Исследование методов и устройств компенсации реактивной мощности при электроснабжении нелинейных и резкопеременных нагрузок

После подачи питания на проектируемое устройство производится проверка напряжения в системе. Если величина напряжения не находится в пределах, заданных как норма, то выполняется диагностика функционирования системы. Если Uпит = 0, то осуществляется повторная подача питания в систему, а если же Uпит ¹ 0, то после вывода результатов диагностики устройство отключается от сети для проверки исправности функционирования блоков системы.

Если напряжение в системе не выходит за рамки нормируемой величины, то проводится контрольное тестирование элементов системы регулирования реактивной мощности, и в случае удовлетворительных результатов тестирования выполняется контроль параметров сети электроснабжения.

Если результаты тестирования окажутся неудовлетворительными, или же в сети обнаружится короткое замыкание, то после вывода результатов тестирования устройство отключается от сети.

После того, как тестирование системы и контроль параметров сети дадут удовлетворительные результаты (т.е. покажут, что устройство компенсации реактивной мощности работает не в аварийном режиме), производится ввод задающих воздействий на систему. Вводятся предельное значение напряжения и требуемое значение коэффициента мощности в системе электроснабжения.

Теперь устройство готово для выполнения своей основной задачи – компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения.

Регулирование реактивной мощности, генерируемой в сеть, производится за счет изменения угла управления тиристоров a. При этом изменяется величина и длительность протекания тока через компенсирующие реакторы, т.е. потребление компенсирующими реакторами реактивной мощности при постоянстве реактивной мощности, генерируемой конденсаторными установками фильтров.

Работа устройства происходит следующим образом.

Измеряются мгновенные значения тока и напряжения в сети, и вычисляется фактическое значение коэффициента мощности в сети, которое сравнивается с заданным ранее требуемым значением.

Если фактическое значение коэффициента мощности равно (с учетом зоны нечувствительности) заданному значению cos j, то устройство не изменяет величину генерируемой в сеть реактивной мощности, а возвращается к контролю параметров сети для обнаружения возможного аварийного режима работы устройства или изменения величины потребляемой в сети реактивной мощности.

Когда же окажется, что фактическое значение cos j отлично от заданного, вырабатывается напряжение управления Uупр для блока управления системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами. В СИФУ происходит формирование опорных напряжений и сравнение Uупр и Uоп. И, наконец, моменты переключения компараторов СИФУ преобразуются в импульсы управления тиристорами. Импульсы, подаваемые на тиристоры, смещены относительно моментов естественного отпирания тиристоров на угол a, значение которого зависит от величины Uупр.

Если значение угла управления a находится в разрешенных пределах, то формируемые СИФУ импульсы управления тиристорами изменяют интервал проводимости тиристоров и, соответственно, величину генерируемой в сеть реактивной мощности проектируемым устройством.

Если в результате регулирования реактивной мощности фактическое значение напряжения в сети превысит заданное граничное, то формируется управляющий сигнал нелинейного регулятора реактивной мощности. Приводится в действие нелинейный регулятор, чем снижается величина напряжения в сети до допустимого значения (не допускается перенапряжение в системе электроснабжения), даже если это достигается ценой уменьшения фактического значения коэффициента мощности в сети.

Разрабатываемый алгоритм должен позволять отключать устройство от сети не только в случае возникновения сбоев, перегрузок, аварийных режимов, но и по требованию потребителя. Для этого производится проверка наличия оснований для отключения устройства по требованию пользователя. Если с пульта управления компенсатором реактивной мощности поступила команда на отключение, то система производит тестирование устройства, выводит результаты тестирования в виде, удобном для пользователя, и отключает устройство от сети.

В том случае, когда команда на отключение не поступает, устройство продолжает циклически функционировать по описанному выше алгоритму.

На основании этих требований составляем алгоритм функционирования проектируемого устройства, блок-схема которого приведена на рисунке 35.

По составленному алгоритму функционирования синтезируем структурную схему проектируемого устройства, реализующую алгоритм.

Устройство содержит пульт оператора, позволяющий задавать значения напряжения, реактивной мощности и коэффициента мощности в сети в ручном или автоматическом режиме. Это осуществляется через соответствующие блоки задания.

Устройство содержит также блок дистанционного задания, с помощью которого можно установить требуемые значения контролируемых параметров сети электроснабжения предприятия, на котором устанавливается разрабатываемое устройство, используя ЭВМ.

Эти структурные элементы устройства на схеме объединены в блок задания предельного напряжения и cos j в электросети.

В разработанном устройстве для управления тиристорами, входящими в тиристорно-реакторную группу, применяется система импульсно-фазового управления. СИФУ осуществляется генерация отпирающих импульсов для тиристоров, смещение их по фазе относительно питающего напряжения силовой схемы.

Она позволяет преобразовать выходное напряжение блока управления Uупр в последовательность подаваемых на тиристоры отпирающих импульсов, момент формирования которых смещен относительно моментов естественного отпирания тиристоров на угол a, зависящий от значения Uупр.

В систему импульсно-фазового управления вводится опорное напряжение, взятое от источника, питающего силовую схему. Генерация отпирающего импульса для тиристора происходит на одном из фронтов соответствующего опорного напряжения в момент совпадения опорного с управляющим напряжением. При изменении управляющего напряжения импульс сдвигается относительно опорного и, следовательно, относительно напряжения силовой схемы.

При смещении отпирающих импульсов изменяется интервал времени, в течение которого через реактор, входящий в тиристорно-реакторную группу, протекает ток, изменяется среднее значение напряжения на реакторе. Следовательно, изменяется значение потребляемой реактором реактивной мощности.

Таким образом осуществляется регулирование коэффициента мощности и компенсация реактивной мощности в системе электроснабжения.

В работе используется синхронная многоканальная система импульсно-фазового управления, т.е. СИФУ, в которой выполняется отсчет угла a от моментов естественного отпирания для встречно-параллельно включенных тиристоров каждой фазы.

Система импульсно-фазового управления состоит из узла формирования опорных напряжений, компараторов, сравнивающих напряжение управления Uупр и опорные напряжения Uоп, узлов, преобразующих моменты переключения компараторов в импульсы управления тиристорами, узлов ограничения диапазона изменения угла a и выходных усилителей.

Под действием изменения времени проводимости тиристоров устройства изменяется генерируемая в сеть реактивная мощность, изменяются также значения напряжений и токов в сети.

Устройство содержит блоки измерения мгновенных значений тока и напряжения сети и узел определения фактического значения коэффициента мощности.

Эти блоки необходимы для определения фактического значения реактивной мощности в сети с целью подачи информационно-управляющих импульсов в блок управления компенсатора реактивной мощности.

В составе устройства предусмотрен блок формирования нелинейного закона регулирования реактивной мощности, который в случае появления в сети перенапряжений посылает в блок управления информационные импульсы, призванные исключить работу сети в аварийном режиме.

На основании изложенного составляем структурную схему. Структурная схема проектируемого устройства приведена на рисунке 36.

 

2.2 Обоснование функциональной  и принципиальной схем блока  проектируемого устройства

В данном разделе разработаем функциональную схему части проектируемого устройства компенсации реактивной мощности – системы импульсно-фазового управления встречно-параллельно включенными тиристорами, входящими в тиристорно-реакторную группу компенсатора реактивной мощности.

Система импульсно-фазового управления имеет следующие технические данные:

максимальное входное напряжение, В, – 10

входной ток, мА, не более

напряжение синхронизации с питающей сетью трехфазное, В80

температурный дрейф характеристики при изменении

температуры от 1 до 40 °С, %, не более

диапазон изменения угла a, град – 170

асимметрия импульсов отдельных каналов, град,±3

Система импульсно-фазового управления гальванически отделена от силовой части проектируемого устройства.

Применяемая в данной работе система импульсно-фазового управления имеет следующие особенности: косинусоидальное опорное напряжение, шестиканальное устройство фазосмещения.

Работа системы импульсно-фазового управления происходит следующим образом.

Трехфазная система напряжений из сети поступает на фильтр, который обеспечивает формирование опорных напряжений AF, BF, CF, сдвинутых на 60°. Эти напряжения используются в формирователях, обеспечивающих получение сигналов А0, В0, С0, служащих для ограничения угла amin, и сигналов Аm, Вm, Сm, служащих для ограничения угла amax.

Блок сравнения, на вход которого поступают напряжение управления Uупр, напряжение смещения Uo и опорные напряжения AF, BF, CF, выдает напряжения AS, -AS, BS, -BS, CS, -CS. Эти напряжения положительны, когда напряжение управления меньше опорного напряжения.

Напряжения ограничения угла amax (Аm, Вm, Сm), amin (А0, В0, С0), выходные напряжения блока сравнения (AS, -AS, BS, -BS, CS, -CS) поступают на формирователи, с выходов которых снимаются сигналы A', -A', B', -B', C', -C'. Моменты появления этих сигналов совпадают с моментами равенства Uупр и Uoп для каждой из фаз (при условии, что amin<a<amax).

Из этих сигналов преобразователем кодов формируются сигналы A, B, C, -A, -B, -C, моменты появления которых соответствуют углу a. С выхода кодопреобразователя сигналы поступают на выходные усилители, которые формируют последовательность импульсов, подаваемых на тиристоры.

На рисунке 37 приведены диаграммы напряжений в СИФУ.

Функциональная схема системы импульсно-фазового управления показана на рисунке 38.

Система импульсно-фазового управления выполнена с широким использованием операционных усилителей серии К544УД2, логических интегральных микросхем серии КР1533.

Микросхема К544УД2 представляет собой быстродействующий операционный усилитель. Его схема имеет внутреннюю частотную коррекцию.

ИМС серии КР1533 – это маломощные быстродействующие интегральные микросхемы, предназначенные для организации высокоскоростного обмена и обработки информации, временного и электрического согласования сигналов в вычислительных системах. Микросхемы серии КР1533 по сравнению с другими сериями ТТЛ-микросхем обладают минимальным значением произведения быстродействия на рассеиваемую мощность. Микросхемы изготавливаются по усовершенствованной эпитаксиально-планарной технологии с диодами Шоттки.

СИФУ состоит из узла формирования опорных напряжений, узлов формирования логических сигналов, служащих для ограничения углов amin и amax, узла фазосмещения, узлов формирования диапазонов, кодопреобразователя и выходных усилителей.

Узел формирования опорных напряжений включает в себя трансформатор с двумя группами вторичных обмоток, которые можно включать по схемам звезды или треугольника, и ячейку фильтра с тремя каналами апериодических фильтров, обеспечивающих фазовый сдвиг на 60°.

На рисунке 39 изображена схема фильтра, служащего для формирования опорного напряжения фазы А – напряжения АF. Схемы формирователей других фаз аналогичны.

На рисунке 39: R1 – переменное сопротивление, предназначенное для выбора параметров фильтра, R1 = 10 кОм.

R2 = 22 кОм, R3 = 5,1 кОм, R4 = 12 кОм, R5 = 10 кОм. Емкость конденсатора в  цепи обратной связи ОУ: С1 = 0,33 мкФ.

Опорное напряжение, которое формируется этим узлом, необходимо в работе системы управления тиристорами для привязки импульсов отпирания к питающей сети.

На рисунке 40 показан узел формирования логических сигналов, служащих для ограничения угла amin.

Этот узел служит для формирования логических сигналов А0, В0, С0, которые имеют длительность 180о и предназначены для ограничения угла amin.

На рисунке 40 R1 и R8 – переменные сопротивления: R1 = R8 = 10 кОм. Номиналы других сопротивлений: R2 = R4 = R5 = 10 кОм, R3 = R6 = 5,1 кОм, R7 = 8,2кОм. Сопротивления R9 – R11 служат для ограничения тока, их номиналы: R9 = = R10 = R11 = 220 кОм. Емкости конденсаторов в цепях обратных связей операционных усилителей: С1 = С2 = 0,01 мкФ.

Узел состоит из компараторов А3–А5, микросхемы ключей DD1 К190КТ2П и формирователей напряжений смещения ±U1 на усилителях А1, А2.

На вход узла подаются опорные напряжения АF, ВF, СF, которые поступают на компараторы А3–А5. Когда на выходе компаратора напряжение имеет отрицательную полярность, один из ключей замкнут, и на вход связанного с этим ключом компаратора поступает выходное напряжение усилителя А1. Когда на выходе компаратора напряжение имеет положительную полярность, то на вход того же компаратора поступает выходное напряжение усилителя A2. При U1 = 0 разрешенный для формирования диапазон угла a начинается с a=30°, т. е. amin =30°. Если напряжение на выходе А2 больше нуля, то amin <30°.

Узел формирования логических сигналов Аm, Вm, Сm, служащих для ограничения угла amax, выполнен по той же схеме, что и узел ограничения amin, рассмотренный выше, но с другим порядком чередования фаз АF, ВF, СF.

Узел фазосмещения состоит из шести компараторов, на входе которых сравниваются напряжение управления Uупр, напряжение смещения Uo, обеспечивающее начальный угол управления при Uyпр = 0, и соответствующее опорное напряжение. При этом для тиристоров одной фазы анодной и катодной групп напряжение Uупр имеет противоположные знаки.