УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ КРИТЕРИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ В ТЯГОВЫХ СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Устройство для реализации критерия регулирования поперечной компенсирующей установки в тяговых сетях переменного тока.
Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к системе тягового электроснабжения переменного тока с преобразовательным электроподвижным составом - электровозами и может быть использована при реализации критерия регулирования регулируемой поперечной компенсирующей установки (РПКУ).
a
В условиях синусоидального характера токов и напряжений в системах тягового электроснабжения известны технические решения определения cosφ по значениям активной (P) и реактивной (Q) мощностей
.
При этом в условиях несинусоидального характера токов, потребляемых электровозами, вводится понятие мощности искажения (T).
В этом случае параметры РПКУ определяются с использованием коэффициента мощности, вычисляемого из выражения
Однако следует отметить, что мощность искажения не балансируется. Поэтому выбор параметров РПКУ в условиях несинусоидального характера токов и напряжении в тяговых сетях переменного тока приводит к необоснованным затратам [Л1].
Известен критерий выбора и регулирования РПКУ, в основу которого положен принцип измерения коэффициента мощности, определяемого из соотношения
где u(t); i(t) - мгновенные значения напряжения контактная сеть-земля и тока в контактной сети.
Однако критерий регулирования, определимый из соотношений (1) и (2), в настоящее время из-за сложности расчетов не применяется для регулирования мощностью РПКУ.
В [Л1] предложен принципиально новый критерий выбора РПКУ, исходя из минимума обменной энергии, циркулирующей в электрической цепи.
Известно, что суммарная мгновенная мощность всех источников энергии замкнутой электрической цепи состоит из двух слагаемых:  - суммы мгновенных активных мощностей, характеризующих процесс необратимого потребления электрической энергии,  - суммы мгновенных обменных мощностей, характеризующих обратимый процесс запасаемой энергии в индуктивных и емкостных накопителях [Л2÷Л4].
Такое представление энергетического состояния замкнутой электрической системы ставит в дальнейшем вопрос о разложении мгновенной мощности s=s(t) приемника электрической энергии на мгновенную мощность p=p(t), соответствующую процессу потребления энергии, и мгновенную мощность q=q(t), характеризующую обменные процессы на входе этого приемника.
Определение по s(t) мощностей p(t) и q(t) позволяет прежде всего правильно оценить энергетическую целесообразность работы различных электрический цепей с помощью соотношения [Л1]
где  - энергия, потребляемая участком цепи за определенный промежуток времени Т;
- энергия, соответствующая обменному процессу на этом участке за тот же промежуток времени.
п
п
п
Коэффициент К (коэффициент потребления электрической энергии) показывает, какая часть всей энергии на участке цепи необратимо потребляется, т.е. полезна. Для цепей, в которых происходит только потребление электрической энергии, К=1. Для цепей, в которых имеет место только обмен или накопление энергии, К=0. Все остальные случаи являются промежуточными.
п
В [Л1] обоснована эффективность внедрения в проектную практику выбора мощности РПКУ при использовании критерия К в условиях несинусоидального характера токов и напряжений в системах тягового электроснабжения.
При реализации предложенного в [Л1] критерия (коэффициента потребления электрической энергии) его значения сравнивают с заранее заданным базисным значением. При их несоответствии осуществляют воздействие на систему регулирования емкости компенсирующей установки в направлении ее увеличения или уменьшения.
Регулирование осуществляется следующим образом. Определяется коэффициент потребления электрической энергии, равный отношению полезно используемой энергии к энергии в цепи без учета ее возврата к источнику из цепи (3).
пд
Если К отличается от заранее установленного базисного значения, то выдается сигнал на изменение величины параметра компенсирующей установки. При этом направление изменения параметра компенсирующей установки зависит от знака мгновенного значения тока в момент перехода мгновенного значения напряжения через нуль, в частности, при изменении знака напряжения с плюса на минус. В случае положительного значения напряжения сигнал воздействует на систему регулирования мощности компенсирующей установки в напрвлении увеличении емкости поперечной компенсации, в противном случае - в направлении уменьшения ее параметра.
В [Л5] предложено устройство измерения активной энергии. Это устройство принято за прототип. Устройство-прототип для измерения активной энергии содержит датчики тока (i) в контактной сети и напряжения контактная сеть-земля (U)), выходы с которых подключены ко входу измерения мгновенной мощности p=U*i, выход с которого поступает на вход блока расчета активной средней мощности за период, выход блока измерения активной мощности подключен ко входу блока фиксации активной мощности.
Устройство-прототип [Л5] работает следующим образом. Мгновенное значение тока (i) в контактной сети и мгновенное значение напряжения контактная сеть-земля (U) поступает в блок определения мгновенной мощности и далее в блок определения активной мощности
,
где Т - период.
Выход блока определения активной мощности подключен к блоку фиксации активной мощности.
Функциональная схема устройства-прототип [Л5] для измерения активной мощности содержит трансформатор тока, соединенный с токовым шунтом, один зажим которого заземлен, второй соединен через резистор с общей точкой соединения первого суммирующего интегратора, тактового генератора, первого источника опорного напряжения, управляемого первым электронным ключем от формирователя. Причем выход первого суммирующего интегратора соединен с первым входом первого компаратора, второй вход заземлен, а выход первого компаратора соединен с формирователем, управляющим первым электронным ключем и схемой неравнозначности, которая управляет вторым электронным ключем. При этом на вход второго электронного ключа через трансформатор напряжения поступает напряжение контактная сеть-земля. Выход второго электронного ключа подключен ко входу второго интегратора, выход которого соединен с первым входом второго компаратора, на второй вход которого поступает опорное напряжение от второго источника, управляемое третьим электронным ключем. Электронный ключ переключается в зависимости от значения выхода схемы неравнозначимости. Выход второго компаратора соединяется с входом схемы неравнозначности и через шаговый двигатель с суммирующим механизмом, показания которого пропорциональны активной энергии.
Однако известное устройство-прототип неспособно определить характеристики обменных процессов, происходящих в тяговых сетях при несинусоидальном характере токов электровозов, в частности, обменную энергию [Л.1]. Тем самым, используя устройство-прототип невозможно осуществить регулирование параметров поперечной емкостной компенсации исходя из минимума обменной энергии.
Устранить вышесказанные недостатки позволяет определение коэффициента потребления электрической энергии путем измерения энергий потребления и обменной в тяговых сетях переменного тока при работе электровоза с несинусоидальными тока.
С этой целью в устройство-прототип дополнительно введены блоки определения энергии, потребленной участком цепи, энергии, соответствующей обменному процессу, и блоки расчета коэффициента потребления электрической энергии и его сравнения с заданным критериям регулирования, а также блок (устройство) определения величины и знака управления емкостью регулируемой поперечной компенсирующей установки в условиях несинусоидального характера токов, потребляемых электровозами.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы регулируемой поперечной компенсирующей установки в тяговых сетях переменного тока за счет оптимального выбора критерия ее регулирования в условиях несинусоидального характера токов в тяговых сетях переменного тока.
Заявленная модель иллюстрируется фиг.1. На фиг.1 обозначены.
1. Датчик мгновенного значения тока в контактной сети.
2. Датчик мгновенного значения напряжения контактная сеть-земля.
3. Блок определения мгновенной мощности.
4. Блок расчета энергии, потребляемой участком цепи.
5. Блок расчета энергии, соответствующей обменному процессу.
6. Блок расчета коэффициента потребления электрической энергии.
7. Блок сравнения коэффициента потребления электрической энергии с заданным значением.
8. Блок сигнализации и управления емкостью регулируемой поперечной компенсирующей установкой.
Предлагаемое устройство для реализации критерия регулирования поперечной компенсирующей установки в тяговых сетях переменного тока работает следующим образом.
Мгновенные значения тока в контактной сети и напряжения контактная сеть-земля с датчиков тока (1) и напряжения (2) поступают на вход блока (3) расчета мгновенной мощности (p).
Выход блока (3) подключается ко входам блоков расчета энергии, потребляемой участком цепи (4), и энергии, соответствующей обменному процессу (5). Выходные зажимы блоков (4) и (5) подсоединяются к входу блока (6), где происходят вычисление коэффициента потребляемой электрической энергии.
Выходные зажимы блока (6) подключается к блоку сравнения коэффициента потребления электрической энергии с заданными значениями. В том случае, если реальный (вычисленный) коэффициент потребления электрической энергии больше заданного значения, выдается сигнал на регулирование емкости поперечной компенсирующей установки в сторону ее уменьшения, в противном случае, сигнал выдается на увеличение емкости по РПКУ.
На фиг.2 приведена функциональная схема регулирования поперечной емкостной компенсации. В схему устройства-прототип с целью оптимального регулирования РПКУ в условиях несинусоидального характера потребляемого электровозами несинусоидального тока в его состав дополнительно введены логическая схема неравнозначности, три счетчика, четыре логических схемы «И», сумматор, делитель напряжения, три компаратора, два электронных ключа, источник опорного напряжения, цифроаналоговый преобразователь и цифровой индикатор. Вход второй логической схемы неравнозначности подключен к токовому шунту и вторичной обмотке трансформатора напряжения, выход к первому счетчику и управляющему органу четвертого электрического ключа, который соединяет выход второго компаратора с входом второго и третьего счетчика, причем выход второго счетчика соединен с первым входом первой логической схему «И», а выход третьего счетчика соединен с первыми входами второй и третьей логической схемы «И», а вторые входы первой, второй и третьей логической схемы «И» соединены с выходом первого счетчика. Выходы первой и второй логической схемы «И» соединены с первым и вторым входами сумматора, выход которого соединен с первым входом делителя напряжения, второй вход которого соединен с выходом третьей логической схемы «И», причем выход делителя соединен как со входом цифрового индикатора, так и через цифро-аналоговый преобразователь со вторым входом третьего компаратора, первый вход которого соединен с третьим источником опорного напряжения, выход со входом пятого электронного ключа, управляющий орган которого соединен с выходом четвертой логической схемы «И», первый вход который соединен с выходом четвертого компаратора, один вход которого заземлен, а второй соединен с выходом токового шунта, а второй вход схема «И» соединен с выходом пятого компаратора, два входа которого соединены с выходом вторичной обмотки трансформатора напряжения.
Устройство для реализации критерия регулирования поперечной компенсирующей установки в тяговых сетях переменной тока (фиг.2) содержит токовый шунт 1, тактовый генератор 2, первый 3 и второй 11 интеграторы, первый 5, второй 12, третий 27, четвертый 31 и пятый 32 компараторы, первый 4, второй 13 и третий 28 источники опорного напряжения, формирователь 6, первый 7, второй 10, третий 14, четвертый 18, и пятый 30 с выходами 30-1 и 30-2 электронный ключи, первая 8 со входами 8-1 и 8-2 и вторая 17 с входами 17-1 и 17-2 логические схемы неравнозначности, трансформатор напряжения 9, первый 19, второй 20 и третий 24 счетчики, первая 21 со входами 23-1 и 21-2, вторая 22 со входами 22-1, 22-2, третья 23 со входами 23-1 и 23-2 и четвертая 33 со входами 33-1 и 33-2 логические схемы «И», сумматор 25 со входами 25-1 и 25-2, делитель напряжения 26, цифровой индикатор 34, цифро-аналоговый преобразователь 29, выходное устройство 15, шаговый двигатель и суммирующий механизм 16.
Устройство работает следующим образом.
Ток тяговой сети поступает от вторичной обмотки трансформатора тока ТрТ на шунт 1.
Напряжение тяговой сети поступает от вторичной обмотки тягового трансформатора напряжения ТрН (9).
1
2
Напряжение u, снимается с шунта 1, пропорционально мгновенному значению тока тяговой сети, а напряжение u, снимается со вторичной обмотки трансформатора, пропорционально мгновенному значению напряжения тяговой сети. Множительное устройство прибора работает по принципу широтно-импульсной и амплитудно-импульсной модуляции.
оп
Широтно-импульсный модулятор состоит из тактового генератора 2, суммирующего интегратора 3, компаратора 5, цепи отрицательной обратной связи, которая в свою очередь состоит из формирователя 6 и ключа 7, подключенного к модулятору 4 от источника напряжения ±u соответствующей полярности.
1
1
u
u
Тактовый генератор вырабатывает меандр с частотой повторения, во много раз превышающей частоту напряжения в сети электроснабжения. Поэтому можно считать, что за период колебаний T тактового генератора значения u и i остаются неизменными. Импульсы тактового генератора вместе с напряжением u которое пропорционально i и u отрицательной обратной связи, поступают на вход интегратора 3.
1
1
1
На выходе интегратора 3 в отсутствии напряжения u получается последовательность треугольных импульсов, постоянная составляющая которой равна «0», т.е. импульсы симметричны относительно нулевого потенциала (рисунок 3г - сплошная линия). При наличии u на выходе интегратора 3 последовательность импульсов смещается по полярности в ту или иную сторону в зависимости от знака u, (рисунок 3г - штриховая или штрих - пунктирная линии). С выхода интегратора 3 импульсы поступают на компаратор 5, где происходит сравнение с потенциалом, равным нулю. На выходе компаратора 5 получается импульсная последовательность, соотношение импульсов и пауз которой определяется формулой
,
1
оп1
где t - время, в течении которого на входе интегратора W подключено +u
2
оп1
t - время, в течении которого на входе интегратора W подключено -u
1
2
t+t=T
Эта широтно-моделированная последовательность поступает в цепь отрицательной обратной связи на формирователь 6, который управляет работой ключа 7. Сигнал, управляющий ключом 7, показан на фиг.3в.
Широтно-модулированная импульсная последовательность поступает также через логическую схему неравнозначности 8 (вход 8-1) на ключ 10 амплитудно-импульсного модулятора (АИМ).
3
4
Сигнал, указанный на фиг.3в, поступающий с логической схемы неравнозначности 8, управляет ключем 10, соединяющим вторичную обмотку трансформатора 9 через резисторы R и R с входным интегратором 11 и преобразователе напряжение-частота (ПНЧ).
1
2
2
2
Управление происходит таким образом, что в присутствии сигнала на входе 8-1 логической схемы неравнозначности 8 во время импульса t ключ 10 подключает +u, пропорциональное напряжению контактной сети. Во время паузы t ключ 10 подключает -u.
1
2
оп2
Среднее значение u за время t+t=T пропорционально произведению мгновенных значений тока и напряжения тяговой сети. В ПНЧ входят интегратор 11, логическая схема неравнозначности 8, компаратор 12, ключ 14, подключающий к компаратору 12 u соответствующей полярности с источником 13.
оп2
оп2
Входной сигнал с ключа 10 поступает на вход интегратора 11. При достижении входным напряжением интегратора 11 одного из 2 стабильных уровней напряжения, задаваемых опорными напряжениями +u (-u) срабатывает компаратор 12, вырабатывая прямоугольный импульс, соответствующей полярности. Выходной сигнал компаратора 12 поступает на вход 8-2 логической схемы неравнозначности. Логическая схема неравнозначности 8 вырабатывает сигнал, управляющий переключением ключа 14, а также изменяет подчиненность срабатывания электронного ключа 10.
Таким образом, во первых, на вход интегратора 11 поступает входной сигнал ЛИМ противоположной полярности, а, во вторых, изменяется полярность напряжения компаратора 12.
оп2
оп2
При достижении выходным напряжением интегратора 11 другого стабильного уровня u, задаваемого +u или -u, процесс повторяется.
Выходное напряжение u интегратора 11 всегда находится между двумя этими крайними значениями.
Выходной сигнал преобразователя «напряжение-частота», представляющий собой меандр, поступает на входное устройство 15. Число импульсов выходного устройства пропорционально измеряемой энергии. С выхода устройства 15 импульсы поступают на шаговый двигатель, который приводит в действие суммирующий механизм 16. Система шаговый двигатель - суммирующий механизм производит интегрирование числа импульсов устройства и их запоминание. Передаточное число системы шаговый двигатель - суммирующий механизм позволяет получать показания суммирующего механизма непосредственно в единицах измеряемой энергии.
u
u
u
u
Выходной сигнал ПНЧ, представляющий собой меандр, поступает также на вход ключа 18, который управляется выходным сигналом логической схемы неравнозначности 17. На вход логической схемы неравнозначности 17 поступают напряжения, пропорциональные значениям u и i в системе электроснабжения. Если знаки u и i совпадают, ключ 18 соединяет выход компаратора 12 со счетчиком 19, если нет - со счетчиком 20, накапливающими двоичный код, который пропорционален положительной и отрицательной энергии.
Цифровой код со счетчика 19 поступает на вход 21-2 схемы 21, а цифровой код со счетчика 20 на вход 22-2 и 23-2 схем 22 и 23.
0
~
0
~
0
пmin
п
пmin
1
1
Через заданное количество периодов со счетчика 24 на входы 21-1, 22-1 и 23-1 схем 21, 22, 23 поступает разрешающий сигнал и цифровой код со счетчиков 19 и 20, пропорциональный W и W поступает на входы 25-1 и 25-2 сумматора 25. Выходной сигнал сумматора, пропорциональный сумме W+W, поступает на один из входов делителя 26, а на второй вход делителя 26 поступает сигнал со счетчика 20, пропорциональный W. Цифровой код с выхода делителя 26 поступает на вход цифрового индикатора 34, а также на вход цифро-аналогового преобразователя 29, выходное напряжение с которого, пропорциональное КПЭ, поступает на вход компаратора 27, а на второй вход поступает напряжение с источника 29, пропорционального К. Если К окажется меньше установленного значения К, то компаратор 27 выдает сигнала изменение величины параметра компенсирующей установки. При этом направление изменения параметра компенсирующей установки зависит от знака мгновенного значения тока i в момент перехода мгновенного значения напряжения u через нуль, при изменении знака напряжения с плюса на минус.
п
Для этого напряжение со второй обмотки трансформатора 9 подается на компаратор 31. Когда u=0 компаратор выдает сигнал на вход 33-1 схемы "И". На вход 33-2 в
п
это время подается сигнал с компаратора 32, один вход которого соединен с шунтом 1, а второй заземлен. В случае положительного значения i сигнал компаратора 32 через схему 33 переключает вход ключа 30 в положение 30-1 в направлении увеличения параметра КУ, в противном случае - в положение 30-2 в направлении уменьшения параметра
В результате обеспечивается более точный выбор параметра компенсирующего устройства из условия минимума обменной энергии, что позволяет экономить электрическую энергию в тяговых схемах переменного тока.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания
1. Активные и обменные характеристики электрических цепей при несинусоидальных токах и напряжениях / Б.И.Косарев, А.И.Щуров, А.В.Фролов, В.Н.Силкин // Электричество. 1989. №9. С.44…47.+
2. Демирчан К.С. Реактивная или обменная мощность? - Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1984, №2, с.66-72
3. Жарков Ф.П. Об одном способе определения реактивной мощности. - Изв. Н СССР. Энергетика и транспорт, 1984, №2, с.73-81
4. Оценка энергетических процессов по мгновенной электрической мощности / А.Ф.Крогерис, К.К Рашевич, Э.П.Трейманис, Я.К Шинка. - Изв. АН Латв. ССР. Сер. Физ. и техн. наук, 1985, №6, с.53-64.
5. Счетчик электронный однофазный активной энергии типа Ф440. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ПК2.720.097.ТО. Вильнюс 1977, с.43 (прототип)