фильтрокомпенсирующее устройство

Формула изобретения

Фильтрокомпенсирующее устройство, содержащее трехфазную нагрузку, соединенную «звездой», блок компенсации из трех LC-цепей с фиксированными параметрами, выключатель и два датчика тока, при этом блок компенсации через выключатель включен параллельно трехфазной сети, первые входы двух датчиков тока подключены к трехфазной сети, вторые их входы включены в две фазы трехфазной нагрузки, отличающееся тем, что в него введены трехфазный вольтодобавочный трансформатор, выпрямитель, устройство вычисления реактивной мощности, три автономных инвертора напряжения, трехфазный измерительный трансформатор напряжения, устройство синхронизации, систему управления инверторами и третий датчика тока, при этом каждая вторичная обмотка трехфазного вольтодобавочного трансформатора включена между конденсатором и индуктивностью смежной LC-цепи, входы трехфазного измерительного трансформатора напряжения подключены параллельно сети, а его выходы - к четвертому, пятому, шестому входам устройства вычисления реактивной мощности и к входам устройства синхронизации, вход выпрямителя подключен к трехфазной сети, каждая первичная обмотка трехфазного вольтодобавочного трансформатора подключена к соответствующему выходу автономных инверторов напряжения, первые входы которых соединены между собой и подключены к выходу выпрямителя, первый вход третьего датчика подключен к трехфазной сети, второй его вход включен в третью фазу трехфазной нагрузки, выход каждого датчика тока соединен, соответственно, с первым, вторым и третьим входами устройства вычисления реактивной мощности, первый, второй и третий выходы которого соединены, соответственно, с четвертым-шестым входами системы управления инверторами, выходы устройства синхронизации соединены с первым, вторым и третьим входами системы управления инверторами, выходы которой соединены с вторыми входами автономных инверторов напряжения.

Описание изобретения к патенту

Фильтрокомпенсирующее устройство относится к электротехнике и предназначено для компенсации реактивной мощности трехфазных потребителей, преимущественно промышленных предприятий.

Компенсация реактивной мощности является эффективным средством повышения коэффициента мощности, значение которого зависит от приближения фазы потребляемого тока к питающему напряжению, а также улучшения формы потребляемого тока.

В настоящее время коэффициент мощности энергоемких предприятий составляет 0,6-0,7. Низкое значение коэффициента мощности приводит к существенным потерям электроэнергии.

Общеизвестно, что повышение коэффициента мощности уменьшает потребление реактивной мощности и улучшает форму потребляемого тока.

При несинусоидальной форме напряжения и тока коэффициент мощности К_м потребителя определяется по формуле [Л.А.Бессонов. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Учебник. - 10-е изд. - М.: Гардарики, 2000]:

где - угол сдвига (фаза) между потребляемым током и питающим напряжением;

- коэффициент искажения формы потребляемого тока.

Последний коэффициент характеризует степень искажения формы тока и определяется отношением первой гармоники потребляемого тока I₁ к его действующему значению I_потр

Таким образом, коэффициент мощности К _м характеризует степень потребления нагрузкой реактивной мощности. Увеличение К_м способствует уменьшению реактивной мощности и улучшению формы потребляемого тока.

При линейной нагрузке потребляемый ток имеет синусоидальную форму, при которой коэффициент =1. В этом случае коэффициент мощности рассчитывается по формуле:

Известно фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ), основанное на приближении фазы потребляемого тока основной (50 Гц) частоты к питающему напряжению (Бадер М.П. Электромагнитная совместимость / Учебник для вузов железнодорожного транспорта. - М.: УМК МПС. 2002. - 638 с.).

Фильтрокомпенсирующее устройство содержит три LC-цепи, которые объединены в «треугольник». Конденсатор С и реактор L LC-цепи имеют фиксированные параметры.

Фильтрокомпенсирующее устройство подключено параллельно трехфазной сети и трехфазной нагрузке.

Во избежание резонансного усиления гармоник конденсаторы С устройства включены последовательно с реакторами L. Резонансная частота LC-цепи выбрана из расчета настройки на частоту 240 Гц, близкую к частоте наибольшей по величине пятой гармоники (250 Гц) в токе нагрузки. Для основной частоты 50 Гц LC-цепь фильтрокомпенсирующего устройства имеет емкостной характер, а для пятой гармоники тока, потребляемого нагрузкой, оказывает шунтирующее действие.

Устройство работает следующим образом.

При индуктивном характере тока нагрузки ток фильтрокомпенсирующего устройства основной частоты 50 Гц имеет емкостной характер и протекает в противофазе с током нагрузки. При сложении этих токов образуется сетевой ток основной частоты, в котором индуктивный ток нагрузки компенсируется емкостным током фильтрокомпенсирующего устройства. В результате этого фаза сетевого тока приближается к форме питающего напряжения. Уменьшение угла приводит к увеличению Cos и, соответственно, коэффициента мощности К_м .

Фильтрокомпенсирующее устройство с нерегулируемой величиной тока компенсации повышает коэффициент мощности потребителя только при номинальных токах нагрузки.

Отклонение тока нагрузки от номинального значения вызывает неполную компенсацию реактивной мощности и увеличение фазового сдвига между потребляемым током и питающим напряжением, который уменьшает значение коэффициента мощности за счет уменьшения Cos .

Достоинство известного фильтрокомпенсирующего устройства с фиксированными параметрами LC-цепи заключается в увеличении коэффициента мощности при номинальном режиме работы нагрузки за счет увеличения Cos при номинальных токах нагрузки. Это обусловлено протеканием емкостного тока компенсатора, компенсирующего противоположный по характеру индуктивный ток нагрузки.

Недостаток фильтрокомпенсирующего устройства заключается в ограничении диапазона мощностей нагрузки, при которых полная компенсация реактивной мощности нагрузки происходит лишь при сравнительно постоянной (номинальной) мощности нагрузки. Это обусловлено тем, что в отличных от номинального режима работы нагрузки происходит неполная компенсация ее реактивной мощности вследствие постоянной величины емкостного тока фильтрокомпенсирующего устройства. Таким образом, в отличных от номинального режима работы нагрузки коэффициент мощности не достигает максимального значения и является заниженным, что является недостатком известного устройства.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является фильтрокомпенсирующее устройсто, основанное на приближении фазы потребляемого тока основной (50 Гц) частоты к питающему напряжению [Энергетическая электроника. Справочное пособие. Пер. с нем. под ред. докт.техн. наук В.А.Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1987-326 с.].

Фильтрокомпенсирующее устройство содержит три блока компенсации, блок измерения, усилитель, три пороговых элемента с различными напряжениями срабатывания, три формирователя управляющих импульсов, первый и второй датчики тока, первый и второй измерительные трансформаторы напряжения и выключатель.

Каждый из блоков компенсации состоит из трех LC-цепей с фиксированными параметрами, объединенных в «треугольник», и трех тиристорных ключей. Каждый тиристорный ключ включен последовательно с LC-цепью. Тиристорный ключ выполнен из двух встречно-параллельно включенных тиристоров.

Блоки компенсации через выключатель включены параллельно трехфазной сети и трехфазной нагрузке.

Пороговые элементы настроены на различные напряжения срабатывания, которые пропорциональны трем значениям реактивной мощности нагрузки.

Входы первого и второго датчиков тока включены, соответственно, в фазы А и С трехфазной нагрузки, а их выходы соединены, соответственно, с первым и вторым входами блока измерений. Входы первого и второго измерительного трансформатора напряжения подключены, соответственно, к линейному напряжению U_ab и U_bc нагрузки, а их выходы связаны, соответственно, с третьим и четвертым входами блока измерений. Выход блока измерений через усилитель подключен к первому входу каждого порогового элемента, выход которого через соответствующий формирователь управляющих импульсов связан с входом тиристорного ключа соответствующего блока компенсации.

Фильтрокомпенсирующее устройство работает следующим образом.

Сигналы токов фаз А и С, сформированные на выходе, соответственно, первого и второго датчиков тока, а также сигналы линейных напряжений, полученные на выходах первого и второго измерительных трансформаторов напряжения, подаются, соответственно, на первый-четвертый входы блока измерений. В блоке измерений по величине этих сигналов формируется напряжение, пропорциональное реактивной мощности трехфазной нагрузки. Это напряжение, повышенное усилителем, поступает на входы первого-третьего пороговых элементов. Пороговые элементы срабатывают при трех различных фиксированных значениях напряжения (ступенях), соответствующих трем значениям реактивной мощности трехфазной нагрузки. Благодаря этому происходит трехступенчатое регулирование реактивной мощности нагрузки. Если на первой ступени выходное напряжение усилителя превышает порог срабатывания первого порогового элемента, происходит включение этого элемента. Выходной сигнал первого порогового элемента включает первый формирователь управляющих импульсов, выходной сигнал которого включает тиристорые ключи первого блока компенсации. Через замкнутые тиристорые ключи LC-цепи подключаются параллельно сети и трехфазной нагрузке. Через LC-цепь протекает емкостной ток, компенсирующий индуктивный ток трехфазной нагрузки.

При дальнейшем увеличении тока нагрузки происходит увеличение реактивной мощности трехфазной нагрузки. В результате этого происходит возрастание сигнала напряжения на выходе блока измерения и входах пороговых элементов. Увеличение этого напряжения приводит к срабатыванию второго порогового элемента, в результате чего происходит дополнительное включение второго блока компенсации, увеличивающего реактивную мощность фильтрокомпенсирующего устройства на второй ступени.

При еще большем увеличении тока нагрузки (реактивной мощности) срабатывает третий пороговый элемент, включающий третий блок компенсации (третья ступень). В результате этого в работе оказываются все три блока компенсации фильтрокомпенсирующего устройства, развивающие наибольшую реактивную мощность. Таким образом, происходит трехступенчатая компенсация реактивной мощности, благодаря которой фаза потребляемого тока приближается к питающему напряжению. Уменьшение фазового угла приводит к увеличению Cos и, соответственно, увеличению коэффициента мощности К _м.

Достоинство известного фильтрокомпенсирующего устройства заключается в расширении диапазона мощностей нагрузки, в которых осуществляется полная компенсация реактивной мощности, которая обеспечивается при трех ступенях работы нагрузки. Это обусловлено трехступенчатым регулированием реактивной мощности, при котором на каждой ступени работы нагрузки достигается наибольшее значение Cos и увеличение коэффициента мощности, обусловленного приближением фазы потребляемого тока к питающему напряжению. Это приводит к расширению диапазона скомпенсированных мощностей нагрузки.

Однако если величина реактивной мощности нагрузки в промежуточных режимах работы отличается от реактивной мощности трех ступеней фильтрокомпенсирующего устройства, то коэффициент мощности остается заниженным, что является недостатком известного устройства.

Это обусловлено тем, что в промежуточных режимах работы нагрузки, отличных от трех фиксированных значений реактивной мощности фильтрокомпенсирующего устройства, происходит неполная компенсация реактивной мощности нагрузки, поскольку реактивная мощность нагрузки отличается от реактивной мощности фильтрокомпенсирующего устройства.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке фильтрокомпенсирующего устройства, обеспечивающего максимальное повышение коэффициента мощности во всех режимах работы нагрузки, включая номинальный, за счет регулирования реактивной мощности фильтрокомпенсирующего устройства с одновременным повышением уровня напряжения на трехфазной нагрузке.

Для решения поставленной задачи в фильтрокомпенсирующее устройство, содержащее трехфазную нагрузку, соединенную «звездой», блок компенсации из трех LC-цепей с фиксированными параметрами, выключатель и два датчика тока, при этом блок компенсации через выключатель включен параллельно трехфазной сети, первые входы двух датчиков тока подключены к трехфазной сети, вторые их входы включены в две фазы трехфазной нагрузки, введены трехфазный вольтодобавочный трансформатор, выпрямитель, устройство вычисления реактивной мощности, три автономных инвертора напряжения, трехфазный измерительный трансформатор напряжения, устройство синхронизации, система управления инверторами и третий датчика тока, при этом каждая вторичная обмотка трехфазного вольтодобавочного трансформатора включена между конденсатором и индуктивностью смежной LC-цепи, входы трехфазного измерительного трансформатора напряжения подключены параллельно сети, а его выходы - к четвертому, пятому, шестому входам устройства вычисления реактивной мощности и к входам устройства синхронизации, вход выпрямителя подключен к трехфазной сети, каждая первичная обмотка трехфазного вольтодобавочного трансформатора подключена к соответствующему выходу автономных инверторов напряжения, первые входы которых соединены между собой и подключены к выходу выпрямителя, первый вход третьего датчика тока подключен к трехфазной сети, второй его вход включен в третью фазу трехфазной нагрузки, выход каждого датчика тока соединен, соответственно, с первым, вторым и третьим входами устройства вычисления реактивной мощности, первый, второй и третий выходы которого соединены, соответственно, с четвертым-шестым входами системы управления инверторами, выходы устройства синхронизации соединены с первым, вторым и третьим входами системы управления инверторами, выходы которой соединены с вторыми входами автономных инверторов напряжения.

Заявляемое решение отличается от прототипа введением новых элементов - трехфазного вольтодобавочного трансформатора, выпрямителя, устройства вычисления реактивной мощности, трех автономных инверторов напряжения, трехфазного измерительного трансформатора напряжения, устройства синхронизации, системы управления инверторами и третьего датчика тока, а также новыми взаимосвязями между элементами фильтрокомпенсирующего устройства.

Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Введение трехфазного вольтодобавочного трансформатора, выпрямителя, устройства вычисления реактивной мощности, трех автономных инверторов напряжения, трехфазного измерительного трансформатора напряжения, устройства синхронизации, системы управления инверторами и третьего датчика тока и изменение взаимосвязей между элементами устройства обеспечивает повышение коэффициента мощности во всех режимах работы трехфазной нагрузки, включая номинальный. Это обусловлено возможностью регулирования реактивной мощности фильтрокомпенсирующего устройства в зависимости от изменения реактивной мощности трехфазной нагрузки. При регулировании реактивная мощность фильтрокомпенсирующего устройства становится равной реактивной мощности нагрузки во всех режимах ее работы. При равенстве этих мощностей во всем диапазоне изменения тока трехфазной нагрузки происходит полная компенсация ее реактивной мощности. При этом сетевой ток совпадает с питающим напряжением, благодаря чему коэффициент мощности достигает максимального значения.

Одновременно с повышением коэффициента мощности во всех режимах работы трехфазной нагрузки обеспечивается повышение уровня напряжения на трехфазной нагрузке. Это обусловлено тем, что при компенсации реактивной мощности трехфазной нагрузки уменьшается реактивная составляющая сетевого тока и, как следствие, снижаются потери напряжения в сети от протекания реактивного тока. Снижение потерь напряжения в сети приводит к увеличению уровня напряжения на трехфазной нагрузке.

Причинно-следственная связь «Введение трехфазного вольтодобавочного трансформатора, выпрямителя, устройства вычисления реактивной мощности, трех автономных инверторов напряжения, трехфазного измерительного трансформатора напряжения, устройства синхронизации, системы управления инверторами и третьего датчика тока и изменение взаимосвязей между элементами устройства приводит к максимальному повышению коэффициента мощности во всех режимах работы нагрузки, включая номинальный, с одновременным повышением уровня напряжения на трехфазной нагрузке» не обнаружена в уровне техники, явным образом не следует из него и является новой. Наличие новой причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

На фиг.1 показана схема фильтрокомпенсирующего устройства, подтверждающая его работоспособность и «промышленную применимость».

На фиг.2 представлены результаты математического моделирования одной фазы фильтрокомпенсирующего устройства при работе с индуктивной нагрузкой.

Фильтрокомпенсирующее устройство содержит трехфазную нагрузку 1, блок компенсации 2, трехфазный вольтодобавочный трансформатор 3, выключатель 4, выпрямитель 5, устройство вычисления реактивной мощности 6, три автономных инвертора напряжения 7, 8, 9, трехфазный измерительный трансформатор напряжения 10, устройство синхронизации 11, систему управления инверторами 12 и три датчика тока 13, 14, 15.

Трехфазная нагрузка 1 соединена «звездой» и подключена к вторым входам соответствующих датчиков тока 13, 14 и 15, первые входы которых соединены, соответственно, с фазами А, В и С трехфазной сети.

Блок компенсации 2 состоит из трех LC-цепей с фиксированными параметрами, объединенных в «треугольник», и трех вторичных обмоток вольтодобавочного трансформатора 3. Каждая вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 3 включена последовательно с LC-цепью, состоящей из последовательно включенных индуктивности 16 и конденсатора 17.

Трехфазный вольтодобавочный трансформатор 3 выполнен с тремя первичными и тремя вторичными обмотками (на фиг.1 не обозначены).

Выпрямитель 5 выполнен, например, по схеме мостового трехфазного выпрямителя и подключен параллельно сети.

Блок компенсации 2 через выключатель 4 включен параллельно трехфазной сети.

Каждая первичная обмотка трехфазного вольтодобавочного трансформатора 3 подключена к соответствующему выходу каждого автономного инвертора напряжения 7, 8, 9. Первые входы автономных инверторов напряжения 7, 8, 9 соединены между собой и подключены к выходу выпрямителя 5.

Выход каждого первого 13, второго 14 и третьего 15 датчиков тока соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами устройства вычисления реактивной мощности 6.

Первый-третий выход устройства вычисления реактивной мощности 6 соединен, соответственно, с четвертым-шестым входами системы управления инверторами 12.

Входы трехфазного измерительного трансформатора напряжения 10 подключены параллельно сети, а выходы трехфазного измерительного трансформатора напряжения 10 подключены, соответственно, к четвертому, пятому и шестому входам устройства вычисления реактивной мощности 6 и к входам устройства синхронизации 11. Выходы устройства синхронизации 11 соединены с первым, вторым и третьим входами системы управления инверторами 12. Выходы системы управления инверторами 12 соединены с вторыми входами автономных инверторов напряжения 7, 8 и 9.

Устройство работает следующим образом.

При индуктивном характере трехфазной нагрузки 1 из сети потребляется реактивная мощность. Для измерения реактивной мощности с выхода датчиков тока 13, 14, 15 на первый, второй, третий входы устройства вычисления реактивной мощности 6 поступают сигналы фазных токов, а с выхода трехфазного измерительного трансформатора напряжения 10 на четвертый, пятый, шестой входы устройства вычисления реактивной мощности 6 поступают сигналы фазных напряжений. В устройстве вычисления реактивной мощности 6 по величине этих сигналов формируется напряжение, пропорциональное реактивной мощности трехфазной нагрузки 1, которое поступает на четвертый, пятый и шестой входы системы управления инверторами 12.

На входы устройства синхронизации 11 подается сигналы фазных напряжений, по величине которых в нем формируется «единичная» синусоида, которая поступает на первый, второй, третий входы системы управления инверторами 12. При этом фаза «единичной» синусоиды опережает на 90° сетевое напряжение и совпадает с фазой напряжения на конденсаторе блока компенсации 2.

В системе управления инверторами 12 из сигналов, поступивших на ее первый- шестой входы, формируются управляющие сигналы. Система управления инверторами 12 формирует управляющий сигнал для автономных инверторов напряжения 7, 8, 9, с помощью которых обеспечивается приближение фазы потребляемого тока к питающему напряжению. Соответствующий управляющий сигнал с выхода системы управления инверторами 12 подается на вторые входы автономных инверторов напряжения 7, 8, 9. При формировании этого сигнала использована «единичная» синусоида, при умножении которой на сигнал, пропорциональный реактивной мощности трехфазной нагрузки 1, получается модулирующий сигнал для управления автономными инверторами напряжения 7, 8, 9.

Постоянное напряжение с выхода выпрямителя 5, преобразованное им из переменного сетевого напряжения, подается на первые входы автономных инверторов напряжения 7, 8, 9.

В автономных инверторах напряжения 7, 8, 9 из сигналов, поступивших на их входы, формируются напряжения первичных и, соответственно, вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 3.

Сетевое напряжение через ключ 4 подается на конденсаторы 17 блока компенсации 2. Кроме этого, в блок компенсации 2 поступает напряжение с вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 3. При этом поступившие напряжения формируют результирующее напряжение на обкладках конденсатора 17 блока компенсации 2. Напряжение на обкладках конденсатора 17 изменяется в зависимости от реактивной мощности трехфазной нагрузки 1, т.е становится регулируемым. При этом реактивная мощность фильтрокомпенсирующего устройства равна реактивной мощности трехфазной нагрузки 1 во всех режимах ее работы, включая номинальный. Если реактивная мощность трехфазной нагрузки Q_н соответствует реактивной мощности Q_ист фильтрокомпенсирующего устройства, то происходит полная компенсация реактивной мощности трехфазной нагрузки и максимальное повышение коэффициента мощности.

Мощность блока компенсации 2 становится регулируемой за счет изменения напряжения вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 3, что позволяет полностью компенсировать реактивную мощность нагрузки 1 во всех режимах ее работы.

В номинальном режиме мощность блока компенсации 2 Q_ист выбирается из условия работы трехфазной нагрузки 1 в этом режиме. Величина Q_ист равна реактивной мощности Q_н , потребляемой трехфазной нагрузкой 1 в номинальном режиме, т.е. Q_ист=Q_н. Реактивная мощность трехфазной нагрузки 1 Q_н определяется реактивной мощностью основной частоты f=50 Гц, т.е. степенью приближения фазы потребляемого тока к питающему напряжению.

При постоянной величине емкости конденсатора С реактивная мощность одной фазы блока компенсации 2 устройства определяется как:

где =2 f - круговая частота переменного тока;

С - емкость конденсатора блока компенсации 2;

U _C - напряжение на обкладках конденсатора С.

В номинальном режиме работы трехфазной нагрузки напряжение на обкладках конденсатора определяется линейным напряжением сети, т.е. U_C=U_л.

При постоянной величине сетевого напряжения емкость конденсатора 17 выбирается из расчета полной компенсации реактивной мощности при работе трехфазной нагрузки 1 в номинальном режиме. В этом случае емкостной ток конденсатора 17 блока компенсации 2 равен индуктивной составляющей тока трехфазной нагрузки 1. Ток конденсатора 17 протекает в противофазе с индуктивным током трехфазной нагрузки 1, что приводит к компенсации реактивной мощности трехфазной нагрузки 1 на основной частоте 50 Гц. Благодаря этому фаза сетевого тока приближается к форме сетевого напряжения, повышая значение коэффициента Cos и, соответственно, коэффициента мощности.

В отличных от номинального режима работы трехфазной нагрузки 1 полная компенсация ее реактивной мощности достигается путем изменения реактивной мощности блока компенсации 2 Q_ист в зависимости от реактивной мощности Q_н трехфазной нагрузки 1. При этом выполняется то же условие: Q_ист =Q_н. В соответствии с выражением (4), изменение реактивной мощности блока компенсации 2 Q_ucm можно осуществлять за счет регулирования напряжения U_C на обкладках конденсатора 17.

В замкнутом контуре электрической цепи, включающей LC-цепь блока компенсации 2, вторичную обмотку трехфазного вольтодобавочного трансформатора 3 и напряжения сети U_л в соответствии со вторым законом Кирхгофа для напряжения на конденсаторе 17 блока компенсации 2 можно записать:

где U_ВДТ-2 - напряжение на вторичной обмотке трехфазного вольтодобавочного трансформатора 3.

В этом случае, в соответствии с выражением (4), реактивная мощность блока компенсации 2 устройства определяется как:

Из последнего соотношения следует, что изменение реактивной мощности Q_ucm блока компенсации 2 осуществляется за счет изменения напряжения на вторичных обмотках трехфазного вольтодобавочного трансформатора 3.

Величина напряжения U_ВДТ-2 вторичных обмоток трехфазного вольтодобавочного трансформатора 3 выбирается из условия компенсации реактивной мощности нагрузки на основной частоте и максимального приближения фазы потребляемого тока к сетевому напряжению, при котором фаза имеет наименьшее значение, соответственно, значение коэффициента Cos - наибольшее.

Для этого при увеличении реактивной мощности трехфазной нагрузки 1 свыше номинальной увеличивается напряжение С_ВДТ-2 (знак «+» в формуле 6). При снижении реактивной мощности трехфазной нагрузки 1 снижается мощность Q_ист за счет уменьшения напряжения U _ВДТ-2 (знак «-» в формуле 6).

Таким образом, полная компенсация реактивной мощности нагрузки происходит при регулировании напряжения на обкладках конденсатора 17, благодаря которому обеспечивается повышение коэффициента мощности во всех режимах работы трехфазной нагрузки 1, включая номинальный.

Кроме того, повышенное значение коэффициента Cos влияет также на электромагнитные процессы, протекающие в сети, а именно обеспечивает уменьшение реактивной составляющей тока сети, т.е. уменьшает нагруженность сети реактивным током. В свою очередь уменьшение реактивной составляющей тока сети приводит к снижению потерь напряжения от протекания этого тока, т.е. уменьшаются потери напряжения между источником электрической энергии и фильтрокомпенсирующим устройством. Благодаря этому уровень напряжения на входе фильтрокомпенсирующего устройства и, соответственно, на трехфазной нагрузке возрастает, что позволяет реализовать большую мощность на нагрузке при той же мощности источника электрической энергии.

Проверка работоспособности фильтрокомпенсирующего устройства (ФКУ) с достижением вышеуказанного технического результата осуществлялась методом математического моделирования.

Моделирование работы ФКУ осуществлялась во всех режимах работы нагрузки, включая номинальный.

При моделировании за расчетную схему принята трехфазная нагрузка 1 с параметрами R_н=0,2 Ом; L_Н=2,5 мГн, подключенная к трехфазной сети с напряжением 445 В. В цепи блока компенсации 2 включены индуктивность 16 и конденсатор 17 с параметрами L=100 мГн, С=3,8 мкФ. Выпрямитель 5 обеспечивал напряжение 50 В на входе автономных инверторов напряжения 7, 8, 9.

Из диаграммы токов и напряжений на фиг 2 видно, что при отключенном ФКУ индуктивный ток i_н нагрузки 1 отстает от сетевого напряжения U_сети на 75,7°.

Включение ФКУ формирует ток i _к блока компенсации 2, опережающий напряжение сети U _сети на 89,9°, т.е. имеет емкостной характер, что отражено на диаграмме токов и напряжений. В результате сложения токов i_н и i_к на входе ФКУ из сети потребляется ток i, совпадающий ( =0) по фазе с напряжением С_сети. При =0 коэффициент мощности ФКУ равен единице, К_м =Cos =1, т.е. включение ФКУ максимально увеличивает значение К_м.

Отклонение формы тока i от синусоидальной формы связано с высокочастотными пульсациями в форме потребляемого тока, что снижает коэффициент мощности К_м. С учетом этого расчетное значение коэффициента мощности составляет 0,997.

В результате моделирования работы ФКУ во всех режимах работы нагрузки были получены диаграммы, аналогичные диаграммам, приведенным на фиг.2.

В результате моделирования установлено, что совпадение сетевого тока и питающего напряжения происходит во всех режимах работы нагрузки, включая номинальный, что подтверждает возможность повышения коэффициента мощности во всех режимах работы нагрузки, включая номинальный.