RO119575B1

RO119575B1 - Aparat pentru distribuirea uniformă a sarcinilor electrice, într-o reţea de distribuţie de putere, cu n faze

Info

Publication number: RO119575B1
Application number: RO99-00655A
Authority: RO
Inventors: Yair David; Lupu Wittner
Original assignee: Target-Hi-Tech Electronics Ltd.
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2004-12-30
Also published as: EP0956628A4; NZ335928A; AU737507B2; NO992544D0; CA2273167A1; CU22658A3; EP0956628A1; AU5464798A; IL130085A0; JP2001506477A; TR199901957T2; NO992544L; US6018203A; RU2200364C2; UA66777C2; WO1998026489A1; PL334611A1; BR9715011A; CN1114254C; KR20000069391A

Abstract

Aparatul pentru distribuirea uniformă a sarcinilor electrice, într-o reţea de distribuţie de putere, cu cel puţin două faze, cuprinde cel puţin doi senzori de curent (16 şi 18), cuplaţi la o primă şi o a doua fază (fi1şi fi2), respectiv, a unei reţele de distribuţie de putere, cu cel puţin două faze, senzorii de curent (16 şi 18) fiind destinaţi măsurării curenţilor electrici prin faze. Comutatoarele (22, 24, 26, 28 şi 30) cuplate la unul dintre circuitele de ramificaţie (1, 2, 3, 4 şi 5) sunt destinate conectării primei şi celei de a doua faze (fi1şi fi2), la unul din circuitele de ramificaţie (1, 2, 3, 4 şi 5). Aparatul mai cuprinde senzori de curent (42, 44, 46, 48 şi 50) pentru măsurarea curenţilor electrici, prin fiecare din circuitele de ramificaţie (1, 2, 3, 4 şi 5), fiecare dintre senzorii de curent fiind cuplat la unul dintre circuitele de ramificaţie (1, 2, 3, 4 şi 5) şi un procesor (12) pentru comanda comutatoarelor (22, 24, 26, 28 şi 30), astfel încât curenţii electrici amintiţi, prin fiecare pereche formată, din prima şi a doua fază (fi1 şi fi2), să nu depăşească un prag predeterminat. Procesorul (12) este cuplat la senzori (16 şi 18), la comutatoare (22, 24, 26, 28 şi 30) şi la senzorii de curent (42, 44, 46, 48 şi 50). Procesorul (12) este proiectat şi adaptat să utilizeze o funcţie dintre următoarele: a) diferenţele între curenţii electrici amintiţi, prin fiecare pereche formată din prima şi a doua fază (fi1 şi fi2), şi b) rapoartele curenţilor amintiţi, prin fiecare pereche alcătuită din prima şi a doua fază (fi1 şi fi2), procesorul calculând combinaţii alternative de circuite de ramificaţie, care trebu

Description

Prezenta invenție se referă la un aparat pentru distribuirea uniformă a sarcinilor T electrice într-o rețea de distribuție de putere cu N faze. ' în prezent, multe locuințe și clădiri cu destinație comercială primesc la panourile de intrare toate cele trei faze ale unei rețele de distribuție de forță de la o companie de electricitate sau distribuitor de energie electrică. în cazul tipic de distribuție trifazic, fiecare fază alimentează unul sau mai multe circuite de ramificație. Stabilirea circuitelor sau circuitului de ramificație, care să fie legate la cele trei faze de intrare, este făcută de obicei în momentul proiectării clădirii sau în faza de construcție a sa, după încheierea lucrărilor de construcție, această corespondență fiind dificil de schimbat. De exemplu, într-o clădire de locuințe, bucătăria, sufrageria, dormitoarele etc. pot fi alimentate de circuite de ramificație diferite. într-un spațiu comercial, birourile, echipamentele de birou pot fi alimentate de circuite de ramificație diferite. O problemă care apare, în mod frecvent, este găsirea modalității de-a distribui, în mod uniform, energia electrică pe cele trei faze de intrare, furnizate de distribuitorul de energie electrică, către toate circuitele de ramificație. Deseori, de-a lungul timpului, topologia sarcinii unei clădiri se modifică, uneori în mod drastic. Unele circuite de ramificație devin mai încărcate, iar altele mai puțin încărcate, datorită, de exemplu, deplasării mașinilor în incinta unei fabrici, a apariției sau mutării unor noi consumatori de putere mare (de exemplu, frigider, cuptor electric, cuptor cu microunde etc) într-o locuință. Astfel, sarcina pe fiecare dintre fazele de intrare se va modifica și ea în funcție de modificarea sarcinii pe circuitele de ramificație. în timp, o rețea trifazică care a fost echilibrată inițial se poate dezechilibra.

Una din soluțiile acestei probleme o constituie realocarea fiecărui circuit de ramificație unei faze de intrare pentru obținerea unei sarcini egale pe toate cele trei faze prin restabilirea manuală a legăturilor pentru fiecare circuit de ramificație. Un dezavantaj al acestei soluții este acela că aceasta necesită, în mod potențial, restabilirea costisitoare a legăturilor electrice din cutiile și panourile de distribuție, la fiecare dezechilibrare a celor trei faze, situație care poate surveni, în mod frecvent. Un alt dezavantaj este acela că restabilirea legăturilor electrice necesită o întrerupere a energiei electrice, fapt care crează o potențială problemă pentru consumatori. în plus, această soluție nu oferă decât un mecanism imperfect de echilibrare a sarcinii pe cele trei faze de intrare, întrucât nu determină consumul de putere, pe fiecare fiecare fază și circuit de ramificație în mod frecvent. Modificările care intervin, oră de oră și minut de minut, modificări care pot fi suficient de importante pentru a produce dezechilibrări majore pe cele trei faze de intrare, trec neobservate.

Problema tehnică, pe care o rezolvă invenția, este realizarea unui aparat de distribuire uniformă a sarcinii electrice pe cele trei faze ale unei rețele de distribuție trifazică de putere, la care echilibrarea sarcinilor să fie mult mai eficientă.

Aparatul conform invenției înlătură dezavantajele de mai sus, prin aceea că acesta conține un procesor proiectat să utilizeze o funcție dintre următoarele: (a) diferențele între curenții electrici amintiți, prin fiecare pereche formată din prima și a doua fază și (b) rapoartele curenților amintiți prin fiecare pereche alcătuită din prima și a doua fază, procesorul calculând combinații alternative de circuite de ramificație, care trebuie conectate, cu ajutorul comutatoarelor la prima și a doua fază, procesorul amintit comandând conectarea circuitelor de ramificație, prin comutatoarele la prima și a doua fază, astfel încât funcțiile amintite să nu depășească pragul amintit; în afară de prima și a doua fază amintite, este inclusă și o a treia fază; sistemul mai cuprinde o legătură de comunicație, legată la procesorul amintit, pentru a asigura capacitate de comunicație; sistemul mai cuprinde o funcție de măsurare digitală a puterii, aparatul digital de măsură a puterii cuprinzând capacitatea de măsurare a puterii, aparatul digital de măsură a puterii, amintit, fiind selectat dintr-un grup alcătuit din (a) un wattmetru digital, pentru înregistrarea consumului total de

RO 119575 Β1 putere electrică și (b) o combinație între un senzor de tensiune și senzorul de curent amintit, 50 senzorii de tensiune și de curent amintiți având ieșiri la procesorul amintit, pentru determinarea unei măsurători, aleasă dintr-un grup alcătuit din consumul de putere instantanee și consumul de putere electreică, total, funcția de măsură digitală a puterii amintită fiind destinată furnizării unui parametru suplimentar, necesar în administrarea sarcinii și funcția de măsurare a puterii amintită fiind destinată asigurării utilizării puterii 55 electrice de către o instalație a consumatorului, prin legătura de comunicație amintită.

Aparatul conform invenției prezintă următoarele avantaje: modificările care intervin în rețea și care pot dezechilibra rețeaua sunt mai ușor de urmărit, echilibrarea rețelei este realizată automat și în timp real.

Se dă, mai jos, un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1... 5, care 60 reprezintă:

- fig. 1, schemă bloc a unui exemplu de realizare trifazic a prezentei invenții;

- fig. 1B, schemă bloc a unui exemplu de realizare monofazic a prezentei invenții;

- fig. 2, schemă bloc a unui exemplu de realizare a prezentei invenții;

- fig. 2B, un mod simplu de aplicare a circuitului de însumare 52, redresorului 54 din 65 fig. 2, prin combinarea celor două funcții într-un bloc, respectiv în redresorul trifazic 524;

- fig. 2C, schemă a unui invertor c.c. în c.a. convertor staționar;

- fig. 2D, schemă a unui invertor c.c.-c.a., “convertor staționar îmbunătățit;

- fig. 2E, un redresor trifazic și un invertor c.c-c.a., invertor staționar îmbunătățit având adăugat un inductor pentru îmbunătățirea factorului de putere de intrare; 70

- fig. 2F, înlocuiește inductorul din fig. 2E, printr-un regulator în comutație pentru îmbunătățirea factorului de înaltă putere pentru creșterea suplimentară a factorului de putere;

- fig. 3, schemă bloc a unui exemplu de realizare a prezentei invenții, care combină caracteristicile sistemelor din fig. 1B și 2F, adăugând posibilități suplimentare de 75 comunicație;

- fig. 4, variantă a exemplelor din fig. 2 și 2B;

- fig. 5, un aparat de măsură digital conectat la un procesor;

- fig. 5B, echipamentul de măsurare a puterii.

Principiile și modul de funcționare al prezentei invenții pot fi mai bine înțelese, dacă 80 se urmăresc, în paralel, desenele și descrierea alăturată.

O schemă bloc a unui dispozitiv 10 care exemplifică prezenta invenție este reprezentată în fig. 1. Puterea electrică trifazică reprezentată prin φ1, φ2, φ3 este furnizată de un furnizor de energie electrică. Fazele φ 1, φ2, φ3 sunt protejate la supracurent printr-un întrerupător de circuit de serviciu 14. Ieșirea întrerupătorului de circuit al furnizorului 14 85 ajunge la panoul de distribuție, al unei locuințe sau clădiri comerciale. Senzorii de curent 16, 18,20 măsoară intensitatea curentului prin fazele φ1, φ2, respectiv φ3. Ieșirea senzorilor de curent 16, 18, 20 este urmărită de către un procesor 12. Procesorul poate fi orice echipament de calcul adecvat ca, de exemplu, un microprocesor, un microcontroler, calculator personal etc. 90

Fiecare dintre ieșirile celor trei faze de la întrerupătorul de circuit al furnizorului 14 sunt introduse într-o rețea de comutatoare multipolare 22,24,26,28,30. Fiecare comutator are patru terminale de intrare. Sunt prevăzute trei terminale, câte unul pentru fiecare din cele trei faze de intrare, în plus, este prevăzut un al patrulea terminal neconectat (de exemplu, neconectat la nimic). Ieșirile comutatoarelor 22, 24,26, 28, 30 constituie intrări într-o rețea 95 de întrerupătoare, pentru circuitele de ramificație 32,34,36,38 respectiv 40. Semnalele de control CONT 1, CONT 2, C0NT3, C0NT4, CONT5, care ies din procesorul 12, determină

RO 119575 Β1 poziția comutatoarelor 22, 24, 26, 28, respectiv 30. Ieșirea întrerupătoarelor de circuit de ramificație 32, 34, 36, 38, 40 trece printr-o rețea de senzori de curent 42, 44, 46, 48, respectiv 50, înainte de a alimenta, cu putere, fiecare dintre cele cinci circuite de ramificație. Fiecare dintre cele cinci circuite de ramificație are o linie neutră N asociată lui. Curentul măsurat de către senzorii de curent 42, 44, 46,48, 50 este urmărit prin procesorul 12.

Funcționarea dispozitivului 10 se desfășoară având ca elemente centrale comutatoarele multipolare 22, 24, 26, 28, 30. La aplicarea dispozitivului 10, fiecare circuit de ramificație care trebuie acoperit are asociate lui un comutator, un întrerupător de circuit de ramificație și un senzor de curent. în fig. 1, este reprezentat un sistem de echilibrare a sarcinii care acoperă cinci circuite de ramificație. Prezenta invenție poate fi făcută, cu ușurință, în orice caz, să acopere orice număr de circuite de ramificație, prin simpla prevedere de suficiente componente.

Periodic, procesorul 12 achiziționează, ca date, ieșirea senzorilor de curent 16,18, 20 care măsoară curentul care trece prin fiecare fază a puterii trifazate furnizate. Procesorul 12 urmărește, de asemenea, ieșirea senzorilor de curent 42,44,46,48,50, care măsoară curentul care trece prin fiecare circuit de ramificație. Timpul scurs între achiziții suscesive de date, de la senzorii de curent, este de ordinul milisecundelor sau al zecilor de milisecunde și depinde de programul care comandă procesorul 12. Datele achiziționate pe parcursul fiecărui ciclu de achiziție de date nu sunt șterse imediat. în memorie, sunt păstrate un număr finit dintre cele mai recente seturi de date achiziționate, memoria procesorului 12 putând fi fie internă, fie externă.

Procesorul 12 este programat, în mod adecvat, pentru a achiziționa date, în mod periodic, de la toți senzorii de curent, pentru a putea urmări sarcina pe fiecare fază a puterii trifazate de intrare și pe fiecare circuit de ramificație. Atunci când curentul măsurat pe oricare din faze depășește un procentaj fix (de exemplu, 90%) din limita superioară fixată pentru curent, procesorul 12 programează comutatoarele 22, 24, 26, 28, 30 astfel încât sarcina totală să fie aproape egală pe toate cele trei faze de intrare. întrucât sarcina pe fiecare circuit de ramificație este cunoscută, procesorul 12 poate redistribui sarcinile de pe ramificații, astfel încât sarcina pe fiecare fază să fie aproximativ egală. De îndată ce au fost determinate noile poziții ale comutatoarelor, procesorul 12 scoate, la ieșire, comenzile de repoziționare ale comutatoarelor pe liniile de control CONT1, C0NT2, CONT3, CONT4, CONT5 către respectivele comutatoare 22, 24,26,28,30.

în timpul funcționării dispozitivului 10, este posibil ca sarcina de pe un singur circuit de ramificație să crească până la un nivel care depășește curentul maxim admis pe circuitul de ramificație. Ca răspuns la această posibilă condiție de supracurent, procesorul 12 poate programa comutatorul corespunzător circuitului de ramificație, către poziția sa, în care nu stabilește nici o legătură electrică. în această poziție, circuitul de ramificație este deconectat din punct de vedere electric de la toate cele trei faze de intrare. în plus față de protecția la suprasarcină asigurată de către procesorul 12, protecția la supracurent este, de asemenea, asugurată și prin întrerupătoarele convenționale ale circuitelor de ramificație 32,34,36,38, 40, pentru fiecare circuit de ramificație în parte. Dispozitivul 10 poate, de asemenea, îndeplini o funcție pe care întrerupătoarele de circuit convenționale nu o pot executa. Procesorul 12 poate fi programat, în mod adecvat, pentru a prevedea îndeplinirea condițiilor potențiale de suprasarcină, înainte ca aceste condiții să fi apărut, prin monitorizarea ratei de creștere a utilizării curentului de către fiecare dintre circuitele de ramificație și de către fiecare dintre fazele de intrare. Astfel, pot fi anticipate și evitate înainte de producerea lor posibilele întreruperi de energie datorate depășirii limitelor de curent pe una din fazele de intrare.

RO 119575 Β1

Comutatoarele 22,24,26,28,30 pot utiliza relee sau comutatoare cu semiconductori (de exemplu, triace, redresoare comandate cu siliciu etc) ca elemente principale de comutare. Fiecare comutator decodează semnalul de control corespunzător lui, primit de la procesorul 12, și fie își conectează ieșirea pe una din cele trei faze de intrare, fie își decuplează total ieșirea de la toate cele trei faze. Comutatoarele 22,24,26,28,30 își pot comuta 150 terminalele de ieșire la oricare din fazele de intrare suficient de repede, astfel încât dispozitivele sau echipamentul conectat la circuitul de ramificație corespunzător lor să nu sufere o întrerupere apreciabilă în puterea alimentată și, astfel, să nu fie afectat în mod negativ.

Procesorul 12 își preia puterea le al 01 și linia neutră N a puterii trifazate de intrare. Procesorul 12 poate, în orice caz, prelua putere de la oricare din cele trei faze de intrare. 155

Limita superioară, stabilită pentru curent, poate fi furnizată procesorului 12 pe un număr oarecare de căi, cuoscute în domeniu. De exemplu, datele privind limita superioară de curent ar putea fi codificată nard, într-o memorie read-only (ROM), alimentată din exterior cu valori prestabilite prin niște cheițe, de la un echipament de calcul extern etc.

Deși descrierea exemplului de realizare a invenției, de mai sus, s-a făcut cu referire 160 la trei faze, se va considera că sistemul conform prezentei invenții poate fi aplicat ca un sistem cu n faze, pentru orice n. Pentru ilustrarea acestui aspect, în fig. 1B, este reprezentat un sistem monofazat, 1000. Comparând fig. 1 și 1B, în fig. 1B, două din fazele de intrare au fost eliminate. Blocurile, funcționalitatea și denumirile sunt, de altfel, similare. Singura diferență între sistemul monofazat și bi- sau polifazat este faptul că comutatoarele 22 la 30 pot 165 conecta sau deconecta numai respectiv propriile circuite de ramificație la unica fază, neputând să modifice conectarea circuitului de ramificație de la o fază la o altă fază. Astfel, în sistemul monofazat, unica posibilitate în situația unei suprasarcini în sistem este selectarea circuitului de ramificație, care trebuie deconectat, în locul alegerii fazei la care va fi reconectat circuitul de ramificație. Astfel, prezenta invenție se aplică unor surse de putere cu 170 orice număr de faze, deși în cazurile normale, sursele sunt tri- și monofazate, după cum este reprezentat în fig. 1 și respectiv 1B.

Un al doilea exemplu de realizare a prezentei invenții, reprezentat în fig. 2, funcționează astfel, încât să distribuie înmod uniform sarcina pe fiecare fază a unei rețele de distribuție trifazată de putere. Fiecare fază, φ1, φ2, φ3, a unei rețele de distribuție trifazată de 175 putere, constituie intrarea unui circuit de însumare de putere 52. Circuitul de însumare 52 are rolul de a primi fiecare fază de intrare și a combina capacitatea acestora de a prelua curentul și puterea pentru a scoate o ieșire unică, însumată. Semnalul de ieșire al circuitului de însumare 52 este o tensiune electrică unică, având o capabilitate de curent aproximativ egală cu suma capabilităților de curent ale celor trei faze de intrare. 180

Semnalul de ieșire al circuitului de însumare 52 este apoi introdus ca semnal de intrare într-un redresor 54. Redresorul 54 redresează semnalul de ieșire c.a. al circuitului de însumare 54 la un nivel apropiat de ce. Capabilitatea de curent a redresorului 54 trebuie să fie suficientă pentru a putea satisface nevoile totale de curent ale tutror circuitelor de ramificație, combinate, care trebuie deservite de către dispozitivul 10. 185

Semnalul de ieșire al redresorului 54 constituie semnalul de intrare pentru un generator c.a. 56. Generatorul c.a. 56 furnizează o tensiune ca. monofazată pornind de la tensiunea ce care constituie semnalul de ieșire de la redresorul 54. Pentru anumite zone geografice în care trebuie să funcționeze dispozitivul 10 se generează tensiunea și frecvența adecvate (de exemplu 120 V, 60 Hz pentru Statele Unite). 190

Semnalul de ieșire de la generatorul c.a. 56 constituie semnalul de întrare în întrerupătoarele de circuit de ramificație 32, 34, 36, 38, 40 deservite de dispozitivul 10. Circuitele de ramificație sunt alimentate cu putere de către semnalul de ieșire de la întrerupătoarele

RO 119575 Β1 de circuit de ramificație 32,34,36,38,40. Deși în fig. 2, sunt reprezentate cinci circuite de ramificație, dispozitivul 10 poate deservi orice număr de ramificații, cu condiția ca cornponentele să aibă suficientă capabilitate de curent pentru sarcina combinată a tuturor circuitelor de ramificație.

Distribuția reală a sarcinii în dispozitivul 10 se produce în circuitul de însumare 52. Indiferent de modul de creștere sau descreștere a sarcinii, pe fiecare circuit de ramificație, aceasta este distribuită, în mod automat, egal pe cele trei faze de intrare. De exemplu, dacă sarcina pe oricare din ramificații sau grup de ramificații crește cu 30%, sarcina corespunzătoare pe fiecare fază de intrare crește cu 10%. întrucât fiecare fază de intrare poate fi reprezentată printr-o sursă echivalentă de joasă impedanță al cărei curent este identic pentru toate sursele, atunci când sarcina pe circuitul de însumare 52 crește cu 30%, această creștere apare, ca egală, pe fiecare dintre cele trei faze de intrare.

Avantajul acestui al doilea exemplu de realizare, față de primul exemplu de realizare, este acela că acesta din urmă este mai puțin complex, deși este posibil să fie mai scump, datorită componentelor scumpe care trebuie utilizate pentru circuitul de însumare 52, redresorul 54 și generatorul c.a. 56 capabile să suporte nivele crescute de curent.

Fig. 2B reprezintă un mod simplu de aplicare a circuitului de însumare 52, redresorului 54, din fig. 2, combinând cele două funcții într-un singur bloc funcțional, redresorul trifazat 524. în fig. 2B, este reprezentat, de asemenea, un condensator opțional de filtrare.

Este important de remarcat faptul că sistemul din fig. 2 și 2B nu este un sistem cu baterie tampon sau cu o sursă de putere neîntreruptă, ci mai curând asigură echilibrarea sarcinii, datorită circuitului de ieșire monofazat, în mod egal, pe cele trei faze de intrare, prin folosirea circuitului de însumare 52. Prezența circuitului de însumare 52 conduce la împărțirea, practic, egală a sarcinii din circuitul monofazat de ieșire, instantaneu, pe toate cele trei faze ale circuitului de intrare trifazat de putere, chiar în lipsa procesorului de echilibrare a | sarcinii 12, din fig. 1. Din acest motiv, sistemul din fig. 2 și 2B asigură o îmbunătățire a per- \ formanței sistemului conform prezentei invenții, față de exemplificarea din fig. 1. Astfel, un j sistem de distribuție de putere ca, de exemplu, sistemul cunoscut cu baterie tampon, descris în US 5477091, care este în întregime un sistem monofazat, care cuprinde o baterie tampon, nu poate pune în evidență, cu claritate, funcția de echilibrare a sarcinii pe care o îndeplinește exemplul de realizare a prezentei invenții, din fig. 2 și 2B.

Mai mult, generatorul c.a. 56 poate fi realizat ca convertor static” - un convertor ce.ca. sau invertor c.c.-c.a., fără a se depăși limitele dezvăluirii prezentei invenții, întrucât un generator c.a. este doar un convertor dinamic. Astfel, după cum se cunoaște, se poate folosi un convertor static. Un exemplu schematic de convertor static c.c.-c.a. de tip invertor c.c.-c.a. este reprezentat în fig. 2C. Semnalul de intrare c.c. 213, de la redresorul sumator !

524 alimentează invertorul c.c.-c.a. 200 scoțând un semnal de ieșire ca. de formă dreptunghiulară 211, care după filtrarea trece jos opțională cu inductanța 208 și 209 și capacitatea 210 devine o ieșire sinusoidală de c.a. 212. Circuitul dat ca exemplu este un oscilator în contratimp, nesincronizat, care constă dintr-o pereche de tranzistoare în comutație 201,202 ale căror colectoare sunt conectate la capetele înfășurării primare 207a a transformatorului cu miez saturat 207. Semnalul de intrare c.c. este aplicat între priza centrală a primarului și punctul comun de legare a emitorilor lui 201 și 202. Tranzistoarelor 201 și 202 li se aplică o polarizare directă prin rezistoarele 203, respectiv 204 care sunt șuntate în ca. de ca- j pacitățile 205, respectiv 206. Reacția este cuplată de către înfășurarea 207c a transforma- Ș torului la baza tranzistorului 201 și de înfășurarea 207d a transformatorului la baza tranzis- ---—'“j torului 202. Oscilatorul este nesincronizat, la o frecvență ce depinde de proiectarea transformatorului cu miez saturabil. Aceasta este un exemplu imperfect de realizare a acestui tip de

RO 119575 Β1 circuit, dat doar ca exemplu, pentru ilustrarrea principiului de funcționare. Acesta este cunoscut ca un oscilator Royer Oscillator, conform inventatorului său. Acest circuit a fost publicat în Royer, G.H., A Switching Transistor AC to DC Converter, Trans AIEE, Iulie '55.

Proiecte îmbunătățite ca, de exemplu, un invertor 2000, din fig. 2D folosesc un transformator fără miez saturat pentru 207 și adaugă un transformator cu miez saturat de reacție 2070 circuitului bazei. Transformatorul de reacție cu miez saturat al bazei determină apoi frecvența de funcționare a invertorului c.c.-c.a. Acest circuit nu poate realiza o stabilizare a tensiunii de ieșire. în aticele circuite, tensiunea vârf la vârf a semnalului de ieșire dreptunghiular al secundarului depinde de tensiunea c.c de intrare, iar frecvența de ieșire depinde de tensiunea c.c de intrare ca și de caracteristicile transformatorului cu miez saturabil. Acest invertor îmbunătățit a fost publicat în Jensen, J.L., an Improved Square Wave Oscillator circuit. Trans. IRE, Vol.CT-4, Nr.3, Septembrie '57.

Sistemul din fig. 2 poate fi apoi aplicat fără costuri excesive, prin combinarea redresorului trifazat din fig. 2B cu un invertor ca în fig. 2C sau 2D. Redresorul trifazat echilibrează sarcina, în mod egal, pe fiecare dintre cele trei faze de intrare fără a necesita nici un alt echipament de calcul.

Sistemul din fig. 2,2B, și 2C sau 2D, poate fi aplicat la fel de bine sistemelor bifazate sau sistemelor cu trei sau mai multe faze, de exemplu, unui sistem de distribuție a puterii cu n faze. Capacitatea de filtrare, 58 și filtrul trece jos, 208, 209 și 210 pot fi incluse, în mod opțional, pentru a se obține o ieșire sinusoidală, 212, care depinde de spectrul de ieșire necesar pentru alimentarea circuitelor de sarcină.

Sistemul din fig. 2, 2B, 2C este recomandabil în mod special pentru instalațiile la scară mică, de exemplu, o mică fabrică. în acest caz, utilizarea acestui exemplu de realizare a prezentei invenții va fi utilă, de asemenea, și pentru minimizarea problemei ameliorării factorului de putere la intrarea în incintă, având în vedere că diferitele sarcini date de motoare și alte sarcini care nu sunt complet rezistive ar putea fi îndepărtate de la intrarea de forță în ca. a incintei, și înlocuite printr un circuit redresor de intrare. Este posibil ca prin eliminarea capacității 58, sau prin folosirea doar a unei capacități foarte mici pentru filtrarea zgomotului, ca inductanța primarului 207a a transformatorului 207 care va apărea ca inductivă, să prezinte un factor de putere ameliorat față de cel al unei instalații fără acest circuit de echilibrare a sarcinii. Acest lucru se datorează faptului că redresorul cu intrare capacitivă realizează un factor de putere de circa 0,6, în timp ce un circuit redresor cu “inductanța infinită realizează un factor de putere de aproximativ nouăzeci de procente. Forma îmbunătățită a invertorului c.c. ca. din fig. 2D, cu un transformator cu miez nesaturat în colector pentru 207, și cu un transformator separat cu miez saturabil în bază, 2070, ar trebui să realizeze o și mai mare îmbunătățire a factorului de putere la intrarea incintei. în sfârșit, o a treia variantă este un convertor în contratimp alimentat în curent, în care este adăugată în serie cu conexiunea de intrare a sursei de c. c., la priza centrală a transformatorului 207, o inductivitate de valoare mare. Aceasta va realiza o inductivitate mărită în circuitul redresor, ameliorând, în continuare, factorul de putere la intrare. Un factor de putere înalt, apropiat de unitate, este important pentru companiile de furnizare a puterii electrice, întrucât acest lucru poate conduce la posibile economii în costurile instalațiilor de distribuție de putere, după cum este binecunoscut. Fig. 2E reprezintă un sistem, 10, care cuprinde un redresor trifazat, 524, și un invertor c.c. ca. de tip convertor static îmbunătățit, 200, cu un inductor 2071, adăugat pentru creșterea factorului de putere la intrare. O sarcină pur rezistivă are un factor de putere de 1,0. Modificarea fazei curentului de sarcină datorată sarcinilor nerezistive și distorsiunile datorate sarcinilor neliniare reduc factorul do putere și conduc la costuri crescute ale instalațiilor companiei de electricitate, datorate cuplării ineficiente a energiei electrice la sarcina consumatorilor din incintă.

245

250

255

260

265

270

275

280

285

290

RO 119575 Β1

Cu toate că circuitele invertorului static ilustrat sunt de tehnologie foarte veche, ele reprezintă cea mal simplă și cea mai ieftină punere în practică. Regulatoarele în comutație în contratimp mai noi, care încorporează circuite controlate prin reacție și care nu au transformatoare cu miez saturabil pot fi folosite pentru punerea în practică a invertoarelor statice cu tensiunea și frecvența de ieșire independente de tensiunea de intrare. Punerea în practică a unui asemenea tip de invertor, când funcționează de la o sursă de tensiune joasă este bine cunoscută. Proiectarea unor asemenea circuite pentru tensiune înaltă de intrare este foarte simplă, mai puțin dificilă, decât în cazul intrării de joasă tensiune.

Fig. 2F înlocuiește inductivitatea 2071 din fig. 2E, printr-un regulator în comutație de îmbunătățire a factorului de înaltă putere, 5242, pentru creșterea, în continuare, a factorului de putere la intrare. Regulatorul de îmbunătățire 5242 poate folosi un controler de înalt factor de putere ca, de exemplu, elementul nr.UC1854 Uhitrode Integrated Circults Corporation. Acest element și aplicațiile sale sunt bine prezentate în literatura uhitrode, care poate fi găsită în Product & Appllication Handbcook '93 '94, IC850, Unitrode Integrated Circuits Corporation, 7 Continental Booulevard, Merrimack, NH 03054, USA, Telefon: (603) 4242410, Fax:(603) 4243460. Blocul 5242 furnizează o tensiune de ieșire stabilizată de c.c, 5244, invertorului ce c.a. 10, eliminând una din cauzele variațiilor frecvenței de ieșire în ca. și de asemenea stabilizând amplitudinea de ieșire a convertorului c.c ca. 10. Condensatorul Choldup, 5243, realizează o stocare a sarcinii electrice care premite invertorului c.c ca. 10 să continue furnizarea ieșirii ca., 211, timp de câteva milisecunde, după fiecare situație în care are loc o scădere tranzitorie a tensiunii de linie la intrare. Aceasta conferă o anumită imunitate la scurte “căderi și asigură timp pentru deconectarea corectă a sarcinilor, în condițiile în care regulatorul de îmbunătățire 5242 trimite un semnal de avertizare de joasă tensiune la intrare, după cum se procedează în mod obișnuit. UC1854 și controlerele de factor de putere similare pot furniza factori de putere de intrare sursei de putere cu n faze mai mari de 0,99 atunci când lucrează într-un sistem monofazat obișnuit. Cu o intrare trifazată, așa cum este arătat în fig. 2F, un circuit identic ar trebui să furnizeze un factor de putere îmbunătățit, întrucât sursa de eroare cunoscută ca dostorsiune de punct cuspidal, descrisă în literatura Unitrode nu ar trebui să apară la folosirea controlerului cu o sursă de putere cu n faze. Acest lucru se datorează faptului că fazele suplimentare nu permit tensiunii de intrare minime a regulatorului de îmbunătățire a factorului de înaltă putere să cadă brusc la zero, ca în cazul unui redresor monofazat bialternanță în punte, de exenplu, deoarece fazele suplimentare umplu golul dintre cele două semiperioade ale intrării monofazate. Distorsiunea de punct cuspidal este analogă distorsiunii de tranziție din amplificatoare, și este eliminată prin umplerea ondulației formei de undă, deoarece tensiunea de intrare nu mai atinge instantaneu domeniul problematic al tensiunilor joase de intrare apropiate de zero.

Controlerul factorului de putere 1854 și procedura de proiectare a sa sunt descrise în următoarea literatură Unitrode IC Corporation:

1. UC1654/2854/3854 High Power Factor Preregulator (1854Data Sheet)

2. U-134, UC3854 Controllgd ^APower Factor Correction Circuit Desiga

3. D1NS-39D, Optimizing Performance in UC3854 Power Factor Correction Applications

4. DN-41, Extended Current Transformer Ranges

5. U-140, Average Current Mode Control of Switching Power Supplies.

în mod concis, metoda reprezentată în fig. 2 etc, sistemul de echilibrare a sarcinii electrice pe o sursă electrică de putere cu n faze cuprinde următoarele etape:

- redresarea sursei de putere electrică cu n faze pentru a produce o sursă de tensiune de c.c.;

RO 119575 Β1

- conectarea sursei de tensiune de c.c. amintite la un invertor de c.c.-c.a. pentru a genera o tensiune de ieșire de ca.; 340

- generarea respectivei tensiuni de ieșire de ca. pornind de la tensiunea de c.c. amintită;

- conectarea sarcinilor de ca. la respectiva tensiune de ieșire de ca., prin aceasta asigurîndu-li-se sarcinilor de ca. amintite curentul de sarcină de ieșire;

Unde curentul de sarcină de ca. de ieșire este reflectat înapoi prin invertorul de c.c- 345 ca. ca curent de sarcină c.c. pe sursa de tensiune de c.c. și unde curentul de sarcină c.c. amintit este, la rândul său, reflectat înapoi printr-un redresor n-fazic amintit ca un curent de sarcină de ca. de intrare pe sursa de putere electrică cu n faze amintită, curentul de sarcină de ca. de intrare amintit fiind furnizat, în mod echilibrat, prin cele n faze amintite ale sursei de putere cu n faze amintită prin redresorul n-fazic amintit, astfel echilibrând curentul de 350 sarcină de ieșire în ca. amintit, pe cele n faze amintite ale sursei de putere cu n faze.

Fig. 3 este o schemă bloc a unui exemplu de realizare a prezentei invenții, care combină caracteristicile sistemelor din fig. 1B și 2F, și aducând în plus posibilitatea de comunicație, de exemplu, cu compania de electricitate sau cu consumatorul prin legătura de comunicație, de exemplu, un modem 3001. Punerea în practică a sistenului din fig. 2F 355 este inserată între întrerupătorul de circuit al furnizorului 14 din fig. 1B și restul sistemului din fig. 1B, realizând o echilibrare automată a sarcinii, și totodată un înalt factor de putere, după cum s-a descris anterior. Sistemul din fig. 1B este reprezentat aici ca n unități de circuit, denumite 1001 ....1002, reprezentând fiecare unitate a schemei asociate fiecăruia dintre cele m circuite de ramificație. Aceste m unități de circuite de ramificație sunt conectate la 360 procesorul 3012, în același mod, ca și la procesorul 12 din fig. 1B și nu numai că sunt controlate în același fel de procesorul 3012 pentru a limita maximumul sarcinii pe circuitul de serviciu cu n faze prin limitarea curentului maxim de sarcină furnizat de invertorul c.c.-c.a. 10, ci procesorul 3012 are posibilități suplimetare, după cum se va descrie în continuare.

Modemul 3001 este conectat printr-o magistrală de comunicație bilaterală 3004 la procesorul 365

12. Modemul 3001 este conectat, de preferință, prin interfața RJ11,3002, la linia telefonică 3003 a oficiului central. Modemul 3001 asigură posibilități de comunicare de exemplu, cu compania de electricitate furnizoare sau cu consumatorul.

în plus, comanda preprogramată prin procesorul 12 a conectării și deconectării sarcinilor, de exemplu, circuitelor de ramificație, ca răspuns la determinările de curent realizate 370 de senzori, 18,42m, procesorul 3012 acceptă și programarea comenzilor privind adăugarea sau eliminarea sarcinilor în funcție de timp, de exemplu în funcție de momentul zilei sau ziua din săptămână. De asemenea, eliminarea unor sarcini în cazul apariției unei condiții de suprasarcină pe o linie de putere și reconectarea sarcinilor poate fi realizată în funcție de prioritățile preprogramate de consumator în procesorul 3012. Astfel, consumatorul de putere 375 electrică poate exercita controlul asupra funcționării echipamentului din incintă, chiar în absența sa în plus, procesorul 3012 poate raporta date companiei de electricitate, comunicând prin modemul 3001. De asemenea, în mod suplimentar, compania de electricitate poate cerceta procesorul, de exemplu, cu privire la încărcarea fiecăreia dintre fazele unui sistem cu n faze ca în fig. 1, sau cu privire la încărcarea fiecărui circuit de ramificație în 380 oricare dintre variantele de realizare ilustrate în figuri. De asemenea, compania de electricitate sau consumatorul poate emite comenzi către procesor, cum ar fi conectarea sau deconectarea de sarcini, exercitând astfel controlul asupra sarcinilor în instalațiile consumatorului prin modernul 3001 și procesorul 3012, în plus compania de electricitate sau consumatorul pot reprograma procesorul 3012 de la distanță prin modemul 3001. Deși este re- 385 prezentată o conexiune pe linie telefonică cablată,în întinderea protecției se află se află și folosirea telefoanelor celulare sau a altor metode de comunicații pentru realizarea unei legături de comunicație cu procesorul 3012.

RO 119575 Β1

Fig. 4 prezintă un alt exemplu de realizare 5400 a combinației blocurilor 52 și 54 din fig. 2, pentru un sistem trifazat, ca exemplu de sistem n-fazat, cu n=3. în fig. 4, fiecare fază este, mai întâi, redresată, în redresoarele 401-403, fiecare ieșire a redresoarelor constituind intrarea într-un modul separat de corecție a factorului de putere (PFC) 405-407, după cum s-a arătat mai înainte, de exemplu, folosind un UC1854 sau un controler similar. Ieșirile celor n module de corecție a factorului de putere sunt conectate împreună și la un condensator de vârf 409, care furnizează o ieșire de c.c, 410. Cele n module de îmbunătățire a factorului de putere sunt interconectate la o magistrală comună de divizare a sarcinii 408, după cum este arătat în literatura Unitrode cu referire la circuitul lor integrat UC1907 Load Share Controller, de exemplu, și cu referire la controlerele de comandă a comutației ca, de exemplu UC1842. Scopul magistralei de divizare a sarcinii este să asigure că fiecare modul de ameliorare a factorului de putere furnizează părți egale din curentul de sarcină, plus sau minus o toleranță, de exemplu, 10% sau mai puțin.

Avantajul exemplului din fig. 4 față de cel din fig. 2 și 2B este acela că exemplul din fig. 4 furnizează cu mai mare certitudine atât echilibrarea îmbunătățită a sarcinii pe cele n faze, cât și un factor de putere ameliorat pe fiecare dintre cele n faze.

Fig. 5 reprezintă conectarea suplimentară a unui aparat de măsură digital 5001 la un procesor, 3012, ca de exemplu procesorul 3012 din fig. 3. Aparatul de măsură digital 5001 este un contor electric digital, care înregistrează consumul total de putere electrică consumată. Procesorul 3012 are o conexiune asociată 3004 la modemul 3001, care este de preferință conectat prin interfața 3002 la linia telefonică a oficiului central 3003. în această variantă, folosirea puterii electrice de către instalația consumatorului este făcută disponibiă prin procesor și legătura de comunicație pentru a fi transmisă într-un loc de administrare, de exemplu unei companii de furnizare a puterii electrice.

într-un alt exemplu de realizare a invenției, inclus, în mod implicit, în fig. 3, senzorii de curent 18 și 42n sunt urmăriți, în mod continuu, de procesorul 3012, consumul instantaneu de putere putând fi calculat o dată cu măsurarea simultană a tensiunii în locurile de amplasare a senzorilor de curent, după cum bine se cunoaște, aceste valori putând fi, în continuare, însumate, integrate de procesorul 3012, pentru a se menține consumul total de putere electrică al instalației. Echipamentul necesar pentru fiecare măsurare de putere este ilustrat în fig. 5B, care prezintă senzorul de curent 518 cu ieșirea 5181 către procesorul 3012 și senzorul de tensiune 5189 cu ieșirea 5189V către procesorul 3012. Astfel, funcționalitatea wattmetrului numeric 5001 poate fi încorporată în sistemul din fig. 3 și în mod similar într-un sistem cu n faze, după cum este arătat în fig.1.

Funcția wattmetrului numeric, în cazul în care este aplicat ca instrument discret ca în fig. 5 sau implicit în fig. 3, după cum s-a descris anterior, poate fi utilă în oricare din sistemele descrise în prezenta cerere, chiar fără o legătură de comunicație pentru a oferi un parametru suplimentar necesar în administrarea sarcinii.

Deși invenția a fost descrisă cu referire la un număr limitat de exemple de realizare, se va considera că se pot realiza multe variații, modificări sau alte aplicații ale invenției. în mod special cazul comun de trei faze a fost dat ca exemplu pentru n faze. în general, numărul de faze nu este limitat la trei faze, dar poate fi fi oricât de mare. în plus, se poate folosi orice formă de legătură de comunicație pentru schimbul de informații între procesorul din incinta consumatorului și compania de electricitate.

Claims

1. Sistem de distribuire a sarcinii, cu trei faze pentru distribuirea uniformă a unei sarcini electrice, aplicat pe mai multe circuite de ramificație, pe o rețea de distribuție de putere cu cel puțin două faze, care cuprinde cel puțin doi senzori de curent (16,18), cuplați

RO 119575 Β1

440 la o primă, și o a doua fază (φΊ, φ2), respectiv, a unei rețele de distribuție de putere cu cel puțin două faze, senzorii de curent (16,18) fiind destinați măsurării curenților electrici prin prima și a doua fază (φ1, φ2), respectiv; mai multe comutatoare (22,24,26,28,30), cuplate la unul dintre circuitele de ramificație (1,2,3,4,5), fiecare comutator (22,24,26,28,30) fiind destinat conectării primei și celei de a doua faze (φ1, φ2) la unul dintre circuitele de ramificație (1,2, 3, 4, 5); mai mulți senzori de curent (42, 44,46, 48, 50) pentru măsurarea curenților electrici prin fiecare din circuitele de ramificație (1,2,3,4,5); fiecare dintre senzorii de curent (42,44,46,48,50) fiind cuplat la unul dintre circuitele de ramificație (1,2,3,4,5); și un procesor (12) pentru comanda comutatoarelor (22,24,26,28,30), astfel încât curenții electrici amintiți prin fiecare pereche formată din prima și a doua fază (φ1, φ2) să nu depășească un prag predeterminat, procesorul (12) fiind cuplat la senzorii (16,18), la comutatoarele (22,24,26,28,30) și la senzorii de curent (42,44,46,48,50), caracterizat prin aceea că procesorul (12) este proiectat și adaptat să utilizeze o funcție dintre următoarele: (a) diferențele între curenții electrici amintiți prin fiecare pereche formată din prima și a doua fază (φ1, φ2), și (b) rapoartele curenților amintiți prin fiecare pereche alcătuită din prima, și a doua fază (φ1, φ2), procesorul calculând combinații alternative de circuite de ramificație (1, 2, 3, 4, 5) care trebuie conectate cu ajutorul comutatoarelor (22, 24, 26,28,30) la prima și a doua fază (φ1, φ2), procesorul amintit comandând conectarea circuitelor de ramificație (1, 2, 3, 4, 5) prin comutatoarele (22, 24, 26, 28, 30) la prima și a doua fază (φ1, φ2) astfel încât funcțiile amintite să nu depășească pragul amintit.

2. Sistem conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, afară de prima și a doua fază amintite, este inclusă și o a treia fază (φ3).

3. Sistem conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că mai cuprinde o legătură de comunicație, legată la procesorul amintit, pentru a asigura capacitate de comunicație.

4. Sistem conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că mai cuprinde o legătură de comunicație conectată la procesorul amintit, pentru a sigura capacitate de comunicație.

5.Sistem conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că mai cuprinde o funcție de măsurare digitală a puterii, aparatul digital de măsură a puterii cuprinzând capacitatea de măsurare a puterii, aparatul digital de măsură a puterii amintit fiind selectat dintr-un grup alcătuit din (a) un wattmetru digital pentru înregistrarea consumului total de putere electrică și (b) o combinație între un senzor de tensiune și senzorul de curent amintit, senzorii de tensiune și de curent amintiți având ieșiri la procesorul amintit, pentru determinarea unei măsurători aleasă dintr-un grup alcătuit din consumul de putere instantanee și consumul de putere electreică total, funcția de măsură digitală a puterii amintită fiind destinată furnizării unui parametru supliementar necesar în administrarea sarcinii și funcția de măsurare a puterii amintită fiind destinată asigurării utilizării puterii electrice de către o instalație a consumatorului prin legătura de comunicație amintită.

6. Sistem conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că mai cuprinde o funcție de măsurare digitală al puterii, aparatul de măsură digitală a puterii amintit cuprinzând capacitatea de măsurare a puterii, aparatul de măsură digitală a puterii amintit fiind selectat dintrun grup format din (a) un wattmetru digital pentru înregistrarea consumului de putere electrică total și (b) o combinație între un senzor de tensiune și un senzor de curent amintit,

445

450

455

460

465

470

475

480

RO 119575 Β1 senzorii de tensiune și curent amintiți având ieșirile la procesorul amintit, pentru determinarea unei măsurători în funcție de putere selectată dintr-un grup alcătuit din consumul 485 de putere instantanee și consumul de putere electrică total, funcția de măsurare a puterii amintită având rolul de a furniza un parametru suplimentar necesar în administrarea sarcinii.

7. Sistem conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că mai cuprinde o funcție de măsurare digitală al puterii, aparatul digital de măsură a puterii amintit cuprinzând capacitatea de măsurare a puterii, aparatul digital d e măsură a puterii amintit fiind selectat 490 dintr-un grup format din (a) un wattmetru digital pentru înregistrarea consumului de putere electrică, total și (b) o combinație între un senzor de tensiune și un senzor de curent, amintit, senzorii de tensiune și curent amintiți având ieșirile la procesorul amintit, pentru determinarea unei măsurători în funcție de putere selectată, dintr-un grup alcătuit din consumul de putere instantanee și consumul de putere electrică, total, funcția de măsurare a puterii 495 amintită având rolul de a furniza un parametru suplimentar necesar în administrarea sarcinii.