УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК H02J3/18 G05F1/70 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для повышения коэффициента мощности потребителей, в частности электроподвижного состава переменного тока с тиристорными преобразователями.

Одним из недостатков эксплуатируемых в настоящее время электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения (ВЛ65, ВЛ85) 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. Для повышения коэффициента мощности применяют компенсирующие установки в виде LC-контуров, расположенные на электровозе и подключенные непосредственно к вторичной обмотке его тягового трансформатора. Компенсирующее устройство увеличивает коэффициент мощности путем создания емкостной нагрузки и смещения первичного тока электровоза в сторону опережения питающего напряжения.

Известно устройство для управления компенсированным выпрямительно-инверторным преобразователем электроподвижного состава [1], 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.

Устройство содержит трансформатор напряжения, нагрузку, LC-компенсатор, ключевой элемент, устройство формирования импульсов ключевого элемента, триггер запуска, элемент И, формирователь импульсов включения, датчик напряжения сети, блок защиты, командный блок.

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

Функция ключевого элемента состоит во включении и отключении компенсатора устройства. При этом ключевой элемент выполнен в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Включение тиристоров компенсатора осуществляется сигналом с выхода триггера запуска через устройство формирования импульсов ключевого элемента. При этом на разрешающий вход C триггера запуска поступает сигнал с выхода формирователя импульсов включения, который генерируется в моменты равенства напряжений на конденсаторе компенсатора и вторичной обмотки трансформатора напряжения. Сигнал на выходе триггера запуска формируется после подачи на его вход D сигнала командного блока. При этом появление напряжения на выходе триггера совпадает с ближайшим моментом равенства напряжений на конденсаторе и трансформаторе.

Закрытие тиристоров ключевого элемента происходит либо в случае превышения допускаемого напряжения в сети, либо при срабатывании защиты. Сигналы на отключение формируются соответственно датчиком напряжения сети и блоком защиты. При наличии хотя бы одного из этих сигналов на входе элемента И на его выходе появляется сигнал, подаваемый на вход R сброса триггера запуска. Этот сигнал приводит к формированию на выходе триггера 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 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 ВЛ85 [2] показали, что при мощности компенсатора 520 кВАр (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.

Кроме того, на величину тока компенсации в устройстве не влияют высшие гармонические составляющие тока и напряжения контактной сети. Известно, однако, что величины этих гармоник определяют фазовый сдвиг между питающим напряжением и потребляемым электровозом током. Поэтому эти величины необходимо учитывать при выборе величины тока компенсатора.

Известно также устройство для автоматического регулирования реактивной мощности [3] , которое позволяет изменять ток компенсатора за счет регулирования угла открытия тиристоров. При этом угол открытия тиристоров 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 при различных токах нагрузки.

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности содержит нагрузку, источник реактивной мощности, датчик режима сети, блок синхронизирующих импульсов, блок управления и блок импульсно-фазового управления. В качестве нагрузки используется тиристорный преобразователь. Источник реактивной мощности состоит из последовательно соединенных индуктивности, емкости и двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Датчик режима сети включает в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока.

Нагрузка подключена к питающей сети через трансформатор тока и параллельно источнику реактивной мощности. Трансформатор напряжения подключен параллельно питающей сети, его выход связан с входом блока синхронизирующих импульсов, выход которого соединен с первыми входами блока управления и блока импульсно-фазового управления. Выход трансформатора тока связан со вторым входом блока управления. Выход блока управления подключен ко второму входу блока импульсно-фазового управления. Выход блока импульсно-фазового управления связан с тиристорами источника реактивной мощности.

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

Измерение 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 и блока импульсно-фазового управления. На выходе блока управления формируется напряжение, пропорциональное коэффициенту мощности нагрузки. С помощью этого напряжения и импульсов напряжения синхронизации, поступающих на входы блока импульсно-фазового управления, происходит преобразование напряжении в фазу управления тиристорами источника реактивной мощности.

При уменьшении коэффициента мощности, вызванного появлением фазового угла сдвига между сетевым током и напряжением, устройство автоматически изменяет фазу 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 во всех режимах работы электровоза.

Таким образом, известное устройство позволяет компенсировать реактивную мощность во всех режимах работы электровоза.

Однако полная компенсация реактивной мощности в устройстве возможна лишь при синусоидальной форме питающего напряжения и тока. Это связано с тем, что при синусоидальной форме напряжения и тока коэффициент мощности определяется углом сдвига между этими величинами. При искаженной (несинусоидальной) форме питающего тока и напряжения, связанного с работой электровозов с импульсными преобразователями, коэффициент мощности определяется отношением активной и полной мощностей, потребляемых нагрузкой [4]. Поэтому способ измерения коэффициента мощности, принятый в устройстве, вызывает ошибку измерения при несинусоидальной форме тока и напряжения, так как активная и полная мощности зависят и от высших гармонических составляющих, связанных с искажениями формы напряжения и тока. В этой связи фазовый угол сдвига только между основными гармониками напряжения и тока не определяет коэффициент мощности нагрузки. Это приводит к неполной компенсации реактивной мощности и ухудшению энергетических показателей электровоза.

В основу изобретения положена задача создания устройства для автоматического регулирования реактивной мощности, которое позволяет компенсировать реактивную мощность при любой (синусоидальной и несинусоидальной) форме питающего напряжения и тока, а также в различных режимах работы электровоза.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для автоматического регулирования реактивной мощности, содержащеe нагрузку, в качестве которой используется тиристорный преобразователь, источник реактивной мощности, состоящий из последовательно соединенных индуктивности, емкости и двух встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик режима сети, включающий в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока, блок синхронизирующих импульсов, блок импульсно-фазового управления, при этом нагрузка подключена к питающей сети через датчик режима сети и параллельно источнику реактивной мощности, а первый выход датчика режима сети подключен к входу блока синхронизирующих импульсов, выход блока импульсно-фазового управления связан с тиристорами источника реактивной мощности, дополнительно введены два блока устройства выборки-хранения, последовательно соединенные перемножитель напряжения и интегратор, устройство вычисления максимальной величины мощности, делитель частоты и устройство экстремального регулирования, при этом входы устройств выборки-хранения подключены к первому и второму выходам датчика режима сети, а выходы - к первому и второму входам перемножителя напряжения, делитель частоты входом соединен с выходом блока синхронизирующих импульсов, а выходом - со вторым входом устройства вычисления максимальной величины мощности, выход которого через устройство экстремального регулирования связан с входом блока импульсно-фазового управления, первый вход устройства вычисления максимальной величины мощности соединен с выходом интегратора.

Введение в устройство совокупности новых элементов (блоков устройства выборки-хранения, перемножителя напряжения, интегратора, устройства вычисления максимальной величины мощности, делителя частоты и устройства экстремального регулирования) и их взаимосвязи позволяет реализовать в нагрузке максимальную величину активной мощности. При этом потребление реактивной мощности сводится к минимуму.

Это обусловлено тем, что устройство автоматически регулирует угол открытия тиристоров источника реактивной мощности, обеспечивая максимальное потребление активной мощности. При этом увеличивается коэффициент мощности K_м преобразователя, определяемый отношением активной P к полной S мощности, потребляемой нагрузкой. При таком подходе учитываются также высшие гармонические составляющие входного тока и напряжения. Отношение K_м = P/S также справедливо при синусоидальной форме тока и напряжения, в этом случае K_м можно определить и как косинус угла сдвига между током и напряжением.

Регулирование величины емкостного тока источника реактивной мощности позволяет компенсировать реактивную мощность при различной величине тока нагрузки.

Таким образом, устройство позволяет компенсировать реактивную мощность как при синусоидальной, так и при несинусоидальной форме тока и напряжения, а также при различных режимах работы электровоза.

Входной информацией для устройства является интеграл потребляемой за период активной мощности, который определяется по формуле
P = ∫u•i•dt, (1)
где u, i - мгновенные значения питающего напряжения и потребляемого тока.

При постоянном периоде T сетевого напряжения эта величина пропорциональна мощности, потребляемой нагрузкой за один период. На основании этой информации устройство экстремального регулирования регулирует выходное напряжение таким образом, чтобы фаза импульса управления тиристорами источника реактивной мощности, сформированная на выходе блока импульсно-фазового управления, приводила к увеличению потребляемой из сети активной составляющей тока. При этом емкостная составляющая источника реактивной мощности близка по величине и протекает в противофазе индуктивной составляющей тока нагрузки. За счет этого фаза потребляемого тока приближается к фазе питающего напряжения, что способствует повышению коэффициента мощности.

Таким образом, регулирование емкостного тока источника реактивной мощности по величине активной мощности на входе преобразователя способствует максимальной компенсации индуктивной составляющей тока нагрузки и повышению коэффициента мощности.

На чертеже представлена схема устройства для автоматического регулирования реактивной мощности.

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности содержит нагрузку 1, источник реактивной мощности 2, датчик режима сети 3, блок синхронизирующих импульсов 4, блок импульсно-фазового управления 5, два блока устройства выборки-хранения 6, 7, перемножитель напряжения 8, интегратор 9, устройство вычисления максимальной величины мощности 10, делитель частоты 11 и устройство экстремального регулирования 12. Источник реактивной мощности 2 состоит из последовательно соединенных индуктивности 13, емкости 14 и двух встречно-параллельно включенных тиристоров 15, 16. Датчик режима сети 3 включает в себя трансформатор напряжения 17 и трансформатор тока 18.

Нагрузка 1 подключена к сети через трансформатор тока 18 и параллельно цепи из последовательно включенных индуктивности 13, емкости 14 и встречно-параллельно включенных тиристоров 15, 16. Трансформатор напряжения 17 подключен параллельно сети, а его выход соединен с входом устройства выборки-хранения 6 и входом блока синхронизирующих импульсов 4. Выход трансформатора тока 18 соединен с входом устройства выборки-хранения 7. Выходы устройств выборки-хранения 6, 7 подключены к входам перемножителя напряжения 8, выход которого через интегратор 9 соединен с первым входом устройства вычисления максимальной величины мощности 10. Выход блока синхронизирующих импульсов 4 через делитель частоты 11 связан со вторыми входами интегратора 9 и устройства вычисления максимальной величины мощности 10, выход которого через устройство экстремального регулирования 12 соединен с входом блока импульсно-фазового управления 5. Выход блока импульсно-фазового управления 5 подключен к тиристорам 15, 16 компенсатора реактивной мощности 2.

В качестве устройства выборки-хранения использована микросхема КР1100СК2, перемножитель напряжения выполнен на базе микросхемы К525ПС1, устройство вычисления максимальной величины мощности выполнено по схеме, описанной в [5]. Блок синхронизирующих импульсов выполнен по патенту [6].

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности работает следующим образом.

На выходе трансформаторов напряжения 17 и тока 18 формируется напряжение, пропорциональное мгновенным значениям питающего напряжения u и потребляемого тока i. С помощью устройств выборки-хранения 6, 7 производится дискретизация напряжения и тока по уровню сигнала. В перемножителе напряжения 8 осуществляется умножение мгновенных величин напряжений, пропорциональных напряжению u и току i. На его выходе формируется сигнал, пропорциональный мгновенным значениям мощности u•i. В интеграторе 9 производится интегрирование сигнала, поступающего на его вход. Выходной сигнал интегратора определяется величиной ∫u•i•dt. Устройство вычисления максимальной величины мощности 10 предназначено для определения за период T интегральной величины активной мощности. Для этого на второй вход устройства вычисления максимальной величины мощности 10 подаются синхронизирующие импульсы, полученные с помощью блока синхронизирующих импульсов 4 и делителя частоты 11 из кривой сетевого напряжения. При этом синхронизирующие импульсы соответствуют периоду сетевого напряжения. В момент поступления синхроимпульсов фиксируется сигнал мощности на выходе устройства вычисления максимальной величины мощности 10 и обнуляется интегратор 9. Сигнал на выходе устройства вычисления максимальной величины мощности 10 остается неизменным до поступления следующего синхроимпульса на его вход. В устройстве экстремального регулирования 12 сравниваются два измерения сигнала мощности, соответствующие формуле (1), и на их основе формируется выходной управляющий сигнал.

Принцип действия устройства экстремального регулирования 12 заключается в следующем [7] . Eсли, например, увеличение выходного сигнала устройства экстремального регулирования 12 приводит к уменьшению входной активной мощности, то устройство экстремального регулирования производит уменьшение выходного напряжения. Дальнейшее уменьшение выходного сигнала будет осуществляться до состояния устройства, характеризующегося максимальной потребляемой активной мощностью. В дальнейшем устройство экстремального регулирования 12 поддерживает состояние устройства в этом положении. На основании выходного напряжения устройства экстремального регулирования 12 блок импульсно-фазового управления 5 формирует соответствующую величину фазы управления тиристорами 15, 16 источника реактивной мощности 2.

Таким образом, использовав принцип регулирования по величине активной входной мощности, можно максимально компенсировать реактивную мощность нагрузки при работе как с синусоидальной, так и с искаженной формой сетевого напряжения и тока.

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности прошло испытания в депо Белогорск Забайкальской железной дороги на электровозе ВЛ65. Эксплуатация устройства позволила увеличить коэффициент мощности электровоза на 0,1-0,15, что в свою очередь привело к снижению расхода электроэнергии на 9-11%.

Источники информации
1. А.c. 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 БИ N 12, 1989 г., кл. B 60 L 9/12.

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

3. А.c. 1674306. Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности. Авторы изобретения А. С. Копанев, Б.М. Наумов, И.К. Юрченко. - Опубл. в БИ N 32, 1991 г., кл. H 02 J 3/18.

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

5. Е.А. Коломбет. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991.

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

7. Л.А. Растригин. Системы экстремального управления. - М.: Наука, 1968.

Изобретение может использоваться на электроподвижном составе переменного тока для повышения коэффициента мощности электровоза. Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности содержит нагрузку, источник реактивной мощности, датчик режима сети, блок синхронизирующих импульсов, блок импульсно-фазового управления, два устройства выборки-хранения, перемножитель напряжения, интегратор, устройство вычисления максимальной величины мощности, делитель частоты и устройство экстремального регулирования. Источник реактивной мощности состоит из последовательно соединенных индуктивности, емкости и двух встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик режима сети включает в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока. Нагрузка подключена к сети через трансформатор тока и параллельно цепи из последовательно включенных индуктивности, емкости и встречно-параллельно включенных тиристоров, трансформатор напряжения подключен параллельно сети, а его выход соединен с входом первого устройства выборки-хранения и входом блока синхронизирующих импульсов. Выход трансформатора тока соединен с входом второго устройства выборки-хранения, выходы устройств выборки-хранения подключены к входам перемножителя напряжения, выход которого через интегратор соединен с первым входом устройства вычисления максимальной величины мощности. Выход блока синхронизирующих импульсов через делитель частоты связан со вторыми входами интегратора и устройства вычисления максимальной величины мощности, выход которого через устройство экстремального регулирования соединен с входом блока импульсно-фазового управления. Выход блока импульсно-фазового управления подключен к тиристорам компенсатора реактивной мощности. Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности повышает коэффициент мощности электровоза за счет компенсации индуктивного тока нагрузки емкостной составляющей тока компенсатора реактивной мощности, что является техническим результатом. Опытные испытания устройства для автоматического регулирования реактивной мощности на электровозе ВЛ65 показали повышение коэффициента мощности на 0,1-0,15, что позволило снизить расход электроэнергии на 9-11%. 1 ил. > )

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности, содержащее нагрузку, в качестве которой используется тиристорный преобразователь, источник реактивной мощности, состоящий из последовательно соединенных индуктивности, емкости и двух встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик режима сети, включающий в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока, блок синхронизирующих импульсов, блок импульсно-фазового управления, при этом нагрузка подключена к питающей сети через трансформатор тока и параллельно источнику реактивной мощности, а выход трансформатора напряжения подключен к входу блока синхронизирующих импульсов, выход блока импульсно-фазового управления связан с тиристорами источника реактивной мощности, отличающееся тем, что в него дополнительно введены два блока устройства выборки-хранения, последовательно соединенные перемножитель напряжения и интегратор, устройство вычисления максимальной величины мощности, делитель частоты и устройство экстремального регулирования, при этом входы устройств выборки-хранения подключены к выходам трансформатора напряжения и трансформатора тока, а выходы - к первому и второму входам перемножителя напряжения, вход делителя частоты соединен с выходом блока синхронизирующих импульсов, а выход - со вторыми входами интегратора и устройства вычисления максимальной величины мощности, выход которого через устройство экстремального регулирования связан с входом блока импульсно-фазового управления, первый вход устройства вычисления максимальной величины соединен с выходом интегратора.