входы которого подключены к выходам датчиков токов компенсатора, согласно изобретению, в систему управления дополнительно введены третий блок прямого преобразования Парка, второй блок обратного преобразования Парка, три фильтра низких частот, PI регулятор, второй трехфазный вычитатель, при этом первый и второй выходы первого блока прямого преобразования Парка подключены через фильтры низких частот, соответственно, к первому и второму входу первого блока обратного преобразования Парка, выходы которого присоединены к соответствующим первым входам третьего блока прямого преобразования Парка, второй выход которого подключен к входу PI регулятора, выход PI регулятора подключен к вторым входам второго и третьего блока прямого преобразования Парка и к входам второго блока обратного преобразования Парка, выходы которого подключены к соответствующим инверсным входам первого трехфазного вычитателя, первый выход второго блока прямого преобразования Парка через фильтр низких частот подключен к первому входу второго блока обратного преобразования Парка, прямые входы первого трехфазного вычитателя подключены к выходам датчиков токов нагрузки, выходы первого трехфазного вычитателя подключены к соответствующим инверсным входам второго трехфазного вычитателя.

Введение в трехфазный компенсатор реактивной мощности новых блоков и образование новых взаимосвязей между блоками устройства являются существенными отличительными признаками и свидетельствуют о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Введение в трехфазный компенсатор реактивной мощности совокупности новых блоков: блока прямого преобразования Парка, блока обратного преобразования Парка, трех фильтров низких частот, PI регулятор, трехфазный вычитатель и новые взаимосвязи блоков обеспечивают достижение высокого значения коэффициента мощности нагрузки K_M при его уменьшении, вызванного фазовым сдвигом между токами нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) и питающим напряжением (u_А, u_В, u_C) как при номинальных токах нагрузки, так и при отклонении токов нагрузки от номинальных значений, а также искажением формы токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) и питающего напряжения (u_А, u_В, u_C), вызванного наличием в них гармонических составляющих.

Достижение высокого значения коэффициента мощности нагрузки K_M обусловлено тем, что направленные противофазно высшим гармоническим составляющим и реактивным составляющим токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) токи компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC) компенсирует их, что приводит к одновременному приближению потребляемых токов (i_A, i_B, i_C) к синусоидальной форме и приближению их фаз к питающему напряжению (u_А, u_B, u_C). Это, в свою очередь, увеличивает коэффициент мощности K_M за счет увеличения cosϕ и коэффициента искажения формы кривой потребляемого тока υ.

Причинно-следственная связь «Введение в трехфазный компенсатор реактивной мощности совокупности новых блоков: блока прямого преобразования Парка, блока обратного преобразования Парка, трех фильтров низких частот, PI регулятор, трехфазный вычитатель и новые взаимосвязи блоков обеспечивают достижение высокого значения коэффициента мощности нагрузки K_M при его уменьшении, вызванного фазовым сдвигом между токами нагрузки (i_LA, i_LB,i_LC) и питающим напряжением (u_А, u_в, u_C) как при номинальных токах нагрузки, так и при отклонении токов нагрузки от номинальных значений, а также искажением формы токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) и питающего напряжения (u_А, u_B, u_C), вызванного наличием в них гармонических составляющих», не обнаружена в уровне техники, следовательно, она явным образом не следует из уровня техники. Следовательно, она является новой и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

На фиг представлена схема трехфазного компенсатора реактивной мощности.

Трехфазный компенсатор реактивной мощности содержит трехфазную нагрузку 1, систему управления 2, трехфазный датчик напряжения 3, датчики токов нагрузки 4 и компенсатора 5, трехфазный реактор 6, трехфазный автономный инвертор напряжения 7, источник реактивной мощности 8.

Система управления 2 включает в себя блоки прямого преобразования Парка 9, 10, 11, фильтры низких частот 12, 13, 14, блоки обратного преобразования Парка 15, 16, PI регулятор 17, трехфазные вычитатели 18, 19 и блок управления автономным инвертором напряжения 20.

Питающая сеть представлена генератором, включенным последовательно с трехфазной линией, имеющей активно индуктивный характер сопротивления.

Трехфазная нагрузка 1 подключена к питающей сети через датчики токов нагрузки 4. Соответствующие выходы трехфазного автономного инвертора напряжения 7 через последовательно соединенные трехфазный реактор 6 и датчики токов компенсатора 5 также подключены к питающей сети. Вход цепи постоянного тока трехфазного автономного инвертора напряжения 7 подключен к источнику реактивной мощности 8. Входы датчиков напряжения 3 подключены к фазам питающей сети, а их выходы соединены с соответствующими первыми входами первого блока прямого преобразования Парка 9, которые являются первыми входами системы управления. К соответствующим первым входам второго блока прямого преобразования Парка 11, которые являются вторыми входами системы управления, подключены выходы датчиков токов нагрузки 4. Выход блока управления трехфазным автономным инвертором напряжения 20, являются выходом системы управления который подключен к входу цепи управления трехфазного автономного инвертора напряжения 7. Входы блока управления трехфазным автономным инвертором напряжения 20 подключены к выходам второго трехфазного вычитателя 19, первые входы которого является третьими входами системы управления и подключены к выходам датчиков токов компенсатора 5. Первый и второй выходы первого блока прямого преобразования Парка 9 подключены через фильтры низких частот 12, 13, соответственно, к первому и второму входу первого блока обратного преобразования Парка 15, выходы которого присоединены к соответствующим первым входам третьего блока прямого преобразования Парка 10, второй выход которого подключен к входу PI регулятора 17. Выход PI регулятора 17 подключен к вторым входам второго 11 и третьего 10 блока прямого преобразования Парка и второго блока обратного преобразования Парка 16, выходы которого подключены к соответствующим инверсным входам первого трехфазного вычитателя 18. Первый выход второго блока прямого преобразования Парка 11 через фильтр низких частот 14 подключен к первому входу второго блока обратного преобразования Парка 16. Прямые входы первого трехфазного вычитателя 18 подключены к выходам датчиков токов нагрузки 4, выходы первого трехфазного вычитателя 18 подключены к соответствующим инверсным входам второго трехфазного вычитателя 19.

Трехфазный компенсатор реактивной мощности работает следующим образом.

Сигналы питающего напряжения (u^* _А, u^* _B, u^* _C) подаются на входы первого блока прямого преобразования Парка, в котором по величине этих сигналов рассчитываются значения проекций обобщенного вектора напряжения (u_α, u_β) на вращающиеся оси координат αβ. С помощью фильтра низких частот из этих сигналов выделяются постоянные составляющие проекций напряжения

на вращающиеся оси, которые подаются на входы первого блока обратного преобразования Парка, на выходе которого формируются сигналы, соответствующие прямой последовательности напряжений основной частоты

Эти сигналы подаются на третий блок прямого преобразования Парка, на выходах которого формируются сигналы проекций обобщенного вектора прямой последовательности напряжений основной частоты

на вращающиеся оси αβ. Сигнал проекции обобщенного вектора прямой последовательности напряжений основной частоты

на вращающуюся ось β подается на вход PI регулятора в котором в зависимости от величины этого сигнала рассчитываются значение фазового угла θ, добавляемого к фазе вращающейся системы координат. За счет этого происходит фазовая автоподстройка вращающейся системы координат αβ и обобщенного вектора прямой последовательности напряжений основной частоты

, в результате чего определяется фаза прямой последовательности напряжений основной частоты

Значение угла

подается на вторые блоки прямого и обратного преобразования Парка. В втором блоке прямого преобразования Парка рассчитываются значения проекций обобщенного вектора тока нагрузки (i_Lα, i_Lβ) на вращающиеся оси. Значение сигнала проекции на вращающуюся ось α обобщенного вектора тока нагрузки i_Lα подается на вход фильтра низких частот, где выделяется постоянная составляющая проекции на эту ось

. На выходе второго блока обратного преобразования Парка по величине постоянной составляющей проекции тока нагрузки

на вращающуюся ось α и значению

фазы прямой последовательности напряжений основной частоты формируются сигналы соответствующие заданному значению потребляемых токов (i'_A, i'_B, i'_C). Эти сигналы пропорциональны активной мощности нагрузки p и совпадают по фазе с прямой последовательностью напряжений основной частоты

На выходе первого трехфазного вычитателя формируются сигналы заданного значения токов компенсатора (i'_kA, i'_kB, i'_kС), обеспечивающие приближение фаз потребляемых токов (i_A, i_B, i_C) к фазам питающего напряжения (u_А, u_B, u_C), а также улучшение формы потребляемых токов (i_А, i_B, i_C). С помощью второго трехфазного вычитателя заданное значение токов компенсатора (i'_kA, i'_kB, i'_kС) сравнивается с сигналами их текущих значений (i^* _kA, i^* _kB, i^* _kС). В соответствии с этой разностью в блоке управления автономным трехфазным инвертором напряжения формируются управляющие сигналы, которые с выхода блока управления трехфазным автономным инвертором напряжения подаются на вход цепи управления трехфазного автономного инвертора напряжения, в котором за счет энергии источника реактивной мощности формируются токи компенсатора (i_kA, i_kB, i_kC).

При уменьшении коэффициента мощности, вызванного фазовым сдвигом между токами нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) и питающим напряжением (u_А, u_B, u_C), а также искажением формы токов нагрузки (i_LA, i_LB, i_LC) и питающего напряжения (u_А, u_B, u_C), происходит изменение значений сигналов токов нагрузки (i^* _LA, i^* _LB, i^* _LC) и питающих напряжений (u^* _А, u^* _B, u^* _C), поступающих на входы блоков прямого преобразования Парка. В этих сигналах появляются реактивные составляющие и составляющие высших гармоник. На выходе этих блоков изменяются вычисленные значения проекций обобщенных векторов напряжения (u_α, u_β) и токов нагрузки (i_Lα, i_Lβ) на вращающиеся оси αβ.

Однако постоянные составляющие этих проекций

остаются неизменными. За счет этого остаются неизменными рассчитанные значение

фазы прямой последовательности напряжений основной частоты и постоянная составляющая проекции обобщенного вектора тока нагрузки

на вращающуюся ось α. В результате этого, на выходе второго блока обратного преобразования Парка формируются сигналы, пропорциональные активной мощности нагрузки p и совпадающие по фазе с прямой последовательностью напряжений основной частоты

что соответствует заданным значениям потребляемых токов (i'_А, i'_B, i'_C). Заданные значения токов компенсатора (i'_kA, i'_kB, i'_kC) определяются как разность между заданными значениями потребляемых токов (i'_A, i'_B, i'_C) и значениями сигналов токов нагрузки (i^* _LA, i^* _LB, i^* _LC). Сигналы текущего (i^* _kA, i^* _kB, i_kC) и заданного (i'_kA, i'_kB, i'_kC) значений токов компенсатора сравниваются с помощью трехфазного вычитателя. Полученная разность подается на блок управления трехфазным автономным инвертором напряжения. В зависимости от ее величины в блоке управления трехфазным автономным инвертором напряжения формируются сигналы для управления трехфазным автономным инвертором напряжения. Управление трехфазным автономным инвертором напряжения заключается в формировании токов компенсатора (i_kА, i_kB, i_kC), которые складываясь с токами нагрузки (i_LA,i_LB, i_LC), формируют синусоидальные потребляемые токи (i_A, i_B, i_C), тем самым осуществляют приближение фазы потребляемых токов (i_A, i_B, i_C) к фазе питающего напряжения (u_А, u_B, u_C).

Так осуществляется полная компенсации реактивной мощности нагрузки q, а также приближение формы потребляемых токов (i_A, i_B, i_C) и питающих напряжений (u_А, u_B, u_C) к синусоидальной, что в целом приводит к высокому значению коэффициента мощности нагрузки K_M.

Опытный образец трехфазного компенсатора реактивной мощности испытан в электроаппаратном цехе депо Белогорск Забайкальской железной дороги. Испытания показали, что коэффициент мощности потребителя цеха составляет 0,998 при различных режимах (токах) нагрузки потребителей, превышая на 3% этот показатель по сравнению с прототипом.

Claims

Трехфазный компенсатор реактивной мощности, содержащий трехфазную нагрузку, трехфазный реактор, трехфазный автономный инвертор напряжения, источник реактивной мощности, трехфазный датчик напряжения, три датчика токов нагрузки, три датчика токов компенсатора, систему управления, включающую в себя два блока прямого преобразования Парка, блок обратного преобразования Парка, трехфазный вычитатель, блок управления трехфазным автономным инвертором напряжения, при этом трехфазная нагрузка подключена к трехфазной сети через датчики токов нагрузки, соответствующие выходы трехфазного автономного инвертора напряжения через последовательно соединенные трехфазный реактор и датчики токов компенсатора также подключены к питающей сети, вход цепи постоянного тока трехфазного автономного инвертора напряжения подключен к источнику реактивной мощности, входы датчиков напряжения подключены к фазам питающей сети напряжения, а их выходы соединены с соответствующими первыми входами первого блока прямого преобразования Парка, к соответствующим первым входам второго блока прямого преобразования Парка подключены выходы датчиков токов нагрузки, выход блока управления трехфазным автономным инвертором напряжения подключен к входу цепи управления трехфазного автономного инвертора напряжения, входы блока управления трехфазным автономным инвертором напряжения подключены к выходам трехфазного вычитателя, прямые входы которого подключены к выходам датчиков токов компенсатора, отличающийся тем, что в системе управления дополнительно введены третий блок прямого преобразования Парка, второй блок обратного преобразования Парка, три фильтра низких частот, PI регулятор, второй трехфазный вычитатель, при этом первый и второй выходы первого блока прямого преобразования Парка подключены через фильтры низких частот соответственно к первому и второму входам первого блока обратного преобразования Парка, выходы которого присоединены к соответствующим первым входам третьего блока прямого преобразования Парка, второй выход которого подключен к входу PI регулятора, выход PI регулятора подключен к вторым входам второго и третьего блока прямого преобразования Парка и второго блока обратного преобразования Парка, выходы которого подключены к соответствующим инверсным входам первого трехфазного вычитателя, первый выход второго блока прямого преобразования Парка через фильтр низких частот подключен к первому входу второго блока обратного преобразования Парка, прямые входы первого трехфазного вычитателя подключены к выходам датчиков токов нагрузки, выходы первого трехфазного вычитателя подключены к соответствующим инверсным входам второго трехфазного вычитателя.