Пристрій компенсації неактивної складової потужності однофазного електроприймача з екстремальною системою управління

Пристрій компенсації неактивної складової потужності однофазного електроприймача з екстремальною системою управління містить струмообмежуючі дозуючі елементи, виконані у вигляді котушок індуктивності, мостовий перетворювач, виконаний у вигляді автономного інвертора напруги на повністю керованих ключах, до виходів джерела живлення додатково підключені входи датчика мережевої напруги, вихід якого підключено до одного входу блока керування, входи мостового перетворювача додатково сполучені з входом датчика струму фази, вихід якого сполучений з іншим входом блока керування, до виходу мостового перетворювача підключений датчик напруги ємнісного накопичувача, вихід якого сполучений з іншим входом блока керування, який відрізняється тим, що на вході мостового перетворювача додатково включено датчик струму компенсатора, паралельно мостовому перетворювачу включено згладжуючий фільтр, а в блок керування додатково введений пристрій узгодження, входи якого з'єднані з інформаційними виходами датчиків, виходи пристрою узгодження з'єднані з входами блока U 2 (11) 1 3 форматор, системи імпульсно-фазового керування вентильними групами, датчики, регулятор струму навантаження, вузли перетворення миттєвих значень напруги трьох фаз мережі з координат а, b, с у координати , , фільтри виділення змінної складової активної потужності, вузли розрахунку миттєвої активної і миттєвої реактивної потужності. Він додатково містить допоміжні діоди, регулятори напруги керування вентильними групами, вузли порівняння сигналу напруги керування і вихідного сигналу регулятора середньої реактивної потужності та фільтри виділення змінної складової реактивної потужності. Перетворювач забезпечує перетворення змінної напруги в постійну напругу при близькому до нуля або іншому заданому значенні реактивної потужності і при близькій до синусоїди формі мережного струму. Недоліком даного пристрою є алгоритм управління, який потребує подвійного перетворення з нерухомих координат ,  у рухомі координати x, y, що ускладнює процес управління. А також у пристрої не передбачено покращення кривої струму електричної мережі за рахунок роботи силових напівпровідникових елементів, пристрій призначений для споживачів постійної напруги або споживачів із ланкою постійного струму, тому не може бути використаний в колах зі споживачами змінного струму. Окрім того, пристрій включає у свій склад велику кількість перетворюючого та трансформаторного обладнання. Відоме технічне рішення [патент UA 40772, H02J 3/01, H02J 3/18, H02J 3/26, 27.04.2009, Бюл. № 8, 2009 p. Джерело електроживлення для трифазного навантаження, обладнаного нейтральним виводом. Волков О.В., Волков В.О.] Джерело електроживлення для трифазного навантаження, обладнаного нейтральним виводом, що містить трифазний випрямляч, виконаний по мостовій схемі, реактор і трифазну живильну мережу змінної напруги, зв'язану своїми трьома фазними клемами відповідно із трьома фазними виводами зазначеного трифазного навантаження, причому в нього уведені датчик струму, блок компараторів, два повністю керованих напівпровідникових силових ключі, два формувачі імпульсів, конденсатор, другий реактор, виконаний трифазним, і два діоди, зустрічно паралельно кожному з яких підключені по одному зі згаданих силових ключів, зв'язаних своїми керуючими входами через перший і другий формувачі імпульсів з першим і другим виходами блока компараторів, при цьому трифазна мережа живлення змінної напруги виконана з нейтральним проводом, обладнаним нейтральною клемою, випрямляч своїм трифазним входом зв'язаний через другий реактор із трьома фазними клемами мережі живлення, своїм вихідним позитивним полюсом випрямляч підключений до одного з виводів конденсатора й до катода першого діода, а своїм вихідним негативним полюсом випрямляч приєднаний до іншого виводу конденсатора й до анода другого діода, анод першого діода й катод другого діода з'єднані разом і зв'язані через перший реактор з нейтральним виводом навантаження й першим входом датчика струму, у якому другий вхід 62235 4 підключений до нейтральної клеми мережі живлення, а вихід - до входу блока компараторів. Недоліками даного технічного рішення є те, що пристрій може застосовуватись у чотирипровідних електричних мережах та в пристрої не передбачено зниження рівня вищих гармонік, які виникають у електричній мережі при комутації його напівпровідникових елементів, а також у системі управління непередбачено керування потоком реактивної потужності, яка може виникати в процесі зміни режиму роботи споживача. Найбільш близький по технічним рішенням до даної корисної моделі, що заявляється, є пристрій [патент RU 2279748, H02J 7/10, 10.07.2006 Бюл. № 19. Устройство для заряда накопительного компенсатора, Мещеряков В.И., Коваль О.А.]. У якому струмообмежуючі дозуючі елементи виконані у вигляді котушок індуктивності, мостовий перетворювач виконаний у вигляді автономного інвертора напруги на повністю керованих ключах до виходів трифазного джерела живлення додатково підключені входи трифазного датчика мережевої напруги, виходи якої підключені до одних входів блока керування, входи трифазного мостового перетворювача додатково сполучені з входами датчиків струму фаз, виходи яких з'єднані з іншими входами блока керування, до виходу трифазного мостового перетворювача підключений датчик напруги ємнісного накопичувача, вихід якого сполучений з іншим входом блока керування, до іншого входу блока керування підключений вихід блока завдання величини напруги накопичувача, ще до одного входу блока керування підключений вихід блока завдання темпу заряду накопичувача. В результаті даний пристрій забезпечує технічний результат - високу швидкість заряду ємкісного накопичувача до напруги лінійної напруги мережі, що перевищує амплітуду на декілька порядків. Принципи побудови системи управління дозволяють реалізувати в широкому діапазоні плавне регулювання швидкості заряду ємкісного накопичувача, при цьому з мережі споживається струм практично синусоїдальної форми, а використання індукторів замість струмообмежуючих дозуючих конденсаторів підвищує надійність пристрою. Недоліки даного пристрою: відсутність фільтруючих ланцюгів для покращення форми кривої струму; блоки системи управління забезпечують прискорений заряд конденсатора підтримуючи близький до одиниці коефіцієнт потужності, при цьому інвертування енергії в мережу не забезпечується. Даний пристрій вибраний як прототип. Ознаки, що збігаються із технічним рішенням, що заявляється: керований компенсатор підключено до мережі через струмообмежуючі реактори; датчики напруги та струму мережі, виходи яких підключено до системи керування; паралельно з конденсатором підключено датчик напруги; мостовий перетворювач виконаний у вигляді автономного інвертора напруги, до складу мостового перетворювача входять повністю керовані силові ключі. В основу корисної моделі поставлено задачу зменшення рівня неактивної складової потужності споживача електричної енергії з використанням в 5 пристрої блоків та зв'язків, що реалізують систему екстремального управління та керування потоком електричної енергії в конденсаторному накопичувачі з мостовим вентильним перетворювачем та електромагнітним накопичувачем. Технічний результат досягається тим, що пристрій компенсації неактивної складової потужності однофазного електроприймача з екстремальною системою управління містить струмообмежуючі дозуючі елементи, виконані у вигляді котушок індуктивності, мостовий перетворювач, виконаний у вигляді автономного інвертора напруги на повністю керованих ключах, до виходів джерела живлення додатково підключені входи датчика мережевої напруги, вихід якого підключено до одного входу блока керування, входи мостового перетворювача додатково сполучені з входом датчика струму фази, вихід якого сполучений з іншим входом блока керування, до виходу мостового перетворювача підключений датчик напруги ємнісного накопичувана, вихід якого сполучений з іншим входом блока керування, на вході мостового перетворювача додатково включено датчик струму компенсатора, паралельно мостовому перетворювачу включено згладжуючий фільтр, а в блок керування додатково введений пристрій узгодження, входи якого з'єднані з інформаційними виходами датчиків, виходи пристрою узгодження з'єднані з входами блока аналого-цифрового перетворювача, вихід якого з'єднаний з входом блока визначення діючого значення напруги на конденсаторі, вихід якого з'єднаний з входом блока порівняння, на інший вхід якого підключено блок заданого значення напруги на конденсаторі, вихід блока порівняння з'єднаний з входом блока широтноімпульсної модуляції, інший вихід блока аналогоцифрового перетворювача з'єднаний з входом блока визначення струму компенсатора, вихід якого з'єднаний з входом блока визначення диференціалу, вихід блока визначення диференціалу з'єднано з входом блока відношення, вихід блока аналого-цифрового перетворювача з'єднаний з входом блока визначення амплітуди та блоком визначення фази струму мережі, інший вихід блока аналого-цифрового перетворювача з'єднаний з входом блока визначення фази напруги мережі, вихід якого з'єднаний з входом блока різниці, інший вхід якого з'єднаний з виходом блока визначення фази мережі, вихід блока різниці з'єднаний з входом блока визначення синуса, вихід якого з'єднаний з входом блока множення, інший вхід якого з'єднаний з виходом блока визначення амплітуди струму мережі, вихід блока множення з'єднаний з входом блока визначення диференціалу, вихід якого з'єднаний з іншим входом блока відношення, вихід блока відношення з'єднаний з входом блока масштабування, вихід якого з'єднано з входом блока широтно-імпульсної модуляції, виходи блока широтно-імпульсної модуляції з'єднано з входом блока формування імпульсів, виходи якого з'єднано з управляючими входами силових ключів. Корисна модель пояснюється наступними фігурами: Фіг. 1 - блок-схема пристрою компенсації неактивної потужності електричної мережі на основі 62235 6 екстремальної системи управління, на якій прийнято позначення: 1 - джерело живлення; 2 - блок датчика напруги; 3 - блок датчика струму; 4 - блок керування; 5 - реактор; 6 - мостова схема компенсатора; 7, 9, 11, 13 - діоди; 8, 10, 12, 14 - силові ключі; 15 - конденсатор; 16 - блок датчика напруги на конденсаторі; 17 - блок датчика струму компенсатора; 18 - LC- фільтр; 19 - навантаження; 20 пристрій узгодження; 21 - аналого-цифровий перетворювач; 22 - блок визначення амплітуди струму мережі; 23, 24 - блок визначення фази струму та напруги мережі; 25, 35 - блок визначення діючого значення струму та напруги; 26, 27 - блок визначення диференціалу; 28 - блок відношення; 29 блок різниці; 30 - блок масштабування; 31 - блок синуса; 32 - блок визначення реактивної складової струму; 33 - блок широтно-імпульсної модуляції; 34 - блок формування імпульсів; 36 - блок заданого значення напруги на конденсаторі; 37 - блок порівняння. Фіг. 2 - часові діаграми режиму роботи системи екстремального управління: а - залежність реактивної потужності від шпаруватості широтноімпульсної модуляції, б - залежність струму неактивної складової повного струму мережі, в - похідна струму неактивної складової повного струму мережі. Фіг. 3, 4, 5 - графіки напруги та струму мережі та силових кіл пристрою, а - напруга електричної мережі, б - струм мережі, в - струм навантаження. Пристрій працює наступним чином. На фіг. 1 наведена блок-схема пристрою компенсації неактивної потужності електричної мережі з екстремальною системою управління, який має в своєму складі однофазне джерело живлення (1), яке з'єднано зі споживачем електричної енергії (18), у вигляді активно-індуктивного навантаження. Для контролю електричних параметрів, зокрема напруги та струму мережі, в пристрій введені відповідно датчик напруги (2) та датчик струму (3). Для управління реактивною складовою струму мережі використовується ємнісний накопичувач (15), який з'єднаний з мережею через мостовий перетворювач (6), реактор (5), призначений для накопичення електромагнітної енергії та згладжування пульсацій струму, та датчик струму компенсатора (17), який застосовується для контролю відповідного параметру. Мостовий перетворювач (6) складається з напівпровідникових елементів, зокрема діоди (7, 9, 11, 13) служать для заряду ємнісного накопичувача, зустрічно ввімкнені транзистори (8, 10, 12, 14) типу IGBT застосовуються для управління процесом заряду та розряду в електричну мережу ємнісного накопичувача (15). Для контролю рівня напруги на ємнісному накопичувачі та його захисту додатково введений датчик напруги (16). Інформаційні виходи датчиків підключені до відповідних входів пристрою узгодження (20), виходи якого з'єднані з аналого-цифровим перетворювачем (21), що входить до складу блока керування (4). Робота блока керування базується на визначенні мінімального значення неактивної складової струму мережі в залежності від струму накопичу 7 62235 вача. Для цього сигнал Іі пропорційний миттєвим значенням струму мережі, виміряним в і-ий момент часу, з виходу 3 блока аналогово-цифрового перетворення (21) подається на вхід блоків визна2 8 чення амплітуди струму (22) та фазового зсуву струму (23). Ці блоки розраховують відповідно: - амплітуду струму 2 2 N  2 N  I1     Ii  sini  2  f  t      Ii  cosi  2  f  t  , N  N   i 0   i 0  де f - частота мережі - 50 Гц, t - час дискрети1 зації, і - такт дискретизації, N  - кількість f  t точок дискретизації; Ii - миттєве значення струму у відповідний такт дискретизації; - фазу струму I1  arctg 2 N   Ii  sini  2  f  t  N i0 2 N   Ii  cosi  2  f  t  N i0 , 2 N   Ui  sini  2  f  t  N i0 2 N   Ui  cosi  2  f  t  N i0 (2) ра. , (3) ходу блока 24 ( U1 ) подаються відповідно на входи 2 та 1 блока порівняння (29), на виході якого формується сигнал: (4) Вихідний сигнал блока порівняння (29) подається на вхід блока визначення синусу (31), вихід якого з'єднано з входом 2 блока множення (32), вхід 1 цього блока з'єднаний з виходом блока визначення амплітуди (22). Це забезпечує визначення поточного значення неактивної складової струму у вигляді: ІН=І1·sin(). 1 N 2  ICi , N i0 (5) Екстремальне управління здійснюється на основі визначення похідних та їх відношення, відповідно до яких здійснюється управління силовими ключами. Через виконавчий механізм керують елементами управління для досягнення екстремуму (мінімуму) струму неактивної складової струму. Вихід блока множення (32) з'єднаний з блоком визначення диференціалу (26). Це забезпечує визначення диференціалу неактивної складової струму за часом. (6) де ІСі - миттєве значення струму компенсато Вихідний сигнал блока визначення діючого значення (25) подається на вхід блока визначення диференціалу (27), що забезпечує визначення диференціалу струму компенсатора. Вихідний сигнал блока визначення диференціалу (27) струму компенсатора з'єднаний з входом 1 блока відношення (28), вхід 2 якого з'єднаний з виходом блока визначення диференціалу (26) неактивної складової струму. Таким чином, на виході блока 28 діє сигнал пропорційний: dIH / dt dI  H dIC / dt dIC Сигнал з виходу блока 23 ( I1 ) та сигнал з ви   I1  U1 . Сигнал IC i пропорційний миттєвому значенню струму компенсатора, виміряний в і-ий момент часу, з виходу 2 блока аналогово-цифрового перетворення (21) подається на вхід блока визначення діючого значення (25), на виході якого діє сигнал: IC  Додатково з виходу 4 аналогово-цифрового перетворювача (21) сигнал пропорційний миттєвим значенням напруги Uі мережі подається на вхід блока визначення фази (24), на виході якого з'являється сигнал розрахований за формулою: U1  arctg (1) (7) Вихідний сигнал блока відношення (28) подається на вхід блока масштабування (30), вихід якого з'єднаний з входом блока широтноімпульсної модуляції (33), що забезпечує визначення та формування управляючого сигналу для блока широтно-імпульсної модуляції, вихідні сигнали якого надходять на відповідні входи входів блока формування імпульсів управління силовими ключами (34). Цей блок формує імпульси управління транзисторами (8, 10, 12, 14), у результаті чого, регулюється струм ємнісного накопичувача (15). Таким чином, за умов зміни по технологічним причинам реактивного навантаження споживача, блок керування забезпечує формування наближеної до нуля сумарної неактивної складової струму компенсатора та навантаження. Як наслідок, знижуються втрати електричної енергії в системі електроспоживання. Для захисту блоків компенсатора блоком керування (4) контролюється напруга на конденсаторі. Для цього вихід датчика напруги (17) з'єднаний з входом 2 пристрою узгодження (20), вихід якого 2 з'єднаний з 2 входом блока аналогоцифрового перетворення (21). Вихід 1 блока аналого-цифрового перетворювача (21) з'єднаний з входом блока визначення діючого значення (35) напруги на конденсаторі. 9 U  1 N 2  Ui , N i0 62235 (8) Вихід блока 35 з'єднаний з входом 2 блока порівняння (37), вхід 1 якого з'єднаний з виходом блока заданого значення напруги на конденсаторі (36). Вихідний сигнал блока порівняння (37), який формується за наступною умовою: зад 1, при Uc  Uc ;  U37   зад 0, при Uc  Uc ,  (9) подається з входом 2 блока широтноімпульсної модуляції (33). Це забезпечує припинення роботи системи керування за умов перевищення напругою конденсатора заданого значення. Екстремальна система після включення її в роботу у момент часу t1 змінює споживання неактивної потужності за рахунок зменшення неактивної складової струму ІН внаслідок зміни управляючого сигналу блока широтно-імпульсної модуляції m. При цьому величина m об'єкту змінюватиметься відповідно до статичної характеристики (фіг. 2в), а похідна diС/diН при переміщенні від IH1 до IH 2 , відповідно до величини, зменшується (фіг. 2г). У момент часу t2 вихід об'єкту досягне екстремуму, а похідна diС/diН буде рівна нулю. За рахунок нечутливості блока керування величина неактивної складової струму продовжуватиме рух, віддаляючись від екстремуму. При цьому похідна 10 diС/diН змінить знак і стане негативною. В момент t3, коли величина diС/diН, залишаючись негативною, перевищить зону нечутливості (diС/diН)н відбудеться реверс управляючого сигналу в блок широтно-імпульсної модуляції і вхідна координата ІН почне зменшуватися. Вихід об'єкту почне знову наближатися до екстремуму, а похідна ІН стане позитивною - при переміщенні від точки IH 3 до IH 4 (фіг. 2,в). У момент часу t4 вихід знову досягне екстремуму, і похідна diС/diН. Проте, за рахунок нечутливості сигнум-реле, рух системи продовжуватиметься, похідна diС/diН стане негативною і в точці IH 5 знову відбудеться реверс і так далі. На фіг. 3 зображені часові діаграми, які поясняють дію силової частини пристрою компенсації. Струм, який споживається навантаженням (фіг. 3в), має фазовий зсув відносно напруги мережі (фіг. 3,а). Це викликає протікання в мережі активної та реактивної складових повної потужності. Компенсація реактивної складової потужності відбувається шляхом формування пристроєм компенсації струму протифазного реактивному струму споживача. В результаті, сумарний струм мережі (фіг. 3,б) знижується, а фазовий зсув наближається до нуля відносно напруги. Зважаючи на імпульсне управління силовим перетворювачем компенсатора, в кривій струму мережі з'являються вищі гармонійні складові, але їх рівень знаходиться в межах, які встановлені стандартом для показників якості електричної енергії, та не впливають на якість електроспоживання. 11 62235 12 13 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 62235 Підписне 14 Тираж 23 прим. 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