Патент на изобретение №2392727

(54) УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности стабилизации частоты напряжения сети с возможностью задания требуемой частоты на выходе устройства, повышение точности стабилизации амплитуды напряжения с возможностью задания требуемой амплитуды, повышение точности компенсации искажений тока и реактивной мощности, а также возможность регулирования качества электроэнергии. Для этого устройство содержит соединенные между собой силовую часть и систему контроля и управления, при этом силовая часть содержит первый, второй и третий контакторы, первый и второй преобразователи постоянного тока в переменный на основе IGBT инверторов, накопитель энергии в виде конденсатора, включенный на стороне постоянного тока упомянутых преобразователей, трансформаторный блок, связанный с соответствующими клеммами контакторов и входом – с выходом переменного тока первого преобразователя постоянного тока в переменный, LC-фильтра, включенного на выходе переменного тока второго преобразователя постоянного тока в переменный, и блока защиты и мягкого пуска, при этом соответствующий вход первого контактора соединен с источником электроэнергии, а выход третьего контактора подключен к нагрузке, а в систему контроля и управления, содержащую первый, второй, и третий датчики тока, первый, второй и третий датчики напряжения, первый и второй блоки ШИМ, связанные с соответствующими блоками силовой части, введены блок цифровой обработки, четвертый датчик напряжения, блок АЦП, первый и второй блоки ЦАП, блок регулирования, при этом блок цифровой обработки содержит связанные соответствующим образом между собой и с другими блоками системы контроля и управления и блоками силовой части первый и второй блоки цифрового понижающего преобразования, блок частотного детектирования, первый и второй блоки амплитудно-фазового детектирования, первый и второй блоки цифрового синтеза, решающее устройство, первый и второй блоки цифровой коррекции. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электропитания и распределения электрической энергии для регулирования и стабилизации напряжения, регулирования и стабилизации частоты, регулирования качества электроэнергии, коррекции коэффициента мощности и обеспечения электромагнитной совместимости потребителей.

Известно устройство для компенсации гармоник и стабилизации напряжения (см. патент США US 2003042877 (A1), M. кл. H02J 3/01; Ho2J 3/18; Н02М 1/12, опубл. 06.03.2003).

Устройство содержит силовую часть и систему контроля и управления.

Силовая часть состоит из первого и второго преобразователей постоянного тока в переменный на основе IGBT-инверторов с накопителями энергии (конденсатор и аккумуляторная батарея) на стороне постоянного тока преобразователей, интегрирующего фильтра из LC-элементов на выходе переменного тока первого преобразователя и трансформаторного блока на выходе переменного тока второго преобразователя.

Система контроля и управления содержит входной и выходной датчики напряжения, входной и выходной датчики тока, датчик напряжения на конденсаторе, первое и второе контролирующие устройства, включающие в себя первую и вторую формирующие схемы, а также первый и второй блоки широтно-импульсной модуляции (блоки ШИМ).

В соответствии с принципом действия второе контролирующее устройство, используя сигналы с датчиков входного напряжения и датчика выходного напряжения при помощи соответствующих формирующих схем, создает сигнал для стабилизации напряжения нагрузки. Полученный сигнал проходит через второй блок ШИМ, на выходе которого появляется сигнал управления вторым преобразователем постоянного тока в переменный. Этот сигнал усиливается в преобразователе и подается в трансформаторный блок. На силовых выводах трансформаторного блока создается напряжение, которое складывается с входным напряжением и стабилизирует напряжение нагрузки. В свою очередь, первое контролирующее устройство, используя сигналы с датчиков входного напряжения и датчика тока нагрузки при помощи соответствующих формирующих схем, создает сигнал для коррекции коэффициента мощности (компенсации искажений тока и реактивной мощности). Сформированный сигнал проходит через первый блок ШИМ, который управляет первым преобразователем постоянного тока в переменный. Модулированный сигнал усиливается в преобразователе и через интегрирующий фильтр поступает в сеть.

Рассматриваемое устройство стабилизирует напряжение нагрузки, производит фильтрацию высших гармоник напряжения сети и корректирует коэффициент мощности – компенсируя реактивную мощность и суммарный ток высших гармоник. Однако формирующие схемы контролирующих устройств не позволяют осуществлять стабилизацию частоты напряжения. Элементы формирующих схем являются аналоговыми, в них не обеспечивается постоянство параметров элементов, что отрицательно сказывается на точности стабилизации напряжения и компенсации искажений тока и реактивной мощности. Устройство не позволяет регулировать качество электроэнергии, так как в нем не обеспечивается возможность регулирования и выбора компенсации отдельных гармоник и комбинационных составляющих тока и напряжения, кроме этого не предусмотрено управление процессом компенсации реактивной мощности (полная или частичная компенсация). Конфигурация силовой части такова, что напряжение на накопительном конденсаторе всегда зависит от амплитудного значения напряжения до трансформаторного блока, поэтому поддерживать напряжение на конденсаторе на номинальном уровне не представляется возможным без привлечения дополнительного энергетического устройства с постоянным выходным напряжением, в качестве которого в цепи постоянного тока преобразователей используется аккумуляторная батарея. Кроме того, силовая часть устройства не предусматривает защиту от аварийных режимов, связанных с неисправностью оборудования, например, короткие замыкания со стороны сети (спад напряжения до нуля) или недопустимо высокие уровни напряжения сети, а также короткие замыкания со стороны нагрузки.

Известен стабилизатор напряжения (см. патент РФ RU 2306661 С1, М. кл. Н02М 5/44, опубл. 20.09.2007).

Устройство содержит силовую часть и систему контроля и управления.

Силовая часть состоит из первого, второго и третьего контакторов, первого и второго преобразователей постоянного тока в переменный на основе IGBT-инверторов, накопителя энергии (конденсатора) на стороне постоянного тока преобразователей, трансформаторного блока, включенного на выходе переменного тока первого преобразователя, LC-фильтра, включенного на выходе переменного тока второго преобразователя и блока защиты и мягкого пуска (БЗМП), включенного на выходе LC-фильтра. БЗМП обеспечивает плавный заряд накопительного конденсатора в начальный момент времени и состоит из контактора и зарядного резистора. Трансформаторный блок состоит из трансформатора и интегрирующего LC-фильтра, причем входом трансформаторного блока является вход интегрирующего LC-фильтра, выход которого подключен к первичной обмотке трансформатора, а выходом является вторичная обмотка трансформатора, которая последовательно включается в фазу сети. Соответствующие клеммы вторичной обмотки трансформатора являются соответствующими клеммами трансформаторного блока. Первый и третий контакторы, включенные соответственно на входе и выходе стабилизатора осуществляют подключение стабилизатора к сети и нагрузки к стабилизатору или их отключение. Второй контактор, подключенный параллельно выходу трансформаторного блока, шунтирует вторичную обмотку трансформатора в начальный момент времени для первоначального заряда накопительного конденсатора и дешунтирует вторичную обмотку после первоначального заряда.

Система контроля и управления содержит первый, второй и третий датчики тока; первый, второй и третий датчики напряжения; блок управления, включающий первый и второй блоки широтно-импульсной модуляции (блоки ШИМ).

Устройство работает следующим образом: система контроля и управления, используя сигналы с первого, второго и третьего датчиков напряжения, первого второго и третьего датчиков тока, которые поступают в блок управления, формирует сигналы для стабилизации напряжения нагрузки и коррекции коэффициента мощности (компенсации искажений тока и реактивной мощности). Сигнал для стабилизации напряжения нагрузки поступает в первый блок ШИМ, который управляет первым преобразователем постоянного тока в переменный. Модулированный сигнал усиливается в преобразователе и поступает в трансформаторный блок, и на вторичной обмотке содержащегося в нем трансформатора последовательно с источником электроэнергии появляется напряжение, необходимое для стабилизации напряжения нагрузки. Сигнал для коррекции коэффициента мощности поступает во второй блок ШИМ, управляющий вторым преобразователем постоянного тока в переменный. Модулированный сигнал усиливается в преобразователе, проходит через LC-фильтр, БЗМП и далее подается в сеть.

Устройство стабилизирует напряжение нагрузки, производит фильтрацию высших гармоник напряжения сети и корректирует коэффициент мощности, компенсируя реактивную мощность и суммарный ток высших гармоник. Напряжение на накопительном конденсаторе в отличие от предыдущего аналога в меньшей степени зависит от колебаний напряжения сети. При этом не требуется дополнительного устройства для поддерживания его на номинальном уровне, так как конфигурация силовой части устройства предполагает предварительную стабилизацию напряжения и заряд конденсатора через второй преобразователь до номинального значения, равного сумме напряжения сети и напряжения на трансформаторном блоке. Кроме того, в силовую часть введены первый и третий контакторы с управлением. Это обеспечивает защиту от аварийных режимов, обусловленных неисправностью оборудования, например, короткие замыкания со стороны сети (спад напряжения до нуля) или недопустимо высокие уровни напряжения сети, а также перегрузки или короткие замыкания нагрузки.

Однако устройство имеет ряд существенных недостатков. Блок управления не позволяет осуществлять стабилизацию частоты напряжения сети и тем более задание требуемой частоты напряжения на выходе устройства. Формирующие элементы блока управления являются аналоговыми, в них не обеспечивается постоянство параметров элементов, что отрицательно сказывается на точности стабилизации амплитуды напряжения и компенсации искажений тока и реактивной мощности, кроме этого отсутствует возможность задания требуемой амплитуды напряжения на выходе устройства. Устройство не позволяет регулировать качество электроэнергии, так как в нем не обеспечивается возможность регулирования и выбора компенсации отдельных гармоник и комбинационных составляющих тока и напряжения, кроме того, не предусмотрено управление процессом компенсации реактивной мощности (полная или частичная компенсация).

Данное устройство выбрано за прототип.

Техническим результатом изобретения является:

стабилизация частоты напряжения сети с возможностью задания требуемой частоты напряжения на выходе устройства;

повышение точности стабилизации амплитуды напряжения с одновременной компенсацией искажений и возможностью задания требуемой амплитуды напряжения на выходе устройства;

повышение точности компенсации искажений тока и реактивной мощности;

возможность регулирования качества электроэнергии на входе и выходе устройства, путем управления компенсацией отдельных гармоник, а также комбинационных составляющих тока и напряжения, управления сигналом, стабилизирующим частоту напряжения, и управления компенсацией реактивной мощности (полная или частичная компенсация).

Решение поставленной задачи достигается в предлагаемом устройстве стабилизации напряжения, содержащем соединенные между собой силовую часть, связанную с источником электроэнергии, и систему контроля и управления, при этом силовая часть содержит первый, второй и третий контакторы, первый и второй преобразователи постоянного тока в переменный на основе IGBT-инверторов, накопитель энергии (конденсатор), включенный на стороне постоянного тока упомянутых преобразователей, трансформаторный блок, связанный с соответствующими клеммами контакторов и входом – с выходом переменного тока первого преобразователя постоянного тока в переменный, LC-фильтра, включенного на выходе переменного тока второго преобразователя постоянного тока в переменный, и блока защиты и мягкого пуска, включенного на выходе LC-фильтра, причем выход блока защиты и мягкого пуска подключен к соответствующим клеммам второго и третьего контакторов и к соответствующей клемме трансформаторного блока, а выход третьего контактора соединен с нагрузкой, система контроля и управления содержит первый, второй и третий датчики тока, первый, второй и третий датчики напряжения, первый и второй блоки широтно-импульсной модуляции (ШИМ), выходы которых подключены соответственно ко входам первого и второго преобразователей постоянного тока в переменный, на стороне постоянного тока которых подключены соответствующие входы второго датчика напряжения, вход первого датчика напряжения подключен к точке соединения источника электроэнергии и первого контактора, а вход третьего датчика напряжения подключен к точке соединения третьего контактора, трансформаторного блока, блока защиты и мягкого пуска и второго контактора, при этом второй датчик тока установлен между LC-фильтром и блоком защиты и мягкого пуска, а третий датчик тока подключен к точке соединения соответствующей клеммы третьего контактора, третьего датчика напряжения, блока защиты и мягкого пуска, соответствующей клеммы трансформаторного блока и второго контактора, отличающемся тем, что в систему контроля и управления введены блок цифровой обработки, четвертый датчик напряжения, блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), первый и второй блоки цифро-аналогового преобразования (ЦАП), входы которых соединены с соответствующими выходами блока цифровой обработки, а их выходы подключены ко входам первого и второго блоков ШИМ соответственно, блок регулирования, при этом блок цифровой обработки содержит первый и второй блоки цифрового понижающего преобразования (БЦПП), блок частотного детектирования, первый и второй блоки амплитудно-фазового детектирования, первый и второй блоки цифрового синтеза, решающее устройство, первый и второй блоки цифровой коррекции, причем первым, вторым и третьим входами блока цифровой обработки являются соответствующие входы первого блока цифровой коррекции, четвертым, шестым и седьмым входами блока цифровой обработки являются соответствующие входы второго блока цифровой коррекции, а пятым входом блока цифровой обработки является соответствующий вход решающего устройства, другой соответствующий вход/выход которого является восьмым входом/выходом блока цифровой обработки для подключения выхода/входа блока регулирования, при этом упомянутые входы блока цифровой обработки являются входами для подключения соответствующих выходов блока АЦП, первый вход которого связан с первым датчиком тока, включенным на выходе источника электроэнергии, второй и третий входы блока АЦП связаны соответственно со вторым и третьим датчиками тока, четвертый, пятый и шестой входы блока АЦП соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего датчиков напряжения, а седьмой вход блока АЦП соединен с соответствующим выходом четвертого датчика напряжения, связанного другими соответствующими выходами с точками соединения трансформаторного блока, первого, второго и третьего контакторов, первый вход первого БЦПП и соответствующий вход первого блока цифрового синтеза подключены к третьему входу блока цифровой обработки, второй вход первого БЦПП соединен с соответствующими входами первого и второго блоков цифрового синтеза и соответствующим выходом решающего устройства, два других соответствующих входа/выхода которого подключены соответственно к соответствующим выходам/входам первого и второго блоков цифровой коррекции, первый вход второго БЦПП соединен с четвертым входом блока цифровой обработки, входом блока частотного детектирования и соответствующим входом второго блока цифрового синтеза, другой соответствующий вход которого соединен со вторым входом второго БЦПП, с выходом блока частотного детектирования и с соответствующим входом решающего устройства, выходы первого и второго БЦПП соединены соответственно со входами первого и второго блоков амплитудно-фазового детектирования, выходы которых подключены соответственно к соответствующим входам первого и второго блоков цифрового синтеза, выходы которых, а также соответствующие выходы первого и второго блоков амплитудно-фазового детектирования соединены с соответствующими входами решающего устройства, соответствующие выходы которого являются выходами блока цифровой обработки для подключения соответственно входов первого, второго и третьего контакторов и соответствующего входа блока защиты и мягкого пуска, а выходы первого и второго блоков цифровой коррекции являются выходами блока цифровой обработки для подключения соответственно второго и первого блоков ЦАП.

Для осуществления стабилизации частоты напряжения, стабилизации амплитуды напряжения и компенсации искажений напряжения трансформаторный блок может быть выполнен как в прототипе и состоять из трансформатора и интегрирующего LC-фильтра, вход которого является входом трансформаторного блока, выход интегрирующего LC-фильтра подключен к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого является выходом трансформаторного блока для последовательного включения в фазу сети.

Для осуществления стабилизации частоты напряжения, стабилизации амплитуды напряжения и компенсации искажений напряжения в данной заявке предлагается вариант выполнения трансформаторного блока, также состоящего из трансформатора и интегрирующего LC-фильтра, при этом его входом является первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого подключена ко входу интегрирующего LC-фильтра, выход которого является выходом трансформаторного блока для последовательного включения в фазу. При этом за счет более высокой частоты ШИМ трансформатор в этом варианте имеет меньшие габариты и массу по сравнению с первым вариантом за счет меньшего количества витков первичной и вторичной обмоток.

Введение в предлагаемое устройство стабилизации напряжения дополнительного четвертого датчика напряжения позволяет контролировать напряжение на трансформаторном блоке для последующей стабилизации напряжения на нагрузке, осуществляемой в блоке цифровой обработки, введенном в систему контроля и управления.

Блок цифровой обработки совместно с блоком АЦП позволяет осуществить оцифровку сигналов с датчиков тока и напряжения и в цифровом виде отдельно сформировать эталонные сигналы каждой гармонической составляющей напряжения и тока, сигнал для стабилизации частоты (что не осуществляется в прототипе), для стабилизации напряжения, для компенсации искажений тока, для компенсации реактивной мощности. При этом сигнал для компенсации искажений как тока, так и напряжения с помощью алгебраических операций разделяется на гармонические и комбинационные составляющие. Блок цифровой обработки производит также контроль и коррекцию воспроизводимых в силовой части сигналов. Кроме того, блок цифровой обработки осуществляет контроль и выдает команды управления блоком защиты и мягкого пуска и контакторами в случае аварийных ситуаций, обусловленных неисправностью оборудования, например короткие замыкания со стороны сети (спад напряжения до нуля) или недопустимо высокие уровни напряжения сети, а также перегрузки или короткие замыкания нагрузки.

Формирование упомянутых сигналов в цифровом виде позволяет повысить точность стабилизации напряжения, точность компенсации искажений тока и напряжения, а также точность компенсации реактивной мощности.

Блок регулирования, введенный в систему контроля и управления, совместно с блоком цифровой обработки позволяет регулировать качество электроэнергии на входе и выходе устройства стабилизации (что не осуществляется в прототипе) путем задания соответствующих коэффициентов посредством блока регулирования и умножения на эти коэффициенты соответствующих отдельно сформированных упомянутых ранее сигналов. Таким образом, можно управлять процессом компенсации отдельных гармоник тока и напряжения, а также комбинационными составляющими тока и напряжения, управлять сигналом, стабилизирующим частоту напряжения, управлять процессом компенсации реактивной мощности (полная или частичная компенсация). Кроме того, блок регулирования позволяет задавать эталонные значения амплитуды и частоты напряжения и таким образом регулировать и изменять частоту, а также амплитуду напряжения на выходе устройства.

Структурная схема предлагаемого устройства стабилизации напряжения приведена на фиг.1, на фиг.2 приведен первый вариант выполнения трансформаторного блока, а на фиг.3 – второй вариант выполнения трансформаторного блока.

Согласно фиг.1 предлагаемое устройство содержит соединенные между собой силовую часть и систему контроля и управления. На фиг.1 также показан источник 1 электроэнергии, к которому подключено устройство 2 стабилизации, силовая часть которого содержит первый 3, второй 4 и третий 5 контакторы, трансформаторный блок 6, связанный с соответствующими клеммами первого 3, второго 4, третьего 5 контакторов и входом соединенный с выходом переменного тока первого 7₁ преобразователя постоянного тока в переменный, который, также как и второй 7₂ преобразователь постоянного тока в переменный выполнены на основе IGBT-инверторов, накопитель 8 энергии, включенный на стороне постоянного тока преобразователей 7₁ и 7₂ постоянного тока в переменный, LC-фильтр 9, включенный на выходе переменного тока второго 7₂ преобразователя постоянного тока в переменный, блок 10 защиты и мягкого пуска, включенный на выходе LC-фильтра 9, причем выход блока 10 защиты и мягкого пуска подключен к соответствующим клеммам второго 4 и третьего 5 контакторов и к соответствующей клемме трансформаторного блока 6, а выход третьего 5 контактора является выходом для подключения нагрузки.

Согласно фиг.2 в первом варианте трансформаторный блок 6 состоит из трансформатора 6₁ и интегрирующего LC-фильтра 6₂, вход которого является входом трансформаторного блока 6, выход интегрирующего LC-фильтра 6₂ подключен к первичной обмотке трансформатора 6₁, вторичная обмотка которого является выходом трансформаторного блока 6 для последовательного включения в фазу сети.

Согласно фиг.3 во втором варианте выполнения входом трансформаторного блока 6, также состоящего из трансформатора 6₁ и интегрирующего LC-фильтра 6₂, является первичная обмотка трансформатора 6₁, вторичная обмотка которого подключена ко входу интегрирующего LC-фильтра 6₂, выход которого является выходом трансформаторного блока 6 для последовательного включения в фазу сети.

Первый 3 и третий 5 контакторы осуществляют подключение устройства 2 стабилизации к источнику электроэнергии 1 и к нагрузке или их отключение. Второй 4 контактор, подключенный параллельно выходу трансформаторного блока 6, шунтирует вторичную обмотку трансформатора 6₁ в начальный момент времени для первоначального заряда накопительного конденсатора 8 и дешунтирует вторичную обмотку трансформатора 6₁ после первоначального заряда.

Система контроля и управления содержит первый 11, второй 12 и третий 13 датчики тока, первый 14, второй 15, третий 16 и четвертый 17 датчики напряжения, блок 18 аналого-цифрового преобразования (АЦП), блок 19 цифровой обработки, в который входят первый 20₁ и второй 20₂ блоки цифрового понижающего преобразования (БЦПП), блок 21 частотного детектирования, первый 22₁ и второй 22₂ блоки амплитудно-фазового детектирования, первый 23₁ и второй 23₂ блоки цифрового синтеза, решающее устройство 24, первый 25₁ и второй 25₂ блоки цифровой коррекции, первый 26₁ и второй 26₂ блоки ШИМ, первый 27₁ и второй 27₂ блоки ЦАП, блок 28 регулирования.

На фиг.1 показано подключение нагрузки 29 к устройству стабилизации 2.

При этом первый 26₁ и второй 26₂ блоки ШИМ выходами подключены соответственно ко входам первого 7₁ и второго 7₂ преобразователей постоянного тока в переменный, на стороне постоянного тока которых подключены соответствующие входы второго 15 датчика напряжения, вход первого 14 датчика напряжения подключен к точке соединения источника 1 электроэнергии и первого 3 контактора, а вход третьего 16 датчика напряжения подключен к точке соединения третьего 5 контактора, трансформаторного блока 6, блока 10 защиты и мягкого пуска и второго 4 контактора, причем второй 12 датчик тока установлен между LC-фильтром 9 и блоком 10 защиты и мягкого пуска, третий 13 датчик тока подключен к точке соединения соответствующей клеммы третьего 5 контактора, третьего 16 датчика напряжения, блока 10 защиты и мягкого пуска, соответствующей клеммы трансформаторного блока 6 и второго 4 контактора. Входы первого 27₁ и второго 27₂ блоков ЦАП соединены с соответствующими выходами блока 19 цифровой обработки, а их выходы подключены ко входам первого 26₁ и второго 26₂ блоков ШИМ соответственно.

Первым, вторым и третьим входами блока 19 цифровой обработки являются соответствующие входы первого 25₁ блока цифровой коррекции, четвертым, шестым и седьмым входами блока 19 цифровой обработки являются соответствующие входы второго 25₂ блока цифровой коррекции, а пятым входом блока 19 цифровой обработки является соответствующий вход решающего устройства 24, другой соответствующий вход/выход которого является восьмым входом/выходом блока 19 цифровой обработки, при этом упомянутые входы блока 19 цифровой обработки являются входами для подключения соответствующих выходов блока 18 АЦП, первый вход которого связан с первым 11 датчиком тока, включенным на выходе источника 1 электроэнергии, второй и третий входы блока 18 АЦП связаны соответственно со вторым 12 и третьим 13 датчиками тока, четвертый, пятый и шестой входы блока 18 АЦП соединены соответственно с выходами первого 14, второго 15 и третьего 16 датчиков напряжения, а седьмой вход блока 18 АЦП соединен с соответствующим выходом четвертого 17 датчика напряжения, связанного другими соответствующими выходами с точками соединения трансформаторного блока 6, первого 3, второго 4 и третьего 5 контакторов, первый вход первого 20₁ БЦПП и соответствующий вход первого 23₁ блока цифрового синтеза подключены к третьему входу блока 19 цифровой обработки, второй вход первого 20₁ БЦПП соединен с соответствующими входами первого 23₁ и второго 23₂ блоков цифрового синтеза и соответствующим выходом решающего устройства 24, два других соответствующих входа/выхода которого подключены соответственно к соответствующим выходам/входам первого 25₁ и второго 25₂ блоков цифровой коррекции, первый вход второго 20₂ БЦПП соединен с четвертым входом блока 19 цифровой обработки, входом блока 21 частотного детектирования и соответствующим входом второго 23₂ блока цифрового синтеза, другой соответствующий вход которого соединен со вторым входом второго 20₂ БЦПП, с выходом блока 21 частотного детектирования и с соответствующим входом решающего устройства 24, выходы первого 20₁ и второго 20₂ БЦПП соединены соответственно со входами первого 22₁ и второго 22₂ блоков амплитудно-фазового детектирования, выходы которых подключены соответственно к соответствующим входам первого 23₁ и второго 23₂ блоков цифрового синтеза, выходы которых, а также соответствующие выходы первого 22₁ и второго 22₂ блоков амплитудно-фазового детектирования соединены с соответствующими входами решающего устройства 24, соответствующие выходы которого являются выходами блока 19 цифровой обработки для подключения соответственно входов первого 3, второго 4 и третьего 5 контакторов и соответствующего входа блока 10 защиты и мягкого пуска, восьмой вход/выход решающего устройства является входом/выходом блока цифровой обработки для подключения выхода/входа блока 28 регулирования, а выходы первого 25₁ и второго 25₂ блоков цифровой коррекции являются выходами блока 19 цифровой обработки для подключения соответственно второго 27₂ и первого 27₁ блоков ЦАП.

Первый 20₁ и второй 20₂ блоки цифрового понижающего преобразования (БЦПП) содержат соответственно n₁ и n₂-цифровых понижающих преобразователей (где n₁-число гармоник тока, n₂-число гармоник напряжения). Блок 21 частотного детектирования содержит частотный детектор для определения частоты напряжения источника электроэнергии. Первый 22₁ и второй 22₂ блоки амплитудно-фазового детектирования содержат соответственно n₁ и n₂ амплитудных и фазовых детекторов. Первый 23₁ и второй 23₂ блоки цифрового синтеза содержат n₁+1 и n₂+1 соответственно цифровых синтезаторов и формирующие схемы, состоящие из суммирующих устройств.

Устройство стабилизации напряжения 2, которое подключается между источником электроэнергии 1 и нагрузкой 29, работает следующим образом. В начальный момент времени система контроля и управления при помощи решающего устройства 24, содержащегося в блоке цифровой обработки 19, подает сигналы на замыкание первого 3 и второго 4 контакторов, при этом третий контактор 5, а также контактор, входящий в БЗМП 10, разомкнуты. Происходит плавный заряд накопителя энергии 8 (конденсатора) через второй преобразователь 7₂ до значения, равного амплитудному значению напряжения источника 1 электроэнергии, о чем свидетельствуют оцифрованные сигналы, поступающие в блок 19 цифровой обработки с первого 14 и второго 15 датчиков напряжения. После первоначального заряда накопительного конденсатора 8, при помощи блока регулирования задаются эталонные значения частоты и амплитуды напряжения и система контроля и управления дает команду на размыкание второго контактора 4 и замыкание контактора, содержащегося в блоке БЗМП 10, и управляет первым 7₁ преобразователем постоянного тока в переменный. В результате, на трансформаторном блоке 6 формируется напряжение, равное разнице текущего амплитудного значения напряжения источника электроэнергии 1 и эталонного амплитудного значения напряжения. Если амплитуда напряжения источника электроэнергии меньше эталонной, то напряжение на трансформаторном блоке 6 совпадает по фазе с напряжением источника электроэнергии 1, а если превышает, то сдвинуто на 180°. Происходит дальнейший заряд накопителя энергии (конденсатора) 8 через второй преобразователь 7₂ до эталонного значения, равного сумме напряжений источника 1 электроэнергии и напряжения на трансформаторном блоке 6. Контроль уровня напряжения накопительного конденсатора 8 всегда осуществляется при помощи второго датчика 15 напряжения. После заряда накопителя энергии 8 до эталонного значения, определенного в блоке регулирования, система контроля и управления подает сигнал на замыкание третьего 5 контактора, в результате чего происходит подключение нагрузки 29. Таким образом, этап работы устройства, необходимый для первоначального накопления энергии в накопительном конденсаторе 8, заканчивается, и начинается дальнейшая работа устройства, связанная с вычислением и формированием в блоке 19 цифровой обработки системы контроля и управления необходимых сигналов, и их дальнейшим воспроизведением в силовой части. Аналоговые сигналы с первого 11, второго 12 и третьего 13 датчиков тока, а также с первого 14, второго 15, третьего 16 и четвертого 17 датчиков напряжения поступают в блок 18 аналого-цифрового преобразования (блок АЦП), где в соответствующих аналого-цифровых преобразователях преобразуются в цифровые сигналы. С выхода блока 18 АЦП цифровые сигналы поступают в блок 19 цифровой обработки для их последующего анализа и преобразований. В блоке 19 цифровой обработки происходит вычисление и формирование цифровых сигналов для стабилизации частоты напряжения, для стабилизации амплитуды напряжения, а также формируются сигналы для компенсации: реактивной мощности, отдельных гармонических составляющих искажений тока и напряжения, комбинационных составляющих искажений тока и напряжения. При помощи блока 28 регулирования, введенного в систему контроля и управления, имеется возможность задавать и изменять эталонные значения частоты и амплитуды напряжения, а также изменять качество электроэнергии путем изменения амплитуд отдельных гармоник тока и напряжения, а также комбинационных составляющих тока и напряжения, управления сигналом, стабилизирующим частоту напряжения, и управления компенсацией реактивной мощности (полная или частичная компенсация). С выхода блока 19 цифровой обработки полученные сигналы подаются на первый 27₁ и второй 27₂ блоки ЦАП для преобразования в аналоговую форму. Далее аналоговые сигналы поступают на первый 26₁ и второй 26₂ блоки широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для формирования сигналов управления соответственно первым 7₁ и вторым 7₂ преобразователями постоянного тока в переменный. В преобразователях происходит усиление модулированного сигнала. С выхода первого 7₁ преобразователя сигнал подается на вход трансформаторного блока 6, на выходе которого образуется сигнал для стабилизации амплитуды напряжения, частоты напряжения и искажений напряжения. Напряжение на выходе трансформаторного блока 6 складывается с напряжением источника 1 электроэнергии и стабилизирует амплитуду и частоту напряжения нагрузки 29 и компенсирует искажения напряжения. С выхода второго преобразователя 7₂ сигнал подается на вход LC-фильтра 9, на выходе которого появляется сигнал для коррекции коэффициента мощности (компенсации искажений тока и реактивной мощности). Сигнал с выхода LC-фильтра 9 проходит через блок 10 защиты и мягкого пуска (БЗМП), после чего подается в фазу сети и далее поступает в источник электроэнергии 1.

Формирование сигналов в блоке 19 цифровой обработки происходит следующим образом. Оцифрованные сигналы первого 14, второго 15 третьего 16 и четвертого 17 датчиков напряжения, с соответствующих выходов блока 18 АЦП поступают на соответствующие входы блока 19 цифровой обработки. Оцифрованный сигнал первого 14 датчика напряжения одновременно поступает во второй блок 20₂ ЦПП, в блок 21 частотного детектирования, во второй блок 23₂ цифрового синтеза и во второй блок 25₂ цифровой коррекции. Оцифрованный сигнал второго 15 датчика напряжения подается в решающее устройство 24 для контроля уровня напряжения на накопителе энергии (конденсаторе). Оцифрованные сигналы третьего 16 и четвертого 17 датчиков напряжения поступают на соответствующие входы второго блока 25₂ цифровой коррекции. В блоке 21 частотного детектирования измеряется значение частоты колебаний напряжения сети. Сигнал измеренной частоты поступает во второй 20₂ блок ЦПП, где происходит перестройка каждого из входящих в него n₂-цифровых понижающих преобразователей (ЦПП) и разделение на квадратурные составляющие (I/Q) каждой из n₂-гармонических составляющих поступающего с первого 14 датчика напряжения и оцифрованного в блоке 18 АЦП сигнала. С выхода второго 20₂ блока ЦПП сигнал поступает во второй 22₂ блок амплитудно-фазового детектирования, где происходит вычисление амплитуд и начальных фаз каждой из n₂-гармонических составляющих напряжения. С одного из выходов второго 22₂ блока амплитудно-фазового детектирования и с выхода блока 21 частотного детектирования, сигналы со значениями амплитуд и фаз n₂-гармонических составляющих, а также частоты колебаний напряжения сети поступают соответственно во второй 23₂ блок цифрового синтеза. С другого выхода второго 22₂ блока амплитудно-фазового детектирования сигналы со значениями амплитуд n₂-гармонических составляющих напряжения поступают в решающее устройство 24.

Во втором блоке 23₂ цифрового синтеза, содержащего n₂+1 цифровых синтезаторов (n₂-число гармоник напряжения) происходит формирование сигналов каждой из n₃-гармонических составляющих напряжения и формирование сигнала для стабилизации частоты, аналитически представляющего собой колебание с частотой ₁(t), амплитуда которого изменяется с частотой ₂(t), при этом:

; , где

_э(t) – эталонное значение круговой частоты, заданное блоком 28 регулирования; _с(t) – значение круговой частоты напряжения источника электроэнергии, определенное в частотном детекторе 21.

При помощи суммирующих устройств, в блоке 23₂ вычисляется сигнал для стабилизации напряжения по амплитуде и сигнал для компенсации искажений напряжения. Сигнал для компенсации искажений с помощью алгебраических операций в этом же блоке 23₂ разделяется на гармонические и комбинационные составляющие. Синтезированные таким образом сигналы подаются в решающее устройство 24.

Оцифрованные сигналы первого 11, второго 12 и третьего 13 датчиков тока с соответствующих выходов блока 18 АЦП поступают на соответствующие входы блока 19 цифровой обработки. Оцифрованный сигнал третьего 13 датчика тока одновременно поступает в первый 20₁ блок ЦПП, первый 23₁ блок цифрового синтеза и в первый 25₁ блок цифровой коррекции, в который также подаются оцифрованные сигналы второго 12 и первого 11 датчиков тока. В первом блоке 20₁ ЦПП при помощи соответствующих цифровых понижающих преобразователей (ЦПП) происходит разделение на квадратурные составляющие (I/Q) каждой из n₁-гармонических составляющих, поступающего с третьего 13 датчика тока и оцифрованного в блоке 18 АЦП сигнала тока нагрузки. Каждый из n₁ ЦПП может перестраиваться по сигналу решающего устройства 24 на основании эталонного значения частоты и значения частоты напряжения измеренного в блоке 21 частотного детектирования. С выхода первого 20₁ блока ЦПП сигнал поступает в первый 22₁ блок амплитудно-фазового детектирования, где происходит вычисление амплитуд и начальных фаз каждой из n₁-гармонических составляющих тока. С выхода первого 22₁ блока амплитудно-фазового детектирования сигнал со значениями амплитуд n₁-гармонических составляющих тока поступают в первый 23₁ блок цифрового синтеза и в решающее устройство 24. В первом 23₁ блоке цифрового синтеза на основании входящих сигналов с третьего 13 датчика тока, сигналов, полученных в первом 22₁ и во втором 22₂ блоках амплитудно-фазового детектирования, а также сигнала, поступающего с решающего устройства 24, происходит формирование эталонных цифровых сигналов n₁-гармонических составляющих тока, формирование сигналов для компенсации искажений тока и реактивной мощности. Сигнал для компенсации искажений с помощью алгебраических операций в этом же первом 23₁ блоке цифрового синтеза разделяется на гармонические и комбинационные составляющие. Синтезированные таким образом сигналы подаются в решающее устройство 24.

Сигналы, поступающие в решающее устройство 24, представляющее собой арифметико-логическое устройство, умножаются на коэффициенты, которые могут задаваться с помощью блока 28 регулирования, что позволяет регулировать качество электроэнергии на входе и выходе устройства стабилизации напряжения. Кроме того, блок 28 регулирования позволяет задавать эталонные значения амплитуды и частоты напряжения и таким образом регулировать и изменять амплитуду и частоту напряжения на выходе устройства стабилизации напряжения. Блок 28 регулирования позволяет также осуществлять мониторинг сигналов, поступающих в решающее устройство 24.

Решающее устройство 24 определяет комбинации включения синтезированных ранее компенсационных сигналов для стабилизации напряжения, коррекции коэффициента мощности и регулирования качества электроэнергии. При этом качество электроэнергии может регулироваться по различным параметрам. Кроме того, решающее устройство 24 выдает команды управления первым 3, вторым 4, третьим 5 контакторами и БЗМП 10. Первый 3 и третий 5 контакторы подключают устройство 2 стабилизации напряжения к источнику 1 электроэнергии и к нагрузке 29 соответственно, или их отключение в случае коротких замыканий (спад напряжения до нуля) или недопустимо высоких уровней напряжения со стороны источника 1 электроэнергии, а также перегрузок или коротких замыканий нагрузки 29.

С выхода решающего устройства 24 сигнал для стабилизации напряжения подается во второй 25₂ блок цифровой коррекции, в котором осуществляется его коррекция по сигналам первого 14, второго 15 и четвертого 17 датчиков напряжения. С выхода решающего устройства 24 сигнал для коррекции коэффициента мощности подается в первый 25₁ блок цифровой коррекции, в котором осуществляется его коррекция по сигналам первого 11, второго 12 и третьего 13 датчиков тока. С выходов первого 25₁ и второго 25₂ блоков цифровой коррекции сигналы подаются соответственно во второй 27₂, первый 27₁, блоки ЦАП и далее в соответствующие блоки 26 ШИМ и силовую часть устройства.

Использование предлагаемого устройства стабилизации напряжения обеспечивает стабилизацию частоты напряжения, способствует повышению точности стабилизации амплитуды напряжения и коррекции коэффициента мощности в статических и динамических режимах, а также позволяет регулировать качество электроэнергии.

Приведем пример выполнения блоков предлагаемого устройства стабилизации напряжения.

Преобразователи постоянного тока в переменный могут быть выполнены на основе силовых IGBT-модулей: CM100DY-24NFCM1400DU-24NF фирмы «Mitsubishi Electric» или FF650R171E4FF1000R171E4 фирмы «Infineon» с накопителем энергии (конденсатором или аккумуляторной батареей), по схемам, приведенным в прототипе. Блок защиты и мягкого пуска (БЗМП) содержит быстродействующие предохранители, контактор и балластное сопротивление. Трансформаторный блок содержит трансформатор, интегрирующий фильтр на LC-элементах, и может быть выполнен аналогично трансформаторному блоку из прототипа. Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) может быть выполнен на контроллерах типа: 1114ЕУ 4, TL 493, TL 494, TL 495, TDA 16831. В качестве датчиков тока и датчиков напряжения в зависимости от мощности нагрузки могут использоваться датчики тока ДТТ-01ДТТ-09, LT 4000-SLT 10000-S или ACPL-785J, ACPL-796J фирмы Avago Technologies и датчики напряжения типа ДН 350Н3, ДН 324Н3, ACV. Блоки АЦП и ЦАП могут быть выполнены на микросхемах AD7760 и AD760 соответственно фирмы «Analog Devices» и могут содержать согласующие устройства. Согласующие устройства могут содержать усилители типа SGA фирмы «Sirenza», аттенюаторы марки DAT-31R5-SN, согласующие цепи на LC, RC-элементах, фильтры, трансформаторы фирмы «Mini-Circuits», и могут также входить в соответствующие блоки ШИМ, датчики тока, датчики напряжения, или могут быть выполнены отдельно. LC-фильтр представляет собой ФНЧ на LC-элементах. Блок цифровой обработки может быть выполнен на ПЛИС (FPGA) EP2C2050 фирмы «Альтера». Блок регулирования может быть выполнен на базе универсальной вычислительной машины фирмы «РАМЭК».

Формула изобретения

1. Устройство стабилизации напряжения, содержащее соединенные между собой силовую часть, связанную с источником электроэнергии, и систему контроля и управления, при этом силовая часть содержит первый, второй и третий контакторы, первый и второй преобразователи постоянного тока в переменный на основе IGBT-инверторов, накопитель энергии (конденсатор), включенный на стороне постоянного тока упомянутых преобразователей, трансформаторный блок, связанный с соответствующими клеммами контакторов и входом – с выходом переменного тока первого преобразователя постоянного тока в переменный, LC-фильтра, включенного на выходе переменного тока второго преобразователя постоянного тока в переменный, и блока защиты и мягкого пуска, включенного на выходе LC-фильтра, причем выход блока защиты и мягкого пуска подключен к соответствующим клеммам второго и третьего контакторов и к соответствующей клемме трансформаторного блока, а выход третьего контактора соединен с нагрузкой, система контроля и управления содержит первый, второй и третий датчики тока, первый, второй и третий датчики напряжения, первый и второй блоки ШИМ, выходы которых подключены соответственно ко входам первого и второго преобразователей постоянного тока в переменный, на стороне постоянного тока которых подключены соответствующие входы второго датчика напряжения, вход первого датчика напряжения подключен к точке соединения источника электроэнергии и первого контактора, а вход третьего датчика напряжения подключен к точке соединения третьего контактора, трансформаторного блока, блока защиты и мягкого пуска и второго контактора, при этом второй датчик тока установлен между LC-фильтром и блоком защиты и мягкого пуска, а третий датчик тока подключен к точке соединения соответствующей клеммы третьего контактора, третьего датчика напряжения, блока защиты и мягкого пуска, соответствующей клеммы трансформаторного блока и второго контактора, отличающееся тем, что в систему контроля и управления введены блок цифровой обработки, четвертый датчик напряжения, блок АЦП, первый и второй блоки ЦАП, входы которых соединены с соответствующими выходами блока цифровой обработки, а их выходы подключены ко входам первого и второго блоков ШИМ соответственно, блок регулирования, при этом блок цифровой обработки содержит первый и второй блоки цифрового понижающего преобразования (БЦПП), блок частотного детектирования, первый и второй блоки амплитудно-фазового детектирования, первый и второй блоки цифрового синтеза, решающее устройство, первый и второй блоки цифровой коррекции, причем первым, вторым и третьим входами блока цифровой обработки являются соответствующие входы первого блока цифровой коррекции, четвертым, шестым и седьмым входами блока цифровой обработки являются соответствующие входы второго блока цифровой коррекции, а пятым входом блока цифровой обработки является соответствующий вход решающего устройства, другой соответствующий вход/выход которого является восьмым входом/выходом блока цифровой обработки для подключения выхода/входа блока регулирования, при этом упомянутые входы блока цифровой обработки являются входами для подключения соответствующих выходов блока АЦП, первый вход которого связан с первым датчиком тока, включенным на выходе источника электроэнергии, второй и третий входы блока АЦП связаны соответственно со вторым и третьим датчиками тока, четвертый, пятый и шестой входы блока АЦП соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего датчиков напряжения, а седьмой вход блока АЦП соединен с соответствующим выходом четвертого датчика напряжения, связанного другими соответствующими выходами с точками соединения трансформаторного блока, первого, второго и третьего контакторов, первый вход первого БЦПП и соответствующий вход первого блока цифрового синтеза подключены к третьему входу блока цифровой обработки, второй вход первого БЦПП соединен с соответствующими входами первого и второго блоков цифрового синтеза и соответствующим выходом решающего устройства, два других соответствующих входа/выхода которого подключены соответственно к соответствующим выходам/входам первого и второго блоков цифровой коррекции, первый вход второго БЦПП соединен с четвертым входом блока цифровой обработки, входом блока частотного детектирования и соответствующим входом второго блока цифрового синтеза, другой соответствующий вход которого соединен со вторым входом второго БЦПП, с выходом блока частотного детектирования и с соответствующим входом решающего устройства, выходы первого и второго БЦПП соединены соответственно со входами первого и второго блоков амплитудно-фазового детектирования, выходы которых подключены соответственно к соответствующим входам первого и второго блоков цифрового синтеза, выходы которых, а также соответствующие выходы первого и второго блоков амплитудно-фазового детектирования соединены с соответствующими входами решающего устройства, соответствующие выходы которого являются выходами блока цифровой обработки для подключения соответственно входов первого, второго и третьего контакторов и соответствующего входа блока защиты и мягкого пуска, а выходы первого и второго блоков цифровой коррекции являются выходами блока цифровой обработки для подключения соответственно второго и первого блоков ЦАП.

2. Устройство стабилизации напряжения по п.1, отличающееся тем, что трансформаторный блок состоит из трансформатора и интегрирующего LC-фильтра, при этом его входом является первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого подключена ко входу интегрирующего LC-фильтра, выход которого является выходом трансформаторного блока для подключения в фазу сети.

РИСУНКИ