конденсаторная установка для автоматической компенсации реактивной мощности

Формула изобретения

Конденсаторная установка для компенсации реактивной мощности, состоящая из трансформатора тока, регулятора реактивной мощности, первого, второго, третьего и четвертого пускателей электромагнитных, первой, второй, третьей и четвертой ступеней регулирования, причем первый вход трансформатора тока соединен с линейным проводом фазы А источника питания, а второй вход трансформатора тока соединен с линейным проводом фазы А нагрузки, первый и второй выходы трансформатора тока соединены с первым и вторым входами регулятора реактивной мощности, третий и четвертый входы которого соединены с линейными проводами фаз В и С, первый, второй, третий и четвертый выходы регулятора реактивной мощности соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого пускателей электромагнитных, пятый вход и пятый выход регулятора реактивной мощности подсоединены к нейтральному проводу N, первый, третий и пятый контакты пускателей электромагнитных соединены с линейными проводами фаз А, В и С, а второй, четвертый и шестой контакты пускателей электромагнитных соединены с входами первой, второй, третьей и четвертой ступеней регулирования, причем контакты первого пускателя электромагнитного соединены с первой ступенью регулирования, контакты второго пускателя электромагнитного соединены со второй ступенью регулирования, контакты третьего пускателя электромагнитного соединены с третьей ступенью регулирования, контакты четвертого пускателя электромагнитного соединены с четвертой ступенью регулирования, причем емкости конденсаторов C₂ , C₃ и C₄ ступеней регулирования A ₂, A₃, A₄ выбираются равными C ₂=2·C₁, C₃=4·C₁ , C₄=8·C₁, где под C₁ понимается емкость конденсаторов первой ступени регулирования A₁₁ , отличающаяся тем, что она дополнительно содержит зарядно-разрядное устройство с функцией компенсации токов утечки конденсаторов, два дополнительных трансформатора тока, при этом первые входы дополнительных трансформаторов тока соединены с линейными проводами фаз В и С источника питания, вторые входы дополнительных трансформаторов тока соединены с линейными проводами фаз В и С нагрузки, регулятор реактивной мощности выполнен, по меньшей мере, с семью входами, три из которых подключены к первым выходам трансформаторов тока, причем вторые выходы трансформаторов тока подсоединены к нейтральному проводу, три входа регулятора реактивной мощности подключены к линейным проводам фаз A, B и C, седьмой вход подсоединен к нейтральному проводу, и 3·K выходами, где K - число ступеней регулирования, вместо пускателей электромагнитных применяются двунаправленные управляемые полупроводниковые ключи общим количеством 3·K, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами регулятора реактивной мощности таким образом, что имеется возможность раздельной по фазам коммутации ветвей ступеней регулирования.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, в частности к электрораспределительному оборудованию, и служит для компенсации в автоматическом режиме реактивной мощности индуктивного характера в условиях переменных нагрузок с целью поддержания уровня реактивной мощности в заданном диапазоне значений.

Из уровня техники для автоматической компенсации реактивной мощности в технике применяется, например, конденсаторная установка типа УКМ, состоящая из трансформатора тока, регулятора реактивной мощности, первого, второго, третьего и четвертого пускателей электромагнитных, первой, второй, третьей и четвертой ступеней регулирования, причем первый вход трансформатора тока соединен с линейным проводом фазы А источника питания, а второй вход трансформатора тока соединен с линейным проводом фазы А нагрузки, первый и второй выходы трансформатора тока соединены с первым и вторым входами регулятора реактивной мощности, третий и четвертый входы которого соединены с линейными проводами фаз В и С, первый, второй, третий и четвертый выходы регулятора реактивной мощности соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого пускателей электромагнитных, пятый вход и пятый выход регулятора реактивной мощности подсоединены к нейтральному проводу N, первый, третий и пятый контакты пускателей электромагнитных соединены с линейными проводами фаз А, В и С, а второй, четвертый и шестой контакты пускателей электромагнитных соединены с входами первой, второй, третьей и четвертой ступеней регулирования, причем контакты первого пускателя электромагнитного соединены с первой ступенью регулирования, контакты второго пускателя электромагнитного соединены со второй ступенью регулирования, контакты третьего пускателя электромагнитного соединены с третьей ступенью регулирования, контакты четвертого пускателя электромагнитного соединены с четвертой ступенью регулирования (Руководство по эксплуатации. ДИАФ.673820.015 РЭ, 1990, Установка конденсаторная типа УКМ. 28 с., с.13, 14).

Наиболее близкой к заявленному устройству является конденсаторная установка для компенсации реактивной мощности, состоящая из трансформатора тока, регулятора реактивной мощности, первого, второго, третьего и четвертого пускателей электромагнитных, первой, второй, третьей и четвертой ступеней регулирования, причем первый вход трансформатора тока соединен с линейным проводом фазы А источника питания, а второй вход трансформатора тока соединен с линейным проводом фазы А нагрузки, первый и второй выходы трансформатора тока соединены с первым и вторым входами регулятора реактивной мощности, третий и четвертый входы которого соединены с линейными проводами фаз В и С, первый, второй, третий и четвертый выходы регулятора реактивной мощности соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого пускателей электромагнитных, пятый вход и пятый выход регулятора реактивной мощности подсоединены к нейтральному проводу N, первый, третий и пятый контакты пускателей электромагнитных соединены с линейными проводами фаз А, В и С, а второй, четвертый и шестой контакты пускателей электромагнитных соединены с входами первой, второй, третьей и четвертой ступеней регулирования, причем контакты первого пускателя электромагнитного соединены с первой ступенью регулирования, контакты второго пускателя электромагнитного соединены со второй ступенью регулирования, контакты третьего пускателя электромагнитного соединены с третьей ступенью регулирования, контакты четвертого пускателя электромагнитного соединены с четвертой ступенью регулирования, емкости конденсаторов С₂, С₃ и С₄ ступеней регулирования А₂ , A₃, А₄ выбираются равными C₂ =2*С₁, С₃=4*С₁, C₄ =8*C₁, где под С₁ понимается емкость конденсаторов первой ступени регулирования А₁ (Патент РФ на полезную модель № 96670, G04F 10/04, 2010 г.).

Известное устройство позволяет автоматически изменять суммарную емкость конденсаторов при изменении величины индуктивной составляющей реактивной мощности нагрузки путем последовательного подключения и отключения отдельных ступеней регулирования при помощи магнитных пускателей. К его недостаткам относятся: большой уровень коммутационных помех при подключении и отключении отдельных ступеней, повышенный износ контактных групп магнитных пускателей, большие величины зарядно-разрядных токов, протекающих через конденсаторы при подключении и отключении, что приводит к сокращению срока службы последних. Инерционность магнитных пускателей, которые применяются в данном устройстве в качестве коммутационных узлов, не позволяет компенсировать быстрые изменения величины индуктивной составляющей реактивной мощности нагрузки. Кроме того, схемотехнические особенности известного устройства не позволяют эффективно применять его для компенсации величины индуктивной составляющей реактивной мощности при несимметричной нагрузке.

Технической задачей заявленного изобретения является повышение быстродействия, надежности, пожаробезопасности и срока службы конденсаторной установки за счет применения безыскровой коммутации посредством полупроводниковых двунаправленных ключей, увеличение диапазона компенсируемой реактивной мощности и точности компенсации за счет обеспечения компенсации индуктивной реактивной мощности нагрузки независимо в каждой из фаз, снижение уровня коммутационных помех за счет применения специального алгоритма коммутации конденсаторов.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в конденсаторной установке для компенсации реактивной мощности, состоящей из трансформатора тока, регулятора реактивной мощности, первого, второго, третьего и четвертого пускателей электромагнитных, первой, второй, третьей и четвертой ступеней регулирования, причем первый вход трансформатора тока соединен с линейным проводом фазы А источника питания, а второй вход трансформатора тока соединен с линейным проводом фазы А нагрузки, первый и второй выходы трансформатора тока соединены с первым и вторым входами регулятора реактивной мощности, третий и четвертый входы которого соединены с линейными проводами фаз В и С, первый, второй, третий и четвертый выходы регулятора реактивной мощности соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого пускателей электромагнитных, пятый вход и пятый выход регулятора реактивной мощности подсоединены к нейтральному проводу N, первый, третий и пятый контакты пускателей электромагнитных соединены с линейными проводами фаз А, В и С, а второй, четвертый и шестой контакты пускателей электромагнитных соединены с входами первой, второй, третьей и четвертой ступеней регулирования, причем контакты первого пускателя электромагнитного соединены с первой ступенью регулирования, контакты второго пускателя электромагнитного соединены со второй ступенью регулирования, контакты третьего пускателя электромагнитного соединены с третьей ступенью регулирования, контакты четвертого пускателя электромагнитного соединены с четвертой ступенью регулирования, причем емкости конденсаторов С₂ , С₃ и С₄ ступеней регулирования А ₂, A₃, А₄ выбираются равными C ₂=2*С₁, С₃=4*С₁, C ₄=8*C₁, где под С₁ понимается емкость конденсаторов первой ступени регулирования А₁, согласно изобретению дополнительно установлены зарядно-разрядное устройство с функцией компенсации токов утечки конденсаторов, два трансформатора тока таким образом, что первые входы дополнительных трансформаторов тока соединены с линейными проводами фаз В и С источника питания, вторые входы дополнительных трансформаторов тока соединены с линейными проводами фаз В и С нагрузки, регулятор реактивной мощности выполнен по меньшей мере с семью входами, из которых три подключены к первым выходам трансформаторов тока, причем вторые выходы трансформаторов тока подсоединены к нейтральному проводу, три входа регулятора реактивной мощности подключены к линейным проводам фаз А, В и С, седьмой вход подсоединен к нейтральному проводу, и 3*K выходами, где K - число ступеней регулирования; вместо пускателей электромагнитных применяются двунаправленные управляемые полупроводниковые ключи общим количеством 3*K, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами регулятора реактивной мощности таким образом, что имеется возможность раздельной по фазам коммутации ветвей ступеней регулирования.

Заявленное изобретение поясняется графическим материалом, где представлена блок-схема конденсаторной установки для автоматической компенсации реактивной мощности.

Конденсаторная установка для автоматической компенсации реактивной мощности содержит входную трехфазную четырехпроводную шину 1 для подключения к фазам А, В, С и нулевому проводу N источника питания, выходную трехфазную четырехпроводную шину 2 для подключения нагрузки, три трансформатора 3 тока, первые входы которых подключены к фазам А, В и С входной трехфазной четырехпроводной шины 1, вторые входы трансформаторов 3 тока подключены к фазам А, В и С выходной трехфазной четырехпроводной шины 2 таким образом, чтобы потребляемый нагрузкой ток полностью проходил через первичные обмотки трансформаторов 3 тока, первые выходы трансформаторов 3 тока подключены к трем токовым входам регулятора 4 реактивной мощности, вторые выходы трансформаторов 3 тока подключены к нулевому проводу N, общему для входной трехфазной четырехпроводной шины 1 и выходной трехфазной четырехпроводной шины 2, и к нейтральному входу регулятора 4 реактивной мощности, причем фазы А, В и С входной трехфазной четырехпроводной шины подключены к трем входам напряжения регулятора 4 реактивной мощности, K ступеней 5 регулирования, каждая из которых состоит из трех двунаправленных полупроводниковых ключей 6, управляющие входы которых подключены к выходам регулятора 4 реактивной мощности, силовые входы двунаправленных полупроводниковых ключей 6 подключены к фазам А, В и С выходной трехфазной четырехпроводной шины 2, силовые выходы двунаправленных полупроводниковых ключей 6 подключены к первым входам конденсаторов 7, вторые входы конденсаторов 7 подключены к фазам В, С и А той же выходной трехфазной четырехпроводной шины 2 в указанном порядке с образованием схемы треугольника, причем емкости конденсаторов, принадлежащих к ступени регулирования под номером k, определяются по формуле (1):

где через C₁ обозначена емкость конденсаторов первой ступени регулирования, зарядно-разрядное устройство 8 с функцией компенсации токов утечки, каждый из 3*K выходов которого независимо подключен к соответствующему конденсатору рассматриваемой установки по отдельному проводу специальной зарядно-разрядной шины 9.

Конденсаторная установка для автоматической компенсации реактивной мощности работает следующим образом.

Входная трехфазная четырехпроводная шина 1 устройства подключается к трем фазам А, В и С источника питания, а также к нулевому проводу N. Нагрузка подключается к фазам А, В и С выходной шины 2 и при необходимости к нулевому проводу N, который является общим для шин 1 и 2. Потребляемые нагрузкой фазовые токи проходят через первичные обмотки трансформаторов 3 тока. Первые выходы трансформаторов 3 тока подключены к трем токовым входам регулятора 4 реактивной мощности, вторые выходы трансформаторов тока 3 подсоединены к нейтральному проводу N. Три фазовых провода А, В и С входной трехфазной четырехпроводной шины 1 подключены к трем входам напряжения регулятора 4 реактивной мощности, нейтральный провод N трехфазной четырехпроводной шины 1 подключен ко входу нейтрали регулятора 4 реактивной мощности. При подаче питающего напряжения на входную четырехпроводную шину 1 подключенное к ней зарядно-разрядное устройство 8 по всем 3*K проводам зарядно-разрядной шины 9 осуществляет процесс заряда всех конденсаторов 7 до напряжения, равного амплитудной величине линейного напряжения. После завершения процесса заряда начинает работать регулятор 4 реактивной мощности, который измеряет величины и знаки реактивных мощностей, потребляемых нагрузкой отдельно по каждой фазе, и выдает управляющие сигналы на двунаправленные ключи 6 таким образом, чтобы суммарная реактивная мощность подключенных конденсаторов 7 максимально возможно полно компенсировала индуктивные реактивные мощности нагрузки по каждой фазе. Управляющие сигналы на включение соответствующих ключей подаются в моменты достижения линейным напряжением, под которое подключается конкретный конденсатор 7, амплитудного значения, при этом разность потенциалов на ключе 6 в момент включения равна нулю. Отключение конкретного конденсатора 7 также происходит в момент достижения линейным напряжением, под которое подключен конкретный конденсатор, амплитудного значения, при этом равна нулю величина протекающего через ключ 6 тока. Описанный алгоритм коммутации конденсаторов 7 ключами 6 позволяет свести к минимуму коммутационные скачки токов и напряжений. Для того чтобы временно отключенные конденсаторы 7 можно было при необходимости вновь подключить в момент достижения линейным напряжением, под которое подключаются конкретные конденсаторы 7, амплитудного значения, напряжение на них поддерживается равным амплитудной величине линейного напряжения посредством зарядно-разрядного устройства 8 за счет того, что во временно отключенные конденсаторы 7 по соответствующим проводам зарядно-разрядной шины 9 подаются токи, компенсирующие токи утечки (токи саморазряда) конденсаторов 7. При отключении питающего напряжения от входной четырехпроводной шины 1 зарядно-разрядное устройство 8 по зарядно-разрядной шине 9 осуществляет процесс плавного разряда всех конденсаторов 7.

Таким образом, описанное устройство позволяет компенсировать индуктивную реактивную мощность нагрузки индивидуально в каждой фазе, причем точность компенсации определяется величиной емкости конденсаторов первой ступени регулирования, а диапазон компенсации зависит от количества K ступеней регулирования. Автоматический режим работы устройства освобождает оператора от необходимости вмешательства в его работу. Применение полупроводниковых ключей обеспечивает высокую скорость реагирования устройства на изменение параметров нагрузки, бесшумность работы и пожаробезопасность в связи с отсутствием искрения в контактах. Предложенный алгоритм работы ключей повышает надежность силовых элементов и устройства в целом. Практическое отсутствие коммутационных выбросов обеспечивает отсутствие электромагнитных помех от данного устройства, что расширяет сферу его применимости. Тем самым заявленный в формуле изобретения результат реализован.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования в области промышленного электрораспределительного оборудования;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условию патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.