RU2046489C1 - Filtering and correcting device for three-phase power system - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: device has three-legged transformer, each leg carrying three windings of each phase; first like polarity leads of first and second windings are connected to supply mains of power system; first leads of third winding are connected in star; second leads of first winding are connected to capacitor bank; second leads of second winding are connected to reactor; second leads of third winding are connected to resistor; ratio of second-to-first winding turns is to be chosen from equation given in description of invention. EFFECT: reduced power loss. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к промышленной электроэнергетике. The invention relates to electrical engineering, namely to industrial electric power industry.

Снижение потерь и улучшение качества электроэнергии в системах электроснабжения промышленных установок достигается компенсацией реактивной мощности и фильтрацией высших гармоник. Reducing losses and improving the quality of electricity in the power supply systems of industrial plants is achieved by reactive power compensation and filtering of higher harmonics.

Известно, что для компенсации реактивной мощности используется конденсаторная батарея, которая применяется и для улучшения гармонического состава напряжения питающей сети, особенно в отношении гармоник высокого порядка, так как емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте [1]
Однако в связи с указанным фильтрующие свойства конденсаторной батареи на гармониках низкого порядка проявляются слабо. Между тем для многих промышленных установок, например для экскаваторов с электроприводами переменного тока на основе непосредственных преобразователей частоты, требуется, наряду с компенсацией реактивной мощности, фильтрация широкого диапазона гармоник.It is known that a capacitor bank is used to compensate for reactive power, which is also used to improve the harmonic composition of the supply voltage, especially with respect to high order harmonics, since capacitance is inversely proportional to frequency [1]
However, in connection with the aforementioned, the filtering properties of the capacitor bank at low-order harmonics are weakly manifested. Meanwhile, for many industrial installations, for example, for excavators with AC electric drives based on direct frequency converters, along with reactive power compensation, filtering of a wide range of harmonics is required.

Для компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник как низкого, так и высокого порядка известно использование широкополосного фильтра [2] представляющего собой конденсаторную батарею, последовательно соединенную с параллельно включенными реактором и резистором. To compensate reactive power and filter harmonics of both low and high order, it is known to use a broadband filter [2], which is a capacitor bank connected in series with a parallel connected reactor and resistor.

Однако это фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ) имеет существенный недостаток: большие потери энергии в резисторе на частоте питающей сети. However, this filter-compensating device (PKU) has a significant drawback: large energy losses in the resistor at the frequency of the mains.

Целью изобретения является повышение экономичности ФКУ за счет снижения потерь электроэнергии в резисторе. The aim of the invention is to increase the efficiency of PKU by reducing energy losses in the resistor.

Цель достигается тем, что в ФКУ, содержащее конденсаторную батарею, реактор и резистор, предложено ввести трехобмоточный трехстержневой трансформатор. Обмотки каждой фазы трансформатора расположены на одном стержне. Одноименные выводы первой и второй обмоток предназначены для подключения к сети системы электроснабжения, а первые выводы третьей обмотки соединены по схеме "звезда". Вторые выводы первой обмотки соединены с конденсаторной батареей, вторые выводы второй обмотки с реактором, вторые выводы третьей обмотки с резистором. Соотношение витков первой и второй обмоток трансформатора выбирают из равенства
ωCL (0,95-1,05)

где ω угловая частота питающей сети;
С емкость фазы конденсаторной батареи;
L индуктивность фазы реактора;
W₂ количество витков второй обмотки;
W₁ количество витков первой обмотки.The goal is achieved by the fact that in the PKU containing a capacitor bank, a reactor and a resistor, it is proposed to introduce a three-winding three-core transformer. The windings of each phase of the transformer are located on one rod. The leads of the first and second windings of the same name are intended to be connected to the power supply system network, and the first leads of the third winding are connected in a star pattern. The second terminals of the first winding are connected to a capacitor bank, the second terminals of the second winding with a reactor, the second terminals of the third winding with a resistor. The ratio of the turns of the first and second windings of the transformer is chosen from the equality
ωCL (0.95-1.05)

where ω is the angular frequency of the supply network;
With capacitance phase capacitor bank;
L reactor phase inductance;
W _{2 the} number of turns of the second winding;
W _{1 the} number of turns of the first winding.

Необходимость и достаточность указанного подтверждается следующим. The need and sufficiency of the indicated is confirmed by the following.

В прототипе резистор, где имеют место основные потери электроэнергии, включен в цепь, непосредственно связанную с питающей сетью. В заявляемом ФКУ между сетью и резистором (как и между сетью и реактором, сетью и конденсаторной батареей) включены обмотки трансформатора. При этом параметры элементов подобраны так (в соответствии с формулой), что в резисторе исключаются потери на частоте питающей сети. Это достигается благодаря тому, что магнитодвижущие силы обмотки, соединенной с индуктивностью, и обмотки, соединенной с конденсаторной батареей, уравновешены на частоте питающей сети, что определяет нулевое напряжение на обмотке, соединенной с резистором, следовательно, отсутствие потерь в нем. In the prototype, a resistor, where the main losses of electricity occur, is included in a circuit directly connected to the supply network. In the claimed PKU between the network and the resistor (as well as between the network and the reactor, the network and the capacitor bank), the transformer windings are included. In this case, the parameters of the elements are selected so (in accordance with the formula) that the resistor eliminates losses at the frequency of the supply network. This is achieved due to the fact that the magnetomotive forces of the winding connected to the inductance and the winding connected to the capacitor bank are balanced at the frequency of the supply network, which determines the zero voltage on the winding connected to the resistor, therefore, there is no loss in it.

Указанное выведено в результате физико-математического анализа схемы ФКУ. The indicated is derived as a result of physical and mathematical analysis of the PKU circuit.

Коэффициент в формуле учитывает конструктивные требования к элементам, параметры которых рассчитываются по формуле. Диапазон значений коэффициента определен исходя из сохранения условия практической уравновешенности магнитодвижущих сил первой и второй обмоток, т.е. условия обеспечения экономической эффективности рассматриваемого решения. The coefficient in the formula takes into account the structural requirements for elements whose parameters are calculated by the formula. The range of coefficient values is determined on the basis of maintaining the condition of practical balance of the magnetomotive forces of the first and second windings, i.e. conditions for ensuring the economic efficiency of the decision in question.

Затраты, вызванные введением в ФКУ трансформатора, существенно меньше средств, полученных за счет сокращения потерь электроэнергии, что подтверждается расчетами. The costs caused by the introduction of a transformer in the PKU are significantly less than the funds received due to the reduction of electricity losses, which is confirmed by calculations.

На чертеже представлена принципиальная схема заявляемого ФКУ. The drawing shows a schematic diagram of the claimed PKU.

ФКУ содержит конденсаторную батарею 1, реактор 2, резистор 3. PKU contains a capacitor bank 1, a reactor 2, a resistor 3.

Трансформатор 4 имеет обмотки 5, 6, 7, каждая из которых расположена на трех стержнях магнитопровода 8. Начала (или концы) 9 обмотки 5 и начала (или концы) 10 обмотки 6 предназначены для подсоединения к питающей сети 11. В рассматриваемом случае выводы 9 и 10 соединены между собой внутри трансформатора, образуя три вывода 12, расположенные вне трансформатора и соединенные с питающей сетью 11. В других случаях в зависимости от конкретных условий, определяющих удобство присоединения выводов к сети, из трансформатора могут быть выведены все шесть концов обмоток. Вторые выводы 13 обмотки 5 соединены с конденсаторной батареей 1, вторые выводы 14 обмотки 6 с реактором 2. Одни выводы 15 обмотки 7 соединены по схеме "звезда", другие выводы 16 соединены с резистором 3. The transformer 4 has windings 5, 6, 7, each of which is located on the three rods of the magnetic circuit 8. The beginnings (or ends) 9 of the winding 5 and the beginnings (or ends) 10 of the winding 6 are designed to be connected to the mains 11. In this case, terminals 9 and 10 are interconnected inside the transformer, forming three terminals 12 located outside the transformer and connected to the mains 11. In other cases, depending on the specific conditions that determine the convenience of connecting the terminals to the network, all six ends of the transformer bmotok. The second conclusions 13 of the winding 5 are connected to the capacitor bank 1, the second conclusions 14 of the winding 6 are connected to the reactor 2. Some conclusions 15 of the winding 7 are connected in a star pattern, the other conclusions 16 are connected to the resistor 3.

Расчет витков рассмотрим на конкретном примере ФКУ для системы электроснабжения шагающего экскаватора ЭШ-25.90 с приводами напора, подъема, поворота по схеме "непосредственный преобразователь частоты асинхронный двигатель". Угловая частота ω314 задана. We will consider the calculation of the turns on a specific example of a PKU for the power supply system of a walking excavator ESh-25.90 with pressure, lift, and turn drives according to the scheme “direct frequency converter asynchronous motor”. The angular frequency ω314 is set.

Используя математическую модель системы электроснабжения, определены значения С=99 мкФ и L=613 мГн. Using the mathematical model of the power supply system, the values C = 99 μF and L = 613 mH were determined.

Отношение

ω²CL 5,983
Исходя из оптимизационных расчетов трансформатора, выбирают оптимальный диаметр магнитопровода, который при заданной индукции однозначно определяет число витков одной из обмоток, например первой:
W₁=51. Тогда W₂=5,983х51=305,13.Attitude

ω ² CL 5,983
Based on the optimization calculations of the transformer, the optimal diameter of the magnetic circuit is selected, which for a given induction uniquely determines the number of turns of one of the windings, for example, the first:
W ₁ = 51. Then W ₂ = 5.983x51 = 305.13.

Так как конструктивно число витков должно быть целой величиной, принимают W₂=305.Since structurally the number of turns should be an integer, take W ₂ = 305.

5,98
В этом случае коэффициент перед отношением W₂/W₁ равен единице.

5.98
In this case, the coefficient before the ratio W ₂ / W ₁ is equal to one.

Таким образом, равенство отношения W₂/W₁ произведению ω²СL выдержано. В этом случае магнитодвижущие силы обмоток 5 и 6 на основной частоте уравновешены, следовательно, напряжение на обмотке 7 и резисторе 3 равно нулю, что свидетельствует об отсутствии потерь в резисторе в отличие от прототипа, где они имеют место.Thus, the equality of the ratio W ₂ / W ₁ product ω ² CL is maintained. In this case, the magnetomotive forces of the windings 5 and 6 at the fundamental frequency are balanced, therefore, the voltage on the winding 7 and the resistor 3 is zero, which indicates the absence of losses in the resistor, in contrast to the prototype, where they take place.

Высшие гармоники питающей сети вызывают токи в конденсаторной батарее 1, реакторе 2 и в резисторе 3. Так как индуктивное сопротивление реактора пропорционально частоте, то высшие гармоники тока существенно подавляются в реакторе. Higher harmonics of the supply network cause currents in the capacitor bank 1, reactor 2, and in resistor 3. Since the inductance of the reactor is proportional to the frequency, higher harmonics of the current are substantially suppressed in the reactor.

В резисторе энергия высших гармоник рассеивается, как и в прототипе. Однако суммарные потери на основной частоте и от высших гармоник в заявляемом устройстве значительно меньше, чем в прототипе. The energy of the higher harmonics is dissipated in the resistor, as in the prototype. However, the total loss at the fundamental frequency and from higher harmonics in the inventive device is much less than in the prototype.

Claims (1)

ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, содержащее конденсаторную батарею, реактор и резистор, отличающееся тем, что в него дополнительно введен трехстержневой трехобмоточный трансформатор, обмотки каждой фазы которого расположены на одном стержне, при этом первые одноименные выводы первой и второй обмоток предназначены для подключения питающей сети системы электроснабжения, первые выводы третьей обмотки соединены по схеме "звезда", вторые выводы первой обмотки соединены с конденсаторной батареей, вторые выводы второй обмотки с реактором, вторые выводы третьей обмотки с резистором, отношение числа виткой второй обмотки W₂ к числу витков первой обмотки W₁ выбирают из равенства

где ω угловая частота питающей сети;
C емкость фазы конденсаторной батареи;
L индуктивность фазы реактора.FILTER-COMPENSATING DEVICE FOR A THREE-PHASE ELECTRICAL SUPPLY SYSTEM, comprising a capacitor bank, a reactor and a resistor, characterized in that an additional three-rod three-winding transformer is introduced into it, the windings of each phase of which are located on one terminal, while the first leads of the same name are used for connecting the first and second power supply systems, the first terminals of the third winding are connected in a star pattern, the second terminals of the first winding are connected to a capacitor bank, the second conclusions of the second winding with the reactor, the second conclusions of the third winding with a resistor, the ratio of the number of turns of the second winding W ₂ to the number of turns of the first winding W _{1 is} chosen from the equality

where ω is the angular frequency of the supply network;
C phase capacitance of the capacitor bank;
L reactor phase inductance.

Images