Симметро-компенсирующее устройство для трехфазных четырехпроводных электрических сетей

Патент 862312

Авторы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Q ll И С А Н И Е „„ВВ2За

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советски к

Социалистичаскик

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 25.12.79 (21) 2856869/24-07 (5 3 ) M. K JI.

Н 02 У 3/18

Н 02 У 3/26 с присоединением заявки ¹ юваудярстаанный комитет

СССР ио делам нзебретеннй н етармтнй (23)Приоритет..Опубликовано 07.09.81. Бюллетень .% 33 (53) УД К621.316..937 (088.8) Дата опубликования описания 07.09.81 (54) СИММЕТРО-КОМПЕНСИРУЮШЕЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ТРЕХФАЗНЫХ ЧЕТЫРЕХПРОВОДНЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Изобретение относится к электроэнер гетике и предназначено для симметрирования режима работы низковольтной сети с нулевым проводом компенсации в ней реактивной мощности..

Несимметрия нагрузки по фазам низко»

5 вольтной распределительной сети с нулевым проводом и пониженный коэффициент мощности вызывают. увеличение потерь мощности и ухудшение качества: напряже1О ния у потребителей.

Известно устройство для регулирования реактивной мощности с помощью конденсаторных батарей с тиристорным управлением f1).

Однако это устройство не симметрирует напряжение н не может быть использовано в четырехпроводных сетях.

Иэ известных устройств наиболее близким по технической сущности к предл& гаемому является устройство, предназначенное для планового регулирования реактивной мощности.в электрической сети. с заземленной нейтралью llpR соединении од2 нофазных KB в звезду и включении тирйе» торных выключателей в каждый фазный провод, соединяя секцию КБ с шинами низкого напряжения (НН) распределитель ного трансформатора (РТ) E2 S.

Однако это устройство не позволяет обеспечить симметричный и уравновешенный режим работы четырехпроводной сети при неснмметрин нагрузок.

Цель изобретения - уменьшение тока с в нулевом. проводе сети и снижение потерь мощности и напряжения в се як с несимметричными нагрузками.

Для этого симметро-компенсирующее устройство, содержащее подключенные к фазным проводам последовательно соеди неннйе тиристорный выключатель к бата- рею конденсаторов включенных в звезду, общая точка которой подключена к нулевому проводу сети с несимметричными на» грузкамн, снабжено трансформатором тока, преобразователем тока, преобразователем фаэных напряжений, дискретным фазовым . дискриминатором, блоком выдержки време»,862312 ни,.блоком разрешения переключения конденсаторов, блоком синхронизации и блоком запуска тиристоров, причем первичная . обмотка трансформатора тока включена в нулевой провод сети, вторичная вЂ” на вход преобразователя тока, выходы которого подключены соответственно к первым входам блока выдержки времени и дискретного фазового дискриминатора, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами преобразователя фазных напряжений, входы последнего служат для подключения к фазам сети, а его третий выход соединен с входом блока синхронизации, выходы которого соединены соответственно с первыми вхо-. дами блока запуска тиристоров и блока разрешения перекпючения конденсаторов, второй вход последнего подключен к выхо« ду блока выдержки времени а третийк первому выходу дискретного фазового дискриминатора, второй выход которого соединен с третьим входом блока выдержки времени, причем выход блока разрешения переключения конденсаторов соединены с вторым входом блока запуска тиристоров, выходы которого подключены к соответствующим электродам тиристоров (семисторов) выключателей.

Входная цепь преобразователя фазных напряжений выполнена в виде соединенных в звезду первичных обмоток трех однофазных измерительных трансформаторов, напряжения, подключенных к фазам сети, а блоки преобразования тока и фазных на пряжений выполнены на прецезионных ин...тегральных нуль-органах.

Дискретный фазовый дискриминатор выполнен на трех Д-триггерах, информационные входы которых соединены с трехканальным выходом преобразователя 4азных напряжений, а синхронизирующие вЂ” c выходом преобразователя тока через одновибратор, Блок-разрешения переключения конденсаторов снабжен тремя выходными Llтриггерами, информацинные входы которых через дополнительно введенные комбинаци онные логические элементы соединены с . выходами триггеров дискретного фазового дискриминатора, а синхронизирующие входы выходных 33 -,триггеров соединены с блоками выдержки времени и синхронизации через дополнительно введенные блоки совпадения, причем выходы формирователей . широких импульсов управления блока синхронизации и выходы выходных 3) -триг-. геров блока разрешения переключения кон.вЂ”. денсаторов подключены к входам блоков совпадения, выходы которых через управляющие ключи соединены с входами соответствующих генераторов высокочастотноI o заполнения блока запуска тиристоров.

Мощность конденсаторной батареи каждой фазы равна (Г3/18 мощности нагрузки. Конденсаторные батареи выполнены секционированными.

На фиг. 1 представлена функциональная о схема симметро-компенсирующего устройства в низковольтных распределительных сетях; на фиг. 2 -. совмещенная диаграмма задающих токов устройства и кривые и;менения тока 1О в зависимости от ф0," на фиг. 3 вЂ” график изменения функции

1о,; на фиг. 4 - блок-схема преобразователей тока и фазных напряжений; на фиг. 5 вЂ” дискретный фаэный дискриминатор; на фиг. 6 вЂ” блок-схема схем синхро20 низации, разрешения переключения.конденсаторов и запуска тиристоров; на фиг. 7временные диаграммы работы узлов устройства.

Симметро-компенсирующее устройство (фиг. 1) подключено к проводам 0-3 распределительного 4 трансформатора в трехфазной четырехпроводной сети с несимметричными 5«7 нагрузками и содержит: по.следовательно соединенные тиристорные зо 8-10 выключатели и батарею Однофазных . 11-13 конденсаторов, соединенных в звезду, трансформатор 14 тока, преобразователь 15. тока, преобразователь 16 фазных напряжений, дискретный фазовый 17 дис,,криминатор; блок выдержки 18 времени, блок 19 размещения подключения конден- . саторов, блок 20 синхронизации и блок

21 запуска тиристоров.

Указанное устройство обеспечивает .Щ Уменьшение тока о пУтем полУчениЯ Различных комбинаций включения конденсаторных батарей. 11-13 в зависимости от аргумента 9 согласно следующей таблице:

Из диаграммы работы KE очевиден алм горитм переключения: при изменении Ц О от О до 180 КБ 11 подкшочается к фа-. зе 1; при изменении fо от 120 до 3000

KE 12 подключается к фазе 2; при изменении Чо от 240 до 60 вЂ” КБ 13 подключаетса к фазе 3, т.е. при изменении

Чо в полном диапазоне (0-360 ) возможны шесть основных комбинаций I-N, Совмещенная диаграмма (фиг, 2) задающего (компенсирующего) тока 1 и, 5у СКОМПфНСИРОВаННОГО тОКа с» ХОРОШО ИЛЛЮСТ-. рирует симметрирующие возможности устройства (отсчет fI» ведется от оси действительных чисел в отрицательном направ

312 6 менты необходима для задержки управляющих сигналов на переключение тиристорных выключателей 8-10 при изменении

Чо(переходе от одной рабочей комбинации к другой), чтобы раньше сработала схема 44 ИЛИ, выходной импульс..Л.I gblj, которой эа время Ь задержки = 2 4 раз-. ряда = 0,1 сек (+y>*вЂ” = RC -интегрирующей цепи 39, 40;Qz>p=R е С ®)разряжает емкость C l схемы 18 выдержки времени и тем самым обеспечивает начало выдержки времени (Е А-3-4 мин) и устранение переключения КБ при случай ных и непродолжительных изменениях режима работы сети. Схема 44 необходима также для блокировки блока 18, когда ве» личина тока ТОИ не превышаетХ ц "ЗА, т.е. когда нецелесообразно переключать КБ.

Системы 45-47 управлении тиристорами, выполненные идентично, длятрех выключателей, необходимы цля синхрониI зации импульсоВ запуска тиристоров с сетью, их высокочастотного заполнения и гальванической развязки блока управления с силовой цепью тиристоров (фиг. 6). На информационный вход каждого из выходных З -триггеров (например,. 48) поступает управляющий сигнал с выхода соответствующей комбинационной логической схемы, а на синхронизирующий-: с выхо» да схемы 49 совпадения, необходимый цля разрешения синхронизации выходных . триггеров лишь по истечении времени выдержки Ь@, д и в момент перехода соот« ветствующего фаэного напряжения через амплитудное значение. Для определения этого момента времени для положитель ной и отрицательной полуволн фазного на» пряжения служит двухканальный формирователь 50 широких импульсов, который обеспечивает получение двух последовательностей положительных импульсов длительностью 120 еп. грай. для положитель ной и отрицательных полуволн напряже» ний сети, передние фронты которых сцвинуты на 90Р относительно моментов про хожде.=ия синусоиды напряжений через ну» левое значение. Формирователь 51 узких импульсов необходим (как. и ранее.) для получения сиихроимиульсов выходных триг геров (,„+ 20ц с@к), сдвинутых . относи» тельно друг друга на 180 . Схемы 52-

53 совпадения пропускают широкие им пульсы через управляющие 54.-.55 ключи на генераторы 56-57 Ройера лишь при единичном состоянии выходного 48 триг гера..В этом. случае нв управляющие алек троди . тиристоров относительно их ка

5 862 ленни), иэ рассмотрения которой видно, что кривые тока 1О в зависимости от

Pp = 0-360 повторяют дуги. окружности, образованной компенсирующими токами 1 .и т.ц., T.e. точками O рЬ1"; tie N.

Например, для 4o = 0 -60 изменяется о о

1 на комплексной плоскости по дугеQ,Ь,С, и т.д. Своеобразную развертку изменения

1 о}представляет график (.ойдо на фиг. -3, иэ которого видно значительное количест- lO внеййое уменьшение тока Io для различHblK Ч.о рабочих комбинаций I-Yl .

Ток Ill в нулевом проводе, модуль и аргумент которого изменяются в завйсй мостИ от графика нагрузок и их несиммет-1 рии, снимаЬтся трансформатором тока

14, вторичная обмотка нагружена на сопротивление 22, напряжение на котором приложено к входу нуль-органа 23 (фиг.4), К фазам сети подключены первичные обмотки оцнофазных 24-26, измерительных трансформаторов напряжения, а их вторич» . ные обмотки нагружены на выпрямительные 27-.29 мосты и нуль-органы 30-32.

Выпрямленное напряжение, величина кото25 ,рого пропорциональна уровню напряжения

"-.сети, поступает на одни входы компараторов Д3-34, к другим входам которых прикладываются опорные напряжения постоянного тока, пропорциональные верх- ЗО ней и нижней границам рабочего циапазоoAè снОЮ АОп >

0 у -М нои ()дд ) Нульоргань1 H KQMHapa торй выполйены на базе высокочувствительных интегральных операционных уси- 35 лителей, позволяющих с большой точносTbIo преобразовать напряжения и ток сети в прямоугольные импульсы и .осущест-. вить сравнения уровня напряжения сети

40 с опорными напряжениями.

Импульсы х1(34,.ГЗ.Ц2,.П 0 с частотой сети с выходов нуль-органов фаэных напряжений поступают непосредственно на информационные входы 9 -триггеров 3537, а импульсы Я.Яопреобразователя тока45 на их синхрониэирующие входы через оцновибратор 38, необходимый цля формирования . коротких синхроимпульсов(Ги 4цN grams) не нереннеон фронте ЛИЧО (фно..5

Тем самым с большой точностью (меньше 0,5 эл.грац) в зависимости от изме-. нения аргумента fg триггеры 35-37 находятся в определенных состояниях (единица или "нуль ); реализуя алгоритм оп- 5 ределения рабочих комбинаций t-М1. эа е каждый период напряжения сети. Интегрирующая цепь 39-40, входящая во все комбинационные 41;-43 логические еле.-7 8623 тодов подаются пачки широких импульсов с высокочастотным заполнением и конденсаторная 11 батарея подключается к фазе

1 сети практически беэ переходного процесса. Остальные системы 46-47 функционируют аналогичным образом.

Установочные Я5-входы выходнык триггеров соединены соответственно между собой и необходимы для отключения(Осе -и7!

З Ооп1 ) или включениЯ(ОСЕ И О,п .) всех 10

КБ, т.е. получения дополни™тельнык двух рабочих комбинаций Vlt-ф1((при установке устройства, например, на шинах Н Н Р Т

"сои =- " .

Работа основных узлов устройства поясняется временными диаграммами (фиг. 7) с соответствующими обозначениямй цля цвух случаев: а) $p= 0-60о, б) 9р=120150, для других аргументов о эпюры, 20

О напряжений имеют в целом аналогичный характер с определенными изменениями.

За начало отсчета времени Ь о принят переход фазового напряжения Uq через нулевое значение. допустим, что в этот

25 момент триггеры 35-37. дискретного фазового дискриминатора и выходные триггеры систем 45-.47 управления тиристоров находятся в нулевом состоянии, а Ч10 = 060 . Момент времени - .определяется

Q 30 .временем прохождения I O> через нулевое значение, тогда оцновибратор 38 из

Jig@ вырабатывает короткие импульсы, имеющие сдвиг относительно т g, пропорциональный аргументу во временной об ласти. Важно отмети ь, что 3 -триггера переключаются .в единичное состояние по прямому выходу лишь при одновременном наличии на информационном исинкрониэирующем вкодах логической ециницы. Поэто40 му в момент 4< переключаютсй в ецинич-, ное состояние только триггера 35 и 37, а триггер 36 по.-прежнему находится в нулевом, так как на его информационном входе нет единицы в этот момент време- 5 ни (см. фиг. 7), т.е. специфическая особенность работы 3-триггеров дает возможность сравнительно просто реализовать алгоритм переключения КБ. Одновременно . схемой 44 формируется импульс ХЕ Ь| ыА

50 разряда емкости .выдержки схемы 18, которая тем самым подготовлена к работе..

Следует отметить, что в блоке управле ния имеется также схема первоначального

55 включения, .которая автоматически произ водит ряд предварительнык установок и .обеспечивает блокировку работы схемы вы-. .йернщи времени прИ включении устройства, т.е. в этом случае КБ подключаются к сети без „",что повышает коэффициент использования устройства. В момент времени конденсаторы интегрирующик цепей комбинационных логических 41 и 43 схем заряжаются go величины 0„=1,15 порогс срабатывания логических микросхем вЂ” им» пульс.П 1 ь1А кончается, и одновременно с этим на информационные входы выход-ных триггеров подаются управляющие сигналы Упр. 8+Упр. 10, но эти триггеры не переключаются в требуемое состоя-. ние до тех пор, пока не пройдет время (момент .времени Ь4 в относительном масштабе времени), когда сработает компаратор схемы 18 и не произойдет совпадение в схеме 49 (и аналогичных ) единицы Г 18 с выхода 18 и импульсов синхронизации с сетью с выкода 51 (и аналогичных) в момент времени у.. Тогда на синхронизирующие входы выхоцных триггеров подаются узкие синхроимпульсы, и те выходные триггеры, на информационные входы которых подаются единичные управляющие сигналы, переключаются в единичное состояние синхронно с переходом соответствующих фазных напряжений через амплитудное значение. Таким образом, широкие импульсы запуска проходят через схемы совпадения 52-53 (аналогично и цля 4.7) на управляющие . ключи 54-55. и генераторы Ройера 5657, тиристорный 8 ключ подключает конденсаторную 11 батарею к фазе 1 сети.

В момент времени Ь 6 аналогичным образом подключается КБ 13 к фазе 3 сети.

В момент времени 67 происходит естественная коммутация одного из управляемых вентилей тиристорного 8 выключателя и сразу же открывается другой его управляемый вентиль.

Из рассмотрения временных диаграмм следует, что случайные и непродол>кительные флуктуации тока Iog не оказывают влияния на режимы работы устройства ., а жесткая синхронизация с сетью пачек, импульсов управления с высокочастотным заполнением обеспечивает включение конденсаторных батарей беэ переходного процесса, и тем самым хорошие условия эксплуатации силовых элементов симметрокомпенсирующего устройства.

Выбор мощности конденсаторных батарей в каждой фазе сети осуществляется искодя из условия компенсации математического ожидания тока в нулевом проводе: (I.он 1=1Т я! 1111=! 11 в режиме макси10

М2312

О- 30» 60 90- 120- 150» 180» 210- 240- 270- 300 33030 -60 -90 120 -180 -180 -21 0 -240 -270 -300 «330 «360. 11 11 11 11 11 11 - - 13 13 13 13

Вкл. КБ

13 13 12 -12 12 12 12 12

М комб. 1 И II I . и М М! формула изобретения мальных нагрузок сети. В общем случае как система токов, так и система напряжений на нагрузке несимметрична и.содержит составляющие прямой, обратной и ну-. левой послецовательностей, но в силу того; что сопротивление нулевой последова-тельности в четыре (при одинаковых сечениях фазного и нулевого проводов) и более (при меньшем сечении нулевого провода) раз больше сопротивления обратной 10 последовательности, напряжение нулевой последовательности О р (смещение нейтрали) значительно больше напряжения обрат.ной последовательности. Предложенное устройство с пофазно-коммутируемыми тирис-1 торными включателями батарей конденсаторов обеспечивает полную или частичную компенсацию токов нулевой последовательности, создаваемых несимметрией Нагру,эок и тем самым уменьшает несимметрию >0 фазных напряжений.

В результате проведенных р счетов ря да режимов электрических сетей с нулевым проводом при наличии и отсутствии симметро-компенсирующего устройства

l установлено, что .условие полной. компенсации тока в нулевом проводе при подключении, например, устройства на шины

1. Симметро-компенсирующее устрой ство для трехфазных четырехпроводных электрических сетей, содержащее подклю»

45 ченные к фазным проводам последовательно соединенные тиристорный выключа ельи батарею конденсаторов, включенных в звезду общая точка которой подключена к нулевому проводу сети, о т л и ч a50 ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения тока в нулевом проводе и снижения потерь мощности и напряжения в сети с несимметричными нагрузками, оно снабжено трансформатором тока, преобрвзовате51 лем тока, преобразователем фаэных напряжений, дискретным фвзовым дискримина тором, блоком выдержки времени, блоком разрешения переключения к нденсатороВ, Н Н P Т выражается следующей зависимостью:

Ц и= а= 4= н (8 4 - суммарная нагрузка РТ или фицера) . Перерасчет мощностей косинусных конденсаторов производится по утвержденной методике. ..Использование предложенного устройст-. ва в низковольтных сетях с нулевым проводом .обеспечивает следующие результаты.

- уменьшение тока в нулевом проводе в (2-5) раз,. а значит и напряжения нулевой последовательности в тех же поеце- лах;

- коэффициент неуравновешенности по . напряжению уменьшается до величины 0,, 2о,.

- коэффициент мощности увеличивается от 0,9 по 0,98;

- отклонения напряжения на шинах РТ не превышают допустимых эначоний при принятом в расчетахСо 9н =0,9 потери мощности в Р Т снижаются по срав нению с режимом без устройства на 0,5I

0,6% ог передаваемой активной мощности.

Для меньших значений сО З ЧИ потери Moal ности в сети при установке устройства снижаются еще в большей степени. блоком синхронизации и блоком .запуска тиристоров, причем первичная обмотка трансформатора тока включена в нулевой провод сети, а вторичная вЂ” на вход преобразователя тока, выходы которого подключены соответственно. к первым входам блока выдержки времени и дискретного фаэовогс дискриминатора, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами преобразователя фаэ,ных напряжений, входы последнего служат цля подключения к фазам сети. а его третий выход соедине.; с входом блока син-. хронизации, выходы которого соединены соответственно с первыми входами блока запуска тиристоров и блока разрешения переключения конценсаторов, второй вход последнего подключен к выходу блока выдержки времени, а третий - к первому выМЙЗ ходу дискретного фазового дискриминатора, второй выход которого соединен с тре тьии входом блока выдержки времени, .причем выход блока разрешения переключения конденсаторов соединен с вторым входом блока запуска тиристоров, выходы которого подключены к соответствующим электродам тиристоров (семисторов) .выключателей.

2. Устройство по п; 1, о т л и ч а - <0 ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности симметрирования, входная цепь преобразователя фазных. напряжений выполнена в виде соединенных с звезду первичных обмоток трех однофазных изме- t5 рительных трансформаторов напряжения, подключенных к фазам сети, а блоки преобразования. тока и фазных. напряжений выполнены на прецезионных интегральных нуль-органах. 20

3. Устройство по пп. l и 2, о т л ивЂ” чающеес я тем, что, с цельюупрощения, дискретный фазовый дискриминатор выполнен на трех ц -Tpstòåðàõ„-информационные входы которых соединены 25 с трехканальным выходом преобразователя фазных напряжений, а синхронизирующне» с выходом преобразователя тока через одновибратор.

4. Устройство по пп. 1-3, о т л ивЂ” ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, эффективности и надежности работы устройства, блок разрешения переключенИи конденса-. з5 торов содержит три выходных Q григ12

12 гера, информационные входы которых через комбинационные логические элементы соединены с выходами триггеров дискретного фазового дискриминатора, а синхронизирующие входы выходных, 9 -триггеров служат для подключения блоков выдержки времени и синхронизации через ,блоки совпадения, при этом выходы формирователей широких . импульсов управле.ния блока синхронизации и выходы выходных Ъ -триггеров блока разрешения переключения конденсаторов подключены к входам блоков совпадения, выходы которых через управляющие ключи соединены с входами соответствующих генераторов высокочастотного заполнения блока запуска тиристоров.

5. Устройство по п. 1, о т л, и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повыше ния эффективности уменьшения тока, мощность конденсаторной батареи каждой фазы равна 43/18 мощности нагрузки.

6. Устройство цо п. 1, о т л и ч ив ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазонов симметрирования режима сети и компенсации реактивной мощности конденсаторные батареи выполнены секционированными.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Веников В. А. и др. Статические источники реактивной мощности в электрических сетях, М., Энергия, 1975, с. 97-130.

2. "Электричество", 1966, М 3 с. 6-11, рис. 1.