Online Electric

Данное устройство было разработано в Дальневосточном федеральном университете под руководством д.т.н., проф. Г.Е. Кувшинова.

Электрическая структурная схема устройства 1 для ограничения тока однофазного короткого замыкания на землю в электрической сети с незаземлённой нейтралью 2 показана на рис. 1. Блок 3 представляет собой источник трёхфазного напряжения. Блок 9 конденсаторов с ёмкостями имитирует ёмкостную проводимость фаз, по отношению к земле. Резистор R моделирует сопротивление цепи однофазного короткого замыкания на землю для фазы С. Индуктивным компонентом устройства 1 является блок 4, в состав которого входит блок 6 – электрический фильтр, блок 7 – умножитель, блок 8 – управляемый напряжением источник тока, блок 5 – командный блок.

Рис. 1. Электрическая структурная схема устройства для ограничения тока

однофазного замыкания

При возникновении КЗ, на нейтрали электрической сети появляется напряжение, которое поступает на вход электрического фильтра 6. Принципиальная схема фильтра, выполненного в виде фильтра нижних частот, показана на рис. 2.

Рис. 2. Фильтр нижних частот

Передаточная функция фильтра, показанного на рис. 2, имеет вид:

(1)

где – постоянная времени фильтра. Эта постоянная времени во много раз превосходит величину, обратную круговой частоте источника 3. Поэтому при круговых частотах, удовлетворяющих условию , амплитудная и фазовая частотные характеристики фильтра 6, которые получается после подстановки в передаточную функцию (1), имеют малые отличия от аналогичных характеристик идеального интегратора с передаточной функцией

.

Выходное напряжение фильтра, представленное в комплексной форме:

(2)

где – напряжение на нейтрали, – круговая частота.

Мгновенное значение этого напряжения подводится ко второму входу умножителя 7, на первый входной зажим которого подаётся требуемое значение передаточной проводимости управляемого напряжением источника тока 8. При этом выходной ток источника тока описывается формулой:

(3)

Из этой формулы находится отношение к , которое определяет комплексное сопротивление, эквивалентное индуктивному компоненту 4:

(4)

Мнимая составляющая эквивалентна индуктивному сопротивлению индуктивного компонента и равна:

(5)

Индуктивность индуктивного компонента:

(6)

Действительная составляющая эквивалентна активному сопротивлению индуктивного компонента и равна:

(7)

Добротность индуктивного компонента:

(8)

Добротность индуктивного компонента значительно превосходит добротность дугогасящего реактора, так как постоянная времени может достигать 1 с и более. Следовательно, добротность индуктивного компонента в 6 и более раз может превосходить добротность дугогасящего реактора.

При замене индуктивного компонента 4 эквивалентным комплексным сопротивлением , состоящим из сопротивления и индуктивности получается схема замещения (рис. 3) системы с заземлением нейтрали через индуктивный компонент. Параллельно индуктивному компоненту включен конденсатор с суммарной ёмкостью трёх фаз относительно заземления (3 C). Цепь, состоящая из двух параллельно включённых ветвей

Рис. 3. Схема замещения системы с заземлением нейтрали через индуктивный компонент

(3 C и), может быть настроена на резонанс токов. Тогда сумма токов этих ветвей становится минимальной. Такой резонанс достигается при равенстве нулю реактивной проводимости указанного параллельного соединения, то есть должно выполниться условие X_ИК=Х_СΣ. Из него находится формула для требуемого значения передаточной проводимости управляемого напряжением источника тока 8:

(9)

где _СΣ– суммарная ёмкость фаз относительно земли.

Перед подключением индуктивного компонента 4 к электрической сети 2, необходимо с командного блока 5 задать значение передаточной проводимости , которое зависит, в соответствии формулой (9), от суммарной ёмкости

_СΣ всех фаз относительно земли. Соответствующий сигнал о значении с выходного зажима командного блока 5 поступает на первый входной зажим умножителя 7.

Используя электронный конвертер-источник тока, как показано на диаграмме (см. выше), возможно сформировать ток на входе, обозначенным мостовым выпрямителем, синусоидальный и находящийся в фазе с входным напряжением.

Выбор электронного преобразователя базируется на следующих положениях:

- в основном, электрическая изоляция между полезным входом и выходом силовой электронной системы не нужна (например, в двигателях постоянного и переменного тока) или может быть при условии преобразователя второго уровня, как в переключателе режима силовых устройств постоянного тока.

- в большинстве приложений это применимо, и во многих случаях желательно стабилизировать напряжение постоянного тока U_d немного в избытке пика максимума входного напряжения переменного тока

- входной ток изображен идеальным, каким он должен быть, при коэффициенте мощности, равном единице, так, чтобы интерфейс силовой электроники имитировал резистор, представленный источником нагрузки. Это также подразумевает, что электрический ток всегда однонаправленный – из источника нагрузки в электрооборудование.

- цена, потери и размеры источника тока должны быть максимально снижены.

Базируясь на этих правилах, изоляция линейно-частотного преобразователя исключена. Также, если это приемлемо, то имея U_d>U_s, где U_s – пик переменного входного напряжения. Таким образом, очевидным выбором для источника тока является повышающий DC-DC преобразователь.