Пристрій компенсації неактивних складових потужності, симетрування струму трифазної мережі з нульовим проводом

Реферат: Пристрій компенсації неактивних складових потужності, симетрування струму трифазної мережі з нульовим проводом полягає в компенсації неактивних складових потужності, симетрування струму трифазної мережі з нульовим проводом шляхом генерування в мережу заданого струму силового активного фільтра, враховуючи баланс потужності згідно з p-q-r теорією, забезпечує формування імпульсів управління транзисторного перетворювача в режимі інвертора, на основі релейного регулювання струму. UA 113140 U (12) UA 113140 U UA 113140 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області електротехніки і силової електроніки і може бути використана для поліпшення показників якості електричної енергії, а саме для одночасного вирішення задач компенсації неактивних складових потужності та симетрування струму трифазної мережі з нульовим проводом. Відоме технічне рішення [Патент UA 73436, H02J 3/00, 25.09.2012 Бюл. №18. Паралельний активний фільтр, Колб А. А., Мишанський Ю.О.], який містить повністю керований автономний інвертор напруги із двосторонньою провідністю, погоджуючий дросель для підключення до мережі, конденсатор у ланці постійного струму. Введені трифазний мостовий випрямляч і керований підвищувальний перетворювач постійної напруги в постійну, вихід якого підключений до конденсатора в ланці постійного струму, а вхід до виходу трифазного мостового випрямляча, вхід якого призначений для підключення до мережі. Спільними ознаками відомого технічного рішення із корисною моделлю, що заявляється, є: транзисторний перетворювач в режимі інвертора, блок дроселів, накопичувальний конденсатор. Недоліки даного технічного рішення: введення додатково в схему трифазного мостового випрямляча і керованого підвищувального перетворювача постійної напруги в постійну, внаслідок чого збільшується генерація вищих гармонік в мережу, а відсутність блока датчиків та системи керування унеможливлює роботу під різко змінне навантаження. Відоме технічне рішення [патент RU 2446536, H02J 3/00, 27.03.2012 Бюл. № 9. Устройство компенсации высших гармоник и коррекции коэффициента мощности сети, Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А.], яке містить інвертор, накопичувальний конденсатор, вихідний згладжувальний пасивний фільтр і контролер системи керування, при цьому контролер системи керування забезпечений датчиком струму фільтра, датчиком струму мережі, датчиком напруги, формувачем імпульсів на основі релейних регуляторів з змінною шириною гістерезису, фазовими перетворювачами струму і напруги, блоком фазової синхронізації і регулятором напруги накопичувального конденсатора. Спільні суттєві ознаки: транзисторний перетворювач в режимі інвертора, накопичувальний конденсатор, блок датчиків струму транзисторного перетворювача, блок датчиків струму навантаження, блок датчиків напруги мережі, блок формування управляючих імпульсів. Недоліком даного технічного рішення: відсутність блока симетрування не реалізовує компенсацію струмів в нульовому проводі. Відоме технічне рішення [патент RU 155594 U, H02J 3/01, Н02М 1/12, H02J 3/18, H02J 3/26, Н02М7/04, Н02М 5/45, 10.10.2015 Бюл. № 28. Многофункциональный регулятор качества электроэнергии для трехфазных распределительных систем электроснабжения 0,4кВ, Розанов Ю.К., Бурман А.П., Крюков К.В., Лепанов М.Г., Киселев М.Г.], що містить транзисторний перетворювач, накопичувальний конденсатор, вихідний фільтр, датчики і систему управління, до складу якої входять блок синхронізації, регулятор напруги накопичувального конденсатора і формувач імпульсів управління транзисторами перетворювача, на вході якого паралельно конденсатору включений датчик напруги, а вихід перетворювача з'єднаний з першими виводами вихідного фільтра, другі виводи якого підключені до датчиків напруги мережі і датчиків струмів мережі, вимірювальні виводи датчиків з'єднані з системою управління, вихід якої підключений до керуючих виводів транзисторів, що на вході перетворювача включений додатковий накопичувальний конденсатор послідовно з основним, утворюючи конденсаторну батарею, загальний вивід конденсаторів з'єднаний з нульовим проводом мережі, вихід перетворювача з'єднаний з датчиками струмів фільтра, які підключені до перших виводів вихідного фільтра, другі виводи якого з'єднані з датчиками напруги мережі і датчиками струмів навантаження, при цьому до складу системи управління входять блок формування струмів завдання і блок обчислення регулюючих сигналів, а формувач імпульсів управління виконаний на основі широтно-імпульсної модуляції. Спільними ознаками відомого технічного рішення із корисною моделлю, що заявляється, є: транзисторний перетворювач в режимі інвертора, накопичувальний конденсатор, блок дроселів, блок датчиків напруги мережі та блок датчиків струму навантаження, блок датчиків струму транзисторного перетворювача, блок формування управляючих імпульсів. Недоліки відомого технічного рішення: формування додаткового керуючого сигналу, яким контролюється сумарна напруга конденсаторних батарей; загальний вивід конденсаторів з'єднаний з нульовим проводом мережі. Пристрій є найбільш близьким за сукупністю ознак до пристрою, який заявляється, та приймається за найближчий аналог. Задача корисної моделі полягає в компенсації неактивних складових потужності, симетруванням струму трифазної мережі з нульовим проводом шляхом генерування в мережу заданого струму силового активного фільтра, враховуючи баланс потужності згідно з p  q  r 1 UA 113140 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 теорією, забезпечити формування імпульсів управління транзисторного перетворювача в режимі інвертора на основі релейного регулювання струму, та мінімізації споживаної з мережі потужності. Технічний результат пропонованої корисної моделі досягається тим, що в пристрої компенсації неактивних складових потужності, симетрування струму трифазної мережі з нульовим проводом, що містить транзисторний перетворювач, виходи якого підключені до блока датчиків струму транзисторного перетворювача, сполучений з блоком дроселів, який підключений до блока датчиків напруги мережі, і блоком датчиків струму навантаження, які з'єднані лініями мережі, вхідні виводи транзисторного перетворювача з'єднані з накопичувальним конденсатором, а вихід блока формування управляючих імпульсів з'єднаний з керуючим входом транзисторного перетворювача, згідно з корисною моделлю, вихід блока датчиків напруги мережі з'єднаний з входом блока визначення ортогональних складових основної гармоніки напруги, вихід якого з'єднаний з блоком визначення комплексу основної гармоніки напруги, вихід якого з'єднаний з блоком визначення комплексів основної напруги прямої послідовності, вихід якого з'єднаний з блоком перетворення напруги прямої послідовності за основною гармонікою, вихід якого з'єднаний з першим координатним перетворювачем, вихід першого координатного перетворювача з'єднаний з входом блока визначення модуля узагальненого вектора напруги у просторі     0 та площині    , вихід блока датчиків струму навантаження з'єднаний з входом другого координатного перетворювача, вихід другого координатного перетворювача з'єднаний з першим входом блока перетворення струму з системи координат     0 до системи координат p  q  r , а другий вхід з'єднаний з блоком визначення модуля узагальненого вектора напруги у просторі     0 та площині    , вихід блока перетворення струму з системи координат     0 до системи координат p  q  r з'єднаний з блоком реалізації фільтрації, вихід блока реалізації фільтрації з'єднаний з першим входом блока перетворення струму з системи координат p  q  r в систему координат     0 , а другий вхід з'єднаний з виходом першого координатного перетворювача, вихід блока перетворення струму з системи координат p  q  r в систему координат     0 з'єднаний з третім координатним перетворювачем, вихід якого з'єднаний з блоком визначення заданого струму в нейтралі, вихід блока визначення заданого струму в нейтралі з'єднаний з першим входом блока формування управляючих імпульсів, другий вхід якого з'єднаний з третім координатним перетворювачем, а третій вхід з'єднаний з блоком датчиків струму транзисторного перетворювача, вихід блока формування управляючих імпульсів з'єднаний з керуючим входом транзисторного перетворювача. Пропоноване технічне рішення пояснюється кресленням: де 1 - пристрій компенсації неактивних складових потужності, симетрування струму трифазної мережі з нульовим проводом, на якому: 1 - транзисторний перетворювач; 2 - блок датчиків струму транзисторного перетворювача; 3 - блок дроселів; 4 - блок датчиків напруги мережі; 5 - блок датчиків струму навантаження; 6 - накопичувальний конденсатор; 7 - блок визначення ортогональних складових основної гармоніки напруги; 8 - блок визначення комплексу основної гармоніки напруги; 9 - блок визначення комплексів основної напруги прямої послідовності; 10 - блок перетворення напруги прямої послідовності за основною гармонікою; 11 - перший координатний перетворювач; 12 другий координатний перетворювач; 13 - блок визначення модуля узагальненого вектора напруги у просторі     0 та площині    ; 14 - блок перетворення струму з системи координат     0 до системи координат p  q  r ; 15 - блок реалізації фільтрації; 16 - блок перетворення струму з системи координат p  q  r в систему координат     0 ; 17 - третій координатний перетворювач; 18 - блок визначення заданого струму в нейтралі; 19 - блок формування управляючих імпульсів. Пристрій компенсації неактивних складових потужності, симетрування струму трифазної мережі з нульовим проводом (креслення) працює наступним чином: Для виключення впливу несинусоїдальності та несиметрії напруги мережі uа ub uс, що контролюється блоком датчиків напруги мережі 4, його виходи з'єднано з входом блока визначення комплексу основної гармоніки напруги прямої послідовності 7, в якому виконується визначення ортогональних складових основної гармоніки напруги: Ua1cos  2  ua  cos w t dt ; 0 (1) 2 UA 113140 U Ua1sin  2  ua  sin w t dt ; 0 Ub1cos  2  ub  cos w t dt ; 0 (3) 2  ub  sin w t dt ; 0 (4) Uc1cos  2  uc  cos w t dt ; 0 (5) Uc1sin  2  uc  sin w t dt . 0 (6) Ub1sin  (2) Вихід блока визначення ортогональних складових основної гармоніки напруги 7, з'єднаний з входом блока визначення комплексу основної гармоніки напруги 8, визначення через ортогональні складові: 5 U jarctg a1sin Ua1cos ; U jarctg b1sin Ub1cos ; U jarctg c1sin Uc1cos . 2 2  U 1  Ua1  e ja1  Ua1cos  Ua1sin  2 2  U 1  Ub1  e jb1  Ub1cos  Ub1sin  2 2  U 1C  Uc1  e jc1  Uc1cos  Uc1sin  (7) (8) (9) Вихід блока визначення комплексу основної гармоніки напруги 8, з'єднаний з входом блока визначення комплексів основної напруги прямої послідовності 9, на підставі чого, визначаються комплекси основної гармоніки напруги прямої послідовності за фазами: 10  1 U1a  3  1 U1b  3  1 U1c  3    U  a  U  a  U ;    a U  U  a U ;    aU  a U  U ; 1 2 2 1 1 1 1 2 1 1C 1 1C (10) (11) (12) a  e j2 / 3  1 120 . 15 Вихід блока визначення комплексів основної напруги прямої послідовності 9, з'єднаний з входом блока перетворення напруги прямої послідовності за основною гармонікою 10, в якому переводиться напруга прямої послідовності за основною гармонікою з комплектної форми у часову:         u1a  U1a  sin t  a1 ;   u1b  U1b  sin t  b1 ;  u  U  sin t    ; 1c 20 1c c1 (13) (14) (15) де  - кутова частота;  - фазовий зсув. Вихід блока перетворення напруги прямої послідовності за основною гармонікою 10, з'єднаний з входом першого координатного перетворювача 11, реалізація послідовності розпочинається з перетворення напруг u1а, u1b, uc зі стаціонарної системи координат a-b-c   Uabc  ua ub uc  до стаціонарної системи координат     0 Uc  u u u0  . Вихід з блока датчиків струму навантаження 5, що контролюють струм іа, іb, іс, який з'єднаний з входом другого 3 UA 113140 U координатного перетворювача 12, в якому розпочинається перетворення зі стаціонарної системи координат а-b-с   c  i i i0 5  abc  ia ib ic   , використовуючи перетворення Кларка: (16) 0  0  abc  abc ; (17) На вхід блока визначення модуля узагальненого вектора напруги у просторі     0 та площині    13, з'єднано з виходом першого координатного перетворювача 11. Знаходимо модуль узагальненого вектора напруги у просторі     0 та площині    відповідно: 2 2 2 u0  u2  u  u0 , u  u2  u .   15 20   0 1 1    1 2 2    2 3 3 0 abc  0  . 3 2 2   1 1 1    2 2   2   Тоді, струм та напруга в     0 : 0 U0  abc Uabc ; 10 до стаціонарної системи координат (18) Вісь р, співпадає за напрямом з узагальненим вектором напруги. Це означає, що вісь р буде вільно обертатися в тривимірному просторі. Вісь q знаходиться на площині  і ортогональна до осі р. Вісь r та, що є ортогональною до обох осей p і q. Вихід другого координатного перетворювача 12, з'єднано з першим входом блока перетворення струму з системи координат     0 до системи координат p  q  r 14, а другий вхід з'єднано з блоком визначення модуля узагальненого вектора напруги у просторі     0 та площині    13.   Перетворення струму зі стаціонарної системи координат     0  c  i i i0  обертової   системи координат p-q-r pqr  ip iq ir  виконують, зважаючи на взаємне розташування осей координат за рівнянням:  u   u0   u  pqr    u  u u 0    u0u  u u0 u u  u0u u0u u0   u0   0   0 .  u   u0   (19) 25 Таким чином, управління за опорним струмом, в p  q  r теорії, вирішує два завдання: ліквідація струмів в нейтралі; балансування синусоїдальних фазних струмів. Усунення струму в нейтралі відбувається шляхом мінімізації, в ідеальному випадку до нульового значення, тобто переводу вектора з простору     0 до площини    . 30 Вихід блока перетворення струму з системи координат     0 до системи координат p  q  r 14, сполучено з входом блока реалізації фільтрації 15. Синусоїдальні і збалансовані фазні струми можуть бути отримані, якщо проекцію узагальненого вектора струму ір забезпечити незмінною. Розглядаючи таким чином: 4 UA 113140 U ip  ip _ dc  i p _ ac , (20) де ip _ dc - постійне (інтегроване) значення струму ір; ip _ ac - це пульсації ір. Використовуючи процедуру фільтрації виділяють зі струму ір постійне значення ip _ dc , а як заданий струм 5 10 вибирають компоненту ip _ ac та компоненту іq. На перший вхід блока перетворення струму з системи координат p  q  r в систему координат     0 16, з'єднано з виходом першого координатного перетворювача 11, а другий вхід сполучено з виходом блока реалізації фільтрації 15. Для того, щоб повернути струм в систему координат     0 , використовують зворотне   матричне перетворення  0 ' вектора pqr '  ip _ ac iq ir  ;  u  1   0 '  u u0  uo     uu0 u uu0 u 0 u ou    u  u0u    pqr ' . u  u      (21) Вихід блока перетворення струму з системи координат p  q  r в систему координат     0 , з'єднано з третім координатним перетворювачем 17, в якому заданий струм в 15 координатах а-b-с  abc '  ia ' ib ' ic ' знаходиться з використанням зворотного перетворення   Кларка  0   0 abc abc 1 abc abc '  0  0 ' . 20 30 35 (22) Вихід третього координатного перетворювача 17, з'єднано з входом блока визначення заданого струму в нейтралі 18. Заданий струм в нейтральному проводі з використанням одиничної матриці третього порядку Е3: 0 '   3  abc ' ; 25 : (23)  1 0 0 де   3  0 1 0 .   0 0 1   Струми  abc ' та 0 ' є вхідними параметрами для управління транзисторним перетворювачем в режимі інвертора. Вихід з блока визначення заданого струму в нейтралі 18, з'єднано з першим входом блока формування управляючих імпульсів 19, другий вхід з'єднано з третім координатним перетворювачем 17, а третій вхід з'єднано з блоком датчиків струму транзисторного перетворювача 2. Формування управляючих імпульсів на основі релейного побудована за принципом управління по відхиленню заданого параметра, яким у даному випадку є струм для кожної лінії. Для початку знаходиться ΔΙ (різниця між заданим струмом  abc ' і 0 ' та струм ΙFabc0 блока датчиків струму транзисторного перетворювача 2): ΔΙ = Ιabc0'- ΙFabc0. (24) 5 UA 113140 U 5 Значення різниці струмів ΔΙ надходять на блок релейного регулятора струму разом з сигналами зворотних зв'язків за струмом транзисторного перетворювача. На якому попередньо задається значення зони гістерезису (НВ приймається ~ 10 % (0,1), компенсаційного струму, що визначає точність відпрацювання сигналів завдання в релейного регулювання струму. Блоки формування управляючих імпульсів на основі релейного регулятора формує імпульси управління у вигляді вектора напруг Uy1-8 силовими ключами за співвідношенням: d d     1, при     ,  0        ,  0; dt dt     Uy18  d d      1, при     ,  0       ,  0. dt dt     10 15 (25) В ході роботи в релейному регулюванні струму відбувається постійне порівняння різниці між миттєвими значеннями заданого струму з блоком датчиків струму транзисторного перетворювача 2. В результаті цього порівняння, на виході формуються імпульси управління транзисторним перетворювачем. Імпульси управління надходять на керуючий вхід транзисторного перетворювача і формують на його виході миттєві значення струму. Таким чином, запровадження корисної моделі дозволяє компенсувати неактивні складові потужності, здійснює симетрування струму трифазної мережі з нульовим проводом, що забезпечує формування імпульсів управління транзисторним перетворювачем в режимі інвертора, на основі релейного регулювання струму. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 45 Пристрій компенсації неактивних складових потужності, симетрування струму трифазної мережі з нульовим проводом, що містить транзисторний перетворювач, виходи якого підключені до блока датчиків струму транзисторного перетворювача, сполучений з блоком дроселів, який підключений до блока датчиків напруги мережі, і блоком датчиків струму навантаження, які з'єднані лініями мережі, вхідні виводи транзисторного перетворювача з'єднані з накопичувальним конденсатором, а вихід блока формування управляючих імпульсів з'єднаний з керуючим входом транзисторного перетворювача, який відрізняється тим, що вихід блока датчиків напруги мережі з'єднаний з входом блока визначення ортогональних складових основної гармоніки напруги, вихід якого з'єднаний з блоком визначення комплексу основної гармоніки напруги, вихід якого з'єднаний з блоком визначення комплексів основної напруги прямої послідовності, вихід якого з'єднаний з блоком перетворення напруги прямої послідовності за основною гармонікою, вихід якого з'єднаний з першим координатним перетворювачем, вихід першого координатного перетворювача з'єднаний з входом блока визначення модуля узагальненого вектора напруги у просторі     0 та площині    , вихід блока датчиків струму навантаження з'єднаний з входом другого координатного перетворювача, вихід другого координатного перетворювача з'єднаний з першим входом блока перетворення струму з системи координат     0 до системи координат p  q  r , а другий вхід з'єднаний з блоком визначення модуля узагальненого вектора напруги у просторі     0 та площині    , вихід блока перетворення струму з системи координат     0 до системи координат p  q  r з'єднаний з блоком реалізації фільтрації, вихід блока реалізації фільтрації з'єднаний з першим входом блока перетворення струму з системи координат p  q  r в систему координат     0 , а другий вхід з'єднаний з виходом першого координатного перетворювача, вихід блока перетворення струму з системи координат p  q  r в систему координат     0 з'єднаний з третім координатним перетворювачем, вихід якого з'єднаний з блоком визначення заданого струму в нейтралі, вихід блока визначення заданого струму в нейтралі з'єднаний з першим входом блока формування управляючих імпульсів, другий вхід якого з'єднаний з третім координатним перетворювачем, а третій вхід з'єднаний з блоком датчиків струму транзисторного перетворювача, вихід блока формування управляючих імпульсів з'єднаний з керуючим входом транзисторного перетворювача. 6 UA 113140 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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 7