Спосіб компенсації реактивних струмів основної гармоніки і вищих гармонік у схемах з керованими вентилями

Винахід відноситься до електротехніки і електроенергетики (за МПК клас Н02 - виробництво, перетворення і розподіл електричної енергії). Як відомо, наявність в електричному колі активних нелінійних елементів спричинюють появу у гілках кола струмів, гармоніки яких мають фазовий зсув на p / 2 радіан по відношенню до гармонік прикладених напруг, подібно як це спричинюють реактивні елементи кіл: індуктивності, ємності [1]. Найхарактернішим прикладом можна назвати керований вентиль (тиристор): перша гармоніка струму у гілці із тиристором при деяких часових розташуваннях на періоді керуючого імпульсу, що відкриває тиристор, може мати часове запізнення по відношенню до першої гармоніки прикладеної до тиристора напруги на кут a < p / 2 , тобто може мати у своєму складі реактивний струм індуктивного характеру. Наявність у струмах гілок навантаження реактивних струмів приводить до росту діючих значень струмів, і це зумовлює ріст втрат електричної енергії, зокрема - у лініях передач і генераторах. Тому реактивні струми намагаються компенсувати у місцях їх виникнення. Класичним компенсатором реактивних струмів індуктивного характеру служить ємність. Відомий спосіб компенсації у електричних мережах реактивних струмів за допомогою під'єднаних паралельно до навантаження конденсаторів [2, 3]. Суть його полягає в тому, що конденсатор генерує реактивну потужність, величина якої залежить від ємності конденсаторної батареї і напруги на ній, а ємнісний реактивний струм компенсує реактивний струм індуктивного характеру. Це призводить до зменшення діючого значення струму у лінії пересилання. Регулювання потужності конденсаторної батареї відбувається за інтегральними величинами (напруги, струму тощо) або просто за певним часовим графіком [4]. Керування величиною генерованої конденсаторами реактивні потужності може здійснюватись як за допомогою релейно-комутаційної апаратури, так і безконтактних електронних пристроїв. Такий спосіб компенсації реактивних струмів є ефективним за умови синусоїдної напруги та струму. При наявності в схемі керованих напівпровідникових елементів, зокрема тиристорів, струм навантаження має несинусоїдний характер, а його перша і вищі гармоніки мають зсув за фазою по відношенню до прикладеної напруги. Вмикання батареї конденсаторів на весь період Т основної гармоніки виявляється мало ефективним, бо він компенсує тільки реактивний струм основної гармоніки і не компенсує струмів вищих гармонік. Близьким до запропонованого винаходу є спосіб компенсації реактивної потужності, згідно з яким вимірюють миттєві значення напруги живлення і струму навантаження, інтегрують їх на інтервалі часу, який дорівнює періоду напруги живлення [5] або визначається за моментами переходу через нуль напруги і струму [б], і за їх значеннями визначають величину необхідної реактивної потужності конденсаторів. Проте у цьому випадку конденсатори під'єднані до кола на весь період Т основної гармоніки. Компенсація реактивних струмів за допомогою конденсаторів є ефективною, якщо у мережі є малою присутність вищих гармонік струмів і якщо реактивні струми породжуються тільки лінійними індуктивностями. Якщо ж реактивні струми породжуються нелінійними активними елементами, зокрема - тиристорами, то їх компенсація за допомогою постійно під'єднаної ємності є мало ефективною, тому що ємність в основному компенсує реактивний струм тільки основної гармоніки. Для збільшення компенсуючої здатності конденсатора при наявності вищих гармонік струму нами пропонується послідовно з ним з'єднувати електронний ключ. Призначення електронного ключа - вмикати і вимикати компенсаційну гілку у задані моменти часу на кожному періоді, тобто під'єднувати конденсатор до схеми тільки на певну частину кожного періоду. Момент ввімкнення задається кутом b від початку періоду (чи іншої фіксованої часової точки на періоді) і тривалість ввімкненого стану - кутом Db . Якщо b = 0 і Db =0, то компенсаційна гілка з конденсатором на кожному періоді є не ввімкнутою (розрив гілки). Якщо b = 0 і Db = 2 p , то гілка є ввімкнутою на повну тривалість кожного періоду (повне ввімкнення). При інших значеннях b і Db гілка є ввімкнутою лише впродовж частки Db кожного періоду (часткове ввімкнення). Пропонований спосіб збільшення компенсаційної здатності конденсатора при наявності вищих гармонік струму підтвердили проведені нами розрахунки усталених періодичних режимів по відношенню до схеми, показаної на фіг.1. На цій схемі позначено: Rg і Lg - лінійні активний опір і індуктивність генераторної гілки; e =E m cos wt - напруга генератора з частотою w ; Т - керований вентиль (тиристор); RH - лінійний активний опір навантаження; С - ємність для компенсування реактивного струму, згенерованого тиристором; ЕК - електронний ключ. У розрахунках були прийняті незмінними такі значення: Rg=0,05 Ом; Lg=0,0005Гн; RH=5Ом; Еm=100В. У провідному стані значення опору тиристора і електронного ключа приймалися рівними 0,005Ом і у непровідному стані - 2000Ом. Кут запалювання тиристора приймався рівним a =0 рад., тобто тиристор перемикався у провідний стан у момент одержання напругою генератора максимального значення. Результати розрахунків зведені у таблицю 1. Таблиця 1 № реж. 1 2 3 4 С, Ф-10-3 0,1 0,1 0,1 0,23 b ,рад. Db , рад. 0 0 4,7 4,7 0 in 3,1 3,1 I g0, A 2,95 2,95 2,95 2,95 I gc1, A 4,63 4,59 4,58 4,63 I gs1, A 3,16 0,03 1,84 0,18 I g, A 6,68 6,33 6,10 5,83 I K.A 0 2,22 1,44 3,28 У цій таблиці наведені значення ємності конденсатора С, кутів b і Db , що вважаються заданими для розглядуваного режиму, і одержані при цьому значення постійної складової I g0, косинусної амплітуди I gc1 і синусної амплітуди I gs1, першої (основної) гармоніки струму ig генераторної гілки, діюче значення I g струму цієї гілки і діюче значення I K.струму гілки компенсації. Режим №1 (див. таблицю) відповідає вимкнутій гілці компенсації b = 0 і Db =0, тобто електронний ключ у вимкнутому стані, впродовж кожного періоду його опір постійний і максимальний). У цьому режимі струм генераторної гілки дорівнює струмові навантаження. Оскільки генераторна напруга є чистою косинусоїдою, то I gs1 є амплітудою реактивного струму основної гармоніки індуктивного характеру. У цьому режимі амплітуда реактивного струму I gs1=3,16 А, або 56% від амплітуди першої гармоніки струму. У режимі № 2 ( b = 0 і Db = 2 p , тобто електронний ключ на постійно є у ввімкнутому стані, і впродовж кожного періоду його опір постійний і мінімальний), що є режимом повного ввімкнення компенсаційної гілки, при заданому значенні ємності С=0,1.10-3 Ф ємнісний струм компенсаційної гілки майже повністю компенсує згенерований керованим вентилем реактивний струм основної гармоніки (I gs1=0,03А, тобто близько до нуля). Але при цьому діюче значення струму генераторної гілки I g=6,33А є меншим від аналогічного струму у режимі № 1 тільки на 5,2%, тобто компенсуючий ефект конденсатора у цьому випадку є незначним. Це пояснюється тим, що тиристор генерує не тільки реактивний струм основної гармоніки, але і вищі гармоніки струму. Конденсатор же, ввімкнений паралельно до джерела живлення, компенсує реактивний струм тільки основної гармоніки. Пропозиція вмикати послідовно з конденсатором електронний ключ для збільшення компенсуючої здатності конденсатора підтверджена розрахованим режимом №3. У режимі №3 (див. таблицю) при такому ж значенні ємності компенсуюча гілка з конденсатором за допомогою електронного ключа під'єднувалася до схеми на кожному періоді тільки протягом проміжку 3,1 радіан, віддаленого від початку періоду на 4,7 радіан. Хоч при цьому конденсатор компенсує лише частково першу гармоніку реактивного струму гілки навантаження (I gs1=1,84А), тому що під'єднаний до схеми не на всю тривалість періоду, проте діюче значення струму генераторної гілки зменшилось до I g=6,10А, що є меншим від цього струму у режимі №1 уже на 8,6%, тобто при цьому досягнуто більшого компенсуючого ефекту, бо тепер уже завдяки заданому способу підключення конденсатора він компенсує реактивний струм не тільки основної гармоніки, але і вищих гармонік. При цьому також досягається зменшення діючого значення струму компенсаційної гілки, тобто струму, що протікає через конденсатор, від 2,22А до 1,44А, тобто на 35%, що еквівалентне зменшенню встановленої потужності конденсатора на 35%. У режимі №4 при тих же значеннях b і Db , прийнято більше значення ємності С=0,23.10-3 Ф, чим досягнуто ще більшого компенсуючого ефекту - діюче значення струму генераторної гілки порівняно із режимом №1 зменшилося на 12,7%. Для максимальної компенсації реактивних струмів і мінімізації діючого значення струму генераторної гілки для кожного часового положення керуючого імпульсу вентиля необхідно шукати значення С, b і Db . На фіг.2, 3 і 4 показані розрахункові залежності миттєвих значень струмів гілок для періодичних режимів №№2, 3 і 4, відповідно. На фіг.5 показана залежність опору електронного ключа на періоді у режимах 3 і 4. Все, викладене вище, підтверджує, що для компенсації породжуваних тиристором реактивних струмів основної гармоніки і вищих гармонік одного лише конденсатора недостатньо. Більшого ефекту досягається, якщо за допомогою електронного ключа конденсатор у цій схемі під'єднувати не на весь період, а тільки на його певну частку. Тим самим деякі породжувані не лінійністю вольт-амперної характеристики тиристора ефекти, а саме генерація ним реактивного струму основної гармоніки і вищих гармонік струмів, компенсуються введенням додаткового нелінійного елемента - електронного ключа, який під'єднує конденсатор до схеми тільки на потрібну частку періоду основної гармоніки. Тривалість цієї частини періоду під'єднання конденсатора і її розташування відносно початку періоду чи іншої точки відліку на періоді є функціями від кутової координати імпульсу відкриття керованого вентиля і параметрів його навантаження. Література 1. Бессонов Л.А. Нелинейные электрические цепи. - М.: Высшая школа, 1977. - 343с. .. 2. Буслова Н.В., Винославский В.Н., Денисенко Г.И., Перхач B.C. Электрические системы и сети: Учебник /Под ред. Г.И.Денисенко. - К.: Вища школа, 1986. - 584с. 3. Баланс энергий в электрических цепях/Тонкаль В.Е., Новосельцев А.В., Денисюк С.П., Жуйков В.Е., Стрелков М.Т., Яценко Ю.А. - К.: Наукова думка, 1992. - 312с. 4. Красник В.В. Автоматические устройства по компенсации реактивной мощности в электросетях предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 136с. 5. Способ компенсации обменной мощности в электрической системе: А.с. 1525771 СССР, МКИ Н02J3/18./ В.Е.Тонкаль, В.Я.Жуйков, С.П.Денисюк, Ю.А.Яценко (СССР). - №4268979/24-07; Заявл. 29.06.87; Опубл. 30.11.89, Бюл. №44. - С.224. 6. Способ компенсации обменной и реактивной мощности А.с. 1480014 СССР, МКИ Н02J3/18. / В.Е.Тонкаль, В.Я.Жуйков, С.П.Денисюк (СССР). - №4139313/24-07; Заявл. 27.10.86; Опубл. 15.05.89, Бюл. №18. - С.216.