RU2593210C1 - Способ компенсации реактивной мощности и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение в мощных высоковольтных устройствах плавного пуска. Техническим результатом предложенного изобретения является значительное повышение надежности при одновременном снижении затрат на его производство. Технический результат достигается за счет того, что в устройстве, содержащем последовательно включенные базовые модули, каждый из которых имеет конденсаторную группу переменной емкости, при этом все конденсаторные группы переменной емкости подключены последовательно между собой, а концы данной цепочки являются выводами устройства, затем формируют в каждом базовом модуле две одинаковые силовые цепи, для положительной полярности напряжения линии сети и для отрицательной полярности напряжения, каждая из которых имеет, по меньшей мере, накопитель энергии в виде индуктивной нагрузки и полностью управляемый ключ для периодического попеременного подключения конденсаторов конденсаторных групп переменной емкости то к одной данной силовой цепи, то к другой силовой цепи, в зависимости от полярности напряжения линии сети. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение в мощных высоковольтных устройствах плавного пуска, а также в статических компенсаторах реактивной мощности, устанавливаемых на электроподстанциях, в электроснабжении железных дорог, а также в электрическом оборудовании ЛЭП.

Известна конденсаторная установка (патент РФ на ИЗ №2302068, H02J 3/18), содержащая секции трехфазных одинаковых силовых конденсаторов одинаковой мощности, в которой, используя способ ступенчатого переключения, добиваются режима регулирования минимальной мощности конденсаторной установки.

Известна также установка поперечной компенсации реактивной мощности (патент РФ на ПМ №51795, H02J 3/18), содержащая две секции одинаковой мощности конденсаторных установок, в которой используется способ последовательного ввода двухступенчатой конденсаторной установки с помощью трехфазного выключателя для регулирования мощности.

Недостатком вышеперечисленных патентов является использование в них способа ступенчатого переключения сопротивления конденсаторов, что приводит либо к недокомпенсации, либо к перекомпенсации реактивной мощности.

Также использование в данных патентах трехполюсных или других переключающих элементов снижает быстродействие данных устройств, а также снижает их надежность.

Известно также «Устройство для коррекции коэффициента мощности с регулируемой мощностью» по патенту WO №2010120667, H02J 3/18, содержащее один или несколько конденсаторов, емкость которых можно изменять в зависимости от величины коэффициента мощности, требуемого для данного приложения. Для включения и выключения конденсаторов фиксированной емкости в данном устройстве используют разъединительные блоки, имеющие внутренние мостиковые стержни.

В данном устройстве используют способ ступенчатого переключения сопротивления конденсаторов, что приводит либо к недокомпенсации, либо к перекомпенсации реактивной мощности.

Известен также «Способ подключения для компенсатора реактивной мощности» по патенту РФ на ИЗ №2342759, H02J 3/18, в котором компенсационные компоненты подключают к рабочему напряжению при помощи управляемых переключателей и тиристорного блока.

Использование в данном способе переключающих элементов снижает его быстродействие.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является «Способ компенсации реактивной мощности и устройство для его осуществления» по патенту Китая №103856090 от 11.06.14, H02J 3/18, который содержит устройство компенсации реактивной мощности с последовательно соединенными базовыми модулями, каждый из которых связан с системой управления и состоит из конденсаторной группы и силовой полупроводниковой схемы, имеющей силовые переключаемые полупроводниковые компоненты и выполненной с возможностью регулирования емкостей конденсаторной группы за счет периодического подключения их к электрической сети. Кроме того, в данном устройстве также имеется дополнительный блок для накопления энергии, который через переключающее устройство связан с конденсаторными группами.

Устройство компенсирует реактивную мощность и обменивается активной мощностью с соединительной сетью переменного тока за счет использования способа мультиуровневого управления модулем, в котором добиваются плавного режима нарастания пускового тока двигателя путем подключения упомянутого модуля последовательно со статорной обмоткой, а затем, по мере увеличения частоты вращения двигателя, с помощью переключения электронных ключей (встречно параллельно включенные тиристоры) система управления модулем переключает многоуровневые инверторы параллельно фазам сети, обеспечивая непрерывную компенсацию реактивной мощности сети в соответствии с заданным коэффициентом мощности в рабочем режиме.

Данный способ формирования компенсации реактивной составляющей в сети с помощью многоуровневых инверторов выполняется путем создания (с помощью алгоритмов системы управления) модулируемого сигнала синусоидального напряжения на выходе данного устройства (с помощью звеньев постоянного тока, в которых установлены как минимум четыре силовых переключаемых полупроводниковых ключа с встречно включенными диодами). Следовательно, каждый уровень многоуровневого инвертора имеет индивидуальный характер управления.

В результате сигнал может по фазе опережать сеть, и тем самым вносить емкостной характер, совпадать по фазе, и тем самым вносить в сеть активный характер, или запаздывать по фазе, и тем самым вносить индуктивный характер. При этом энергия берется для каждой из конденсаторных групп каждого уровня от той же сети, поэтому динамический диапазон ограничен. Поэтому с целью его расширения были созданы устройства компенсации реактивной мощности, в которых используют дополнительное устройство для накопления энергии, например «Модуль для многокаскадного преобразователя с дополнительным устройством для накопления энергии» по международной заявке WO №2010124706, H02J 3/18.

Недостатками вышеприведенного модуля и способа его работы являются введение в сеть широкого спектра гармоник последовательного источника напряжения, многоступенчатое преобразование энергии - большое число промежуточных уровней преобразователей в инверторе, в которых имеются мосты с силовыми переключаемыми полупроводниковыми ключами, в количестве не менее четырех, наличие конденсаторных групп постоянного тока большой емкости, что приводит к большим затратам и снижает КПД данного модуля.

Техническим результатом предложенного изобретения является значительное повышение надежности за счет упрощения способа компенсации реактивной мощности и устройства для его реализации, при одновременном снижении затрат на его производство.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе компенсации реактивной мощности, который реализуется в устройстве, содержащем последовательно включенные базовые модули, каждый из которых имеет конденсаторную группу и силовую полупроводниковую схему, имеющую силовые переключаемые полупроводниковые компоненты, через которые конденсаторные группы связаны с электрической сетью, изменяют реактивную мощность за счет изменения емкости конденсаторных групп, в базовых модулях посредством регулируемого подключения конденсаторных групп к электрической сети через различные силовые переключаемые полупроводниковые компоненты, при этом сначала определяют необходимое количество базовых модулей «n» путем деления заданного уровня напряжения сети U_зад на рабочее напряжение базового модуля U_раб, после чего определяют, в соответствии с требованием по определенной установочной емкости компенсации сети, значение емкости каждой конденсаторной группы Q для каждого уровня напряжения U_i каждой конденсаторной группы в каждом базовом модуле, распределяя заданное значение емкости С_зад на «n» последовательно соединенных базовых модулей, после чего подключают все конденсаторные группы базовых модулей последовательно между собой, при этом концы данной цепочки являются выводами устройства компенсации реактивной мощности, и их подключают непосредственно к электрической сети, затем формируют в каждом базовом модуле конденсаторную группу переменной емкости за счет подключения к ней по меньшей мере двух одинаковых силовых цепей, для положительной полярности напряжения линии сети и для отрицательной полярности напряжения линии сети, каждая из которых содержит, по меньшей мере, полупроводниковую схему с накопителем энергии в виде индуктивной нагрузки и полностью управляемым ключом, при этом силовые цепи выполняют с возможностью попеременного подключения к соответствующей конденсаторной группе переменной емкости в зависимости от полярности напряжения линии сети, а в каждом базовом модуле устанавливают блок управления, посредством которого определяют, какая из выше указанных силовых цепей будет работать в данный период времени, при этом силовые цепи подключают параллельно каждой из конденсаторных групп, затем группируют все базовые модули на четные и нечетные, при этом все оптические входы и выходы четных модулей объединяют в первый оптический канал управления, а все оптические входы и выходы нечетных модулей объединяют во второй оптический канал управления, при этом данные каналы управления выполняют с возможностью принятия синхронных сигналов ШИМ попеременно, с фазовым сдвигом синхронных сигналов ШИМ, как минимум, на полпериода ШИМ таким образом, что попеременно активированы четные или нечетные базовые модули, при этом управление попеременным включением четных или нечетных каналов осуществляют в модуле управления.

Предпочтительно, чтобы в способе компенсации реактивной мощности в каждой силовой цепи использовали в качестве накопителя энергии в виде индуктивной нагрузки любую индуктивную нагрузку, в частности нагрузочный дроссель или трансформатор с переходом на дроссель.

Целесообразно, чтобы в способе компенсации реактивной мощности в качестве полностью управляемых силовых ключей использовали IGBT ключи, GTO ключи или любые другие аналогичные полностью управляемые ключи.

Предпочтительно, чтобы в способе компенсации реактивной мощности в каждой силовой цепи размещали последовательно включенные ограничивающий резистор, нагрузочный дроссель и полностью управляемый ключ, а также подключенный параллельно ограничивающему резистору и нагрузочному дросселю восстанавливающий диод.

Поставленная техническая задача достигается также за счет того, что в устройстве компенсации реактивной мощности, содержащем последовательно соединенные базовые модули, каждый из которых связан с модулем управления и состоит из конденсаторной группы и силовой полупроводниковой схемы, имеющей силовые переключаемые полупроводниковые компоненты и выполненной с возможностью регулирования емкостей конденсаторной группы за счет периодического подключения их к электрической сети, имеются конденсаторные группы переменной емкости, которые соединены последовательно между собой, при этом полюса крайних конденсаторных групп переменной емкости являются выводами устройства компенсации реактивной мощности, и выполнены с возможностью их подключения непосредственно к электрической сети, а каждый из базовых модулей имеет оптические входы и оптические выходы, связанные посредством оптических каналов управления с системой управления, при этом каждая силовая полупроводниковая схема содержит блок управления, подключенный параллельно полюсам каждой конденсаторной группы переменной емкости и имеющий первые вход и выход, которые являются также оптическим входом и выходом каждого базового модуля, а также две одинаковые силовые цепи, выполненные с возможностью изменения емкости конденсаторов конденсаторных групп переменной емкости, при этом одна из силовых цепей предназначена для положительной полярности напряжения линии сети, а другая предназначена для отрицательной полярности напряжения линии сети, при этом одна из данных силовых цепей одним концом подключена к одному полюсу конденсаторной группы переменной емкости, а другая силовая цепь одним концом подключена к другому полюсу конденсаторной группы переменной емкости, а вторые концы данных силовых цепей объединены и подключены ко второму входу блока управления, при этом каждая силовая цепь имеет, по меньшей мере, накопитель энергии в виде индуктивной нагрузки и полностью управляемый ключ для периодического попеременного подключения конденсаторов конденсаторных групп переменной емкости к соответствующему накопителю энергии, а четные базовые модули имеют четные оптические входы и выходы, которые образуют первый оптический канал управления, при этом нечетные базовые модули имеют нечетные оптические входы и выходы, которые образуют второй оптический канал управления, а модуль управления выполнен с возможностью управления первые полпериода ШИМ четными входами и выходами по первому каналу управления, а вторые полпериода ШИМ нечетными входами и выходами по второму каналу управления, при этом каждый блок управления выполнен с возможностью управления включением и выключением попеременно одной или другой силовой цепи для изменения емкости конденсаторов конденсаторных групп переменной емкости в зависимости от положительной или отрицательной полярности напряжения линии сети, а первый и второй оптические каналы управления выполнены с возможностью принятия синхронных сигналов ШИМ попеременно, с фазовым сдвигом синхронных сигналов ШИМ, как минимум, на полпериода ШИМ.

Предпочтительно, чтобы в устройстве компенсации реактивной мощности каждая из одинаковых силовых цепей также содержала ограничивающий резистор и восстанавливающий диод, а в качестве накопителя энергии в виде индуктивной нагрузки имела нагрузочный дроссель, при этом ограничивающий резистор, нагрузочный дроссель и полностью управляемый ключ были соединены между собой последовательно, а восстанавливающий диод был включен параллельно ограничивающему резистору и нагрузочному дросселю, при этом анод каждого восстанавливающего диода подключен к первому входу соответствующего полностью управляемого ключа, а катод каждого восстанавливающего диода подключен к соответствующему полюсу конденсаторной группы переменной емкости, при этом вторые входы первого и второго полностью управляемых ключей подключены соответственно ко второму и третьему выходам блока управления, а выходы первого и второго полностью управляемых ключей являются выходами данных цепей.

Целесообразно, чтобы в устройстве компенсации реактивной мощности каждый из полностью управляемых ключей содержал коммутатор, встречно параллельно которому включен силовой диод, при этом коллектор каждого силового диода был бы подключен к соответствующему аноду восстанавливающего диода, а эмиттеры каждого силового диода были объединены и подключены ко второму входу блока управления.

Предпочтительно, чтобы в устройстве компенсации реактивной мощности блок управления содержал две одинаковые цепи, для положительной и отрицательной полярности напряжения, каждая из которых имеет датчик, каждый из которых входом подключен через соответствующую R-C цепь к блоку питания, а выходом подключен через соответствующий элемент «И» к соответствующему усилителю мощности, при этом выходы данных усилителей мощности являются вторым и третьим выходами блока управления и подключены ко вторым входам первого и второго полностью управляемых ключей, а вторые выходы датчиков через элемент «ИЛИ» подключены к входу излучателя, выход которого является оптическим выходом блока управления и соответствующего базового модуля, при этом вторые входы элементов «И» подключены к выходу приемника, вход которого является оптическим входом блока управления и соответствующего базового модуля.

Целесообразно, чтобы устройство компенсации реактивной мощности содержало в качестве полностью управляемых силовых ключей IGBT ключи, GTO ключи или любые другие аналогичные полностью управляемые ключи.

Желательно, чтобы устройство компенсации реактивной мощности содержало необходимое количество «n» базовых модулей в зависимости от заданного уровня напряжения сети U_зад и рабочего напряжения каждого базового модуля U_paб.

Технический результат настоящего изобретения заключается в упрощении способа компенсации реактивной мощности и устройства для его осуществления, т.к. сигналы управления разбиты на две группы и не зависят от количества последовательных базовых модулей (уровней) в устройстве.

Также не зависит от количества последовательных базовых модулей (уровней) в устройстве коэффициент несинусоидальности искажений по напряжению, потому что частота ШИМ, одинаковая в обеих группах управления, только сдвинута по фазе.

Данный способ построения силовой части устройства для компенсации реактивной мощности позволяет снизить вдвое количество полностью управляемых силовых ключей в каждом базовом модуле, причем они менее зависимы от силовой цепи устройства при подключении к нагрузке, потому что они связаны параллельно с мощной конденсаторной группой базового модуля, что снижает требование к воздействию на них рабочего напряжения.

Также очень важно для высоковольтной части устройства, что с целью повышения надежности полностью управляемых силовых ключей, не требуется их последовательного включения, а избыточность переносится на количество базовых модулей в данном устройстве (на количество уровней).

Для более подробного раскрытия изобретения далее приводится описание конкретных возможных вариантов его выполнения с соответствующими чертежами.

Фиг. 1 - упрощенная однофазная блок-схема устройства компенсации реактивной мощности, выполненная согласно изобретению.

Фиг.2 - блок-схема блока управления, выполненная согласно изобретению.

Устройство компенсации реактивной мощности (Фиг. 1) содержит последовательно соединенные базовые модули 1_1, …, 1_n, каждый из которых имеет конденсаторную группу (КГ) 2 переменной емкости, содержащую несколько параллельно включенных конденсаторов 2_1, …, 2_n, и силовую полупроводниковую схему, каждая из которых имеет блок управления 7, и две одинаковые силовые цепи, каждая из которых содержит накопитель энергии в виде индуктивной нагрузки, и полностью управляемый ключ 5 (или 6) для периодического попеременного подключения конденсаторов 2_1, …, 2_n, конденсаторных групп 2 переменной емкости к соответствующему накопителю энергии в виде индуктивной нагрузки. В качестве индуктивной нагрузки может быть использован нагрузочный дроссель 3 для одной силовой цепи или нагрузочный дроссель 4 для другой силовой цепи. При этом конденсаторные группы 2 переменной емкости соединены последовательно между собой, а полюса крайних конденсаторных групп 2 переменной емкости являются выводами устройства компенсации реактивной мощности 1 и выполнены с возможностью их подключения непосредственно к электрической сети. Блок управления 7 подключен параллельно полюсам каждой конденсаторной группы 2 переменной емкости, а две одинаковые силовые цепи выполнены с возможностью изменения емкости конденсаторов конденсаторных групп 2 переменной емкости. При этом одна из силовых цепей предназначена для положительной полярности напряжения линии сети, а другая предназначена для отрицательной полярности напряжения линии сети. Одна из данных силовых цепей одним концом подключена к одному полюсу конденсаторной группы 2 переменной емкости, а другая силовая цепь одним концом подключена к другому полюсу конденсаторной группы 2 переменной емкости, а вторые концы данных силовых цепей объединены и подключены ко второму входу блока управления 7. При этом одна силовая цепь имеет нагрузочный дроссель 3 и полностью управляемый ключ 5, а другая имеет нагрузочный дроссель 4 и полностью управляемый ключ 6 для периодического попеременного подключения конденсаторов конденсаторных групп 2 переменной емкости к нагрузочным дросселям 3 или 4 соответственно.

Первая из одинаковых силовых цепей, в предпочтительном варианте исполнения, содержит последовательно соединенные ограничивающий резистор 8, нагрузочный дроссель 3 и полностью управляемый ключ 5, а также имеет восстанавливающий диод 10, включенный параллельно ограничивающему резистору 8 и нагрузочному дросселю 3.

А вторая из одинаковых силовых цепей содержит последовательно соединенные ограничивающий резистор 9, нагрузочный дроссель 4 и полностью управляемый ключ 6, а также имеет восстанавливающий диод 11, включенный параллельно ограничивающему резистору 9 и нагрузочному дросселю 4.

При этом анод каждого восстанавливающего диода 10, 11 подключен к первому входу соответствующего полностью управляемого ключа 5 или 6, а катод каждого восстанавливающего диода 10, 11 подключен к соответствующему полюсу конденсаторной группы 2 переменной емкости, при этом вторые входы первого и второго полностью управляемых ключей 5 или 6 подключены соответственно ко второму и третьему выходам блока управления 7, а выходы первого и второго полностью управляемых ключей 5 или 6 являются выходами данных силовых цепей.

Блок управления 7, каждого базового модуля 1_1, …, 1_n, имеет первые вход и выход, которые являются также оптическим входом и выходом 16_1, …, 16_n каждого базового модуля, которые связаны посредством оптических каналов управления с модулем управления 17, а четные базовые модули 1_2, …, 1_n имеют четные оптические входы и выходы 16_2, …, 16_n, которые образуют первый оптический канал управления 19, при этом нечетные базовые модули 1_1, …, 1_n-1 имеют нечетные оптические входы и выходы 16_1, …, 16_n-1, которые образуют второй оптический канал управления 18, а модуль управления 17 выполнен с возможностью управления первые полпериода ШИМ четными входами и выходами 16_2, …, 16_n, по первому каналу управления 19, а вторые полпериода ШИМ нечетными входами и выходами 16_1, …, 16_n-1 по второму каналу управления 18.

Каждый блок управления 7 выполнен с возможностью управления включением и выключением попеременно одной или другой силовой цепи для изменения емкости конденсаторов конденсаторных групп 2 переменной емкости в зависимости от положительной или отрицательной полярности напряжения линии сети, а первый 19 и второй 18 оптические каналы управления выполнены с возможностью принятия синхронных сигналов ШИМ попеременно, с фазовым сдвигом синхронных сигналов ШИМ, как минимум, на полпериода ШИМ.

Каждый из полностью управляемых ключей 5 или 6, в предпочтительном варианте исполнения, содержит коммутатор 12 или 13, встречно параллельно которому включен силовой диод 14 или 15, при этом коллектор каждого силового диода 14 или 15 подключен к соответствующему аноду восстанавливающего диода 10 или 11, а эмиттеры каждого силового диода 14 или 15 объединены и подключены ко второму входу блока управления 7.

В предпочтительном исполнении блок управления 7 (Фиг. 2) содержит две одинаковые цепи, для положительной и отрицательной полярности напряжения, каждая из которых имеет датчик 24, каждый из которых входом подключен через соответствующую R-C цепь 23 к блоку питания 22, а выходом подключен через соответствующий элемент «И» 25 к соответствующему усилителю мощности 26, при этом выходы данных усилителей мощности 26 являются вторым и третьим выходами блока управления 7 и подключены ко вторым входам первого и второго полностью управляемых ключей 5 или 6, а вторые выходы датчиков 24 через элемент «ИЛИ» 27 подключены к входу излучателя 20, выход которого является оптическим выходом блока управления 7 и соответствующего базового модуля 1_1, …, 1_n, при этом вторые входы элементов «И» 25 подключены к выходу приемника 21, вход которого является оптическим входом блока управления 7 и соответствующего базового модуля 1_1, …, 1_n.

В предпочтительном варианте исполнения устройство компенсации реактивной мощности может содержать в качестве полностью управляемых ключей 5 и 6 IGBT ключи, GTO ключи или любые другие аналогичные полностью управляемые ключи.

Для реализации способа компенсации реактивной мощности в устройстве, содержащем последовательно включенные базовые модули 1_1, …, 1_n, каждый из которых имеет конденсаторную группу 2, которая является накопителем энергии в каждом базовом модуле, сначала определяют необходимое количество базовых модулей «n» путем деления заданного уровня напряжения сети U_зад на рабочее напряжение базового модуля U_paб, после чего определяют, в соответствии с требованием по определенной установочной емкости компенсации сети, значение емкости каждой конденсаторной группы C_i для каждого уровня напряжения U_i каждой конденсаторной группы 2 в каждом базовом модуле 1_1, …, 1_n, распределяя заданное значение емкости С_зад на «n» последовательно соединенных базовых модулей (уровней). Затем подключают все конденсаторные группы 2 базовых модулей последовательно между собой, при этом концы данной цепочки являются выводами устройства компенсации реактивной мощности, и их подключают непосредственно к электрической сети. После чего формируют в каждом базовом модуле конденсаторную группу 2 переменной емкости за счет подключения к ней по меньшей мере двух одинаковых силовых цепей (каналов управления), для положительной полярности напряжения линии сети, и для отрицательной полярности напряжения линии сети, каждая из которых содержит силовую полупроводниковую схему с полностью управляемыми ключами 5 или 6, которые выполняют с возможностью попеременного подключения каждой конденсаторной группы 2 то к одной данной силовой цепи, то к другой силовой цепи, в зависимости от полярности напряжения линии сети. При этом в первом канале управление ШИМ каждого направления, например четного модуля, происходит со сдвигом в полпериода от управления второй группы канала ШИМ в упомянутом направлении, например нечетных модулей в этой последовательной цепи.

Затем устанавливают в каждом базовом модуле 1_1, …, 1_n блок управления 7, посредством которого определяют, какая из вышеуказанных силовых цепей будет работать в данный период времени, а силовые цепи подключают параллельно каждой из конденсаторных групп 2, после чего группируют все базовые модули на четные и нечетные, при этом все оптические входы и выходы четных модулей 16_2, …, 16_n объединяют в первый оптический канал управления 19, а все оптические входы и выходы нечетных модулей 16_1, …, 16_n-1 объединяют во второй оптический канал управления 18, при этом данные каналы управления выполняют с возможностью принятия синхронных сигналов ШИМ попеременно, с фазовым сдвигом синхронных сигналов ШИМ, как минимум, на полпериода ШИМ таким образом, что попеременно активированы четные или нечетные базовые модули, а управление попеременным включением четных или нечетных каналов осуществляют в модуле управления 17.

При этом модуль управления 17, изменяя ширину импульса управления в ШИМ полностью управляемых ключей 5 или 6 от нуля до полупериода длительности повторения ШИМ, обеспечивает появление как бы дополнительной емкости С_э, подключенной параллельно основной емкости C_i, в данном модуле, тем самым обеспечивая область регулирования емкости в сторону ее повышения, что приводит к уменьшению реактивного сопротивления всего устройства для компенсации реактивной мощности. Это достигается тем, что процесс накопления заряда в конденсаторах C_i от внешнего источника и процесс снятия заряда с него происходит одновременно во всех четных модулях, а затем, с задержкой на полпериода, во всех нечетных модулях. Разность заряда является причиной появления дополнительной емкости С_э. При этом в четных модулях напряжение начинает уменьшаться гораздо быстрее, чем нарастает напряжение в нечетных модулях, так как внешнее напряжение источника и ток сети нарастает (убывает) с частотой сети, в то время как внутренний разряд происходит с частотой, в десятки раз выше частоты сети. В следующие полпериода ситуация меняется. Теперь в нечетных модулях разность заряда является причиной появления дополнительной емкости С_э.

В результате, в среднем за период промышленной частоты, емкость конденсатора как бы увеличится, а напряжение уменьшится. Этого добиваются тем, что в каждый модуль 1_1, …, 1_n вводятся нагрузочные дроссели 3 и 4 с полностью управляемыми ключами 5 и 6, которые подключают к полюсам конденсаторной группы 2 переменной емкости в каждом модуле 1_1, …, 1_n. Полностью управляемые ключи 5 и 6 обеспечивают коммутацию тока ШИМ с частотой, в десятки раз выше частоты сети соответствующих направлений напряжения сети.

Устройство компенсации реактивной мощности работает следующим образом.

При появлении в одном направлении, например положительной полуволны напряжения в линии, на устройстве компенсации реактивной мощности, его величина равномерно распределится по модулям 1_1 … 1_n и, следовательно, и на конденсаторных группах 2 переменной емкости в каждом модуле. На выходе каждого датчика 24 положительного напряжения, расположенного в блоке управления 7, полностью управляемых ключей 5, 6 всех модулей сформируется выходной оптический сигнал, который по оптическим входам-выходам 16_1 … 16_n, сгруппированным, как минимум, в два оптических канала управления 18, 19 (для четной группы базовых модулей и нечетной группы) передается в модуль управления 17, размещаемый на потенциале земли. Модуль управления 17 сравнивает полученную величину напряжения с заданным для обеспечения помехоустойчивости порогом. При превышении этого порога выдает синхронные сигналы ШИМ с частотой, в десятки раз превышающей частоту промышленной сети, и с фазовым сдвигом в одном оптическом канале управления 18, (19) по отношению к другому оптическому каналу управления 19 (18) на полпериода. Модуль управления 17 управляет длительностью импульсов ШИМ, подаваемых по управляющим оптическим входам-выходам 16_1, …, 16_n на входы каждого блока управления 7, который будет включать и выключать десятки раз в течение полпериода промышленной частоты полностью управляемый ключ 5 (6), например, в нечетных модулях 1_1 … 1_n-1. Конденсаторная группа 2 переменной емкости в нечетных модулях 1_1 … n-1 будет разряжаться в течение заданной модулем управления 17 длительности импульса ШИМ на нагрузочный дроссель 3 через ограничительный резистор 8, встречно-параллельный диод 15 полностью управляемого ключа 6 и восстанавливающий диод 11. Поскольку индуктивности дросселей 3, 4 равны и очень малы по отношению к индуктивности линии, напряжение на КГ 2 переменной емкости начнет снижаться, в то время как в четной группе модулей 1_2 … 1_n на конденсаторной группе 2 переменной емкости, где нет управления, напряжение начнет возрастать за полпериода ШИМ на гораздо меньшую величину, т.к. их заряд ограничивается большей индуктивностью линии. В течение следующего полпериода ШИМ, в четной группе модулей 1_2 … 1_n на конденсаторной группе 2 переменной емкости, где теперь есть управление, напряжение начнет убывать за полпериода ШИМ на гораздо большую величину, чем в нечетной группе модулей 1_1 … 1_n-1 на конденсаторной группе 2 переменной емкости, где нет управления, напряжение начнет вновь возрастать за полпериода ШИМ на гораздо меньшую величину. В среднем значении за время действия положительной полуволны напряжения в линии напряжение на устройстве компенсации реактивной мощности начнет уменьшаться, что эквивалентно изменению реактивного емкостного сопротивления в меньшую сторону и что также эквивалентно изменению значения емкости устройства компенсации реактивной мощности в большую сторону.

Аналогичным образом устройство работает при полуволне переменного напряжения в линии другого направления - обратной полярности, когда обратное напряжение выявляется датчиком 24 блока управления 7, который переключает импульсы ШИМ, поступающие по оптическим входам-выходам 16_1, …, 16_n от модуля управления 17 также через, как минимум, две группы оптических каналов управления 18, 19 с фазовым сдвигом на полпериода ШИМ на полностью управляемые ключи 6. Конденсаторная группа 2 переменной емкости в нечетных модулях 1_1 … 1_n-1 будет разряжаться в течение заданной модулем управления 17 длительности импульсов (ШИМ) на нагрузочный дроссель 4 через ограничивающий резистор 9, встречно-параллельный силовой диод 14, полностью управляемый ключ 5 и восстанавливающий диод 10. Поскольку индуктивности дросселей 3, 4 равны и очень малы по отношению к индуктивности линии напряжение на КГ 2 переменной емкости начнет снижаться. В среднем значении, за время действия отрицательной полуволны напряжения в линии, напряжение на устройстве компенсации реактивной мощности начнет уменьшаться, что эквивалентно изменению реактивного емкостного сопротивления в меньшую сторону и что также эквивалентно изменению значения емкости данного устройства в большую сторону.

Можно также изменить способ управления, например, создать число фазовых сдвигов импульсов ШИМ в каналах управления устройством компенсации реактивной мощности от модуля управления 17 равным числу последовательно соединенных модулей 1_1 … 1_n, при этом изменится и зона регулирования длительности ШИМ, она будет в «n» раз меньше для каждого модуля 1_1 … 1_n. Если число модулей сократится, в случае пробоя, например, полностью управляемых ключей 5, 6 или КГ 2, то модуль управления 17 (по контрольным сигналам с оптических входов-выходов 16_1 … 16_n) уменьшит число фазовых сдвигов и изменит период повторения синхронных сигналов ШИМ управления данным устройством, а следовательно, и зону регулирования модулей 1_1 … 1_n, не нарушая режим работы регулирования реактивной мощности данного устройства.

Таким образом, эффективное емкостное сопротивление устройства компенсации реактивной мощности меняется от сопротивления на основной частоте (50 Гц), когда импульсы управления отключены, до значения в «n» раз меньшего, что равносильно увеличению в «n» раз заданного значения емкости устройства компенсации реактивной мощности, когда импульсы управления включены, при этом в первом канале управления ШИМ каждого направления, например четного конденсатора в упомянутой последовательной силовой цепи, происходит со сдвигом в полпериода от управления второго канала ШИМ в упомянутом направлении, например, нечетного конденсатора в последовательной силовой цепи.

Также надо отметить, что благодаря модульному построению устройства компенсации реактивной мощности легко решаются вопросы технологичности, массогабаритные показатели и вопросы резервирования, посредством введения минимальной избыточности, что также обеспечивает значительное повышение надежности всего устройства.

Как очевидно специалистам в данной области техники, данное изобретение легко разработать в других конкретных формах, не выходя при этом за рамки сущности данного изобретения.

При этом настоящие варианты осуществления необходимо считать просто иллюстративными, а не ограничивающими, причем объем изобретения представлен его формулой, и предполагается, что в нее включены все возможные изменения и область эквивалентности пунктам формулы данного изобретения.

Claims (10)

1. Способ компенсации реактивной мощности в устройстве, содержащем последовательно включенные базовые модули, каждый из которых имеет конденсаторную группу, которая является накопителем энергии в каждом базовом модуле, и силовую полупроводниковую схему, имеющую силовые переключаемые полупроводниковые компоненты, через которые конденсаторные группы связаны с электрической сетью, заключающийся в том, что изменяют реактивную мощность за счет изменения емкости конденсаторных групп, накопителей энергии, в базовых модулях посредством регулируемого подключения конденсаторных групп к электрической сети через различные силовые переключаемые полупроводниковые компоненты, отличающийся тем, что сначала определяют необходимое количество базовых модулей «n» путем деления заданного уровня напряжения сети U_зад на рабочее напряжение базового модуля U_paб, после чего определяют, в соответствии с требованием по определенной установочной емкости компенсации сети, значение емкости каждой конденсаторной группы C_i для каждого уровня напряжения U_i каждой конденсаторной группы в каждом базовом модуле, распределяя заданное значение емкости C_зад на «n» последовательно соединенных базовых модулей, после чего подключают все конденсаторные группы базовых модулей последовательно между собой, при этом концы данной цепочки являются выводами устройства компенсации реактивной мощности, и их подключают непосредственно к электрической сети, затем формируют в каждом базовом модуле конденсаторную группу переменной емкости за счет подключения к ней по меньшей мере двух одинаковых силовых цепей, для положительной полярности напряжения линии сети и для отрицательной полярности напряжения линии сети, каждая из которых содержит, по меньшей мере, полупроводниковую схему с накопителем энергии в виде индуктивной нагрузки и полностью управляемым ключом, при этом силовые цепи выполняют с возможностью попеременного подключения каждой конденсаторной группы то к одной данной силовой цепи, то к другой силовой цепи, в зависимости от полярности напряжения линии сети, при этом устанавливают в каждом базовом модуле блок управления, посредством которого определяют, какая из вышеуказанных силовых цепей будет работать в данный период времени, а силовые цепи подключают параллельно каждой из конденсаторных групп, затем группируют все базовые модули на четные и нечетные, при этом все оптические входы и выходы четных модулей объединяют в первый оптический канал управления, а все оптические входы и выходы нечетных модулей объединяют во второй оптический канал управления, при этом данные каналы управления выполняют с возможностью принятия синхронных сигналов ШИМ попеременно, с фазовым сдвигом синхронных сигналов ШИМ, как минимум, на полпериода ШИМ таким образом, что попеременно активированы четные или нечетные базовые модули, при этом управление попеременным включением четных или нечетных каналов осуществляют в модуле управления.

2. Способ компенсации реактивной мощности по п. 1, отличающийся тем, что в каждой силовой цепи использовали в качестве накопителя энергии в виде индуктивной нагрузки любую индуктивную нагрузку, в частности нагрузочный дроссель или трансформатор с переходом на дроссель.

3. Способ компенсации реактивной мощности по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полностью управляемых силовых ключей используют IGBT ключи, GTO ключи или любые другие аналогичные полностью управляемые ключи.

4. Способ компенсации реактивной мощности по п. 1, отличающийся тем, что в каждой силовой цепи размещают последовательно включенные ограничивающий резистор, нагрузочный дроссель и полностью управляемый ключ, а также подключенный параллельно ограничивающему резистору и нагрузочному дросселю восстанавливающий диод.

5. Устройство компенсации реактивной мощности, содержащее последовательно соединенные базовые модули, каждый из которых связан с модулем управления и состоит из конденсаторной группы и силовой полупроводниковой схемы, имеющей силовые переключаемые полупроводниковые компоненты и выполненной с возможностью регулирования емкостей конденсаторной группы за счет периодического подключения их к электрической сети, отличающееся тем, что содержит конденсаторные группы переменной емкости, которые соединены последовательно между собой, при этом полюса крайних конденсаторных групп переменной емкости являются выводами устройства компенсации реактивной мощности и выполнены с возможностью их подключения непосредственно к электрической сети, а каждый из базовых модулей имеет оптические входы и оптические выходы, связанные посредством оптических каналов управления с модулем управления, при этом каждая силовая полупроводниковая схема содержит блок управления, подключенный параллельно полюсам каждой конденсаторной группы переменной емкости и имеющий первые вход и выход, которые являются также оптическим входом и выходом каждого базового модуля, а также две одинаковые силовые цепи, выполненные с возможностью изменения емкости конденсаторов конденсаторных групп переменной емкости, при этом одна из силовых цепей предназначена для положительной полярности напряжения линии сети, а другая предназначена для отрицательной полярности напряжения линии сети, при этом одна из данных силовых цепей одним концом подключена к одному полюсу конденсаторной группы переменной емкости, а другая силовая цепь одним концом подключена к другому полюсу конденсаторной группы переменной емкости, а вторые концы данных силовых цепей объединены и подключены ко второму входу блока управления, при этом каждая из силовых цепей имеет, по меньшей мере, накопитель энергии в виде индуктивной нагрузки и полностью управляемый ключ для периодического попеременного подключения конденсаторов конденсаторных групп переменной емкости к электрической сети, а четные базовые модули имеют четные оптические входы и выходы, которые образуют первый оптический канал управления, при этом нечетные базовые модули имеют нечетные оптические входы и выходы, которые образуют второй оптический канал управления, а модуль управления выполнен с возможностью управления первые полпериода ШИМ четными входами и выходами по первому каналу управления, а вторые полпериода ШИМ нечетными входами и выходами по второму каналу управления, при этом каждый блок управления выполнен с возможностью управления включением и выключением попеременно одной или другой силовой цепи для изменения емкости конденсаторов конденсаторных групп переменной емкости в зависимости от положительной или отрицательной полярности напряжения линии сети, а первый и второй оптические каналы управления выполнены с возможностью принятия синхронных сигналов ШИМ попеременно, с фазовым сдвигом синхронных сигналов ШИМ, как минимум, на полпериода ШИМ.

6. Устройство компенсации реактивной мощности по п. 5, отличающееся тем, что каждая из одинаковых силовых цепей также содержит ограничивающий резистор и восстанавливающий диод, а в качестве накопителя энергии в виде индуктивной нагрузки имеет нагрузочный дроссель, при этом ограничивающий резистор, нагрузочный дроссель и полностью управляемый ключ соединены между собой последовательно, а восстанавливающий диод включен параллельно ограничивающему резистору и нагрузочному дросселю, а анод каждого восстанавливающего диода подключен к первому входу соответствующего полностью управляемого ключа, при этом катод каждого восстанавливающего диода подключен к соответствующему полюсу конденсаторной группы переменной емкости, а вторые входы первого и второго полностью управляемых ключей подключены соответственно ко второму и третьему выходам блока управления, а выходы первого и второго полностью управляемых ключей являются выходами данных цепей.

7. Устройство компенсации реактивной мощности по п. 6, отличающееся тем, что каждый из полностью управляемых ключей содержит коммутатор, встречно параллельно которому включен силовой диод, при этом коллектор каждого силового диода подключен к соответствующему аноду восстанавливающего диода, а эмиттеры каждого силового диода объединены и подключены ко второму входу блока управления.

8. Устройство компенсации реактивной мощности по п. 5, отличающееся тем, что блок управления содержит две одинаковые цепи, для положительной и отрицательной полярности напряжения, каждая из которых имеет датчик, каждый из которых входом подключен через соответствующую R-C цепь к блоку питания, а выходом подключен через соответствующий элемент «И» к соответствующему усилителю мощности, при этом выходы данных усилителей мощности являются вторым и третьим выходами блока управления и подключены ко вторым входам первого и второго полностью управляемых ключей, а вторые выходы датчиков через элемент «ИЛИ» подключены к входу излучателя, выход которого является оптическим выходом блока управления и соответствующего базового модуля, при этом вторые входы элементов «И» подключены к выходу приемника, вход которого является оптическим входом блока управления и соответствующего базового модуля.

9. Устройство компенсации реактивной мощности по п. 5, отличающееся тем, что содержит в качестве полностью управляемых силовых ключей IGBT ключи, GTO ключи или любые другие аналогичные полностью управляемые ключи.

10. Устройство компенсации реактивной мощности по п. 5, отличающееся тем, что содержит необходимое количество «n» базовых модулей в зависимости от заданного уровня напряжения сети U_зад и рабочего напряжения каждого базового модуля U_paб.

Images