RU145056U1

RU145056U1 - ELECTROMECHANICAL REACTIVE POWER COMPENSATOR

Info

Publication number: RU145056U1
Application number: RU2013141715/07U
Authority: RU
Inventors: Даниил Олегович Ефимов; Валерий Иванович Сысун; Александр Андреевич Тихомиров
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2014-09-10

Abstract

Электромеханический компенсатор реактивной мощности, включающий в себя железные сердечники с пазами, в которые уложены секционные обмотки, соединенные параллельно, постоянные магниты, блок управления, который подключен параллельно к электрической сети, отличающийся тем, что железные сердечники расположены в ряд таким образом, что между ними помещены постоянные магниты, каждый сердечник имеет 2 секционные обмотки, намотанные встречно друг другу, секционные обмотки подключены параллельно к электрической сети через блок управления, причем число подключенных одновременно к электрической сети через блок управления секционных обмоток определяется программой, заложенный в блоке управления, что позволяет получить эффективную емкость в соответствии с формулой:, где B - индукция магнитного поля, L - длина паза, m - масса магнитов, n - общее число сетевых витков в пазах.Electromechanical reactive power compensator, including iron cores with grooves, in which sectional windings are connected, connected in parallel, permanent magnets, a control unit that is connected in parallel to the electrical network, characterized in that the iron cores are arranged in a row so that between them Permanent magnets are placed, each core has 2 sectional windings wound opposite to each other, sectional windings are connected in parallel to the electric network through the control unit, the number of sectional windings connected simultaneously to the electric network through the control unit is determined by the program embedded in the control unit, which allows to obtain the effective capacity in accordance with the formula: where B is the magnetic field induction, L is the groove length, m is the mass of magnets, n is total number of network turns in slots.

Description

Область применения предлагаемого электромеханического компенсатора реактивной мощности - электроснабжение промышленных и бытовых объектов.The scope of the proposed electromechanical reactive power compensator is power supply to industrial and domestic facilities.

Известен компенсатор реактивной мощности представляющий собой трехфазный делитель напряжения и однофазные трансформаторы тока, состоящие из металлических сердечников с секционными обмотками, подсоединенные к фазам питающей сети параллельно. К выходу трехфазного делителя напряжения подключены датчики напряжения. К выходу однофазных трансформаторов тока подключен блок управления, состоящий из датчиков реактивного тока подключенных к выходам однофазных трансформаторов. Выходы датчиков реактивного тока и датчиков напряжения соединены с входом элемента сравнения, выходы которого подключены к инверторам. Выход инверторов соединен с блоками формирования сигнала управления, входы которых соединены с дифференциальными усилителями. К выходам дифференциальных усилителей подключены силовые модули, которые соединены с емкостными фильтрами, выходы которых подсоединены к фазе питающей сети параллельно. Выработка реактивной мощности осуществляется емкостными фильтрами [1].Known reactive power compensator representing a three-phase voltage divider and single-phase current transformers, consisting of metal cores with sectional windings connected to the phases of the supply network in parallel. Voltage sensors are connected to the output of the three-phase voltage divider. A control unit consisting of reactive current sensors connected to the outputs of single-phase transformers is connected to the output of single-phase current transformers. The outputs of the reactive current sensors and voltage sensors are connected to the input of the comparison element, the outputs of which are connected to the inverters. The inverter output is connected to control signal generating units, the inputs of which are connected to differential amplifiers. Power modules are connected to the outputs of differential amplifiers, which are connected to capacitive filters, the outputs of which are connected to the phase of the supply network in parallel. Reactive power is produced by capacitive filters [1].

Недостатком такого компенсатора реактивной мощности являются сложность конструкции, как следствие необходимости применения большого количества емкостных фильтров, что приводит к снижению надежности и коэффициента полезного действия устройства.The disadvantage of such a reactive power compensator is the design complexity, as a consequence of the need to use a large number of capacitive filters, which leads to a decrease in the reliability and efficiency of the device.

Также известен гибридный компенсатор реактивной мощности, представляющий собой два модуля: активной и пассивной компенсации. Пассивный модуль компенсации состоит из емкостных фильтров, которые могут подключаться параллельно линии и компенсировать реактивную мощность. Активный модуль состоит из последовательно соединенного блока управления конвертора электрической энергии, конденсатора.Also known is a hybrid reactive power compensator, which consists of two modules: active and passive compensation. The passive compensation module consists of capacitive filters that can be connected in parallel with the line and compensate for reactive power. The active module consists of a series-connected control unit of an electric energy converter, a capacitor.

Блок управления вырабатывает управляющие импульсы, которые подаются на конвертор электрической энергии, который вырабатывает электрическую энергию фильтруемую высокочастотным фильтром и подаваемую через разделительный конденсатор в линию. Применение активного и пассивного модуля компенсации позволяет гарантированно избежать электрического резонанса и плавно регулировать выдаваемую реактивную мощность в линию [2].The control unit generates control pulses, which are supplied to the electric energy converter, which generates electrical energy filtered by a high-pass filter and supplied through the isolation capacitor to the line. The use of an active and passive compensation module allows you to guaranteedly avoid electrical resonance and smoothly regulate the output reactive power in the line [2].

Недостатком гибридного компенсатора реактивной мощности является сложность конструкции из-за необходимости применения большого количества емкостных фильтров, что приводит к снижению надежности и коэффициента полезного действия.The disadvantage of a hybrid reactive power compensator is the design complexity due to the need to use a large number of capacitive filters, which leads to a decrease in reliability and efficiency.

Также известен компенсатор реактивной мощности, предназначенный для быстродействующей компенсации реактивной мощности сети и стабилизации напряжения нагрузки. Компенсатор имеет блок управления, к которому параллельно подключены датчик реактивной мощности сети и датчик отклонения напряжения на нагрузке, а также трансформатор, подключенный параллельно к блоку управления, состоящий из железных сердечников и секционных обмоток. К блоку управления параллельно подключены два инвертора с общим для них индуктивно-емкостным фильтром. Инверторы управляются блоком управления, с целью регулирования индуктивно-емкостного фильтра [3].Also known is a reactive power compensator designed for high-speed compensation of the reactive power of the network and stabilization of the load voltage. The compensator has a control unit to which a reactive power sensor and a voltage deviation sensor are connected in parallel to the load, as well as a transformer connected in parallel to the control unit, consisting of iron cores and sectional windings. Two inverters with a common inductive-capacitive filter are connected in parallel to the control unit. Inverters are controlled by a control unit, in order to regulate the inductive-capacitive filter [3].

Недостатком компенсатора реактивной мощности является сложность конструкции из-за применения индуктивно-емкостного фильтра включающего в себя большого количества элементарных емкостных фильтров, что приводит к снижению надежности и коэффициента полезного действия устройства.The disadvantage of a reactive power compensator is the design complexity due to the use of an inductive-capacitive filter that includes a large number of elementary capacitive filters, which leads to a decrease in the reliability and efficiency of the device.

Наиболее близким по технической сущности и предлагаемому техническому результату является электромеханический компенсатор, который и принят за прототип [4]. Прототип состоит из ротора в виде металлического сердечника с пазами, в которые уложены обмотки ротора, соединенные параллельно. Неподвижная секционная обмотка представляющая собой статор с пазами, в которые уложены обмотки статора, соединенные параллельно. Электромеханический компенсатор имеет блок управления, который подключен параллельно к электрической сети и в зависимости от величины реактивной мощности по заранее заданному алгоритму подает ток на обмотки ротора и секционные обмотки статора, которые создают электромеханическую связь с инерцией ротора в его колебательном движении, создавая источник реактивной мощности [4].The closest in technical essence and the proposed technical result is an electromechanical compensator, which is taken as a prototype [4]. The prototype consists of a rotor in the form of a metal core with grooves in which the rotor windings are connected, connected in parallel. The stationary sectional winding is a stator with slots in which the stator windings are connected, connected in parallel. The electromechanical compensator has a control unit that is connected in parallel to the electric network and, depending on the magnitude of the reactive power according to a predetermined algorithm, supplies current to the rotor windings and stator sectional windings, which create an electromechanical connection with the inertia of the rotor in its oscillatory motion, creating a source of reactive power [ four].

Недостатком прототипа является существенная внутренняя индуктивность, снижающая К.П.Д. и увеличивающая габариты компенсатора, вследствие наличия многочисленных обмоток, уложенных в пазы металлического сердечника.The disadvantage of the prototype is a significant internal inductance, reducing K.P.D. and increasing the dimensions of the compensator, due to the presence of numerous windings laid in the grooves of the metal core.

Технический результат в предлагаемом электромеханическом компенсаторе реактивной мощности заключается в повышении КПД электроснабжения, уменьшении габаритов.The technical result in the proposed electromechanical reactive power compensator is to increase the efficiency of power supply, reducing the size.

Обеспечивается технический результат тем, что железные сердечники расположены в ряд таким образом, что между ними помещены постоянные магниты, каждый сердечник имеет две секционных обмотки, намотанные встречно друг другу. Обмотки подключены параллельно к электрической сети через блок управления, причем число одновременно подключенных к электрической сети через блок управления обмоток определяется алгоритмом заложенным в блоке управления, что позволяет получить эффективную мощность в соответствии с формулой: где В - индукция магнитного поля, L - длина паза, m - масса магнитов, n - общее число сетевых витков в пазах.The technical result is ensured by the fact that the iron cores are arranged in a row so that permanent magnets are placed between them, each core has two sectional windings wound opposite each other. The windings are connected in parallel to the electric network through the control unit, and the number of windings simultaneously connected to the electric network through the control unit is determined by the algorithm embedded in the control unit, which allows to obtain effective power in accordance with the formula: where B is the magnetic field induction, L is the groove length, m is the mass of magnets, n is the total number of network turns in the grooves.

Устройство электромеханического компенсатора реактивной мощности показано на Фиг.1. Электромеханический компенсатор реактивной мощности состоит из железных сердечников 1 с пазами 7, в которые уложены секционные обмотки 2 и 3, постоянных магнитов 4 расположенных между сердечниками 1, блока управления 5, состоящего из программатора 8 и коммутатора 9. Железные сердечники 1 расположены в ряд друг за другом так, что между ними размещены постоянные магниты 4. Каждый железный сердечник 1 имеет свои секционные обмотки 2 и 3, соединенные параллельно. Блок управления 5 подключается параллельно к электрической сети 6 и к секционным обмоткам 2 и 3 всех сердечников 1.The device of the electromechanical reactive power compensator shown in Fig.1. The electromechanical reactive power compensator consists of iron cores 1 with grooves 7, in which are laid sectional windings 2 and 3, permanent magnets 4 located between the cores 1, control unit 5, consisting of a programmer 8 and switch 9. Iron cores 1 are arranged in a row behind each other the other so that permanent magnets 4 are placed between them. Each iron core 1 has its own sectional windings 2 and 3 connected in parallel. The control unit 5 is connected in parallel to the electrical network 6 and to the sectional windings 2 and 3 of all cores 1.

Электромеханический компенсатор реактивной мощности состоит из отдельных секций, каждая из которых представлена железным сердечником 1 с двумя встречными секционными обмотками 2 и 3 и двумя магнитами 4, и в конструкцию компенсатора может быть включено множество таких секций. Компенсатор имеет блок управления 5, который подключен параллельно к электрической сети 6 для контроля реактивной мощности в электрической сети 6 и в зависимости от величины реактивной мощности по любому заранее заданному алгоритму подключает последовательно или параллельно необходимое количество рабочих секций компенсатора. Также данный компенсатор имеет невысокое значение паразитной индуктивности, за счет встречного наматывания секционных обмоток 2 и 3 на каждом сердечнике 1, т.к. они будут частично гасить индуктивность друг друга.The electromechanical reactive power compensator consists of separate sections, each of which is represented by an iron core 1 with two counter sectional windings 2 and 3 and two magnets 4, and many such sections can be included in the design of the compensator. The compensator has a control unit 5, which is connected in parallel to the electric network 6 for monitoring reactive power in the electric network 6 and, depending on the magnitude of the reactive power, according to any predetermined algorithm, connects in series or parallel the required number of working sections of the compensator. Also, this compensator has a low parasitic inductance due to the counter winding of sectional windings 2 and 3 on each core 1, because they will partially extinguish each other's inductance.

По сравнению с прототипом, предлагаемый электромеханический компенсатор реактивной мощности имеет следующие отличия: нем железные сердечники расположены в ряд так чтобы между ними расположить магниты.Compared with the prototype, the proposed electromechanical reactive power compensator has the following differences: iron cores are arranged in a row so that magnets are placed between them.

Каждый сердечник имеет 2 секционные обмотки, которые намотаны встречно друг другу. Секционные обмотки подключаются параллельно сети с помощью блока управления, причем число одновременно включенных обмоток регулируется программой, заложенной в блоке управления. Это позволяет получить эффективную мощность в соответствии с формулой: : где В - индукция магнитного поля, L - длина паза, m - масса магнитов, n - общее число сетевых витков в пазах. В компенсаторе используется принцип поступательного механического перемещения, обеспечивающего качественное улучшение выработки реактивной мощности, и такой тип движения позволяет вырабатывать кинетическую энергию и преобразовывать ее в реактивную мощность непосредственно в одном устройстве, без использования электрической машиныEach core has 2 sectional windings, which are wound opposite each other. Sectional windings are connected in parallel with the network using the control unit, and the number of simultaneously connected windings is regulated by the program embedded in the control unit. This allows you to get the effective power in accordance with the formula:: where B is the magnetic field induction, L is the groove length, m is the mass of magnets, n is the total number of network turns in the grooves. The compensator uses the principle of translational mechanical displacement, which provides a qualitative improvement in reactive power generation, and this type of movement allows generating kinetic energy and converting it into reactive power directly in one device, without using an electric machine

Принцип действия электромеханического компенсатора реактивной мощности заключается в следующем: выводы электрической сети 6, в которую выдается реактивная мощность, подключены через электропроводники параллельно к секционным обмоткам 2 и 3, которые создают электромагнитное поле В, пронизывающее пространство между сердечниками 1, где расположены магниты 4, поля которых направлены встречно. Блок управления 5, подключенный параллельно к электрической сети 6, контролирует значение реактивной мощности в электрической сети 6 и с помощью программатора 8 и коммутатора 9 подключает к электрической сети последовательно или параллельно необходимое количество секционных обмоток 2 и 3. При этом возникает электромеханическая связь между электромагнитным взаимодействием обмоток секционных 2 и 3, и инерцией поступательного движения магнитов 4, что приводит к созданию эффективной электроемкости С, определяющей возникновение реактивной мощности в электромеханическом компенсаторе реактивной мощности.The principle of operation of the electromechanical reactive power compensator is as follows: the terminals of the electric network 6 into which the reactive power is supplied are connected through electrical conductors in parallel to the sectional windings 2 and 3, which create an electromagnetic field B that penetrates the space between the cores 1, where magnets 4 are located, fields which are directed in the opposite direction. The control unit 5, connected in parallel to the electric network 6, controls the value of reactive power in the electric network 6 and, using the programmer 8 and the switch 9, connects to the electric network the number of sectional windings 2 and 3 in series or in parallel, and an electromechanical connection between the electromagnetic interaction sectional windings 2 and 3, and the inertia of the translational motion of the magnets 4, which leads to the creation of an effective electric capacity C, which determines the appearance of reactive capacity in an electromechanical reactive power compensator.

Электродвижущая сила E(t), индуцированная в секционных обмотках 2 и 3 равнаThe electromotive force E (t) induced in the sectional windings 2 and 3 is

E(t)=V(t)BnL,E (t) = V (t) BnL,

где В индукция магнитного поля, L - длина паза, n - общее число сетевых витков в пазах, V(t) - скорость перемещения магнита, определяемая из уравнения второго закона Ньютона:where V is the induction of the magnetic field, L is the groove length, n is the total number of network turns in the grooves, V (t) is the speed of movement of the magnet, determined from the equation of Newton’s second law:

где m - масса магнитов, U - напряжение сети, С - эффективная емкость, создаваемая компенсатором.where m is the mass of magnets, U is the network voltage, C is the effective capacity created by the compensator.

Таким образом, сетевой ток пропорционален производной от напряжения, что соответствует емкостной нагрузке:Thus, the mains current is proportional to the derivative of the voltage, which corresponds to a capacitive load:

Физически часть периода переменного тока энергия от электрической сети переходит в кинетическую энергию поступательного движения магнитов, другую часть периода - возвращается в электрическую сеть. Эффективная емкость создаваемая поступательным компенсатором в 2 раза больше чем в известных конструкциях колебательных компенсаторов.Physically, part of the alternating current period, the energy from the electric network passes into the kinetic energy of the translational motion of the magnets, another part of the period returns to the electric network. The effective capacity created by the translational compensator is 2 times greater than in the known designs of oscillatory compensators.

Проведенные в Петрозаводском государственном университете испытания доказывают эффективность электромеханического компенсатора реактивной мощности.Tests conducted at Petrozavodsk State University prove the effectiveness of the electromechanical reactive power compensator.

Предлагаемый электромеханический компенсатор реактивной мощности характеризуется возможностью создания реактивной мощности при снижении габаритов и возможности ступенчатой регулировки выдаваемой реактивной мощности.The proposed electromechanical reactive power compensator is characterized by the possibility of generating reactive power while reducing the size and the possibility of stepwise adjustment of the issued reactive power.

Список литературыBibliography

1. Патент RU №2453964 МПК H02J 3/18 опубл. 2012.06.201. Patent RU No. 2453964 IPC H02J 3/18 publ. 06/06/20

2. Патент US №6982546 МПК G05F 1/70 опубл. 01.03.20062. US patent No. 6982546 IPC G05F 1/70 publ. 03/01/2006

3. Патент RU №2154333 МПК H02J 3/18 опубл 10.08.20003. Patent RU No. 2154333 IPC H02J 3/18 publ. 08/10/2000

4. Патент RU №135197 МПК H02J 3/18 опубл. 27.11.20134. Patent RU No. 135197 IPC H02J 3/18 publ. 11/27/2013

Claims

Electromechanical reactive power compensator, including iron cores with grooves, in which sectional windings are connected, connected in parallel, permanent magnets, a control unit that is connected in parallel to the electrical network, characterized in that the iron cores are arranged in a row so that between them Permanent magnets are placed, each core has 2 sectional windings wound opposite to each other, sectional windings are connected in parallel to the electric network through the control unit, The number of connected simultaneously to the electric network through the control unit sectional windings is determined by the program embedded in the control unit, which allows you to obtain an effective capacity in accordance with the formula:

where B is the magnetic field induction, L is the groove length, m is the mass of magnets, n is the total number of network turns in the grooves.