Конденсаторно-реакторные компенсаторы реактивной мощности, управляемые тиристорами - статические тиристорные компенсаторы (СТК)

 

Компенсаторы типа ККТ (конденсаторные) компенсируют отстающий реактивный ток сети, а типа РУТ – опережающий реактивный ток сети. При необходимости компенсации любого из этих токов в одном устройстве применяют конденсаторно-реакторные компенсаторы (КРК). При этом, регулирование значения и вида входной реактивной мощности можно обеспечить за счет регулируемых конденсаторной или реакторной частей компенсатора. Пример такого компенсатора, образованного конденсатором С и компенсатором типа РУТ, включенными параллельно, показан на рис. 4.7. Векторная диаграмма для первых гармоник напряжения и токов компенсатора приведена на рис. 4.8. Фаза реактивного тока i ₂ на входе компенсатора +90^о или –90^о определяется соотношением значений нерегулируемого тока емкости и регулируемого тока реактора.

          Рис. 4.7                           Рис. 4.8                      Рис. 4.9

Рассмотрим работу тиристорного преобразователя переменного напряжения на чисто индуктивную нагрузку (см. рис.4.9).

При  и широких управляющих импульсах преобразователь работает в режиме непрерывного тока, когда длительность тока реактора на каждом полупериоде λ=π и поочередно открыт то один, то другой тиристор. Через индуктивность протекает синусоидальный ток, равный

(4.3)

где .

При увеличении α энергия, накапливаемая на интервале α – π в индуктивности, уменьшается, при этом уменьшается и интервал, на котором индуктивность отдает энергию в сеть. Кривая тока в индуктивности остается симметричной относительно показанной на рисунке оси, а угол, в течение которого тиристоры проводят ток,  Между импульсами тока возникают разрывы. Первая гармоника тока индуктивности сдвинута относительно напряжения u ₁ на угол π/2 при любом угле управления .

Ток в индуктивности равен сумме принужденной и свободной составляющих процесса:

(4.4)

Учитывая, что при включении тиристора θ=α, а i_L =0, получим

(4.5)

При разложении этого тока в ряд Фурье найдем действующее значение 1-ой гармоники:

(4.6)

Реактивная мощность, потребляемая цепью из двух встречно-параллельных тиристоров и индуктивности,

(4.7)

уменьшается с ростом угла управления α.

Результирующая реактивная мощность компенсатора рис. 4.7 Q=Q_C-Q_L. Если выбрать Q_Lmax=Q_C, реактивная мощность Q всегда будет иметь емкостной характер. Для устранения высших гармоник тока параллельно РУТ следует устанавливать фильтр.

Другой применяемый вариант КРК образуется параллельным объединением компенсаторов типов ККТ и РУТ на базе управляемого выпрямителя (см. рис. 4.10).

Рис. 4.10

Управляемый выпрямитель работает с углом регулирования α близким к 90⁰. Первая гармоника входного тока выпрямителя отстает от напряжения на 90⁰. Что соответствует генерированию реактивной мощности Q_L индуктивного характера.  Ток реактора поддерживается Ld поддерживается на заданном уровне замкнутой системой регулирования и может изменяться от некоторого максимального значения до нуля.  То есть при заданной Q_C и регулируемой Q_L изменяется реактивная мощность компенсатора Q.

Результирующая реактивная мощность компенсатора рис. 4.10 Q=Q_C-Q_L. Если выбрать Q_Lmax=Q_C, реактивная мощность Q всегда будет иметь емкостной характер. Для устранения высших гармоник тока параллельно РУТ следует устанавливать фильтр.

Все рассмотренные компенсаторы реактивной мощности регулируют реактивную мощность изменением емкости конденсатора или тока в реакторе при помощи преобразователей на тиристорах.

Различные модификации этих устройств нашли применение в электроэнергетике и носят название статических тиристорных регуляторов (СТК)

Пассивные фильтры

Параллельно нелинейной нагрузке устанавливается LC-контур, настроенный на частоту гармоники, которую необходимо подавить. Этот контур поглощает гармоники, предотвращая их попадание в сеть.

Обычно пассивный фильтр настраивается на частоту, близкую к частоте гармоники, которую необходимо подавить. Если требуется подавление нескольких гармоник, могут использоваться несколько параллельно соединенных фильтров.

На рис. 4.14 представлена схема пассивного фильтра, содержащего систему колебательных LC-контуров с резонансом напряжений. Частота резонанса в каждом из контуров соответствует частотам наиболее интенсивных высших гармонических составляющих напряжения сети, обусловленных работой преобразователя (или другой нелинейной нагрузки). В трехфазных системах гармоники кратные трем, обычно в силу симметрии, отсутствуют и гармоническими составляющими напряжения в сети бывают 5, 7, 11, 13-я и т.д. гармоники. Низшие из них наиболее интенсивны.

Резонансная частота контура L₅C₅ ω₅=5ω. Для этого контура при соединении конденсаторов в треугольник (рис.4.14а) выполняется соотношение:

(4.8)

Рис. 4.14 Схема подключения пассивного фильтра

В контуре L7C7 резонанс наступает на частоте ω₇=7ω, поэтому

 . (4.9)

При резонансе входное сопротивление каждого из контуров равно нулю (если пренебречь потерями в L и С) и через них замыкаются гармонические составляющие токов, генерируемые преобразователем, минуя питающую сеть. В результате искажения кривой сетевого напряжения резко снижаются.

При соединении конденсаторов в «звезду» как это показано на рис. 4.14, б резонансная частота определяется выражением

. (4.10)

На частоте сети ω сопротивление контуров L₅C₅ и L₇C₇ имеет емкостной характер и конденсаторы C₅ и C₇ компенсируют реактивную мощность, потребляемую преобразователем, подобно конденсаторам компенсаторам. За счет этого пассивный фильтр не только позволяет снизить искажения формы питающего напряжения в сети, но и уменьшить потребление реактивной мощности по основной гармонике, поэтому это устройство можно считать также источником реактивной мощности.

Применение совместно с пассивными фильтрами реактора управляемого тиристорами позволяет поддерживать коэффициент мощности на максимальном уровне при изменении режима работы нелинейной нагрузки.

Рис. 4.15.

Схема такого однофазного устройства приведена на рис. 4.15. В трехфазных схемах используются три аналогичные схемы. Управляемый источник реактивной мощности состоит из пассивных фильтров, настроенных на частоты наиболее интенсивных гармонических составляющих тока, и РУТ на двух тиристорах V1 и V2, имеющего нагрузку в виде индуктивности L. Устройство подавляет гармонические искажения напряжения сети на 5-й и 7-й гармониках, а конденсаторы C₅ и C₇ генерируют реактивную мощность Q_c на частоте сети.

Таким образом, рассмотренный источник реактивной мощности генерирует реактивную мощность и осуществляет ее регулирование, подавляя при этом гармонические искажения в сети.

 

 

Практика