УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2002 года по МПК H02J3/18 

Устройство 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.

При несинусоидальной форме напряжения и тока коэффициент мощности Км электровоза определяется по формуле [1]
K_м= cosϕ•ν, (1)
где где ϕ - угол сдвига между током и напряжением;
ν - коэффициент искажения.

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

При расчете по формуле (1) учитываются высшие гармонические составляющие, характерные для несинусоидальных токов и напряжений. Это соотношение справедливо и для синусоидальных токов, поскольку при ν=1 выражение (1) принимает вид:
K_м= cosϕ (3)
Таким образом, коэффициент мощности К_м характеризуется степенью потребления электровозом активной и соответственно реактивной мощности, т.е. увеличение K_м способствует повышению активной мощности и одновременному уменьшению реактивной.

Для повышения коэффициента мощности за счет cosϕ 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 [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.

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 "С" 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 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 "С" 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 LС-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 [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, 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 [4] , 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.

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 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 напряжения 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 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. В этом случае не учитываются высшие гармонические составляющие тока и напряжения. При искаженной (несинусоидальной) форме питающего тока и напряжения, характерных для железных дорог переменного тока, коэффициент мощности определяется отношением активной и полной мощностей, потребляемых нагрузкой. Поэтому способ измерения коэффициента мощности, принятый в устройстве, вызывает ошибку измерения при несинусоидальной форме тока и напряжения, так как активную и полную мощности определяют также и высшие гармонические составляющие, связанные с искажениями формы напряжения и тока. По этой причине фазовый угол сдвига только между основными гармониками напряжения и тока не в полной мере определяет коэффициент мощности нагрузки. Это приводит к неполной компенсации реактивной мощности и ухудшению энергетических показателей электровоза, поэтому коэффициент мощности в этом случае составляет 0,85-0,88.

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

Поставленная задача решается тем, что в устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее нагружу, в качестве которой использован 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, при этом нагрузка подключена к питающей сети через датчик режима сети и параллельно источнику реактивной мощности, первый выход датчика режима сети подключен к входу блока синхронизирующих импульсов, в него дополнительно введены устройство вычисления заданного тока, вычитатель, блок управления четырехквадрантным преобразователем, четырехквадрантный преобразователь, источник постоянного напряжения, устройство управления ключевым элементом, при этом первый выход датчика режима сети соединен с первыми входами устройства вычисления заданного тока и устройства управления ключевым элементом, второй выход датчика режима сети связан со вторым входом устройства вычисления заданного тока и первым входом вычитателя, выход устройства вычисления заданного тока соединен со вторым входом вычитателя, выход которого связан с первым входом блока управления четырехквадрантного преобразователя, второй вход которого соединен с выходом блока синхронизирующих импульсов, источник постоянного напряжения через четырехквадрантный преобразователь, вход которого соединен с выходом блока управления четырехквадрантного преобразователя, подключен параллельно нагрузке, второй вход устройства управления ключевым элементом подключен параллельно конденсатору источника реактивной мощности, а его выход связан с ключевым элементом.

Введение в устройство совокупности новых элементов (устройства вычисления заданного тока, вычитателя, блока управления четырехквадрантного преобразователя, четырехквадрантного преобразователя, источника постоянного напряжения и устройства управления ключевым элементом) и их взаимосвязей позволяет влиять на коэффициент искажения тока ν и cosϕ (1,2). Это обусловлено приближением формы потребляемого тока к синусоидальной путем подавления высших гармоник и увеличения за счет этого cosϕ преобразователя при одновременной компенсации реактивной составляющей входного тока, приводящей также к увеличению cosϕ в отличных от номинального режимах работы.

Одной из причин появления реактивной мощности является несинусоидальная форма входного тока электровоза. Благодаря четырехквадрантному преобразователю в заявляемом устройстве происходит создание противофазного высшим гармоникам тока, генерируемого четырехквадрантным преобразователем, и приближение тока электровоза к синусоидальной форме за счет компенсации высших гармоник. Вопреки общепринятому мнению подавление высших гармоник, способствующих приближению тока к синусоидальной форме, в заявляемом устройстве приводит к увеличению cosϕ. Таким образом, увеличение коэффициента искажения ν, достигнутое в результате улучшения формы входного тока, изменяет его фазу ϕ в сторону приближения к питающему напряжению. Это в свою очередь увеличивает cosϕ электровоза и повышает его коэффициент мощности [5, рис.30].

Одновременно наличие четырехквадрантного преобразователя позволяет компенсировать реактивную составляющую входного тока и увеличить cosϕ в режимах, отличающихся от номинального.

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

На чертеже представлена схема устройства для компенсации реактивной мощности.

Устройство для компенсации реактивной мощности содержит нагрузку 1, источник реактивной мощности 2, датчик режима сети 3, блок синхронизирующих импульсов 4, устройство вычисления заданного тока 5, вычитатель 6, блок управления четырехквадрантным преобразователем 7, четырехквадрантный преобразователь 8, источник постоянного напряжения 9, устройство управления ключевым элементом 10. Источник реактивной мощности 2 состоит из последовательно соединенных индуктивности 11, емкости 12 и двух встречно-параллельно соединенных тиристоров 13, 14. Датчик режима сети 3 включает в себя трансформатор напряжения 15 и трансформатор тока 16.

Нагрузка 1 подключена к сети через трансформатор тока 16 и параллельно цепи из последовательно включенных индуктивности 11, емкости 12 и встречно-параллельно включенных тиристоров 13, 14. Трансформатор напряжения 15 подключен параллельно сети, а его выход связан с входом блока синхронизирующих импульсов 4 и с первыми входами устройства вычисления заданного тока 5 и устройства управления ключевым элементом 10. Выход трансформатора тока 16 связан со вторым входом устройства вычисления заданного тока 5 и первым входом вычитателя 6. Выход устройства вычисления заданного тока 5 соединен со вторым входом вычитателя 6, выход которого связан с первым входом блока управления четырехквадрантного преобразователя 7, второй вход которого соединен с выходом блока синхронизирующих импульсов 4. Источник постоянного напряжения 9 через четырехквадрантный преобразователь 8, вход которого соединен с выходом блока управления четырехквадрантного преобразователя 7, подключен параллельно нагрузке 1. Второй вход устройства управления ключевым элементом 10 подключен параллельно конденсатору 12 источника реактивной мощности 2, а его выход связан с тиристорами 13, 14 ключевого элемента.

В качестве ключевых элементов четырехквадрантного преобразователя использованы силовые IGBT - транзисторы, устройство вычисления заданного тока и блок управления четырехквадрантным преобразователем выполнен на базе операционных усилителей и цифровых микросхем средней степени интеграции, блок синхронизирующих импульсов выполнен по патенту [6].

Устройство для компенсации реактивной мощности работает следующим образом.

С помощью цепи из последовательно соединенных индуктивности 11 и емкости 12, настроенных на частоту третьей гармоники питающего напряжения, происходит компенсация реактивной составляющей входного тока электровоза в номинальном режиме его работы. Кроме этого LС-цепь подавляет пульсацию третьей гармоники входного тока, улучшая его форму. Тиристоры 13, 14 и устройство управления ключевым элементом 10 предназначены для включения и выключения LC-компенсатора при равенстве напряжения на конденсаторе 12 и напряжения сети, измеряемого на выходе трансформатора напряжения 15. На выходе трансформатора напряжения 15 и тока 16 формируется напряжение, пропорциональное мгновенным значениям питающего напряжения и потребляемого тока. На выходе устройства вычисления заданного тока 5 формируется сигнал синусоидальной формы, значение которого определяется активной составляющей входного тока. С помощью вычитателя 6 определяется разностный сигнал, пропорциональный искажениям входного тока, связанными с высшими гармониками, а также реактивной составляющей входного тока. По величине этого сигнала блок управления четырехквадрантного преобразователя 7 формирует напряжение управления ключевыми элементами четырехквадрантного преобразователя. Для синхронной работы блока управления четырехквадрантного преобразователя с питающей сетью предназначен блок синхронизирующих импульсов 4. За счет энергии источника постоянного напряжения 9 на выходе четырехквадрантного преобразователя генерируется ток, противофазный току высших гармоник и реактивной составляющей входного тока.

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

Устройство для компенсации реактивной мощности испытано в депо Белогорск Забайкальской железной дороги. Опытные поездки с электровозом ВЛ 65 показали снижение расхода электроэнергии на (5 - 7)%
Источники информации
1. Л.А. Бессонов 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 г. МКИ В 60 L 9/12.

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

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

5. Б.Н. Тихменев. Электровозы переменного тока со статическими преобразователями М: Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1958.

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

Устройство для компенсации реактивной мощности может использоваться на электроподвижном составе переменного тока для повышения коэффициента мощности электровоза, что является техническим результатом. Устройство для компенсации реактивной мощности компенсирует реактивную мощность при синусоидальной и несинусоидальной форме питающего напряжения и тока, а также при различных режимах работы электровоза за счет как улучшения формы входного тока, так и за счет компенсации реактивной составляющей входного тока в режимах работы, отличающийся от номинальных. Устройство для компенсации реактивной мощности содержит нагрузку, 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, при этом нагрузка подключена к питающей сети через датчик режима сети и параллельно источнику реактивной мощности, первый выход датчика режима сети подключен к входу блока синхронизирующих импульсов. Новым является то, что в него дополнительно введены устройство вычисления заданного тока, вычитатель, блок управления четырехквадрантным преобразователем, четырехквадрантный преобразователь, источник постоянного напряжения, устройство управления ключевым элементом, при этом первый выход датчика режима сети соединен с первыми входами устройства вычисления заданного тока и устройства управления ключевым элементом, второй выход датчика режима сети связан со вторым входом устройства вычисления заданного тока и первым входом вычитателя, выход устройства вычисления заданного тока соединен со вторым входом вычитателя, выход которого связан с первым входом блока управления четырехквадрантного преобразователя, второй вход которого соединен с выходом блока синхронизирующих импульсов, источник постоянного напряжения через четырехквадрантный преобразователь, вход которого соединен с выходом блока управления четырехквадрантного преобразователя, подключен параллельно нагрузке, второй вход устройства управления ключевым элементом подключен параллельно конденсатору источника реактивной мощности, а его выход связан с ключевым элементом. Испытания устройства для компенсации реактивной мощности на электровозе ВЛ65 показали снижение расхода электроэнергии на 5-7%. 1 ил.

Устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее нагрузку, источник реактивной мощности, состоящий из последовательно соединенных индуктивности, конденсатора и ключевого элемента из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик режима сети, включающий в себя трансформатор напряжения, подключенный параллельно сети, и трансформатор тока, блок синхронизирующих импульсов, при этом нагрузка подключена к питающей сети через трансформатор тока и параллельно источнику реактивной мощности, выход трансформатора напряжения подключен к входу блока синхронизирующих импульсов, отличающееся тем, что в него дополнительно введены устройство вычисления заданного тока, вычитатель, четырехквадрантный преобразователь, блок управления четырехквадрантным преобразователем, источник постоянного напряжения, устройство управления ключевым элементом, при этом выход трансформатора напряжения соединен с первыми входами устройства вычисления заданного тока и устройства управления ключевым элементом, выход трансформатора тока связан со вторым входом устройства вычисления заданного тока и первым входом вычитателя, выход устройства вычисления заданного тока соединен со вторым входом вычитателя, выход которого связан с первым входом блока управления четырехквадрантным преобразователем, второй вход которого соединен с выходом блока синхронизирующих импульсов, источник постоянного напряжения через четырехквадрантный преобразователь, вход которого соединен с выходом блока управления четырехквадрантным преобразователем, подключен параллельно нагрузке, второй вход устройства управления ключевым элементом подключен к конденсатору источника реактивной мощности, а его выход связан с ключевым элементом, причем на выходе четырехквадрантного преобразователя генерируется ток, противофазный току высших гармоник и реактивной составляющей входного тока, а на выходе устройства вычисления заданного тока формируется сигнал синусоидальной формы, значение которого определяется активной составляющей входного тока.