УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2004 года по МПК B60L9/12 H02J3/18 

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 является низкий коэффициент мощности. Коэффициент мощности является одним из основных энергетических показателей электровоза, определяющий потребление им 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 от источника питания. 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 тяговый трансформатор, 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 тягового трансформатора напряжения, первичная обмотка которого связана с питающей 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 управления ключевого элемента соединен с управляющим входом ключевого элемента, командный блок подключен к входу D триггера запуска.

Функция ключевого элемента состоит во включении и отключении LC-компенсатора. При этом ключевой элемент выполнен в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Включение тиристоров осуществляется сигналом с выхода триггера запуска через устройство формирования импульсов управления. 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 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 реактивной мощности на электровозе ВЛ85 [2] показали, что среднее значение коэффициента мощности электровоза повышается до 0,92 и обеспечивается почти двукратное сокращение потребления реактивной энергии на тягу поездов.

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.

Известно также устройство [3], позволяющее частично устранить этот недостаток.

Устройство содержит тяговый трансформатор, нагрузку, в качестве которой используется выпрямительно-инверторный преобразователь, источник реактивной мощности, состоящий из двух LC-компенсаторов, каждый из которых образован последовательным соединением индуктивности и емкости, два ключевых элемента, выполненных каждый в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров, и устройство управления ключевыми элементами.

Компенсация реактивной мощности осуществляется при подключении указанных LC-компенсаторов параллельно вторичной обмотке тягового трансформатора.

Испытания устройства компенсации реактивной мощности на электропоезде ЭР29 [4] показали, что при токах нагрузки, превышающих 0,5 от номинального значения, коэффициент мощности превышает 0,97. Однако при токах нагрузки меньше 0,5 от номинального значения имеется значительная перекомпенсация и снижение энергетических показателей электропоезда.

Известно также устройство для автоматического регулирования реактивной мощности [5], 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, подключенную через тяговый трансформатор к питающей сети, 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. Тяговый трансформатор подключен к питающей сети через трансформатор тока. 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 напряжений 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 изменению 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.

Однако при импульсно-фазовом управлении включением тиристоров компенсатора ток, протекающий через источник реактивной мощности, становится разрывным, что приводит к искажениям формы питающего тока. 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. Так как активная и полная мощности зависят и от высших гармонических составляющих, связанных с искажениями формы напряжения и тока, то способ измерения коэффициента мощности по углу сдвига между током и напряжением, принятый в устройстве, вызывает ошибку в определении коэффициента мощности при несинусоидальной форме тока и напряжения. Это приводит к неполной компенсации реактивной мощности. Кроме того, прерывистый ток компенсатора реактивной мощности ухудшает энергетические показатели электровоза.

В качестве прототипа изобретения целесообразно принять устройство для автоматического регулирования реактивной мощности, содержащее нагрузку, в качестве которой используется выпрямительно-инверторный преобразователь, подключенную к вторичной обмотке тягового трансформатора, первичная обмотка которого связана с питающей сетью, источник реактивной мощности, подключенный к вторичной обмотке тягового трансформатора, датчик режима сети, включающий в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока, блок синхронизирующих импульсов, блок управления и блок импульсно-фазового управления, при этом первичная обмотка тягового трансформатора подключена к питающей сети через трансформатор тока датчика режима сети и параллельно трансформатору напряжения, выход которого подключен к входу блока синхронизирующих импульсов, выходом соединенный с первыми входами блока импульсно-фазового управления и блока управления, выход которого соединен со вторым входом блока импульсно-фазового управления [5].

Недостаток известного связан с неполной компенсацией реактивной мощности, а также прерывистым током компенсатора реактивной мощности, что ухудшает спектральный состав тока питающей сети и, как следствие, снижает энергетические показатели электровоза.

Техническим результатом является полная компенсация реактивной мощности в различных режимах работы электровоза при любых (синусоидальной и несинусоидальной) формах питающего напряжения и тока.

Существенные отличительные признаки предложенного устройства заключаются в том, что дополнительно введены два интегратора и умножитель, при этом первый интегратор подключен своим входом к выходу трансформатора напряжения, а выходом к первому входу умножителя, второй вход которого соединен с выходом трансформатора тока, а второй интегратор подключен своими входами, одним - к выходу умножителя и другим - к выходу блока синхронизирующих импульсов соответственно, а выходом соединен со вторым входом блока управления, а источник реактивной мощности выполнен в виде двух соединенных параллельно LC-цепочек, каждая из которых образована последовательно соединенными индуктивностью, емкостью и ключевым элементом, выполненным в виде встречно-параллельно включенных тиристоров, причем управляющие входы ключевых элементов соединены с соответствующими выходами блока импульсно-фазового управления.

Введение в устройство совокупности новых элементов (двух интеграторов и умножителя) и их взаимосвязи позволяют регулировать величину емкостного тока источника реактивной мощности. При этом потребление реактивной мощности из питающей сети сводится к минимуму.

Это обусловлено тем, что устройство автоматически изменяет схему включения LC-цепочек источника реактивной мощности и тем самым величину емкостного тока, обеспечивая максимальную компенсацию реактивной мощности. При этом схема включения LC-цепочек изменяется в зависимости от величины реактивной мощности, которая определяется по формуле [6]

где u,i - мгновенные значения питающего тока и напряжения,

Т - период сетевого напряжения.

Так как при определении величины реактивной мощности используются мгновенные значения питающего тока и напряжения, то при таком подходе учитываются также высшие гармонические составляющие входного тока и напряжения. На основании информации о величине реактивной мощности блок управления регулирует выходной сигнал таким образом, чтобы импульсы управления тиристорами ключевых элементов источника реактивной мощности, сформированные на выходе блока импульсно-фазового управления, приводили к включению таких пар тиристоров, при котором величина реактивной мощности минимизируется. При этом реализуются три возможные схемы подключения LC-цепочек источника реактивной мощности к вторичной обмотке трансформатора: первая - подключена первая LC-цепочка; вторая - подключена вторая LC-цепочка и третья - подключены две LC-цепочки.

Регулирование величины емкостного тока источника реактивной мощности позволяет компенсировать реактивную мощность, как при синусоидальной, так и при несинусоидальной форме тока и напряжения, а также при различных режимах работы электровоза.

На чертеже представлено устройство для автоматического регулирования реактивной мощности.

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности содержит нагрузку 1, подключенную к вторичной обмотке тягового трансформатора 2, источник реактивной мощности 3, состоящий из двух LC-цепочек 4 и 5 и ключевых элементов 6 и 7, датчик режима сети 8, блок синхронизирующих импульсов 9, блок управления 10, два интегратора 11 и 12, умножитель 13 и блок импульсно-фазового управления 14.

Каждая LC-цепочка образована последовательно соединенными индуктивностью и емкостью 15, 16 - первая 4 и 17, 18 - вторая 5. Ключевые элементы выполнены в виде встречно-параллельно включенных тиристоров: 19, 20 - первый 6; 21, 22 - второй 7. Датчик режима сети 8 включает в себя трансформатор напряжения 23 и трансформатор тока 24.

Ключевые элементы 6 и 7 соединены последовательно с соответствующей LC-цепочкой и подключены к вторичной обмотке трансформатора 2. Первичная обмотка тягового трансформатора 2 подключена к питающей сети через трансформатор тока 24 и параллельно трансформатору напряжения 23. Выход трансформатора напряжения 24 подключен к входу блока синхронизирующих импульсов 9 и к входу первого интегратора 11. Выход интегратора 11 соединен с первым входом умножителя 13, второй вход которого соединен с выходом трансформатора тока 24. Второй интегратор 12 подключен одним входом к выходу упомянутого умножителя 13 и другим входом к выходу блока синхронизирующих импульсов 9, а выходом - ко второму входу блока управления 10. Первый вход блока управления 10 соединен с выходом блока синхронизирующих импульсов 9, а выходом - с вторым входом блока импульсно-фазового управления 14, связанного своими выходами с тиристорами ключевых элементов 6 и 7. Первый вход блока импульсно-фазового управления 14 подключен к выходу блока синхронизирующих импульсов 9.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При питании нагрузки 1 от трансформатора 2 напряжение и ток его первичной обмотки имеют несинусоидальную форму, а ток смещен по фазе от напряжения в сторону отставания, что обусловлено индуктивным характером нагрузки, а также фазовым регулированием напряжения на ней. На выходе трансформаторов напряжения 23 и тока 24 формируется напряжение, пропорциональное мгновенному значению питающего напряжения и потребляемого тока. С помощью интегратора 11 определяется сигнал, пропорциональный интегралу от питающего напряжения, а в умножителе 13 производится умножение выходного сигнала интегратора 11 и мгновенного значения тока, поступающего с трансформатора тока 24. Интегрирование сигнала, поступающего на первый вход интегратора 12, позволяет определить реактивную мощность в соответствии с приведенной формулой.

Для этого на первый вход блока управления подается импульс, полученный с помощью блока синхронизирующих импульсов 9 из напряжения питающей сети. При этом синхронизирующие импульсы соответствуют периоду Т сетевого напряжения. В момент поступления синхронизирующих импульсов на блок управления 10 фиксируется сигнал реактивной мощности на выходе интегратора 12 и этими же импульсами интегратор 12 обнуляется. Таким образом информация о величине реактивной мощности на входе блока управления постоянно обновляется. В зависимости от величины реактивной мощности на выходе блока управления появляется сигнал на включение пары тиристоров соответствующего ключевого элемента источника реактивной мощности.

Например, если величина реактивной мощности положительна, то сигнал на выходе блока управления разрешает включить первый ключевой элемент 6 (тиристоры 19 и 20) и блок импульсно-фазового управления обеспечивает формирование импульсов на включение указанных тиристоров. Такое подключение соответствует минимальной величине емкостного тока и обеспечивает компенсацию соответствующей реактивной мощности.

Если величина емкостного тока оказывается недостаточной для полной компенсации реактивной мощности, на что указывает положительная величина сигнала на выходе интегратора 13, то сигнал на выходе блока управления разрешает включить второй ключевой элемент 7 (тиристоры 21 и 22) и блок импульсно-фазового управления обеспечивает формирование импульсов на включение указанных тиристоров. При включенных тиристорах 21 и 22 к обмотке трансформатора 2 подключаются только вторая LC-цепочка 5. При выборе емкости конденсатора 18 больше емкости конденсатора 16 такое подключение приведет к соответствующему увеличению емкостного тока.

Наибольшая величина емкостного тока и соответствующей реактивной мощности достигаются при одновременном включении первого 6 и второго 7 ключевых элементов (тиристоры 19, 20 и 21, 22). При таком включении к обмотке трансформатора 2 подключаются две LC-цепочки.

Если при изменении нагрузки величина емкостного тока оказывается больше, чем необходимо для полной компенсации реактивной мощности, на что указывает отрицательная величина сигнала на выходе интегратора 13, то сигнал на выходе блока управления разрешает включение такой пары тиристоров, при котором величина емкостного тока уменьшится. При этом переключение тиристоров ключевых элементов для снижения величины емкостного тока осуществляется в обратном порядке.

Таким образом, использовав принцип регулирования по величине реактивной мощности, можно максимально компенсировать реактивную мощность нагрузки в различных режимах работы электровоза как с синусоидальной, так и с искаженной формой сетевого напряжения и тока.

Технико-экономическая эффективность предложения определяется тем, что при его использовании минимизируется реактивная мощность, потребляемая от источника питания, и соответственно повышается коэффициент мощности. Результаты испытания устройства для автоматического регулирования реактивной мощности показали, что коэффициент мощности электровоза во всем диапазоне изменения нагрузок повысился до 0,95, что, в свою очередь, привело к снижению расхода электроэнергии на 5%.

Источники информации

1. 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 БИ №12, 1989 г., кл. В 60 L 9/12.

2. Н.Н. Широченко, В.А. Татарников, З.Г. Бибинеишвили. Улучшение энергетики электровозов переменного тока. - Железнодорожный транспорт, 1988, №7, с. 33.

3. Б.И. Хомяков, С.И. Меркушев, О.Н. Назаров и др. Опытный электропоезд ЭР29 переменного тока. Результаты тягово-энергетических испытаний. - Электрическая и тепловозная тяга. 1991. №12, с. 12-16.

4. С.И. Меркушев, Б.И. Хомяков, О.Н. Назаров. Энергетические показатели преобразователей опытного электропоезда ЭР29 переменного тока. /Совершенствование электрооборудования электропоездов и высоковольтного оборудования пассажирских вагонов: сб.научн.тр./ Под ред. Г.Г. Гомолы. - М.: Транспорт, 1993. – 128 с.//с. 27-36.

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 г., кл. Н 02 J 3/18.

6. Д.Е. Кадомский. Активная и реактивная мощности - характеристика средних значений работы и энергии периодического электромагнитного поля в элементах нелинейных цепей. Электричество. №7, 1987. с. 39-43.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано на электроподвижном составе переменного тока с тиристорными преобразователями. Устройство содержит тяговый трансформатор с нагрузкой, подключенной к его вторичной обмотке, первичная обмотка которого связана с питающей сетью, источник реактивной мощности, датчик режима сети, блок синхронизирующих импульсов, блок управления и блок импульсно-фазового управления, два интегратора и умножитель. Источник реактивной мощности подключен к вторичной обмотке тягового трансформатора и состоит из двух LC-цепочек, каждая из которых образована последовательно соединенными индуктивностью, емкостью и ключевым элементом, выполненным в виде встречно-параллельно включенных тиристоров. Устройство снабжено блоком управления, выход которого соединен со вторым входом блока импульсно-фазового управления, связанного своими выходами с тиристорами ключевых элементов источника реактивной мощности и двумя интеграторами. Первый интегратор своим входом подключен к выходу трансформатора напряжения, а выходом - к первому входу умножителя, второй вход которого соединен с выходом трансформатора тока. Второй интегратор подключен своими входами, одним - к выходу умножителя и другим - к выходу блока синхронизирующих импульсов соответственно, а выходом соединен со вторым входом блока управления. Техническим результатом изобретения является компенсация реактивной мощности при любой форме питающего напряжения штока. 1 ил.

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности, содержащее нагрузку, в качестве которой используется выпрямительно-инверторный преобразователь, подключенную к вторичной обмотке тягового трансформатора, первичная обмотка которого связана с питающей сетью, источник реактивной мощности, подключенный к вторичной обмотке тягового трансформатора, датчик режима сети, включающий в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока, блок синхронизирующих импульсов, блок управления и блок импульсно-фазового управления, при этом первичная обмотка тягового трансформатора подключена к питающей сети через трансформатор тока датчика режима сети и параллельно трансформатору напряжения, выход которого подключен к входу блока синхронизирующих импульсов, выходом соединенный с первыми входами блока импульсно-фазового управления и блока управления, выход которого соединен со вторым входом блока импульсно-фазового управления, отличающееся тем, что в него дополнительно введены два интегратора и умножитель, при этом первый интегратор подключен своим входом к выходу трансформатора напряжения, а выходом - к первому входу умножителя, второй вход которого соединен с выходом трансформатора тока, а второй интегратор подключен своими входами, одним - к выходу умножителя и другим - к выходу блока синхронизирующих импульсов соответственно, а выходом соединен со вторым входом блока управления, а источник реактивной мощности выполнен в виде двух соединенных параллельно LC-цепочек, каждая из которых образована последовательно соединенными индуктивностью, емкостью и ключевым элементом, выполненным в виде встречно-параллельно включенных тиристоров, причем управляющие входы ключевых элементов соединены с соответствующими выходами блока импульсно-фазового управления.