Электромеханический компенсатор реактивной мощности

Область применения предлагаемого электромеханического компенсатора реактивной мощности - электроснабжение промышленных и бытовых объектов. Принцип действия заключается в следующем: выводы электрической сети, в которую выдается реактивная мощность, подключены через электропроводники параллельно к обмоткам статора, которые создают электромагнитное поле, пронизывающее обмотку ротора. Блок управления, подключенный параллельно к сети, контролирует значение реактивной мощности в электрической сети и подает постоянное напряжение на подключенные к нему параллельно обмотки ротора, в результате чего, образуется постоянное магнитное поле, пронизывающее обмотки статора. При этом возникает электромеханическая связь между электромагнитным взаимодействием обмоток статора, ротора и инерцией ротора в его колебательном движении, что приводит к созданию эффективной электроемкости, определяющей возникновение реактивной мощности в электромеханическом компенсаторе реактивной мощности.

Область применения предлагаемого электромеханического компенсатора реактивной мощности - электроснабжение промышленных и бытовых объектов.

Известен синхронный генератор-компенсатор, представляющий комбинированную электрическую машину, цепь которой снабжена электронным преобразователем частоты мощностью, соответствующей асинхронному двигателю. На одном валу синхронного генератора-компенсатора последовательно размещены роторы приводного двигателя, синхронного генератора с тиристорной схемой самовозбуждения и асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Ротор асинхронного двигателя выполнен в виде маховика большого диаметра, радиус R и масса которого соотносится с радиусом г и массой ротора синхронного генератора соответственно, рассчитанными по формуле механического резонанса. Из наличия положительной обратной связи между обмоткой статора и ротора в электромеханическом резонансе и наличия конденсаторов достигается возможность выработки реактивной мощности увеличивающей КПД системы [1].

Недостатком этого генератора-компенсатора является сложность конструкции из-за необходимости достижения механического резонанса и большие габариты.

Известно также электромеханическое устройство для производства электрической энергии, решающее задачу повышения КПД генерации электрической энергии, состоящее из генератора постоянного тока с валом вращения, основного двигателя постоянного тока, внешнего источника энергии с переключателем нагрузки потребителей и, дополнительного двигателя постоянного тока, конвертора и диода. Повышение КПД обеспечивается тем, что дополнительный двигатель постоянного тока используется для накопления электромеханической энергии с возможностью ее выдачи [2].

Недостатком этого электромеханического устройства для производства электрической энергии является сложность конструкции, большие габариты.

Известен также компенсатор реактивной мощности представляющий собой трехфазный делитель напряжения и однофазные трансформаторы тока, подсоединенные к фазам питающей сети. К выходу трехфазного делителя напряжения подключены датчики напряжения. К выходу однофазных трансформаторов тока подключены датчики реактивного тока. Выходы датчиков реактивного тока и датчиков напряжения соединены со входом элементов сравнения, выход которых подключен к инверторам. Выход инверторов соединен с блоками формирования сигнала управления, входы которых соединены с дифференциальными усилителями. К выходам дифференциальных усилителей подключены силовые модули, которые соединены с емкостными фильтрами, выходы которых подсоединены к фазе питающей сети. Выработка реактивной мощности осуществляется емкостными фильтрами [3].

Недостатком такого компенсатора реактивной мощности являются большие габариты и необходимость применения большого количества емкостных фильтров.

Также известен гибридный компенсатор реактивной мощности, представляющий собой два модуля: активной и пассивной компенсации. Пассивный модуль компенсации состоит из емкостных фильтров, которые могут подключаться к линии и компенсировать реактивную мощность. Активный модуль состоит из микроконтроллера, высокочастотного фильтра, конвертора электрической энергии, конденсатора. Микроконтроллер вырабатывает управляющие импульсы, которые подаются на конвертор электрической энергии, который вырабатывает электрическую энергию фильтруемую высокочастотным фильтром и подаваемую через разделительный конденсатор в линию. Применение активного и пассивного модуля компенсации позволяет гарантированно избежать электрического резонанса и плавно регулировать выдаваемую реактивную мощность в линию [4].

Недостатком гибридного компенсатора реактивной мощности является сложность конструкции, большие габариты.

Технический результат в предлагаемом электромеханическом компенсаторе реактивной мощности заключается в повышении КПД электроснабжения, уменьшении габаритов, обеспечении возможности плавной регулировки выдачи реактивной мощности.

Обеспечивается технический результат тем, что компенсатор имеет блок управления, который подключен параллельно к электрической сети для контроля реактивной мощности в электрической сети и в зависимости от величины реактивной мощности по любому заранее заданному алгоритму подает ток на обмотки ротора, а обмотки ротора и статора создают электромеханическую связь с инерцией ротора в его колебательном движении, создавая источник реактивной мощности, причем электроемкость, вырабатываемая, в результате электромеханического взаимодействия, находится в зависимости: , где В - индукция магнитного поля, l - длина паза, J, r - момент инерции и радиус ротора, n - общее число сетевых витков в пазах.

Устройство электромеханического компенсатора реактивной мощности показано на Фиг.1. Электромеханический компенсатор реактивной мощности состоит из закрепленного на валу 1 ротора 2, в которой уложены обмотки ротора 3, статора 4 с пазами в которые уложены обмотки статора 5 соединенные последовательно или параллельно и блока управления 6 подключен к сети.

Принцип действия заключается в следующем: выводы электрической сети, в которую выдается реактивная мощность, подключены через электропроводники параллельно к обмоткам статора 5, которые создают электромагнитное поле, пронизывающее обмотку ротора 3. Блок управления 6, подключенный параллельно к сети, контролирует значение реактивной мощности в электрической сети и подает постоянное напряжение на подключенные к нему параллельно обмотки ротора 3, через контактные кольца (на рисунке не показаны) в результате чего, образуется постоянное магнитное поле, пронизывающее обмотки статора 5. При этом возникает электромеханическая связь между электромагнитным взаимодействием обмоток статора 4, ротора 2 и инерцией ротора в его колебательном движении, что приводит к созданию эффективной электроемкости, определяющей возникновение реактивной мощности в электромеханическом компенсаторе реактивной мощности.

Электродвижущая сила, индуцированная в обмотке равна

E(t)=(t)·B·l·n

, где В - индукция магнитного поля, l - длина паза, n - общее число сетевых витков в пазах, (t) - скорость вращения ротора, определяемая из уравнения вращательного движения:

Здесь J, r - момент инерции и радиус ротора, I(t)- ток в сетевой обмотке.

Таким образом, сетевой ток пропорционален производной от напряжения, что соответствует емкостной нагрузке:

Физически часть периода энергия от сети переходит в кинетическую энергию вращения ротора, другую часть периода - возвращается в сеть.

Процесс не зависит от того, на какую обмотку (статора или ротора) подается сетевое напряжение, а на какую - постоянный ток. Предпочтительнее в качестве сетевой обмотки использовать обмотки статора из-за большой вырабатываемой электрической мощности, а на обмотки ротора для создания магнитного поля подавать постоянный ток малой мощности.

Проведенные в Петрозаводском государственном университете испытания доказывают эффективность электромеханического компенсатора реактивной мощности.

Предлагаемый электромеханический компенсатор реактивной мощности характеризуется возможностью создания реактивной мощности при снижении габаритов и возможности плавной регулировки выдаваемой реактивной мощности.

Список литературы

1. Патент RU 2348097 RU МПК H02K 7/02; Н02К 47/26; H02K 51/00; Н09Р 9/02 опубл. 2009.02.27

2. Патент RU 2109389 МПК H02K 7/02; H02K 51/00; Н02Р 9/02 опубл. 1998.04.20

3. Патент RU 2453964 МПК H02J 3/18 опубл. 2012.06.20

4. Патент US 6982546 МПК G05F 1/70 опубл. 2006.01.03

Электромеханический компенсатор реактивной мощности, включающий в себя закрепленный на подвижный вал ротор с пазами, в которые уложены обмотки ротора, соединенные параллельно, неподвижный статор с пазами, в которые уложены обмотки статора, соединенные параллельно, отличающийся тем, что он имеет блок управления, который подключен параллельно к электрической сети для контроля реактивной мощности в электрической сети и в зависимости от величины реактивной мощности по любому заранее заданному алгоритму подает ток на обмотки ротора, а обмотки ротора и статора создают электромеханическую связь с инерцией ротора в его колебательном движении, создавая источник реактивной мощности, причем электроемкость, вырабатываемая в результате электромеханического взаимодействия, находится в зависимости:

, где B - индукция магнитного поля, l - длина паза, J, r - момент инерции и радиус ротора, n - общее число сетевых витков в пазах.