Пристрій коригування показників якості електроенергії

Реферат: Винахід належить до області електротехніки і може бути використаний для коригування показників якості електроенергії розподільних мереж. Пристрій коригування показників якості електроенергії за рахунок усунення несиметричних режимів роботи, заглушення вищих гармонік і компенсації реактивної потужності дозволяє зменшити несиметрію та рівень несинусоїдальності напруги і струму. UA 101521 C2 (12) UA 101521 C2 UA 101521 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для коригування показників якості електроенергії розподільних мереж за рахунок усунення несиметричних режимів роботи, заглушення вищих гармонік і компенсації реактивної потужності. Одними з показників якості електроенергії є несиметрія напруги та рівень несинусоїдальності напруги і струму. Наявність несиметрії напруги та вищих гармонік в мережі призводить до різних негативних наслідків: перегріву активних елементів та збільшення втрат в електричних машинах і апаратах, погіршення ізоляції, появі перенапруг внаслідок резонансних явищ в мережі, погіршення роботи пристроїв релейного захисту, автоматики і телемеханіки внаслідок появи високочастотних завад. Для усунення або зниження (у разі неможливості усунення) несинусоїдальності рекомендується раціональний розподіл навантажень або використання пристроїв коригування якості електроенергії. Якщо перше в умовах працюючого виробництва не завжди представляється можливим, то установка пристроїв коригування в більшості випадків вирішує цю проблему. Одним з шляхів коригування якості електроенергії є використання різних фільтрів: пасивних, активних (послідовних, паралельних, гібридних). Відомий (аналог) паралельний активний фільтр (див. Active power compensator of the current harmonics based on the instantaneous power theory. Marian Gaiceanu. The annals of "Dunarea de jos" university of Galati: electrotehnics, electronics, automatic control, informatics. Fascicle III, 2005. pp. 23-28.), що містить підключений до ланки постійного струму з накопичувальними конденсаторами інвертор напруги, виконаний на IGBT транзисторах із зворотними діодами, які включені паралельно виводам колектор-емітер, до виходу якого підключений інтерфейсний фільтр другого порядку, утворений дроселями, включеними між лінійними проводами мережі і виходами інвертора, і конденсаторами, включеними між лінійними і нульовими проводами, і системи управління, три входи якої з'єднані з датчиками струмів дроселів і навантаження і датчиками напруги, четвертий вхід підключений паралельно ланці постійного струму, а один з виходів - до управляючих електродів інвертора напруги. Недоліком цього паралельного активного фільтра є різке збільшення втрат в транзисторних ключах та відсутність можливості пофазного регулювання напруги. Найбільш близьким за технічною суттю (прототип) є пристрій корекції якості електроенергії (Патент України UA 93579, кл. Н03Н 11/04, Бюл. № 4, 2011 p.), що містить підключений до ланки постійного струму з накопичувальними конденсаторами інвертор напруги, виконаний на IGBT транзисторах із зворотними діодами, включеним паралельно їх виводам колектор-емітер, до якого підключений інтерфейсний фільтр другого порядку, утворений дроселями, включеними між лінійними проводами мережі і виходами інвертора, і конденсаторами, включеними між лінійними і нульовими проводами, і системи управління, три входи якої з'єднані з датчиками струмів дроселів і навантаження і датчиками напруги, четвертий вхід підключений паралельно ланці постійного струму, а один з виходів - до управляючих електродів інвертора напруги, паралельно ланці постійного струму з накопичувальними конденсаторами і інвертору напруги підключена лінійна ланка, виконана на польових транзисторах, виходи якої з'єднані з виходами дроселів інтерфейсного фільтра, а затвори польових транзисторів підключені до другого виходу системи управління. Недоліком пристрою є відсутність можливості пофазного регулювання напруги. Задача винаходу - розширення функціональних можливостей пристрою коригування показників якості електроенергії за рахунок можливості пофазного регулювання напруги. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрій, що містить підключений до ланки постійного струму з накопичувальними конденсаторами інвертор напруги, виконаний на IGBT транзисторах (Insulate Gate Bipolar Transistor - біполярний транзистор з ізольованим затвором) із зворотними діодами, включеними паралельно їх виводам колектор-емітер, до якого підключений інтерфейсний фільтр другого порядку, утворений дроселями, включеними між лінійними проводами мережі і виходами інвертора, і конденсаторами, включеними між лінійними і нульовими проводами, і системи керування, три входи якої сполучені з датчиками струмів дроселів і навантаження і датчиками напруги, четвертий вхід підключений паралельно ланці постійного струму, а один з виходів - до управляючих електродів інвертора напруги, паралельно ланці постійного струму з накопичувальними конденсаторами і інвертору напруги підключена лінійна ланка, виконана на польових транзисторах, виходи якої сполучені з виходами дроселів інтерфейсного фільтра, а затвори польових транзисторів підключені до другого виходу системи керування, додатково введено блок конденсаторів, вольтододатковий трансформатор з обмоткою збудження та з послідовною обмоткою та двадцять один семістор, причому конденсатори, включені між лінійними і нульовими проводами перед вольтододатковим 1 UA 101521 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 трансформатором, входи п'ятого, шостого, сьомого та восьмого семісторів з'єднані з відгалуженнями обмотки збудження фази А вольтододаткового трансформатора, входи одинадцятого, дванадцятого, тринадцятого та чотирнадцятого семісторів з'єднані з відгалуженнями обмотки збудження фази В вольтододаткового трансформатора, входи сімнадцятого, вісімнадцятого, дев'ятнадцятого та двадцятого семісторів з'єднані з відгалуженнями обмотки збудження фази С вольтододаткового трансформатора, виходи семісторів з'єднані у спільну точку, керуючі електроди семісторів приєднані до системи керування (СК), вхід першого семістора з'єднано з входами шістнадцятого та двадцять першого семісторів, вихід першого семістора з'єднаний з послідовною обмоткою фази А вольтододаткового трансформатора, вихід шістнадцятого семістора з'єднано з входом сімнадцятого семістора, вихід двадцять першого семістора з'єднано з входом двадцятого семістора, вхід другого семістора з'єднано з входами десятого та п'ятнадцятого семісторів, вихід другого семістора з'єднаний з послідовною обмоткою фази В вольтододаткового трансформатора, вихід десятого семістора з'єднано з входом одинадцятого семістора, вихід п'ятнадцятого семістора з'єднано з входом чотирнадцятого семістора, вхід третього семістора з'єднано з входами четвертого та дев'ятого семісторів, вихід третього семістора з'єднаний з послідовною обмоткою фази С вольтододаткового трансформатора, вихід четвертого семістора з'єднано з входом п'ятого семістора, вихід дев'ятого семістора з'єднано з входом восьмого семістора, керуючі електроди першого, другого, третього, четвертого, дев'ятого, десятого, п'ятнадцятого, шістнадцятого, двадцять першого семісторів з'єднані з системою керування. Введення вказаних ознак дозволяє розширити функціональні можливості пристрою за рахунок можливості пофазного регулювання напруги. Суть винаходу є розширення функціональних можливостей пристрою. Це досягається за рахунок можливості пофазного регулювання напруги. На кресл. представлена структурна схема запропонованого пристрою коригування показників якості електроенергії, де VS1-VS21 - семістори, С1-С6 - блок конденсаторів, СК система керування, VD1-VD6 - транзистори із зворотними діодами, VT1-VT6 - виводи колекторемітер транзисторів, VT7-VT12 - блок польових транзисторів, L1-L3 - блок дроселів, С7, С8 блок накопичувальних конденсаторів, RS1-RS6 - датчики струму, ДН1-ДН4 - датчики напруги. Підключений до ланки постійного струму з накопичувальними конденсаторами С7, С8 інвертор напруги, виконаний на IGBT транзисторах із зворотними діодами VD1-VD6, включеним паралельно їх виводам колектор-емітер VT1-VT6, до якого підключений інтерфейсний фільтр другого порядку, утворений дроселями L1-L3, включеними між лінійними проводами мережі і виходами інвертора, і конденсаторами С1-С3, включеними між лінійними і нульовими проводами, і системи керування СК, три входи якої з'єднані з датчиками струмів дроселів RS1RS3, навантаження RS4-RS5 і датчиками напруги ДН1-ДН4, четвертий вхід підключений паралельно ланці постійного струму, а один з виходів - до управляючих електродів інвертора напруги, паралельно ланці постійного струму з накопичувальними конденсаторами С7, С8 і інвертору напруги підключена лінійна ланка, виконана на польових транзисторах VT7-VT12, виходи якої з'єднані з виходами дроселів інтерфейсного фільтру, а затвори польових транзисторів VT7-VT12 підключені до другого виходу системи керування СК, конденсатори С4С6 включені між лінійними і нульовими проводами перед вольтододатковим трансформатором, входи п'ятого VS5, шостого VS6, сьомого VS7 та восьмого VS8 семісторів з'єднані з відгалуженнями обмотки збудження фази А вольтододаткового трансформатора, входи одинадцятого VS11, дванадцятого VS12, тринадцятого VS13 та чотирнадцятого VS14 семісторів з'єднані з відгалуженнями обмотки збудження фази В вольтододаткового трансформатора, входи сімнадцятого VS17, вісімнадцятого VS18, дев'ятнадцятого VS19 та двадцятого VS20 семісторів з'єднані з відгалуженнями обмотки збудження фази С вольтододаткового трансформатора, виходи семісторів з'єднані у спільну точку, керуючі електроди семісторів приєднані до СК, вхід першого VS1 семістора з'єднано з входами шістнадцятого VS16 та двадцять першого VS 21 семісторів, вихід першого VS1 семістора з'єднаний з послідовною обмоткою фази А вольтододаткового трансформатора, вихід шістнадцятого VS16 семістора з'єднано з входом сімнадцятого VS17 семістора, вихід двадцять першого VS21 семістора з'єднано з входом двадцятого VS20 семістора, вхід другого VS2 семістора з'єднано з входами десятого VS10 та п'ятнадцятого VS15 семісторів, вихід другого VS2 семістора з'єднаний з послідовною обмоткою фази В вольтододаткового трансформатора, вихід десятого VS10 семістора з'єднано з входом одинадцятого VS11 семістора, вихід п'ятнадцятого VS15 семістора з'єднано з входом чотирнадцятого VS14 семістора, вхід третього VS3 семістора з'єднано з входами четвертого VS4 та дев'ятого VS9 семісторів, вихід третього VS3 семістора з'єднаний з послідовною обмоткою фази С вольтододаткового трансформатора, вихід четвертого VS4 2 UA 101521 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 семістора з'єднано з входом п'ятого VS5 семістора, вихід дев'ятого VS9 семістора з'єднано з входом восьмого VS8 семістора, керуючі електроди першого VS1, другого VS2, третього VS3, четвертого VS4, дев'ятого VS9, десятого VS10, п'ятнадцятого VS15, шістнадцятого VS16, двадцять першого VS21 семісторів з'єднані з системою керування СК. Пристрій функціонує таким чином. Значення величин напруг та струмів від фаз А, В, С поступають на блок СК. Блок СК виконує пофазне порівняння значення напруг та струмів. Після порівняння блок СК дає команду на пофазне відкривання або закривання того чи іншого семістора, причому в кожній фазі можуть відкритися або закриватися різні семістори таким чином, щоб значення напруги на затискачах вторинної обмотки трансформатора були симетричними. Після цього система керування СК встановлює сигнал задання, величина і форма якого залежать від струму навантаження і напруги мережі, інформація про які від датчиків струму RS4-RS5 і напруги ДН1-ДН4 поступає на систему керування СК. Імпульсна ланка, що є інвертором напруги з ланкою постійного струму, реалізована IGBT-транзисторами і блоком конденсаторів С1-С3, формує заданий струм, який через дроселі L1-L3, підсумовується із струмом навантаження в точці підключення активного фільтру. В цілому дроселі L1-L3 і конденсатори С1-С3 та С4-С6 є інтерфейсним фільтром, що забезпечує згладжування вхідного і вихідного струму на заданій частоті. Для зменшення отриманих пульсацій використана лінійна ланка, що реалізована блоком польових транзисторів VT7-VT12. Система управління отримує інформацію про величину вихідного струму від датчиків струму RS1-RS3, і порівнюючи вихідний струм із струмом задання формує величину похибки регулювання, яка є струмом задання для лінійної ланки VT7-VT12. В результаті на виході імпульсної ланки формується струм трикутної форми, який компенсує пульсації основного вихідного струму. Окрім цього, висока швидкість реакції лінійної ланки дозволяє розширити смугу ефективного зменшення гармонік шляхом введення протифази в струми ІА, ІВ, ІС складових вищих гармонік струму навантаження, що лежать поза смугою заглушення основного фільтра. Застосування пристрою дозволяє забезпечити значне поліпшення якості заглушення вищих гармонік і зниження завад, які генеруються фільтром, на частоті ШІМ, що сприяє підвищенню якості електроенергії. В запропонованому пристрої система керування може бути виконана на мікроконтролері фірми Atmel, транзистори VT1-VT6 призначені для роботи в ключовому режимі з високою швидкістю перемикання, можуть бути, наприклад, транзистори IRG4PH50UD компанії International Rectifier або GT60M301 компанії Toshiba, транзистори VT7-VT12, призначені для роботи в лінійному режимі з великою областю безпечної роботи, можуть бути, наприклад, транзистори APL1001 компанії Advanced Power Technology або IXTB30N100L компанії IXYS Semiconductor. Таким чином, за рахунок можливості пофазного регулювання напруги значно розширюються функціональні можливості пристрою коригування показників якості електроенергії. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Пристрій коригування показників якості електроенергії, що містить підключений до ланки постійного струму з накопичувальними конденсаторами інвертор напруги, виконаний на IGBT транзисторах (Insulate Gate Bipolar Transistor - біполярний транзистор з ізольованим затвором) із зворотними діодами, включеними паралельно їх виводам колектор-емітер, до якого підключений інтерфейсний фільтр другого порядку, утворений дроселями, включеними між лінійними проводами мережі і виходами інвертора, і конденсаторами, включеними між лінійними і нульовими проводами, і систему керування (СК), три входи якої сполучені з датчиками струмів дроселів і навантаження і датчиками напруги, четвертий вхід підключений паралельно ланці постійного струму, а один з виходів - до управляючих електродів інвертора напруги, паралельно ланці постійного струму з накопичувальними конденсаторами і інвертору напруги підключена лінійна ланка, виконана на польових транзисторах, виходи якої сполучені з виходами дроселів інтерфейсного фільтра, а затвори польових транзисторів підключені до другого виходу системи керування, який відрізняється тим, що введено блок конденсаторів, вольтододатковий трансформатор з обмоткою збудження та з послідовною обмоткою та двадцять один семістор, причому конденсатори включені між лінійними і нульовими проводами перед вольтододатковим трансформатором, входи п'ятого, шостого, сьомого та восьмого семісторів з'єднані з відгалуженнями обмотки збудження фази А вольтододаткового трансформатора, входи одинадцятого, дванадцятого, тринадцятого та чотирнадцятого семісторів з'єднані з відгалуженнями обмотки збудження фази В вольтододаткового трансформатора, входи 3 UA 101521 C2 5 10 15 сімнадцятого, вісімнадцятого, дев'ятнадцятого та двадцятого семісторів з'єднані з відгалуженнями обмотки збудження фази С вольтододаткового трансформатора, виходи семісторів з'єднані у спільну точку, керуючі електроди семісторів приєднані до системи керування (СК), вхід першого семістора з'єднано з входами шістнадцятого та двадцять першого семісторів, вихід першого семістора з'єднаний з послідовною обмоткою фази А вольтододаткового трансформатора, вихід шістнадцятого семістора з'єднано з входом сімнадцятого семістора, вихід двадцять першого семістора з'єднано з входом двадцятого семістора, вхід другого симістора з'єднано з входами десятого та п'ятнадцятого семісторів, вихід другого семістора з'єднаний з послідовною обмоткою фази В вольтододаткового трансформатора, вихід десятого семістора з'єднано з входом одинадцятого семістора, вихід п'ятнадцятого семістора з'єднано з входом чотирнадцятого семістора, вхід третього семістора з'єднано з входами четвертого та дев'ятого семісторів, вихід третього семістора з'єднаний з послідовною обмоткою фази С вольтододаткового трансформатора, вихід четвертого семістора з'єднано з входом п'ятого семістора, вихід дев'ятого семістора з'єднано з входом восьмого семістора, керуючі електроди першого, другого, третього, четвертого, дев'ятого, десятого, п'ятнадцятого, шістнадцятого, двадцять першого семісторів з'єднані з системою керування. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4