Устройство для компенсации реактивной мощности

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для повышения коэффициента мощности электроподвижного состава переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения. Техническим результатом является более полная компенсация реактивной мощности, потребляемой электровозом, и повышение коэффициента мощности как за счет улучшения формы входного тока, так и за счет компенсации реактивной составляющей входного тока при различных режимах работы электровоза, причем при учете наличия на электровозе других потребителей электроэнергии, а не только выпрямительно-инверторного преобразователя. Устройство для компенсации реактивной мощности содержит трансформатор напряжения, нагрузку в виде выпрямительно-инверторного преобразователя, соединенного с тяговым двигателем, датчика тока и напряжения, фазовый детектор, интегратор, элемент сравнения, регулятор реактивной мощности, пороговый элемент, коммутатор, источник реактивной мощности, включающий два конденсатора и два дросселя. 1 ил.

 

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

Большинство электрических устройств (двигатели, трансформаторы, статические преобразователи и т.д.) наряду с активной мощностью потребляют и реактивную мощность, т.к. они имеют обмотки с большой индуктивностью. Наличие реактивной мощности приводит к снижению энергетических характеристик электрооборудования. Величина реактивной нагрузки характеризуется значением cosϕ сети. При этом потребляемая реактивная мощность не затрачивается на выполнение полезной работы, а фактически расходуется впустую.

Увеличение потребляемой реактивной мощности имеет следующие негативные последствия: увеличение потребляемой мощности; увеличение действующего значения тока, потребляемого электровозом, и, следовательно, увеличение падений напряжения и потерь на нагревание в питающей сети; сокращение срока службы оборудования; увеличение затрат на платежи за потребляемую электроэнергию.

К энергетическим показателям электровозов переменного тока относится коэффициент мощности. У электровозов переменного тока с выпрямительно-инверторными преобразователями коэффициент мощности χ определяется по формуле

χ=ν·cosϕ, (1)

и зависит от угла сдвига фаз между напряжением и током электровоза - ϕ, и коэффициента искажения формы тока - ν (см. книгу Б.Н.Тихменев, В.А.Кучумов, Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. - М.: Транспорт, 1988. - 311 с. на с.19).

Повышение величины коэффициента мощности возможно путем применения компенсаторов реактивной мощности (КРМ). КРМ представляет собой LC-контур, присоединенный ко вторичной обмотке тягового трансформатора параллельно нагрузке (выпрямительно-инверторному преобразователю, соединенному с тяговым двигателем). Установлено, что LC-цепи компенсируют реактивную составляющую основной гармоники тока; коэффициент мощности э.п.с. повышается при этом не только вследствие улучшения формы тока, но и в результате сокращения отставания по фазе первой гармоники тока (см. книгу Б.Н.Тихменев, В.А.Кучумов, Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. - М.: Транспорт, 1988. - 311 с. на с.86-93).

Известно устройство для компенсации реактивной мощности (см. А.С. СССР 1674306. Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности. Авторы изобретения А.С.Копанев, Б.М.Наумов, И.К.Юренко. - Опубл. в БИ 32 1991, МКИ H02J 3/18.), которое позволяет изменять ток компенсатора за счет регулирования угла открытия тиристоров. При этом угол их открытия определяется фазовым углом сдвига ϕ между основными гармониками сетевого тока и напряжения. Ток компенсатора регулируется таким образом, чтобы обеспечить минимальный фазовый сдвиг ϕ между потребляемым током и сетевым напряжением. Это позволяет повысить коэффициент мощности электровоза (1) при изменении тока нагрузки.

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

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

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

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

При уменьшении коэффициента мощности, вызванного появлением фазового угла сдвига ϕ между сетевым током и напряжением, устройство автоматически изменяет фазу α_рег открытия тиристоров.

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

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

Известно, однако, что при фазовом управлении тиристорами VS1, VS2 подключение предварительно заряженного конденсатора LC-компенсатора ко вторичной обмотке трансформатора вызывает бросок тока, пропорциональный разности напряжений конденсатора и источника напряжения. Это обстоятельство требует того, чтобы в момент подачи импульса управления α_рег на тиристоры VS1, VS2 напряжение на конденсаторе компенсатора должно соответствовать напряжению на вторичной обмотке трансформатора, что ограничивает диапазон регулирования тока компенсатора. Фазовое управление тиристорами VS1, VS2 приводит к генерированию компенсатором высших гармоник тока в моменты переключения его ключевых элементов, что ухудшает форму потребляемого электровозом тока и уменьшает за счет коэффициента ν значение коэффициента мощности (1). Кроме того, подключение датчика тока и датчика напряжения к вторичной обмотке тягового трансформатора не учитывает наличие других потребителей реактивной энергии на электровозе, влияющих на коэффициент мощности всего электровоза.

Известно также устройство для компенсации реактивной мощности (см. описание изобретения к патенту Российской федерации RU 2212086. Устройство для компенсации реактивной мощности. Авторы изобретения Ю.М.Кулинич, А.Н.Савоськин. - Дата публикации 10.09.2003 г, МКИ H02J 3/18, B60L 9/12), в котором коэффициент мощности увеличивается как за счет улучшения формы входного тока, так и за счет более полной компенсации реактивной составляющей входного тока при различных режимах работы электровоза.

Устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее трансформатор напряжения, подключенный через датчик тока к питающей сети, параллельно которой включен датчик напряжения, нагрузку, подключенную к вторичной обмотке трансформатора напряжения в виде выпрямительно-инверторного преобразователя, соединенного с тяговым двигателем, два источника реактивной мощности, каждый из которых состоит из последовательно включенных дросселя и конденсатора, блок управления, первый вход которого соединен с выходом блока синхронизации, вход которого соединен с выходом датчика напряжения, второй вход блока управления соединен с выходом датчика тока, а выход - с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с конденсаторами источников реактивной мощности, третий и четвертый входы - с индуктивностями источников реактивной мощности, а пятый - восьмой - с выводами вторичных обмоток тягового трансформатора.

Однако это устройство имеет следующий недостаток. Сигнал на выходе блока управления появляется лишь в случае перекомпенсации реактивной мощности и сопровождается переключением источников реактивной мощности к обмоткам трансформатора с меньшим напряжением. При этом не компенсируются высшие гармоники тока преобразователя, замыкающиеся через часть обмотки, к которой не подключены источники реактивной мощности. Большую часть времени преобразователь работает на 4-й зоне, т.е. с номинальным напряжением, но не с номинальным током. Поэтому необходимо для лучшей компенсации реактивной мощности иметь больше ступеней регулирования мощности источника реактивной мощности.

Кроме того, сигнал на входе блока управления обновляется каждый полупериод питающей сети (по сигналам блока синхронизации), что может приводить к ложным срабатываниям электромагнитных контакторов в коммутаторе, т.к. напряжение питающей сети как правило сильно искажено и сигнал с выхода датчика режима сети может сильно меняться от полупериода к полупериоду питающего напряжения.

Задачей изобретения является создание устройства для компенсации реактивной мощности, учитывающего наличие других потребителей реактивной энергии на электровозе, а также более полно компенсирующего реактивную составляющую входного тока в различных режимах работы электровоза за счет увеличения числа ступеней регулирования мощности источника реактивной мощности.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее трансформатор напряжения, подключенный через датчик тока к питающей сети, параллельно которой включен датчик напряжения, нагрузку в виде выпрямительно-инверторного преобразователя, соединенного с тяговым двигателем, источник реактивной мощности, состоящий из двух конденсаторов и двух дросселей, и коммутатор, дополнительно введены фазовый детектор, входы которого соединены с выходами датчиков тока и напряжения, интегратор, вход которого соединен с выходом фазового детектора, а выход - с первым входом элемента сравнения, второй вход которого предназначен для подачи сигнала задания угла сдвига между питающим напряжением и током первичной обмотки трансформатора напряжения - ϕ_З, а выход соединен с входом регулятора реактивной мощности, выходом подключенным к пороговому элементу, выходы которого соединены с первыми входами коммутатора, вторые входы которого соединены с выводами конденсаторов и дросселей, а третьи выходы - с выводами вторичной обмотки трансформатора напряжения.

Реализация устройства заданного значения cosϕ, т.е. ϕ_З, позволяет учитывать наличие на единице э.п.с. других потребителей электроэнергии, повышая коэффициент мощности электровоза в целом, а не только выпрямительно-инверторного преобразователя.

Введение в устройство источника реактивной мощности, состоящего из двух отдельных конденсаторов, и двух отдельных дросселей, подключенных к коммутатору, позволяет увеличить число ступеней регулирования мощности источника реактивной мощности путем комбинации соединений конденсаторов и дросселей и возможности подключения полученного источника реактивной мощности к соответствующим выводам вторичной обмотке трансформатора напряжения.

Кроме того, наличие интегратора исключает ложные срабатывания коммутатора от искажений напряжения сети.

На чертеже представлена схема устройства для компенсации реактивной мощности.

Устройство для компенсации реактивной мощности содержит трансформатор напряжения 1, нагрузку в виде выпрямительно-инверторного преобразователя 2, соединенного с тяговым двигателем 3, датчика тока 4 и напряжения 5, фазовый детектора 6, интегратор 7, элемент сравнения 8, регулятор реактивной мощности 9, пороговый элемент 10, коммутатор 11, источник реактивной мощности, включающий два конденсатора 12 и 13 и два дросселя 14 и 15.

Нагрузка 2 и 3 подключена к вторичной обмотке трансформатора напряжения 1 и к третьим входам коммутатора 11. Трансформатор напряжения 1 соединен через датчик тока 4 с питающей сетью. Датчик напряжения 5 подключен параллельно питающей сети, его выход соединен с первым входом фазового детектора 6, второй вход которого соединен с выходом датчика тока 4. Выход фазового детектора 6 соединен с интегратором 7, выход которого, в свою очередь, соединен с первым входом элемента сравнения 8, на второй вход которого подается сигнал заданного значения угла сдвига между напряжением и током первичной обмотки трансформатора напряжения - ϕ_З. Выход элемента сравнения 8 соединен с входом регулятора реактивной мощности 9, выход которого соединен с входом порогового элемента 10. Выходы порогового элемента 10 соединены со вторыми входами коммутатора 11, к вторым входам которого подключены конденсаторы 12, 13 и дроссели 14 и 15.

Фазовый детектор 6, интегратор 7, элемент сравнения 8, регулятор реактивной мощности 9 и пороговый элемент 10 могут быть реализованы на базе микропроцессорного контроллера M167-1, построенного на микроконтроллере Siemens (Infmeon) SAB80C167 (каталог продукции ЗАО «КАСКОД» «Электроника. Электромеханика»., 196625, Санкт-Петербург, Павловск, Фильтровское шоссе, 3 (тел. [phone]) с.74). Коммутатор 11 выполняется на основе полупроводниковых силовых ключей и электромагнитных контакторов и осуществляет сбор схемы источника реактивной мощности из подключенных к коммутатору 11 конденсаторов 12, 13 и дросселей 14, 15, в зависимости от сигналов на выходах порогового элемента 10 и подключение полученного источника реактивной мощности к соответствующим выводам вторичной обмотки трансформатора напряжения 1.

Трансформатор напряжения выполнен многообмоточным и имеет три вторичные обмотки.

Устройство для компенсации реактивной мощности работает следующим образом.

Сбор схемы источника реактивной мощности требуемой мощности из подключенных к коммутатору 11 конденсаторов 12, 13 и дросселей 14, 15 осуществляется коммутатором 11, который и подключает ее к соответствующим выводам вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 параллельно нагрузке 2 и 3.

Сигнал о величине значения угла сдвига ϕ между питающим напряжением сети и током электровоза формируют фазовым детектором 6 и пропускают через интегратор 7, сглаживающий резкие изменения выходного сигнала фазового детектора, обусловленные искажениями напряжения питающей сети. Разность между заданным углом сдвига между напряжением питающей сети и тока электровоза и текущим его значением на выходе интегратора 7 выделяют элементом сравнения 8 и вводят в регулятор реактивной мощности 9, например ПИ-регулятор. Сигнал с выхода регулятора 9 подают на вход порогового элемента 10, на выходах которого формируют код необходимой мощности источника реактивной мощности. Коммутатор 11, в зависимости от кода на первых его входах, набирает из реактивных элементов, подключенных к его вторым входам, необходимый реактанс и подключает его к соответствующим выводам вторичной обмотки трансформатора напряжения 1, в зависимости от зоны работы выпрямительно-инверторного преобразователя 2.

Так происходит компенсация реактивной составляющей входного тока и повышение коэффициента мощности как за счет улучшения формы входного тока, так и за счет компенсации реактивной составляющей входного тока при различных режимах работы электровоза, причем при учете наличия на электровозе других потребителей электроэнергии, а не только выпрямительно-инверторного преобразователя с подключенным к нему тяговым двигателем, путем ввода заданного значения cosϕ, т.е. ϕ_З, а введение интегратора после фазового детектора позволяет исключить ложные переключения ключей коммутатора, обусловленные искажениями напряжения питающей сети.

Расчеты показывают, что применение на электровозе заявленного устройства для компенсации реактивной мощности позволяет увеличить его коэффициент мощности на 12-15%.

Устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее трансформатор напряжения, подключенный через датчик тока к питающей сети, параллельно которой включен датчик напряжения, нагрузку в виде выпрямительно-инверторного преобразователя, соединенного с тяговым двигателем, источник реактивной мощности, состоящий из двух конденсаторов и двух дросселей, и коммутатор, отличающееся тем, что в него дополнительно введены фазовый детектор, входы которого соединены с выходами датчиков тока и напряжения, интегратор, вход которого соединен с выходом фазового детектора, а выход - с первым входом элемента сравнения, второй вход которого предназначен для подачи сигнала задания угла сдвига между питающим напряжением и током первичной обмотки трансформатора напряжения, а выход соединен с входом регулятора реактивной мощности, выходом подключенным к пороговому элементу, выходы которого соединены с первыми входами коммутатора, вторые входы которого соединены с выводами конденсаторов и дросселей, а третьи входы - с выводами вторичной обмотки трансформатора напряжения.