Пристрій для регулювання коефіцієнта потужності в трифазній чотирипровідній системі з несиметричним навантаженням

Реферат: Пристрій для регулювання коефіцієнта потужності в трифазній чотирипровідній системі з несиметричним навантаженням включає універсальний вимірювальний блок як аналізатор параметрів мережі, сполучений з блоком регулювання коефіцієнта потужності, що має вихідні релейні кола для комутації реактивних ємнісних та індуктивних елементів. Він додатково містить блок компенсації струму в нульовому проводі силового трансформатора і блок симетрування лінійних струмів електричної системи, кожен з яких обладнано обчислювальними блоками, сполученими з універсальним вимірювальним блоком. UA 112444 U (12) UA 112444 U UA 112444 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв 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 незрівноважений 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 незрівноважене 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 незрівноваженості 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 незрівноваженістю 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]. Відомі автоматичні регулятори [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. Відомі також пристрої для 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 Η 02J 3/18; G05 F1/70. Устройство для компенсации реактивной мощности, 1983]. Головним недоліком таких регуляторів 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 незрівноваженість і несиметрія фазових навантажень і струмів з усіма негативними наслідками від цього. Найближчим по технічній суті до пристрою, що заявляється, є трифазний регулятор коефіцієнта потужності, що одночасно є і аналізаторам параметрів трифазної мережі NOVAR 26хх, розроблений Чеською фірмою КМВ systems [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]. Регулятор складається з двох основних блоків - універсального вимірювального блока і блока регулювання коефіцієнта потужності, що працюють автономно. Першим з них є універсальний трифазний вимірювальний блок, що містить вимірювач з блоком керування і може бути обладнаний колами реального часу з батареєю, додатковою пам'яттю для пристрою запису і видачі даних, різними інтерфейсами, що формують аналізатор параметрів мережі, сполучений з регулятором коефіцієнта потужності. Другою частиною пристрою є блок регулювання коефіцієнта потужності, що містить регулятор коефіцієнта потужності, який містить комутаційні кола для комутації реактивних ємнісних та індуктивних елементів. 1 UA 112444 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Як і у попередніх регуляторах, зазначений пристрій 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 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 зрівноваження і симетрування струмів трифазної мережі в автоматичному режимі. В основу корисної моделі поставлено задачу створення пристрою регулювання коефіцієнта потужності в трифазній чотирипровідній системі, який би зменшив втрати електричної енергії в системі та підвищив би якість електричної енергії в умовах несиметрії навантажень, підтримав би баланс реактивної енергії в системі і заданий коефіцієнт потужності. Поставлену задачу вирішують тим, що пристрій для компенсації реактивної потужності в трифазній чотирипровідній системі з несиметричним навантаженням, який включає універсальний вимірювальний блок як аналізатор параметрів мережі, блок регулювання коефіцієнта потужності, що має вихідні релейні кола для комутації реактивних ємнісних та індуктивних елементів, згідно з корисною моделлю, додатково містить блок компенсації струму в нульовому проводу силового трансформатора і блок симетрування лінійних струмів електричної системи, кожен з яких обладнано обчислювальними блоками, сполученими з універсальним вимірювальним блоком. Блок компенсації струму в нульовому проводі силового трансформатора має додаткові три релейні або електронні кола для комутації першої і другої однофазних груп реактивних елементів за допомогою трьох контакторів до відповідних фазних напруг трифазної системи, визначених блоком 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 симетрування лінійних струмів електричної системи має чотири релейні або електронні кола для комутації третьої і четвертої груп однофазних реактивних елементів за допомогою чотирьох контакторів до відповідних лінійних напруг трифазної системи, визначених блоком симетрування лінійних струмів електричної системи, а також релейні або електронні кола для регулювання потужності в кожній означеній групі однофазних реактивних елементів, з'єднаних паралельно. Пристрій може додатково містити трифазний індуктивний регульований реактор і трифазну регульовану конденсаторну батарею, сполучені з блоком регулювання коефіцієнта потужності. Пристрій, що заявляється, дозволяє зменшити втрати електричної енергії в системі та підвищує якість електричної енергії, підтримує баланс реактивної енергії в системі і заданий коефіцієнт потужності. Пристрій дозволяє досягнути зрівноваженості шляхом компенсації нульового та симетрування лінійних струмів трифазної мережі за допомогою однофазних ємнісних і/або індуктивних силових елементів, що входять до складу компенсаційної установки. Пристрій може застосовуватися як у чотирипровідних, так і в трипровідних трифазних системах без будь-якої зміни схеми пристрою. 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; 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. 2 UA 112444 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 не перевищує її мінімального значення. Після цього мережа працює у зрівноваженому 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, зрівноваженої 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 3 UA 112444 U 5 10 15 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 ілюструють 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 İ K знаходиться на комплексній площині в діапазоні кутів відносно осі дійсних чисел: -30° ≤κ ≤ 90° - при цьому вмикається КМ1; 90°≤κ≤210° - вмикається КМ2; 210°≤κ≤330°(-30°) - вмикається КМ3, що ілюструє Таблиця 1 вмикання контакторів блока 3 компенсації струму в нульовому проводі силового трансформатора. Таблиця 1 Контактор №№ КМ1 КМ2 КМ3 № діапазону κ* II 90°≤κ*≤210° I -30°≤κ*≤90° X III 210°≤κ*≤330° X Χ де κ - аргумент компенсуючого вектора нульового струму İK 20 25 Для компенсації результуючого вектора пульсуючої потужності створюють компенсуючий вектор ŃСП, 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°