Спосіб регулювання коефіцієнта потужності в трифазній чотирипровідній системі з несиметричним навантаженням

Реферат: Спосіб регулювання коефіцієнта потужності в трифазній чотирипровідній системі включає вимірювання струму і напруги мережі за допомогою універсального вимірювального блока як аналізатора параметрів мережі та подальше обчислення параметрів мережі. На даних обчислення універсального вимірювального блока обчислюють вектор струму нульового проводу силового трансформатора блоком компенсації струму в нульовому проводі і компенсують його при заблокованих колах регулювання інших блоків, після перевірки результатів компенсації обчислюють результуючий вектор пульсуючої потужності блоком симетрування лінійних струмів електричної системи та компенсують його при заблокованих колах регулювання інших блоків, після перевірки результатів компенсації обчислюють баланс реактивної потужності симетрованої, врівноваженої електричної системи і доводять його до заданого значення коефіцієнта потужності шляхом вмикання/вимикання трифазних реактивних елементів. UA 112445 U (12) UA 112445 U UA 112445 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів усунення несиметричних режимів роботи чотирипровідних і трипровідних трифазних мереж і компенсації реактивної потужності і може бути використана в мережах з навантаженнями, що підключаються як на фазні, так і на лінійні напруги промислових, комунальних і офісних мереж. Відомо, що в чотирипровідних системах при несиметричних навантаженнях виникає неврівноважений режим, що характеризується наявністю струму в нульовому проводі та комплексу пульсуючої потужності. При цьому в трансформаторах з обмотками, з'єднаними за схемою Y/Y-N (зірка-зірка з нулем) виникає дисбаланс фазних напруг та додаткове нагрівання трансформатора. [Шидловский А.К., Борисов Б.П. Симметрирование однофазных и двухплечевых электротехнологических установок. К. "Наукова думка", 1977, 160 с.]. Максимально допустиме неврівноважене навантаження становить 5 % від номінальної потужності трансформатора, що приблизно в 10 разів менше, ніж у випадку еквівалентного за потужністю навантаження при його підключенні до лінійних напруг (несиметрія по зворотній послідовності) [Шишкин С. А. Компенсация реактивной мощности однофазных нагрузок низковольтных систем электроснабжения. Силовая электроника, № 3, 2007]. Існують розробки для компенсації реактивної потужності і регуляторів коефіцієнта потужності, що виготовляються фірмами на світовому ринку. Проте компенсація реактивної потужності та усунення неврівноваженості і симетрування струмів трифазної мережі, як правило, реалізуються окремо, в той час коли вони нерозривно пов'язані між собою. Саме тому сучасні прилади для компенсації реактивної потужності, в основному, побудовані на способах, розрахованих на мережі з симетричним навантаженням. Тому при роботі мережі в несиметричному режимі часто виникають проблеми як з компенсаційними установками, так і з енергетичними процесами в самій мережі. Це пов'язано з тим, що при компенсації реактивної потужності симетричними трифазними косинусними конденсаторами в несиметричних мережах в окремих фазах виникає перекомпенсація, а в інших - недокомпенсація і все це супроводжується неврівноваженістю та несиметрією струмів з усіма наслідками, що супроводжують ці явища [Шидловский А.К., Мостовяк И.В., Кузнецов В.Г. Анализ и синтез фазопреобразовательных цепей: - Киев, Наукова думка, 1979,-252 с.; L.S. Charnecki, L. Fellow, IEE, P.M. Haley, Student Member, IEE. Unbalanced Power in Four-Wire Systems and its Reactive Compensation. To be printed in IEE Transactions on Power Delivery, 2014]. Відомо способи регулювання за допомогою автоматичних регуляторів [NOVAR 1106/1114, NOVAR 1206/1214, NOVAR 1312. Katalog vyrobku 2006. www.kmb.cz], в яких недоліком є те, що контролюючі параметри мережі (напруга, струм, активна та реактивна потужність) вимірюються в одній фазі, що призводить до суттєвих похибок регулювання в умовах несиметричного навантаження мережі, яке динамічно змінюється під час роботи. Відомо також способи автоматичного регулювання коефіцієнта потужності окремо в кожній фазі в умовах несиметричного навантаження [Шишкин С. А. Компенсация реактивной мощности однофазных нагрузок низковольтных систем электроснабжения. Силовая электроника, № 3, 2007; Шишкин С.А. Построение схем измерения входных параметров регуляторов реактивной мощности конденсаторных установок. Электротехника, № 10/03; а.с.1029324 Н 02J 3/18; G05 F1/70. Устройство для компенсации реактивной мощности. 1983]. Головним недоліком таких способів є те, що умовою регулювання вибрано лише фазовий кут, що призводить до остаточної амплітудної несиметрії, яка залишається не скомпенсованою. Отже і струм у нульовому проводі також не скомпенсований. Таке регулювання лише частково поліпшує роботу мережі, в якій залишається неврівноваженість і несиметрія фазових навантажень і струмів з усіма негативними наслідками від цього. Найближчим до способу, що заявляється, є спосіб регулювання коефіцієнта потужності за допомогою зазначеного регулятора за рахунок використання реактивних ємнісних та індуктивних елементів, що вмикають до фазних і лінійних напруг за попередньо вибраною оператором одною із трьох стратегій регулювання коефіцієнта потужності: а) регулюють тільки трифазний коефіцієнт потужності (не звертаючи уваги на величини однофазних); б) регулюють обидва трифазний та індивідуальний однофазний коефіцієнти потужності; в) регулюють усі однофазні коефіцієнти потужності індивідуально без будь-яких відношень між собою (це стосується тільки однофазних виходів регулятора). [NOVAR 2xxx, Three-Phase Power Factor Controllers & Power Analyzers. Operating Manual Preliminary. Firmware v. 1.0.0.2795, 12/2012,. KMB systems, s.r.o. Czech Republic. www.kmb.cz]. Зазначений спосіб не враховує можливостей усунення несиметричних режимів роботи трифазної системи, тому його застосування може лише частково зменшити струм нульового проводу та лінійні струми мережі. Крім того, тут не враховуються динамічні зміни параметрів 1 UA 112445 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 несиметричного навантаження, що створює небезпеку виникнення аварійних режимів роботи мережі. В мережі ситуація безперервно змінюється і налаштування вручну не здатне відреагувати на ці зміни. І це відбувається в регуляторі, який виконує функції аналізатора параметрів мережі і тому має всю інформацію і початкові умови для здійснення потрібних обчислень, і дій, необхідних для динамічного врівноваження і симетрування струмів трифазної мережі в автоматичному режимі. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу регулювання коефіцієнта потужності в трифазній чотирипровідній системі з несиметричним навантаженням, який би підвищив точність регулювання за рахунок безперервного відстеження динаміки змін параметрів навантаження, підтримав би баланс реактивної енергії в системі і заданий коефіцієнт потужності, зменшив би втрати електричної енергії в системах і підвищив якість електричної енергії в умовах несиметрії навантажень. Поставлену задачу вирішують тим, що у способі регулювання коефіцієнта потужності в трифазній чотирипровідній системі, який включає вимірювання струму і напруги мережі за допомогою універсального вимірювального блока як аналізатора параметрів мережі та подальше обчислення параметрів мережі, згідно з корисною моделлю, по даних обчислення універсального вимірювального блока обчислюють вектор струму нульового проводу силового трансформатора блоком компенсації струму в нульовому проводі і компенсують його при заблокованих колах регулювання інших блоків, після перевірки результатів компенсації обчислюють результуючий вектор пульсуючої потужності блоком симетрування лінійних струмів електричної системи та компенсують його при заблокованих колах регулювання інших блоків, після перевірки результатів компенсації обчислюють баланс реактивної потужності симетрованої, врівноваженої електричної системи і доводять його до заданого значення коефіцієнта потужності шляхом вмикання/вимикання трифазних реактивних елементів. По результатах вимірювання, обчислення і компенсації струму нульового проводу і результуючого вектора пульсуючої потужності при перевищенні ними мінімальних заданих величин, що визначають точність компенсації, цикли компенсації струму нульового проводу та симетрування лінійних струмів повторюють до досягнення рівня, що не перевищує їх мінімального значення. Спосіб, що заявляється, у порівнянні з прототипом усуває струм нульового проводу трансформатора та симетрує лінійні струми, підвищує точність регулювання за рахунок безперервного відстеження динаміки змін параметрів навантаження, підтримує баланс реактивної енергії в системі і заданий коефіцієнт потужності, а також зменшує втрати електричної енергії в системах і підвищує якість електричної енергії в умовах несиметрії навантажень. У способі, що заявляється, регулювання коефіцієнта потужності, на відміну від прототипу, дозволяє досягнути врівноваженості шляхом компенсації нульового та симетрування лінійних струмів трифазної мережі за допомогою однофазних ємнісних і (або) індуктивних силових реактивних елементів, що входять до складу компенсаційної установки. По результатах отриманого стану симетрованої мережі перевіряють баланс реактивних потужностей навантаження та симетро-компенсуючого пристрою і шляхом підключення або відключення трифазних конденсаторів і/або індуктивних реакторів досягають оптимального заданого співвідношення цього балансу. Реалізація способу не залежить від схеми підключення навантажень до фазних та лінійних напруг, не потребує знання параметрів та характеристик навантажень, що на даний момент підключені до мережі, потрібні відомості визначаються параметрами електроживлення, які вимірює універсальний трифазний вимірювач. Спосіб може застосовуватися як у чотирипровідних, так і в трипровідних трифазних системах без будь-якої зміни схеми пристрою. Компенсація струму нульового проводу в прототипі зводиться до часткового зниження його величини, а у способі, що заявляється, обчислюють точні параметри векторної величини струму у нульовому проводі, а точність компенсації обумовлена найменшою величиною ступені силових реактивних елементів у пристрою. Це належить також і до компенсації несиметрії струмів трифазної мережі. При симетруванні отримують не лише симетричні лінійні струми, а в симетрованій системі потужність еквівалентного несиметричного навантаження рівномірно розподіляється в трьох фазах. Цей ефект особливо наглядно проявляється при симетруванні однофазного навантаження. Корисна модель пояснюється схемами. На Фіг. 1 зображено блок-схему пристрою з колами керування для регулювання коефіцієнта потужності в трифазних чотирипровідних мережах з несиметричним навантаженням; 2 UA 112445 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 на Фіг. 2 - принципіальна схема кіл керування комутаціями блока компенсації струму в нульовому проводі силового трансформатора; на Фіг. 3 - принципіальна схема кіл керування комутаціями блока симетрування лінійних струмів; на Фіг. 4 - принципіальна схема силової частини пристрою. Пристрій для компенсації реактивної потужності в трифазній чотирипровідній системі з несиметричним навантаженням включає (Фіг. 1) універсальний вимірювальний блок 1 як аналізатор параметрів мережі, сполучений з блоком 2 регулювання коефіцієнта потужності, що має вихідні релейні кола для комутації реактивних ємнісних та індуктивних елементів, блок 3 компенсації струму в нульовому проводі силового трансформатора і блок 4 симетрування лінійних струмів електричної системи, кожен з яких обладнано обчислювальними блоками, сполученими з універсальним вимірювальним блоком 1. Пристрій може додатково містити трифазний індуктивний регульований реактор 5 та трифазну регульовану конденсаторну батарею 6 (Фіг. 4), що сполучені з блоком 2 регулювання коефіцієнта потужності. Блок 3 компенсації струму в нульовому проводі силового трансформатора (Фіг. 4) має додаткові три релейні або електронні кола для комутації першої КБ1 і другої КБ2 однофазних груп реактивних елементів за допомогою трьох контакторів КМ1, КМ2, КМ3 до відповідних фазних напруг трифазної системи, визначених блоком 3 компенсації струму в нульовому проводу трансформатора, а також релейні або електронні кола для регулювання потужності в кожній означеній групі однофазних реактивних елементів, з'єднаних паралельно. Блок 4 симетрування лінійних струмів електричної системи (Фіг. 4) має чотири релейні або електронні кола для комутації третьої КБ3 і четвертої КБ4 груп однофазних реактивних елементів за допомогою чотирьох контакторів КМ4, КМ5, КМ6, КМ7 до відповідних лінійних напруг трифазної системи, визначених блоком 4 симетрування лінійних струмів електричної системи, а також релейні або електронні кола для регулювання потужності в кожній означеній групі однофазних реактивних елементів, з'єднаних паралельно. На схемі (Фіг.2) показані кола керування контакторами КМ1, КМ2, КМ3 блока 3, компенсації струму в нульовому проводі силового трансформатора а на схемі (Фіг. 3) - контакторами КМ4, КМ5, КМ6, КМ7 блока 4 симетрування лінійних струмів електричної системи. Спосіб регулювання коефіцієнта потужності в трифазній чотирипровідній системі з несиметричним навантаженням здійснюють наступним чином. Спочатку вимірюють струм і напругу мережі за допомогою універсального вимірювального блока 1 як аналізатора параметрів мережі та обчислюють параметри мережі. Універсальний вимірювальний блок 1 на протязі вимірювального циклу вимірює та обчислює фазні та лінійні напруги, струми трифазної системи, фазові співвідношення між ними, обчислює повну S, активну Р, реактивну Q потужність кожної фази та їх трифазні значення та інші параметри, що використовуються для визначення параметрів навантаження та регулювання коефіцієнта потужності, в тому числі гармонічний склад напруг і струмів та іншу інформацію. По даних обчислення універсального вимірювального блока 1 обчислюють вектор струму нульового проводу силового трансформатора блоком 3 компенсації струму в нульовому проводі, визначаючи суму векторів трьох лінійних струмів електричної мережі шляхом їх векторного підсумовування. Загальною сумою є результуючий вектор струму в нульовому проводі, який виникає в ньому при несиметричному навантаженні трифазної мережі. Якщо модуль цього вектора перевищує допустиме значення нульового струму, необхідно його скомпенсувати при заблокованих колах регулювання інших блоків. Визначають величини компенсуючих струмів реактивних елементів, які треба підключити на відповідні фазні напруги, і потужності конденсаторів чи дроселів, що створюють означені струми. Цикл компенсації струму нульового проводу повторюють до досягнення його рівня, що не перевищує мінімального значення. Після перевірки результатів компенсації за допомогою універсального вимірювального блока 1 вимірюють нові лінійні струми і обчислюють пульсуючу потужність кожної фази. Складаючи ці три вектори, обчислюють результуючий вектор пульсуючої потужності трифазної мережі блоком 4 симетрування лінійних струмів електричної системи, модуль якого порівнюють з величиною мінімальної реактивної потужності, що є в наявності компенсаційної установки, і якщо він дорівнює або перевищує допустиме значення, його теж треба компенсувати при заблокованих колах регулювання інших блоків. Обчислюють величини потужностей реактивних елементів (конденсаторів чи реакторів), які треба регулятору підключити на відповідні напруги для компенсації пульсуючої потужності. Цикл компенсації повторюють до досягнення рівня, що 3 UA 112445 U 5 10 15 20 25 не перевищує її мінімального значення. Після цього мережа працює в урівноваженому і симетричному режимі. Після перевірки результатів компенсації універсальним вимірювальним блоком 1 вимірюють нові струми і фазні напруги, обчислюють повну, активну і реактивну потужність трифазної мережі. Обчислюють баланс реактивної потужності симетрованої, врівноваженої електричної системи і доводять його до заданого значення коефіцієнта потужності шляхом вмикання/вимикання та регулювання потужності трифазних реактивних елементів. Кола керування контакторами КМ1, КМ2, КМ3 блока 3 компенсації струму в нульовому проводі силового трансформатора (Фіг. 2) і кола керування контакторами КМ4, КМ5, КМ6, КМ7 блока 4 симетрування лінійних струмів електричної системи (Фіг. 3) отримують керуючі сигнали від означених блоків по результатах обчислення аргументів векторів нульового струму і пульсуючої потужності для комутації контакторів, які, вмикаючись на певні напруги, за допомогою груп конденсаторів КБ1, КБ2 та КБ3, КБ4 створюють умови отримання компенсуючих векторів на заданому діапазоні кутів комплексної площини. Величини потужностей та їх співвідношення визначаються параметрами компенсуючих векторів, тобто їх величиною і аргументом за допомогою формул, виведених для кожного квадранта комплексної площини, показаного за допомогою таблиць вмикання контакторів для блока 3 компенсації струму в нульовому проводі силового трансформатора і блока 4 симетрування лінійних струмів електричної системи, при застосуванні ємнісних та індуктивних елементів. Фіг. 2, 3 і 4 пояснюють приклад компенсації нульового струму для найбільш поширеного практичного її здійснення за допомогою груп конденсаторних батарей КБ1, КБ2 та КБ3, КБ4 - для компенсації пульсуючої потужності блоком 4. На принципіальній схемі (Фіг. 4) показані силові кола, в яких контактори КМ1, КМ2 і КМ3 вмикаються за умови, коли аргумент компенсуючого вектора нульового струму Ік знаходиться на комплексній площині в діапазоні кутів відносно осі дійсних чисел: -30°К90° - при цьому вмикається КМ1; 90°К210° - вмикається КМ2; 210°К330°(-30°) - вмикається КМ3, що пояснює Таблиця 1 вмикання контакторів блока 3 компенсації струму в нульовому проводі силового трансформатора. Таблиця 1 № діапазону К II * 90°К 210° * Контактор № № КМ1 КМ2 КМ3 І * -30°К 90° X Іll * 210°К 330° X X 30 де К - аргумент компенсуючого вектора нульового струму Іk. Для компенсації результуючого вектора пульсуючої потужності створюється компенсуючий ' 35 вектор NСП , який може знаходитися на комплексній площині відносно осі дійсних чисел у діапазоні: 30°СП150°, при цьому вмикаються КМ4 (КБ3-UAB), KM5 (КБ4-UCA); 150°СП270°, вмикаються КМ4 (КБ3-UAB), KM6 (КБ4-UBC); 270°СП390°(30°), вмикаються КМ7 (КБ3-UBC), KM5 (КБ4-UCA), як це показано у приведеній нижче Таблиці 2 вмикання контакторів блока 4 симетрування лінійних струмів електричної системи. Таблиця 2 Контактор № № КМ4, КМ5 КМ4, КМ6 КМ7, КМ5 № діапазону СП II 150°СП270° І 30°СП150° X * III 270°СП390° X X 40 ' де СП - аргумент компенсуючого вектора пульсуючої потужності (симетруючого пристрою) NСП . 4 UA 112445 U 5 10 15 Трифазний регульований реактор 5 (Фіг. 4), що має контактори КМ8, КМ9 для переключення схеми з'єднання його котушок з трикутника на зірку та перемикання їх на фазну напругу, вмикають до лінійних проводів трифазної мережі контактором KM 10. Для розширення діапазону і точності регулювання реактивної потужності паралельно реактору вмикають трифазну регульовану конденсаторну батарею за допомогою контактора КМ11. Ці елементи використовують для корекції коефіцієнта потужності врівноваженої, симетрованої трифазної системи до заданого значення. Пристрій, що заявляється, можна побудувати на основі недорогого мікроконтролера, запрограмованого на обчислення та виконання способу регулювання коефіцієнта потужності, що заявляється. Він може працювати паралельно із стандартним регулятором типу NOVAR 2ххх при умові виконання означеної послідовності операцій або зі стандартним аналізатором параметрів мережі, наприклад, DMK 40, який обладнано відповідним інтерфейсом для інтеграції приладу в систему автоматичного керування, а також силовими блоками однофазних і трифазних косинусних конденсаторів та, при необхідності, однофазних реакторів з відповідною комутуючою захисною та контролюючою апаратурою. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 1. Спосіб регулювання коефіцієнта потужності в трифазній чотирипровідній системі, що включає вимірювання струму і напруги мережі за допомогою універсального вимірювального блока як аналізатора параметрів мережі та подальше обчислення параметрів мережі, який відрізняється тим, що по даних обчислення універсального вимірювального блока обчислюють вектор струму нульового проводу силового трансформатора блоком компенсації струму в нульовому проводі і компенсують його при заблокованих колах регулювання інших блоків, після перевірки результатів компенсації обчислюють результуючий вектор пульсуючої потужності блоком симетрування лінійних струмів електричної системи та компенсують його при заблокованих колах регулювання інших блоків, після перевірки результатів компенсації обчислюють баланс реактивної потужності симетрованої, врівноваженої електричної системи і доводять його до заданого значення коефіцієнта потужності шляхом вмикання/вимикання трифазних реактивних елементів. 2. Спосіб регулювання за п. 1, який відрізняється тим, що по результатах вимірювання, обчислення і компенсації струму нульового проводу і результуючого вектора пульсуючої потужності при перевищенні ними мінімальних заданих величин, що визначають точність компенсації, цикли компенсації струму нульового проводу та симетрування лінійних струмів повторюють до досягнення рівня, що не перевищує їх мінімального значення. 5 UA 112445 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6