СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЕНСАТОРОМ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ Российский патент 2006 года по МПК H02J3/18 H02P1/26 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрооборудованию электроподвижного состава (э.п.с.) железных дорог однофазно-переменного тока с зонно-фазовым регулированием, и предназначено для повышения коэффициента использования мощности системы тягового энергоснабжения и, как следствие, снижения расхода электроэнергии.

Предпосылки создания изобретения.

Одной из проблем, связанных с внедрением на э.п.с. переменного тока компенсаторов реактивной мощности (КРМ), является поиск оптимальных режимов работы КРМ, способствующих снижению расхода электроэнергии на э.п.с. в целом.

Необходимость повышения коэффициента мощности э.п.с. можно объяснить следующим образом. Допустим, что э.п.с. мощностью Р работает с cosϕ=1 (активная нагрузка) при синусоидальном напряжении U. В этом случае сила тока в цепи составит , а мощность тепловых потерь

На практике эксплуатация э.п.с. осуществляется с cosϕ<1 (смешанная нагрузка), сила тока в цепи будет больше .

Увеличение силы тока в цепи приводит к увеличению тепловых потерь

Таким образом, электрические потери пропорциональны квадрату cosϕ.

Так, например, повышение cosϕ=0,8 на 15% приводит к снижению потерь в питающей сети на 41%!

Наряду со снижением потерь в питающей цепи, благодаря повышению коэффициента мощности, наблюдаются существенные тепловые потери в элементах компенсатора - главным образом в дросселе, тиристорном ключе и конденсаторах. Поэтому учет сочетания потерь от применения компенсирующих устройств является важной задачей повышения энергетических показателей на современном э.п.с., оборудованном КРМ.

Известен способ управления компенсатором реактивной мощности (патент РФ №2187185), состоящий в том, что компенсацию реактивной мощности осуществляют коммутацией источников питания с источником реактивной мощности посредством четырехквадратного преобразователя. Такой способ существенно повышает коэффициент мощности, однако использование дополнительно четырехквадрантного преобразователя чревато усложнением системы управления, необходимостью использования дорогостоящей элементной базы и наряду с повышением коэффициента мощности при различных режимах работы преобразование энергии сопровождается дополнительными потерями мощности в элементах четырехквадрантного преобразователя.

Аналогом рассмотренных способов управления (патент РФ №2187872) является способ, при котором требуемую величину и форму мгновенного тока на сетевом входе достигают в результате сложения токов компенсатора реактивной мощности и компенсатора мощности искажения, причем управление вентилями компенсационного выпрямителя осуществляют путем трехкратного включения каждого вентиля на периоде сетевого напряжения в моменты равенства периодических опорных напряжений и управляющих напряжений.

При таком способе управления снижается коэффициент полезного действия системы компенсации реактивной мощности, поскольку с увеличением количества коммутаций за период сетевого напряжения увеличивается величина электрических потерь.

Наиболее близким к предложенным техническим решениям является способ управления компенсатором реактивной мощности, принятый в качестве прототипа (патент РФ №2212086), при котором определяют значение реактивной мощности цепи, в зависимости от напряжения и тока нагрузки, подключают к источнику питания (секциям вторичной обмотки тягового трансформатора) источник реактивной мощности, причем вне зависимости от зоны регулирования, источник реактивной мощности подключают к источнику питания с максимальной мощностью. Способ реализуют устройством, содержащим компенсатор реактивной мощности, состоящий из двух LC-контуров, подключенных постоянно к источнику питания с максимальной мощностью.

Этот способ имеет недостаток: LC-контур постоянно подключен к источнику питания. При работе с малыми нагрузками величина собственных потерь в компенсаторе реактивной мощности (ΔР_КУ) превышает величину снижения потерь цепи питания от применения компенсатора (ΔР_O). Энергетическая характеристика этого способа управления приведена на фиг.2. На ней показано, что с ростом реактивной мощности цепи Q_d абсолютные потери ΔP_O от компенсации реактивной мощности в цепи питания снижаются более интенсивно, чем растут собственные потери в компенсаторе ΔР_КУ. Поэтому в диапазонах работы, признаком которых является отрицательная разность ΔР_КУ-ΔР_О, система компенсации реактивной мощности неэффективна, поскольку рост потерь в реактивных элементах компенсатора преобладает над снижением потерь от компенсации реактивной мощности. Значение реактивной мощности Q_O является точкой равновесия собственных потерь мощности компенсатора и величины снижения потерь мощности цепи от применения компенсации реактивной мощности. При Q_d>Q_O наблюдается эффективность компенсации реактивной мощности.

Устройство, реализующее данный способ управления, содержит тяговый трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем, два источника реактивной мощности, состоящие из последовательно соединенных индуктивности и емкости, датчик режима сети, включающий в себя датчик напряжения и датчик тока, блок синхронизирующих импульсов, блок управления и коммутатор. Такое устройство имеет следующий недостаток - LC-цепи компенсатора реактивной мощности постоянно подключены на суммарное напряжение всех источников питания, хотя при работе с малыми нагрузками достаточно работать от одного или нескольких (но не всех) источников питания. Препятствием этому является невозможность переключать LC-компенсатор на оптимальные источники питания. Поэтому при работе с малыми нагрузками величина потерь может превышать экономию энергии от применения КРМ, что не может гарантировать стабильный благоприятный баланс по расходу электроэнергии вследствие перекомпенсации реактивной мощности.

Задачей изобретения является снижение расхода электроэнергии потребляемой э.п.с.

Поставленная задача достигается способом управления, при котором задают значение минимально допустимой реактивной мощности источника реактивной мощности, а также максимальное значение реактивной мощности источника реактивной мощности при подключении к различным источникам питания, для каждой рабочей зоны регулирования напряжения тяговых двигателей определяют величину реактивной мощности нагрузки, сравнивают максимальное значение реактивной мощности источника реактивной мощности при работе от различных источников питания с фактическим значением реактивной мощности нагрузки и подключают минимально превосходящий по значению реактивной мощности нагрузки источник реактивной мощности к соответствующему источнику питания, при снижении значения реактивной мощности источника реактивной мощности ниже минимально допустимого значения отключают источник реактивной мощности от источника питания. С целью снижения броска тока в моменты времени между переключениями с одного источника питания на другой или в моменты времени, предшествующие повторному подключению источника реактивной мощности к источникам питания, для исключения возможного дребезга контактов при колебании Q_d в области значений Q_O, Q_KУ1 и Q_КУ2 к источнику реактивной мощности на время, равное, например, 5 с, определяемое постоянной времени разряда емкости на активное сопротивление цепи КРМ, подключают активную нагрузку.

Устройство для компенсации реактивной мощности содержит тяговый трансформатор с несколькими секциями вторичной обмотки, нагрузку, выполненную в виде выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза с подключенными к нему преимущественно несколькими тяговыми двигателями, источник реактивной мощности, представляющий собой КРМ и состоящий из последовательно соединенных индуктивности и емкости, датчика напряжения и датчика тока, тиристорный ключ и блок управления тиристорным ключом. В устройство дополнительно введены ключи для подключения источника реактивной мощности к соответствующим источникам питания, блок управления ключами, задатчик режима работы для задания номера зоны регулирования напряжения и вычислительно-измерительный блок для определения моментов коммутации КРМ к соответствующим источникам питания.

Новым в предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа, является то, что КРМ подключается только к тем источникам питания, от которых работает преобразователь. В целях снижения расхода электроэнергии исключается работа КРМ с низкими нагрузками, при которых собственные потери КРМ могут превысить снижение потерь в цепи от его применения.

Сказанное позволяет сделать вывод о причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом.

На приложенных к описанию чертежах показано:

на фиг.1 - схема подключения компенсатора реактивной мощности к источнику питания;

на фиг.2 - энергетическая характеристика работы КРМ;

на фиг.3 - устройство, реализующее данный способ управления КРМ;

на фиг.4 - блок-схема алгоритма управления, реализующего предлагаемый способ управления КРМ.

Устройство, реализующее данный способ управления (фиг.3), содержит тяговый трансформатор 1, преимущественно с несколькими вторичными обмотками, выступающими в качестве источников питания, выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИЛ) электровоза 2 с подключенными к нему преимущественно несколькими тяговыми двигателями (ТД) 3, компенсатор реактивной мощности (КРМ) 4, датчик напряжения контактной сети (ДН) 5, датчик тока цепи тяговых двигателей (ДТ) 6, ключи (СК) 7, состоящие из ключа К1 и ключа К2, работающих в противоположных состояниях, блок управления ключами (БУСК) 8, тиристорный ключ (ТК) 9, блок управления тиристорным ключом (БУТК) 10, задатчик режима работы, в качестве которого может быть использован контроллер машиниста э.п.с. (КМ) 11, для задания номера зоны регулирования, вычислительно-измерительный блок (БВИ) 12 для определения моментов коммутации КРМ к соответствующим источникам питания. Параллельно конденсатору КРМ 4, через нормально замкнутые ключи 13 и 14 подключен резистор 15 для разряда остаточной емкости в моменты переключения КРМ 4 с одного источника питания на другой во избежание значительных бросков тока. Компенсатор реактивной мощности 4 выполнен в виде модуля и состоит из LC-контура, управляемого ключами 7 и 9, для подключения его к вторичным обмоткам тягового трансформатора 1. В качестве управляемых ключей 7 могут использоваться контакторы, обеспечивающие ступенчатое изменение реактивной мощности, и тиристоры 9, обеспечивающие плавное изменение реактивной мощности компенсирующего устройства. КРМ обеспечивает две ступени реактивной мощности в зависимости от подключения к выводам обмоток тягового трансформатора 1. Блок управления ключами 8 обеспечивает включение и выключение ключей 7 по сигналам, поступающим из вычислительно-измерительного блока 12, а также включение и выключение ключей 7 без обрыва силового тока. Блок управления тиристорным ключом 10 обеспечивает формирование сигналов управления в соответствии с алгоритмами, реализующими данный способ управления, безударное подключение LC-контуров КРМ 4 к обмотке тягового трансформатора 1 в момент перехода напряжения на тиристорном ключе 9 через ноль, а также отключение LC-контуров КРМ 4 от обмотки тягового трансформатора 1 в момент перехода тока тиристорного ключа 9 через ноль. Задание номера рабочей зоны питания Nz, характеризующего уровень питающего напряжения, формируемого подключением определенных источников напряжения к нагрузке, осуществляется переключением позиций электромеханического контроллера машиниста 11. При подключении КРМ 4 к источнику питания 1 одной из пар управляемых ключей 7 К1 или К2 происходит отключение одного из нормально замкнутых ключей К1 13 или К2 14, с целью разрыва цепи разрядного резистора 15, представляющего собой чисто активную нагрузку. Этим исключаются дополнительные потери при работе КРМ 4. На практике время разряда до приемлемого уровня выбирают на уровне 5 с.

Вычислительно-измерительный блок 12 по информации, полученной с датчиков тока 6 и напряжения 5, задатчик режима работы (КМ) 11 выполняет измерение фактической реактивной мощности на токоприемнике электровоза, определение реактивной мощности, генерируемой КРМ, формирует сигнал на включение необходимой ступени КРМ, а также выполняет отключение КРМ или его модулей путем снятия управляющих импульсов при нарушениях заданных (нормальных) режимов работы. БВИ 12 осуществляет также и защиту от коммутационных перенапряжений на тиристорах ключевых элементов, от перегрузок по току, от внешних и внутренних коротких замыканий, от замыканий на землю, а также от повышения напряжения на конденсаторах LC-контуров свыше номинального напряжения.

БВИ 12 состоит из микропроцессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и таймеров-счетчиков. Микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ, АЦП и таймеры-счетчики могут быть выполнены на базе промышленного контроллера М167-1х (каталог продукции АО "КАСКОД" "Бортовая и промышленная электроника", 189625, С-Петербург, Павловск, Фильтровское шоссе, 3 (тел. (812)466-5784, (812)476-0795), с.66).

Устройство, реализующее предлагаемый способ управления компенсатором реактивной мощности, работает следующим образом. При включении питания начинается работа вычислительно-измерительного блока 12, и определяют величину реактивной мощности нагрузки на основании информации с датчиков по формуле Q_d=P_dtgϕ, где P_d=I_dU_d, I_d - ток нагрузки, U_d - напряжение на нагрузке, определяемое в зависимости от I_d по внешним характеристикам преобразователя, записанным в ПЗУ БВИ 12, ϕ - сдвиг фаз между током и напряжением источника питания. При работе электровоза с реактивной мощностью Q_d выше минимально допустимого значения подключают одну секцию КРМ к источнику энергии с наименьшим значением (Uист1), после чего снова определяют реактивную мощность цепи Q_d и сравнивают ее значение со значением реактивной мощности работающей секции Q_КУ1, (фиг.1). При превышении реактивной мощности нагрузки над величиной мощности компенсатора переключают секцию компенсатора к источнику с большим напряжением (Uист2), после чего сравнивают значение реактивной мощности цепи с величиной мощности компенсатора Q_КУ2, и если оно ниже, то выполняют переключение компенсатора на источник напряжения с меньшим значением (Uист1), причем в моменты переключения замыкают ее на активное сопротивление 15 (разрядный резистор) с тем, чтобы при необходимости ее повторного подключения на источник питания избежать броска тока в цепи. Процесс повторяется циклически.

Способ реализуют алгоритмом, приведенным на фиг.4. Выполнение его происходит циклически, старт программы происходит автоматически при подаче питающего напряжения на вычислительно-измерительный блок.

При подаче питающего напряжения на вычислительно-измерительный блок 12 происходит запуск управляющей программы (блок 16) и ввод значений величины реактивной мощности, которые может обеспечить КРМ 4 на первой Q_КУ1 и второй Q_КУ2 ступенях регулирования и значения минимально допустимой реактивной мощности источника реактивной мощности Q_O (блок 17). Затем осуществляют ввод значения силы тока тяговых двигателей I_d и зоны регулирования ВИЛ 7 N_Z (блок 18), определение напряжения на тяговых двигателях U_d по внешним характеристикам ВИП 7 (блок 19), определение фактической полезной мощности P_d (блок 20) и определение величины реактивной мощности составляющей Q_d от фактической полезной мощности (блок 21).

После определения величины реактивной мощности Q_d ее сравнивают с величинами Q_O и Q_КУ1 (блоки 22 и 23) и определяют, к какому источнику питания необходимо подключить LC-контур, соответственно устанавливая признак на включение требуемой ступени (блок 25 и блок 26). Если необходимо отключить КРМ 4, то устанавливается признак на отключение КРМ 4, то есть устанавливают признак на включение нулевой ступени (ступени 0) (блок 24).

После определения требуемой ступени регулирования ее сравнивают с текущим состоянием компенсатора (блок 27) и, если требуемое и текущее состояния совпадают, то, сохраняя текущее значение компенсатора, переходят к блоку 17, в противном случае осуществляют переключение на требуемую ступень. Проверяют состояние компенсатора (блок 28), если компенсатор включен, то отключают компенсатор (блок 29), снимая управляющие сигналы с тиристорного ключа 9 и ключей 7. После отключения компенсатора запускается таймер (блок 30), отсчитывающий время коммутации, необходимое для того, чтобы емкость компенсатора разрядилась на разрядный резистор 15, причем в период времени коммутации продолжают контролировать величину реактивной мощности Q_d. Время коммутации также обеспечивает гистерезис, благодаря которому возможно избежать "дребезга" ключей, появление которого возможно, если значение реактивной мощности Q_d будет колебаться в области граничных значений Q_O и Q_KУ1. По окончании времени коммутации (блок 31) включают компенсатор на требуемую ступень (блок 32) путем подачи управляющих сигналов на ключи 7 и тиристорный ключ 9. После включения компенсатора программа автоматически переходит на блок 18 для обеспечения непрерывного контроля параметров управления.

Параметры КРМ:

первая ступень: U=638 В, Q_KУ1=94 квар;

вторая ступень: U=928 В, Q_KУ1=200 квар.

Таким образом, предлагаемый способ управления компенсатором реактивной мощности и устройство, его реализующее, обеспечивают повышение коэффициента мощности и снижение расхода электроэнергии э.п.с.

Промышленная применимость.

Предлагаемый способ управления КРМ и устройство, его реализующее, апробированные на опытной секции двухсекционного электровоза ВЛ80^TK-1338, показали снижение расхода электроэнергии на 6-8%. Предлагаемое изобретение может найти применение на электроподвижном составе переменного тока в цепях тягового и вспомогательного привода.

Использование: в электротехнике, на электроподвижном составе однофазно-переменного тока с зонно-фазовым регулированием, в качестве устройства для повышения коэффициента мощности. Технический результат заключается в компенсации реактивной мощности, потребляемой электровозом, и снижении расхода электроэнергии. Компенсатор реактивной мощности (КРМ) подключают поочередно к одной из нескольких секций вторичной обмотки тягового трансформатора, питающих соответствующие плечи выпрямительно-инверторного преобразователя. В зависимости от значения реактивной мощности цепи, подключают секции источника реактивной мощности к источнику питания. Устройство, реализующее предложенный способ управления КРМ, дополнительно содержит ключи, через которые КРМ подключают к секциям вторичной обмотки тягового трансформатора, блок управления ключами, задатчик режима работы, датчики напряжения и тока, вычислительно-измерительный блок. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления компенсатором реактивной мощности, состоящий в том, что для каждой рабочей зоны регулирования напряжения тяговых двигателей определяют величину реактивной мощности нагрузки, в зависимости от напряжения и тока нагрузки подключают к источнику питания источник реактивной мощности, отличающийся тем, что задают значение минимально допустимой реактивной мощности источника реактивной мощности, а также максимальное значение реактивной мощности источника реактивной мощности при подключении к различным источникам питания, для каждой рабочей зоны регулирования напряжения тяговых двигателей определяют величину реактивной мощности нагрузки, сравнивают максимальное значение реактивной мощности источника реактивной мощности при работе от различных источников питания с фактическим значением реактивной мощности нагрузки и подключают минимально превосходящий по значению реактивной мощности нагрузки источник реактивной мощности к соответствующему источнику питания, при снижении значения реактивной мощности источника реактивной мощности ниже минимально допустимого значения отключают источник реактивной мощности от источника питания, причем в моменты времени между переключениями с одного источника питания на другой или предшествующие повторному подключению источника реактивной мощности к источникам питания к источнику реактивной мощности подключают активную нагрузку.2. Способ управления компенсатором реактивной мощности по п.1, отличающийся тем, что переключение с одного источника питания на другой или повторное подключение источника реактивной мощности к источникам питания осуществляют с задержкой времени, равной, например, 5 с.3. Устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее тяговый трансформатор с несколькими секциями вторичной обмотки, нагрузку, выполненную в виде выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза с подключенными к нему преимущественно несколькими тяговыми двигателями, тиристорный ключ и блок управления тиристорным ключом, источник реактивной мощности, состоящий из последовательно соединенных индуктивности и емкости, датчик напряжения, подключенный к первичной обмотке тягового трансформатора, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит ключи, через которые компенсатор реактивной мощности подключают к секциям вторичной обмотки тягового трансформатора, блок управления ключами, задатчик режима работы, датчик тока в цепи тягового двигателя, вычислительно-измерительный блок, к которому подключены блок управления тиристорным ключом, блок управления ключами, задатчик режима работы, датчики напряжения и тока.