устройство для компенсации реактивной мощности

Формула изобретения

Устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее трансформатор напряжения, нагрузку, выполненную в виде выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем, источник реактивной мощности, состоящий из последовательно соединенных индуктивности и емкости, датчик режима сети, включающий в себя датчик напряжения и датчик тока, блок синхронизирующих импульсов, блок управления, при этом первый выход датчика режима сети подключен к входу блока синхронизирующих импульсов, выход которого связан с первым входом блока управления, второй вход которого соединен со вторым выходом датчика режима сети, отличающееся тем, что в него дополнительно введены коммутатор и второй источник реактивной мощности, состоящий из последовательно соединенных индуктивности и емкости, при этом трансформатор напряжения подключен к питающей сети через датчик тока, датчик напряжения включен параллельно питающей сети, выход блока управления связан с первым входом коммутатора, конденсаторы источника реактивной мощности и второго источника реактивной мощности соединены между собой и со вторым входом коммутатора, индуктивности источников реактивной мощности связаны соответственно с третьим и четвертым входами коммутатора, выводы вторичных обмоток трансформатора напряжения соединены с входами нагрузки и с пятым - восьмым выходами коммутатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для повышения коэффициента мощности потребителей, в частности, электроподвижного состава переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения.

Одним из недостатков эксплуатируемых в настоящее время электровозов переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения (ВЛ65, BЛ85) является низкий коэффициент мощности, достигающий в лучшем случае 0,84. Коэффициент мощности является одним из основных энергетических показателей электровоза, определяющий потребление им непроизводительной реактивной мощности. Работа электровоза с низким значением коэффициента мощности приводит к существенным потерям электроэнергии.

При несинусоидальной форме напряжения и тока коэффициент мощности к_м электровоза определяется по формуле [1]

к_м = cosv, (1)

где - угол сдвига между напряжением и током электровоза,

v - коэффициент искажения тока.

Последний коэффициент характеризует степень искажения входного тока и определяется отношением первой гармоники тока к его действующему значению

v = I₁/I_вх. (2)

При расчете по формуле (1) учитываются высшие гармонические составляющие, характерные для несинусоидальных токов и напряжений. Это соотношение справедливо и для синусоидальных токов, поскольку при v=1 выражение (1) принимает вид

к_м = cos. (3)

Таким образом, коэффициент мощности к_м характеризуется степенью потребления электровозом активной и, соответственно, реактивной мощности, т.е. увеличение к_м способствует повышению активной мощности и одновременному уменьшению реактивной.

Для повышения коэффициента мощности применяют компенсирующие установки в виде резонансных LC-контуров, расположенные на электровозе и подключенные непосредственно к вторичной обмотке его тягового трансформатора. Компенсирующее устройство увеличивает коэффициент мощности путем создания емкостного тока нагрузки и смещения первичного тока электровоза в сторону опережения питающего напряжения. Кроме того, резонансная LC-цепь, настроенная на частоту, близкую к частоте наибольшей по величине третьей гармонической составляющей тока, оказывает шунтирующее действие для гармоник тока, генерируемых преобразователем электровоза. При образовании за этот счет локального контура тока третьей гармоники "преобразователь - LС-цепь" внутри электровоза происходит компенсация этой и близких по частоте высших гармонических составляющих в потребляемом электровозе токе. Снижение уровня высших гармоник во входном токе электровоза способствует увеличению коэффициента искажения v (2) и, соответственно, увеличению коэффициента мощности к_м.

Известно устройство для управления компенсированным выпрямительно-инверторным преобразователем электроподвижного состава [2], которое компенсирует реактивную мощность, потребляемую нагрузкой при синусоидальном и несинусоидальном питающем напряжении. Компенсация осуществляется за счет подключения к вторичной обмотке трансформатора электровоза индуктивно-емкостного LC-компенсатора с фиксированными параметрами индуктивности и емкости. При индуктивном характере нагрузки это вызывает появление емкостной составляющей тока, компенсирующей индуктивную составляющую. В этом случае фаза потребляемого тока приближается к питающему напряжению, способствуя повышению коэффициента мощности электровоза за счет увеличения сos. Одновременно с этим через цепь LC-контура осуществляется шунтирование внутри электровоза третьей и ближайших по частоте высших гармонических составляющих тока. При этом коэффициент мощности к_м возрастает за счет уменьшения в составе входного тока электровоза высших гармоник, определяемых коэффициентом искажения тока v.

Устройство содержит (фиг.1) трансформатор напряжения ТН, нагрузку, LC-компенсатор, ключевой элемент, устройство формирования импульсов ключевого элемента ФИКЭ, триггер запуска Т, элемент И, формирователь импульсов включения ФИВ, датчик напряжения сети ДН, блок защиты БЗ, командный блок КБ. При этом нагрузкой является выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем М, ключевой элемент выполнен в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров VS1 и VS2.

LC-компенсатор через ключевой элемент подключен параллельно нагрузке и вторичной обмотке трансформатора напряжения ТН, первичная обмотка которого связана с сетью. Первый вход элемента И связан с выходом датчика напряжения сети ДН, вход которого подключен к сети. Блок защиты БЗ соединен со вторым входом элемента И, выход которого связан с входом "R" триггера запуска Т. Входы формирователя импульсов включения ФИВ связаны с конденсатором компенсатора и вторичной обмоткой трансформатора напряжения ТН, а выход - с входом "С" триггера запуска Т, выход которого через устройство формирования импульсов ключевого элемента ФИКЭ соединен с управляющим входом ключевого элемента, командный блок КБ подключен к входу "D" триггера запуска Т и к третьему входу элемента И.

Функция ключевого элемента состоит во включении и отключении LC-компенсатора устройства. Включение тиристоров ключевого элемента осуществляется сигналом с выхода триггера запуска Т через устройство формирования импульсов ключевого элемента ФИКЭ. При этом на разрешающий вход "С" триггера запуска Т поступает сигнал с выхода формирователя импульсов включения ФИВ, который генерируется в моменты равенства напряжений на конденсаторе компенсатора и вторичной обмотки трансформатора напряжения ТН. Сигнал на выходе триггера запуска Т формируется после подачи на его вход "D" сигнала командного блока КБ. При этом появление напряжения на выходе триггера запуска Т совпадает с ближайшим моментом равенства напряжений на конденсаторе и трансформаторе напряжения ТН.

Закрытие тиристоров VS1 и VS2 ключевого элемента происходит либо в случае превышения допускаемого напряжения в сети, либо при срабатывании защиты. Сигналы на отключение формируются, соответственно, датчиком напряжения сети ДН или блоком защиты БЗ. При наличии хотя бы одного из этих сигналов на входе элемента И на его выходе появляется сигнал, подаваемый на вход "R" сброса триггера запуска T. Этот сигнал приводит к формированию на выходе триггера запуска Т сигнала на закрытие тиристоров ключевого элемента.

Таким образом, через ключевой элемент LC-компенсатор постоянно подключен к нагрузке, при этом основное назначение блоков управления сводится к предотвращению сверхтоков, возможных при подключении LC-компенсатора к напряжению вторичной обмотки трансформатора напряжения ТН и обеспечения быстродействующей защиты. Защита преобразователя осуществляется путем снятия управляющих импульсов с тиристоров в случае возникновения опасных токов и напряжений.

Испытания устройства компенсации на электровозе ВЛ 85 [3] показали, что при мощности компенсатора 520 кВАр (С = 1475 мкФ) среднее значение коэффициента мощности электровоза находится на уровне 0,92. При таком повышении коэффициента мощности электровоза обеспечивается почти двукратное сокращение потребления реактивной энергии на тягу поездов.

Таким образом, применение LC-компенсатора реактивной мощности позволяет значительно повысить коэффициент мощности электровоза и снизить потери электроэнергии за счет сокращения потребления реактивной мощности.

Однако применение LC-компенсатора с постоянной величиной тока компенсации повышает коэффициент мощности электровоза лишь при определенных (номинальных) токах нагрузки. Отклонение нагрузки электровоза от номинальной вызывает неполную компенсацию реактивной мощности, что снижает эффективность применения устройства и коэффициент мощности составляет 0,82-0,85.

Кроме того, подключение LC-компенсатора к части вторичных обмоток трансформатора электровоза с зонно-фазовым регулированием напряжения [1] не в полной мере шунтирует высшие гармоники тока, генерируемые преобразователем. На фиг. 2, а, б изображены мгновенные схемы замещения преобразователя электровоза, упрощенно показывающие его работу на одном из полупериодов четвертой зоны регулирования. Принцип зонно-фазового регулирования напряжения состоит в том, что в течение одного полупериода к нагрузке (ВИП с подключенным к нему двигателем Д) поочередно подается напряжение различных секций вторичной обмотки трансформатора [4]. Фиг.2, а относится к интервалу работы преобразователя с меньшим напряжением секций трансформатора, а фиг.2, б - с большим. Тиристоры ВИП условно заменены тремя ключами V1-V3, через которые в один из полупериодов цепь нагрузки (тяговый двигатель Д) поочередно подключается к различным секциям обмотки трансформатора с напряжением 945 В (630 В + 315 В) (фиг.2, а) и 1260 В (фиг.2, б).

На фиг. 2, а цепь тока двигателя Д замыкается через замкнутые ключи V1, V2, при этом высшие гармоники тока i_вг, генерируемые ВИП, шунтируются цепью LС-компенсатора (показанного сплошной линией), которая имеет для них близкое к нулю сопротивление. Образование локальной цепи для контура токов высших гармоник не приводит к их протеканию через цепь вторичной и, соответственно, первичной обмотки трансформатора. В этом случае улучшается гармонический состав потребляемого электровозом тока и повышаются его энергетические показатели. При работе преобразователя с полным напряжением обмоток трансформатора (фиг. 2, б) цепь тока нагрузки i_н замыкается уже через ключи V1 и V3, а высшие гармонические составляющие тока i_вг замыкаются уже через цепь вторичной обмотки трансформатора, минуя цепь LC-компенсатора (показанного сплошной линией). Совершенно очевидно, что на этом интервале времени в токе электровоза появляются нескомпенсированные высшие гармонические составляющие тока, что приводит к ухудшению его энергетических показателей.

Известно также устройство для автоматического регулирования реактивной мощности [5], которое позволяет изменять ток компенсатора за счет регулирования угла открытия тиристоров. При этом угол их открытия определяется фазовым углом сдвига . между основными гармониками сетевого тока и напряжения. Ток компенсатора регулируется таким образом, чтобы обеспечить минимальный фазовый сдвиг между потребляемым током и сетевым напряжением. Это позволяет повысить коэффициент мощности электровоза (1) при изменении тока нагрузки.

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности (фиг.3) содержит нагрузку, источник реактивной мощности, датчик режима сети, блок синхронизирующих импульсов БСИ, блок управления БУпр и блок импульсно-фазового управления БИФУ. В качестве нагрузки используется выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем М. Источник реактивной мощности состоит из последовательно соединенных индуктивности L, емкости С и двух встречно-параллельно включенных тиристоров VS1 и VS2. Датчик режима сети включает в себя датчик напряжения ДН и датчик тока ДТ.

Нагрузка подключена к трансформатору напряжения ТИ через датчик тока ДТ и параллельно - к источнику реактивной мощности. Датчик напряжения ДН подключен параллельно трансформатору напряжения ТН, его выход связан с входом блока синхронизирующих импульсов БСИ, выход которого соединен с первыми входами блока управления БУnp и блока импульсно-фазового управления БИФУ. Выход датчика тока ДТ связан со вторым входом блока управления БУпр. Выход блока управления БУnp подключен ко второму входу блока импульсно-фазового управления БИФУ. Выход блока импульсно-фазового управления БИФУ связан с тиристорами VS1 и VS2 источника реактивной мощности.

Компенсация реактивной мощности происходит за счет создания управляемой емкостной составляющей тока нагрузки, осуществляемой с помощью источника реактивной мощности. Величина этого тока определяется углом открытия тиристоров, входящих в источник реактивной мощности.

Изменение коэффициента мощности нагрузки осуществляется по величине фазового угла сдвига между током и напряжением питающей сети. Такой способ измерения реализован с помощью датчика реактивной мощности, блока управления БУпр и блока импульсно-фазового управления БИФУ. На выходе блока управления БУпр формируется напряжение U_упр, пропорциональное коэффициенту мощности нагрузки. С помощью этого напряжения и импульсов напряжения синхронизации, поступающих на входы блока импульсно-фазового управления БИФУ, происходит преобразование напряжения в фазу управления _рег тиристорами источника реактивной мощности.

При уменьшении коэффициента мощности, вызванного появлением фазового угла сдвига между сетевым током и напряжением, устройство автоматически изменяет фазу _рег открытия тиристоров. Изменение угла открытия тиристоров приводит к увеличению емкостной составляющей тока источника реактивной мощности, протекающего в противофазе с индуктивной составляющей тока, потребляемого нагрузкой. Это вызывает уменьшение фазового угла сдвига между питающим напряжением и результирующим током нагрузки, что приводит к повышению коэффициента мощности нагрузки. Так осуществляется компенсация реактивной мощности нагрузки при изменении режима работы электровоза.

Одновременно с этим через цепь LC-компенсатора осуществляется шунтирование высших гармонических составляющих тока, генерируемых преобразователем. При этом _м увеличивается за счет более полной компенсации реактивной мощности, связанной с регулированием угла , а также уменьшения высших гармоник тока во входном токе электровоза.

Известно, однако, что при фазовом управлении тиристорами VS1-VS2 подключение предварительно заряженного конденсатора LC-компенсатора ко вторичной обмотке трансформатора вызывает бросок тока, пропорциональный разности напряжений конденсатора и источника напряжения. Это обстоятельство требует того, чтобы в момент подачи импульса управления _рег на тиристоры VS1-VS2 напряжение на конденсаторе компенсатора должно соответствовать напряжению на вторичной обмотке трансформатора, что ограничивает диапазон регулирования тока компенсатора. Кроме того, генерирование компенсатором высших гармоник тока в моменты переключения его ключевых элементов ухудшает форму потребляемого электровозом тока и уменьшает за счет коэффициента v (2) значение коэффициента мощности. Кроме того, этой схеме компенсатора свойственны те же недостатки, связанные с неполным шунтированием высших гармонических составляющих тока нагрузки i_вг (фиг.2), которые вызывают уменьшение к_м электровоза.

В основу изобретения положена задача создания устройства для компенсации реактивной мощности, в котором коэффициент мощности увеличивается как за счет улучшения формы входного тока, так и за счет более полной компенсации реактивной составляющей входного тока при различных режимах работы электровоза.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее трансформатор напряжения, нагрузку, выполненную в виде выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем, источник реактивной мощности, состоящий из последовательно соединенных индуктивности и емкости, датчик режима сети, включающий в себя датчик напряжения и датчик тока, блок синхронизирующих импульсов, блок управления, при этом первый выход датчика режима сети подключен к входу блока синхронизирующих импульсов, выход которого связан с первым входом блока управления, второй вход которого соединен со вторым выходом датчика режима сети, в него дополнительно введены коммутатор и второй источник реактивной мощности, состоящий из последовательно соединенных индуктивности и емкости, при этом трансформатор напряжения подключен к питающей сети через датчик тока, датчик напряжения включен параллельно питающей сети, выход блока управления связан с первым входом коммутатора, конденсаторы источника реактивной мощности и второго источника реактивной мощности соединены между собой и со вторым входом коммутатора, индуктивности источников реактивной мощности связаны, соответственно, с третьим и четвертым входами коммутатора, выводы вторичных обмоток трансформатора напряжения соединены с входами нагрузки и с пятым - восьмым выходами коммутатора.

Трансформатор напряжения выполнен многообмоточным и имеет три вторичные обмотки.

Введение в устройство совокупности новых элементов (коммутатора и второго источника реактивной мощности) и их взаимосвязей позволяет влиять на коэффициент искажения тока v и cos (1, 2). Это обусловлено приближением формы потребляемого тока к синусоидальной путем шунтирования высших гармоник тока и увеличения cos за счет переключения источников реактивной мощности.

Появление реактивной мощности вызвано двумя причинами: отставанием потребляемого электровозом тока от питающего напряжения и наличием в составе входного тока высших гармонических составляющих.

Благодаря второму источнику реактивной мощности в заявляемом устройстве (показано пунктиром на фиг.2) происходит создание контура для шунтирования тока высших гармоник при подключении цепи нагрузки к трансформатору с большим (фиг. 2, б) напряжением. В этой связи на обоих интервалах работы электровоза (вместо одного) осуществляется шунтирование через цепи двух источников реактивной мощности высших гармоник тока, генерируемых нагрузкой. Этот ток не протекает по вторичной и, соответственно, первичной обмотке трансформатора напряжения и не влияет на ухудшение его формы. Таким образом, увеличение значения коэффициента искажения v, достигнутое в результате улучшения формы входного тока, повышает значение коэффициента мощности электровоза.

Одновременно наличие коммутатора и второго источника реактивной мощности позволяет компенсировать реактивную составляющую входною тока и увеличить cos в режимах, отличающихся от номинальных. Это осуществляется за счет переключения с помощью коммутатора цепей источников реактивной мощности к обмоткам трансформатора с меньшим напряжением в режимах, отличающихся от номинального. В этом случае уменьшается величина тока компенсаторов, не вызывающая перекомпенсацию в режимах работы электровоза, отличных от номинального. Это позволяет увеличить коэффициент мощности электровоза во всех режимах его работы.

Таким образом, коэффициент мощности к_м в устройстве компенсации реактивной мощности увеличивается как за счет улучшения формы входного тока, так и за счет более полной компенсации реактивной составляющей входного тока в отличных от номинального режимах работы. Вследствие этого по-новому происходит увеличение коэффициента мощности электровоза к_м.

На фиг.4 представлена схема устройства для компенсации реактивной мощности.

Устройство для компенсации реактивной мощности содержит трансформатор напряжения 1, нагрузку 2, первый и второй источники реактивной мощности 3 и 4, датчик режима сети 5, блок синхронизирующих импульсов 6, блок управления 7 и коммутатор 8. Первый источник реактивной мощности 3 состоит из последовательно соединенных индуктивности 9 и емкости 10, второй источник реактивной мощности 4 состоит из последовательно соединенных индуктивности 11 и емкости 12. Нагрузка 2 включает в себя выпрямительно-инверторный преобразователь 13 и двигатель 14. Датчик режима сети 5 содержит датчик тока 15 и датчик напряжения 16.

Нагрузка 2 подключена параллельно трансформатору напряжения 1 и коммутатору 8. Трансформатор напряжения 1 соединен с сетью через датчик тока 15, выход которого связан со вторым входом блока управления 7, выход которого подключен к первому входу коммутатора 8. Вход датчика напряжения 16 соединен параллельно сети, а его выход через блок синхронизации 6 связан с первым входом блока управления 7. Конденсаторы 10 и 12 первого и второго источников реактивной мощности 3 и 4 соединены между собой и связаны со вторым входом коммутатора 8, индуктивности 9 и 14 первого и второго источников реактивной мощности 3 и 4 подключены к третьему и четвертому входам коммутатора 8.

Блок управления выполнен на базе операционных усилителей и цифровых микросхем средней степени интеграции, блок синхронизирующих импульсов выполнен по патенту [6]. Коммутатор представляет собой схему, осуществляющую переключение его входных и выходных цепей с помощью электромагнитных контакторов.

Устройство для компенсации реактивной мощности работает следующим образом.

С помощью первого 3 и второго 4 источников реактивной мощности, настроенных на частоту третьей гармоники питающего напряжения, согласно фиг.2, осуществляется шунтирование токов высших гармоник, генерируемых нагрузкой 2, а также создание емкостной составляющей входного тока электровоза, компенсирующей индуктивный по характеру ток нагрузки.

Переключение с помощью коммутатора 8 цепей первого 3 и второго 4 источников реактивной мощности происходит по величине фазового угла сдвига между током электровоза и питающим напряжением сети. Такой способ управления коммутатором 8 выполнен с помощью датчика режима сети 5, блока управления БУпр 7 и блока синхронизирующих импульсов БСИ 6. На выходе блока управления БУпр 7 формируется сигнал управления в режимах, отличных от номинального режима работы электровоза. Такие режимы, характеризуемые перекомпенсацией реактивной мощности и увеличенными поэтому значениями фазового угла сдвига между током электровоза и питающим напряжением, вызваны большими значениями токов источников реактивной мощности 3 и 4. При увеличении значения угла , превышающего некоторое пороговое значение, появляется сигнал управления на выходе блока управления БУпр 7, что приводит к переключению с помощью коммутатора 8 цепей первого 3 и второго 4 источников реактивной мощности к обмоткам трансформатора напряжения ТН 1 с меньшим напряжением. В этом случае уменьшается мощность и, соответственно, ток первого и второго источников реактивной мощности 3 и 4. Это приводит к уменьшению емкостной составляющей входного тока электровоза и приближения фазы тока электровоза к питающему напряжению, что вызывает повышение коэффициента мощности нагрузки. Так осуществляется компенсация реактивной мощности нагрузки при изменении режима работы электровоза.

Так происходит компенсация реактивной составляющей входного тока и повышение коэффициента мощности как за счет улучшения формы входного тока, так и за счет компенсации реактивной составляющей входного тока в режимах работы, отличающихся от номинального.

На фиг.5 приведены результаты математического моделирования процессов в электровозе, оборудованном однозвенным LC-компенсатором (фиг.5, а) и заявляемым устройством для компенсации реактивной мощности (фиг.5, б). Из чертежа следует, что во втором случае кривая тока электровоза i₁ является более приближенной к синусоидальной форме. Особенно это заметно на интервалах времени t>t_p, когда нагрузка подключена к обмотке трансформатора с полным напряжением. Это объясняется тем, что в заявляемом устройстве на этом интервале времени образуется дополнительный контур шунтирования высших гармоник тока внутри электровоза, что в отличие от однозвенного компенсатора улучшает форму кривой первичного тока электровоза i₁. Расчеты показывают, что применение на электровозе заявляемого устройства для компенсации реактивной мощности позволяет увеличить его коэффициент мощности на 10-12%. На практике это соответствует снижению расхода электроэнергии на 7-9%.

Источники информации

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. -М.: Высшая школа, 1984.

2. А. С. 1468791. Устройство для управления компенсированным выпрямительно-инверторным преобразователем электроподвижного состава. Авторы изобретения В. А. Кучумов, В.А. Татарников, Н.Н. Широченко, З.Г. Бибинеишвили. - Опубл. в Б.И. 12 1989, МКИ В 60 L 9/12.

3. Широченко Н.Н., Татарников В.А., Бибинеишвили З.Г. Улучшение энергетики электровозов переменного тока. - Железнодорожный транспорт, 1988, 7, с. 33.

4. Кулинич Ю.М. Устройство и работа выпрямительно-инверторного преобразователя. - Локомотив, 2001, 1 и 2.

5. А.С. 1674306. Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности. Авторы изобретения А.С. Копанев, Б.М. Наумов, И.К. Юрченко. - Опубл. в БИ 32 1991, МКИ Н 02 J 3/18.

6. Патент 2118038. Формирователь синхронизирующих импульсов. Авторы Ю.М. Кулинич и В.В. Кравчук.