УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
DEVICE FOR COMPENSATION OF REACTIVE POWER OF ELECTRIC STOCK

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для повышения коэффициента мощности потребителей, в частности, электроподвижного состава переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения.
Общеизвестно, что одним из недостатков эксплуатируемых в настоящее время электровозов переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения является низкое значение коэффициента мощности, достигающее в лучшем случае 0,84.
Низкое значение коэффициента мощности обусловлено следующим.
При несинусоидальной форме напряжения и тока полная мощность S=U⋅I электрической цепи рассчитывается как [Супрунович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок: Пер. с польск. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 136 с., ил.]:
где P - активная мощность;
Q - реактивная мощность;
0
D - мощность искажения, характеризующая степень искажения синусоидальности формы кривых напряжения и тока.
0
При синусоидальной форме кривых синфазных напряжения и тока S=Р, поэтому мощности Q и D являются реактивными.
Отношение активной мощности Р при несинусоидальных токах к полной мощности S называется коэффициентом мощности:
При синусоидальном напряжении и несинусоидальном токе активная мощность Р определяется мощностью первой гармоникой тока:
1
1
где ϕ - угол сдвига между питающим напряжением U и первой гармоникой потребляемого тока I.
Следовательно, коэффициент мощности:
1
где  - коэффициент искажения формы потребляемого тока, характеризующий степень искажения входного тока электровоза, который определяется отношением первой гармоники тока I, к его действующему значению I.
м
Таким образом, коэффициент мощности к характеризуется степенью потребления электровозом активной и, соответственно, реактивной мощности, а его увеличение способствует повышению активной мощности и одновременному уменьшению реактивной.
м
1
Для повышения коэффициента мощности к применяются компенсирующие установки в виде резонансных LC-контуров. Компенсирующее устройство увеличивает cosϕ путем создания емкостного тока нагрузки и смещения первичного тока электровоза в сторону опережения питающего напряжения.
Известно устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, основанное на генерации емкостной составляющей тока, компенсирующей реактивную мощность, потребляемую индуктивной нагрузкой при синусоидальном и несинусоидальном питающем напряжении, (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. МКИ B60L 9/12.).
Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава содержит трансформатор напряжения, связанный с нагрузкой, компенсатор, представляющий LC-цепь с фиксированными параметрами индуктивности и емкости, ключевой элемент, устройство для формирования импульсов ключевого элемента.
При этом нагрузкой является выпрямительно-инверторный преобразователь электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем. Ключевой элемент выполнен в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Параметры LC-цепи выбираются из условия работы электровоза в номинальном режиме.
Компенсатор через ключевой элемент подключен параллельно нагрузке и вторичной обмотке трансформатора напряжения, первичная обмотка которого связана с сетью.
Устройство работает следующим образом.
Пониженное переменное напряжение сети поступает на вход выпрямительно-инверторного преобразователя, осуществляющего плавное четырехзонное регулирование напряжения на тяговым двигателе. При этом тяговый двигатель потребляет из сети, кроме активной, также реактивную мощность, которая ухудшает показатели электропотребления электровоза.
1
При индуктивном характере нагрузки через LC-цепь протекает емкостная составляющая тока, компенсирующая индуктивную составляющую тока нагрузки. В этом случае фаза угла ϕ, первой гармоники потребляемого электровозом тока приближается к питающему напряжению.
Тиристоры ключевого элемента включаются и выключаются сигналом с выхода устройства формирования импульсов ключевого элемента. Тиристоры ключевого элемента закрываются либо в случае превышения допускаемого напряжения в сети, либо при срабатывании защиты. Защита преобразователя осуществляется путем снятия управляющих импульсов с тиристоров ключевого элемента.
1
1
м
Таким образом, при работе компенсатора реактивной мощности его LC-цепь через ключевой элемент постоянно соединяется с вторичной обмоткой трансформатора напряжения. При этом компенсатор генерирует емкостную составляющую тока, противофазную индуктивной составляющей тока нагрузки. Фаза ϕ, первой гармоники потребляемого электровозом тока приближается к питающему напряжению, увеличивая cosϕ, и, соответственно, коэффициент мощности к электровоза.
Среднее значение коэффициента мощности электровоза при мощности компенсатора 520 кВАр (С=1475 мкФ) находится на уровне 0,92 (Широченко Н.Н., Татарников В.А., Бибинеишвили З.Г. Улучшение энергетики электровозов переменного тока. - Железнодорожный транспорт, 1988 г. №7, с. 33-36).
м
1
1
Достоинством известного устройства является повышение коэффициента мощности к электровоза за счет увеличения cosϕ, путем приближения фазы ϕ, первой гармоники потребляемого электровозом тока к питающему напряжению.
м
1
Недостатком известного устройства является то, что достижение повышенного значения коэффициента мощности к электровоза обеспечивается лишь при определенных (номинальных) токах нагрузки, при которых cosϕ, имеет максимальное значение.
Это обусловлено применением LC - компенсатора с фиксированными параметрами и постоянной величиной тока компенсации.
м
Отклонение нагрузки электровоза от номинальной вызывает неполную компенсацию реактивной мощности, снижающую коэффициент мощности к, что является недостатком известного устройства.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, основанное на генерации емкостной составляющей тока, компенсирующего реактивную мощность, потребляемую индуктивной нагрузкой при синусоидальном и несинусоидальном питающем напряжении [а.с. №2467893. Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава. Авторы изобретения Ю.М. Кулинич, В.К. Духовников. - Опубл. в БИ №33 27.11.2012 г. МКИ B60L 9/00].
Устройство для компенсации реактивной мощности содержит трансформатор напряжения, связанный с нагрузкой, компенсатор, блок синхронизирующих импульсов, датчик тока, датчик напряжения, выпрямитель, инвертор, блок управления инвертором и вольтодобавочный трансформатор.
Компенсатор содержит, по крайне мере, один источник реактивной мощности, который представляет собой LC - цепь с фиксированными параметрами индуктивности и емкости, рассчитанную на работу в номинальном режиме работы электровоза.
Трансформатор напряжения выполнен многообмоточным с тремя секциями вторичной обмотки I, II, III соответственно.
Нагрузка включает в себя выпрямительно-инверторный преобразователь и двигатель.
Нагрузка подключена параллельно трансформатору напряжения. Трансформатор напряжения соединен с сетью через датчик тока. Выход датчика тока соединен с первым входом блока управления инвертором. Вход датчика напряжения соединен параллельно сети, его выход - с входом блока синхронизирующих импульсов и со вторым входом блока управления инвертором. Выход блока синхронизирующих импульсов подключен к третьему входу блока управления инвертором.
Источник реактивной мощности через вторичную обмотку вольто-добавочного трансформатора подсоединен к вторичной обмотке трансформатора напряжения.
Выход блока управления инвертором подключен к первому входу инвертора. Первая (I) и вторая (II) секция вторичной обмотки трансформатора напряжения через выпрямитель соединены со вторым входом инвертора, выход которого подключен к первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора.
Устройство для компенсации реактивной мощности работает следующим образом.
Пониженное трансформатором напряжения переменное напряжение сети поступает на вход выпрямительно-инверторного преобразователя, который осуществляет плавное четырехзонное регулирование напряжения на двигателе.
При этом двигатель потребляет из сети кроме активной, также реактивную мощность, которая влияет на ухудшение энергетических показателей электровоза.
Ток электровоза замыкается через датчик тока, с выхода которого преобразованный по величине сигнал тока поступает в блок управления инвертором.
Сетевое напряжение поступает на вход датчика напряжения, с выхода которого преобразованный по величине сигнал текущего значения питающего напряжения поступает в блок синхронизирующих импульсов, в котором формируется синхронизирующий импульс в моменты перехода напряжения сети через ноль. Синхронизирующий импульс и преобразованный по величине сигнал текущего значения питающего напряжения поступают в блок управления инвертором.
ЭЛ
1
ЭЛ
По поступившим сигналам тока и напряжения в блоке управления инвертором определяется величина реактивной мощности Q на основной частоте 50 Гц, а также фазовый угол сдвига ϕ между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока, и формируется сигнал, пропорциональный реактивной мощности электровоза Q. Этот сигнал подается на вход инвертора.
Переменное напряжение вторичных обмоток трансформатора напряжения поступает на вход выпрямителя, с выхода которого в инвертор подается постоянное выпрямленное напряжение.
ВДТ_1
ЭЛ
В результате преобразования сигналов на выходе инвертора формируется выходное напряжение u, пропорциональное реактивной мощности электровоза Q.
ВДТ_1
ВДТ_2
Выходное напряжение инвертора u, поступает на первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора, на вторичной обмотке которого индуцируется напряжение u, пропорциональное коэффициенту его трансформации.
C
КРМ
Суммарное напряжение вторичной обмотки трансформатора напряжения и вольтодобавочного трансформатора формирует величину напряжения на конденсаторе U источника реактивной мощности, которая, в свою очередь, определяет реактивную мощность компенсатора Q.
ЭЛ
м
Емкостной ток источника реактивной мощности компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки в цепи вторичной обмотки трансформатора напряжения и, соответственно, реактивную мощность электровоза Q на частоте первой гармоники 50 Гц. При этом происходит приближение первой гармоники потребляемого тока к питающему напряжению, которое приводит к компенсации реактивной мощности и повышению значения коэффициента мощности к электровоза.
м
КРМ
ЭЛ
КРМ
ЭЛ
Максимально возможное значение коэффициента мощности к электровоза достигается при условии равенства мощности компенсатора Q и реактивной мощности электровоза Q во всех режимах его работы, что обеспечивается путем плавного регулирования Q при изменении Q.
КРМ
C
Изменение мощности компенсатора Q при фиксированной емкости компенсатора С осуществляется путем изменения напряжения U на его обкладках в соответствии с соотношением:
где C - емкость конденсатора источника реактивной мощности,
C
U - напряжение на обкладках конденсатора источника реактивной мощности.
В замкнутом контуре электрической цепи, включающего в себя вторичную обмотку трансформатора напряжения, вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора, индуктивность L и емкость С источника реактивной мощности в соответствии со вторым законом Кирхгофа выполняется следующее соотношение:
2
где u - напряжение вторичной обмотки трансформатора напряжения;
ВДТ_2
u- напряжение вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора;
L
C
U, U - соответственно напряжение на индуктивности и емкости
источника реактивной мощности.
L
C
При малой величине активного сопротивления обмотки индуктивности U<U, поэтому справедливо следующее соотношение:
КРМ
2
ВДТ_2
Изменение напряжения на конденсаторе источника реактивной мощности и, соответственно, реактивной мощности компенсатора Q осуществляется при фиксированном значении напряжении u вторичной обмотки трансформатора напряжения за счет изменения напряжения на вторичной обмотке u вольтодобавочного трансформатора.
C
ЭЛ
Напряжение на конденсаторе U источника реактивной мощности регулируется из условия полной компенсации реактивной мощности электровоза Q на частоте первой гармоники 50 Гц, т.е.:
ВДТ_1
C
ЭЛ
м
Таким образом, на выходе инвертора формируется переменное напряжение первичной обмотки u, вольтодобавочного трансформатора с частотой 50 Гц, создающее напряжение на конденсаторе U источника реактивной мощности, компенсирующее реактивную мощность электровоза Q. При этом коэффициент мощности к приближается к 1 за счет приближения первой гармоники потребляемого тока к питающему напряжению.
м
КРМ
Таким образом, коэффициент мощности к электровоза увеличивается за счет полной компенсации реактивной составляющей входного тока на частоте 50 Гц во всех режимах работы электровоза (включая номинальный) путем плавного изменения реактивной мощности компенсатора Q.
м
1
Достоинством известного устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава является повышение коэффициента мощности к электровоза преимущественно за счет увеличения cosϕ путем приближения первой гармоники потребляемого тока к питающему напряжению.
Недостатком известного устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава является неполная компенсация реактивной мощности электровоза, что обусловлено регулированием реактивной мощности компенсатора только по величине емкостной составляющей реактивной мощности компенсатора.
м
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, обеспечивающего повышение коэффициента мощности к электровоза за счет регулирования реактивной мощности компенсатора как по величине емкостной, так и по индуктивной составляющей реактивной мощности компенсатора.
Для решения поставленной задачи устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, содержащее многообмоточный трансформатор напряжения с тремя вторичными обмотками, связанный с нагрузкой из выпрямительно-инверторного преобразователя и двигателя, компенсатор, включающий, по крайней мере, один источник реактивной мощности, выполненный в виде LC-цепи, первый датчик тока, первый датчик напряжения, блок синхронизирующих импульсов, выпрямитель, инвертор, вольтодобавочный трансформатор, блок управления инвертором, при этом нагрузка подключена параллельно трансформатору напряжения, который через первый датчик тока соединен с сетью, вход первого датчика напряжения соединен параллельно сети, а его выход подключен к входу блока синхронизирующих импульсов, выход которого соединен с первым входом блока управления инвертором, две секции вторичной обмотки трансформатора напряжения через выпрямитель соединены со вторым входом инвертора, первый вход которого связан с выходом блока управления инвертором, выход инвертора подключен параллельно первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора, первый вывод вторичной обмотки которого связан с вторичной обмоткой трансформатора напряжения, первый вывод источника реактивной мощности подключен к выводу вторичной обмотки трансформатора напряжения, оно дополнительно снабжено вторым датчиком напряжения, вторым датчиком тока, устройством вычисления реактивной мощности электровоза, устройством вычисления реактивной мощности компенсатора, элементом сравнения и ПИ-регулятором, при этом выход первого датчика тока соединен с первым входом устройства вычисления реактивной мощности электровоза, выход которого связан с первым входом элемента сравнения, выход первого датчика напряжения подключен к второму входу устройства вычисления реактивной мощности электровоза, выход блока синхронизирующих импульсов соединен с третьим входом устройства вычисления реактивной мощности электровоза, и с первым входом устройства вычисления реактивной мощности компенсатора, вход второго датчика тока подключен последовательно между вторыми выводами источника реактивной мощности и вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, вход второго датчика напряжения соединен параллельно к конденсатору источника реактивной мощности, выходы вторых датчиков тока и напряжения подключены, соответственно, к второму и третьему входам устройства вычисления реактивной мощности компенсатора, выход которого связан с вторым входом элемента сравнения, выход которого через ПИ-регулятор соединен с вторым входом блока управления инвертором.
Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности изобретения «новизна».
м
Введение в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава второго датчика напряжения, второго датчика тока, устройства вычисления реактивной мощности электровоза, устройства вычисления реактивной мощности компенсатора, элемента сравнения и ПИ-регулятора и образование новых взаимосвязей между элементами устройства приводит к повышению коэффициента мощности к электровоза за счет регулирования реактивной мощности компенсатора как по величине емкостной, так и по индуктивной составляющей реактивной мощности компенсатора.
м
Это обусловлено тем, что в заявляемом устройстве для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава повышение коэффициента мощности к электровоза обеспечивается регулированием реактивной мощности компенсатора как по величине емкостной, так и по индуктивной составляющей реактивной мощности компенсатора.
м
Кроме того, повышение коэффициента мощности к приводит к снижению потерь мощности в сети между электровозом и подстанцией.
м
Причинно-следственная связь «Введение в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава второго датчика напряжения, второго датчика тока, устройства вычисления реактивной мощности электровоза, устройства вычисления реактивной мощности компенсатора, элемента сравнения и ПИ-регулятора и образование новых взаимосвязей между элементами устройства приводит к повышению коэффициента мощности к электровоза за счет регулирования реактивной мощности компенсатора как по величине емкостной, так и по индуктивной составляющей реактивной мощности компенсатора» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, что свидетельствует о ее новизне. Наличие новой причинно-следственной связи, проявляемой в заявляемом устройстве, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фигуре представлена схема устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, позволяющая раскрыть работоспособность и «промышленную применимость» заявляемого решения.
Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава содержит многообмоточный трансформатор напряжения 1, связанный с нагрузкой 2, компенсатор 3, блок синхронизирующих импульсов 4, первый датчик тока 5, первый датчик напряжения 6, выпрямитель 7, инвертор 8, блок управления инвертором 9, вольто-добавочный трансформатор 10, второй датчик тока 11, второй датчик напряжения 12, устройство вычисления реактивной мощности электровоза 13, устройство вычисления реактивной мощности компенсатора 14, элемент сравнения 15 и ПИ-регулятор 16.
Компенсатор 3 включает в себя, по меньшей мере, один источник реактивной мощности, представляющий собой LC-цепь с фиксированными параметрами индуктивности и емкости, рассчитанную на работу в номинальном режиме электровоза.
Вывод конденсатора является первым выводом компенсатора 3, вывод индуктивности является вторым выводом компенсатора 3.
Трансформатор напряжения 1 выполнен многообмоточным с тремя вторичными обмотками I, II, III соответственно.
Нагрузка 2 включает в себя выпрямительно-инверторный преобразователь 17 и двигатель 18.
Нагрузка 2 подключена параллельно трансформатору напряжения 1, который через первый датчик тока 5 соединен с сетью. Выход первого датчика тока 5 соединен с первым входом устройства вычисления реактивной мощности электровоза 13.
Вход первого датчика напряжения 6 подключен параллельно сети, а его выход соединен с входом блока синхронизирующих импульсов 4 и вторым входом устройства вычисления реактивной мощности электровоза 13. Выход блока синхронизирующих импульсов 4 подключен к третьему входу устройства вычисления реактивной мощности электровоза 13, а также к первым входам блока управления инвертором 9 и устройства вычисления реактивной мощности компенсатора 14.
Параллельно первой (I) и второй (II) секциям вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 включена последовательная цепь, включающая вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 10, второй датчик тока 11 и компенсатор 3. Второй датчик напряжения 12 соединен параллельно с конденсатором источника реактивной мощности 3.
Первая (I) и вторая (II) секции вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 через выпрямитель 7 соединены со вторым входом инвертора 8, выход которого соединен с первичной обмоткой вольтодобавочного трансформатора 10. Первый вход инвертора 8 связан с выходом блока управления инвертором 9.
Выходы вторых датчиков тока 11 и напряжения 12 подключены, соответственно, к второму и третьему входам устройства вычисления реактивной мощности компенсатора 14.
Выходы устройства вычисления реактивной мощности электровоза 13 и устройства вычисления реактивной мощности компенсатора 14 соединены, соответственно, с первым и вторым входами элемента сравнения 15, выход которого через ПИ-регулятор 16 соединен с вторым входом блока управления инвертором 9.
Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава работает следующим образом.
Пониженное трансформатором напряжения 1 переменное напряжение сети поступает на вход выпрямительно-инверторного преобразователя 17, осуществляющего плавное четырехзонное регулирование напряжения на двигателе 18. При этом двигатель 18 потребляет из сети кроме активной, также реактивную мощность, которая влияет на ухудшение энергетических показателей электровоза.
Текущие значения сетевого напряжения u и потребляемого электровозом тока i измеряются датчиками напряжения 6 и тока 5. Выходной сигнал датчика напряжения 6 поступает в блок синхронизирующих импульсов 4, в котором формируются импульсы управления в моменты перехода сетевого напряжения через ноль. Импульсы управления позволяют отсчитывать периоды T изменения сетевого напряжения и синхронизируют работу блока управления инвертором 9, устройства вычисления реактивной мощности электровоза 13 и устройства вычисления реактивной мощности компенсатора 14.
На входы устройства вычисления реактивной мощности электровоза 13 поступают сигналы с выходов первого датчика тока 5 и первого датчика напряжения 6. В устройстве вычисления реактивной мощности электровоза 13 по текущим значениям напряжения u и тока i за период T изменения сетевого напряжения вычисляются активная P, реактивная Q и полная S мощности электровоза по известным формулам:
;
ЭЛ
Вычисленное значение реактивной мощности электровоза Q=Q поступает на первый вход элемента сравнения 15.
C
К
KPM
На входы устройства вычисления реактивной мощности компенсатора 14 поступают сигналы с выходов второго датчика тока 11 и второго датчика напряжения 12. В устройстве вычисления реактивной мощности компенсатора 14 по текущим значениям напряжения на конденсаторе u и тока компенсатора i за период T сетевого напряжения вычисляются реактивная мощность компенсатора Q по известной формуле:
К
где I - действующее значение тока компенсатора 3;
C
U - действующее значение напряжения на конденсаторе компенсатора 3.
C
К
C
К
Действующие значения напряжения U и тока I рассчитываются по текущим значениям напряжения u на конденсаторе и току i компенсатора 3 период Т изменения сетевого напряжения по формулам:
KPM
Вычисленное значение реактивной мощности компенсатора Q поступает на второй вход элемента сравнения 15.
Переменное напряжение вторичных обмоток трансформатора напряжения 1 поступает на вход выпрямителя 7, с выхода которого на второй вход инвертора 8 подается постоянное выпрямленное напряжение.
ВДТ_1
На выходе инвертора 8 по текущему значению выходного сигнала блока управления инвертором 9 формируется переменное по форме выходное напряжение u, частотой 50 Гц.
ВДТ_1
ВДТ_2
Выходное напряжение u, инвертора 8 поступает на первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 10, при этом на вторичной обмотке которого индуцируется переменное напряжение u, пропорциональное коэффициенту его трансформации.
2
ВДТ
C
К
Суммарное напряжение вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 u и вольтодобавочного трансформатора 10 u формирует величины напряжения на конденсаторе U и тока I компенсатора 3.
C
Напряжение на конденсаторе U, в соответствии с (10), определяет емкостную составляющую  реактивной мощности компенсатора 3.
К
Величина индуктивной составляющей реактивной мощности  компенсатора 3 в выражении (10) зависит от тока I компенсатора 3, протекающего через индуктивность L компенсатора 3.
KPM
При разном характере реактивных мощностей индуктивности и емкости, общая реактивная мощность компенсатора Q определяется их разностью.
К
ЭЛ
м
Результирующий емкостной ток I компенсатора 3 компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки 2 в цепи вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 и, соответственно, реактивную мощность электровоза Q на частоте первой гармоники 50 Гц. При этом происходит приближение фазы первой гармоники потребляемого тока к питающему напряжению, которое приводит к компенсации реактивной мощности и повышению значения коэффициента мощности к электровоза.
м
КРМ
ЭЛ
КРМ
ЭЛ
Максимально возможное значение коэффициента мощности к электровоза достижимо при условии равенства мощности компенсатора Q и реактивной мощности электровоза Q во всех режимах его работы, что обеспечивается путем плавного регулирования Q при изменении Q.
KPM
C
К
Изменение мощности компенсатора Q при фиксированной емкости С и индуктивности L компенсатора 3 осуществляется путем одновременного изменения напряжения U на обкладках конденсатора и тока I, протекающего через индуктивность компенсатора 3 в соответствии с соотношением:
В замкнутом контуре электрической цепи, включающего в себя вторичную обмотку трансформатора напряжения 1, вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 10, индуктивность L и емкость С компенсатора 3 в соответствии со вторым законом Кирхгофа выполняется следующее соотношение:
2
где u - напряжение вторичной обмотки трансформатора напряжения 1;
ВДТ_2
u - напряжение вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 10;
L
C
U, U - соответственно напряжение на индуктивности и емкости компенсатора 3.
КРМ
ЭЛ
Регулирование Q источника реактивной мощности осуществляется из условия полной компенсации реактивной мощности электровоза Q на частоте первой гармоники 50 Гц, т.е.:
ВДТ_1
C
К
ЭЛ
м
Таким образом, на выходе инвертора 8 формируется переменное напряжение первичной обмотки u вольтодобавочного трансформатора 10 с частотой 50 Гц, создающее напряжение на конденсаторе U и ток I на индуктивности компенсатора 3, компенсирующие реактивную мощность электровоза Q. При этом коэффициент мощности к приближается к 1 за счет приближения первой гармоники потребляемого тока к питающему напряжению.
Устройство вычисления реактивной мощности электровоза 13, устройство вычисления реактивной мощности компенсатора 14, элемент сравнения 15, ПИ-регулятор 16, инвертор 8 и цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 10 образуют структуру системы автоматического регулирования (САР) реактивной мощности по отклонению (ошибке). Объектом регулирования является цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 10, в качестве устройства управления САР используется блок управления инвертором 9, а инвертор 8 служит в качестве исполнительного устройства САР.
ЭЛ
KPM
Задающим элементом САР является устройство вычисления реактивной мощности электровоза 13, на выходе которого формируется сигнал заданного значения реактивной мощности Q, которая компенсируется при выполнении условия (14). Сигнал фактического значения реактивной мощности Q образуется на выходе устройства вычисления реактивной мощности компенсатора 14.
KPM
ЭЛ
ЭЛ
KPM
Эти сигналы сравниваются на входе элемента сравнения 15, который вычисляет отклонение фактического значения реактивной мощности Q от заданного значения Q. На выходе элемента сравнения появляется сигнал ошибки: Q-Q. САР работает таким образом, чтобы свести к минимуму величину этой ошибки.
ЭЛ
KPM
ВДТ_1
ВДТ_2
Для этого сигнал рассогласования подается на вход ПИ-регулятора 16, устраняющего статическую ошибку по скорости изменения входного сигнала ошибки Q-Q. Полученный на выходе ПИ-регулятора сигнал является входным сигналом для блока управления инвертором 9 (в структуре CAP - устройство управления), формирующего сигнал управления для инвертора 8. На выходе инвертора 8 образуется переменное напряжение u, которое поступает на первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 10. На его вторичной обмотке пропорционально коэффициенту трансформации появляется напряжение u, которое регулирует величину реактивной мощности компенсатора 3, определяемую напряжением на конденсаторе и током компенсатора 3.
ЭЛ
KPM
KPM
ЭЛ
Блок управления инвертором 9 осуществляет управление инвертором 8 таким образом, чтобы свести к минимуму сигнал ошибки Q-Q. При нулевой ошибке регулирования реактивная мощность компенсатора 3 Q становится равной реактивной мощности электровоза Q.
м
KPM
Таким образом, коэффициент мощности к электровоза увеличивается за счет полной компенсации реактивной мощности во всех режимах его работы (включая номинальный) путем плавного изменения реактивной мощности Q компенсатора 3 как по величине емкостной, так и индуктивной составляющей его реактивной мощности.
Испытание устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава проводилось в специализированной лаборатории ДВГУПС на физической модели электровоза с плавным регулированием напряжения, оборудованной заявляемым устройством.
м
Результаты испытаний показали, что использование на электровозе предлагаемого устройства для компенсации реактивной мощности приводит к повышению его коэффициента мощности к с 0,815 до 0,985. При этом cosϕ (первая составляющая коэффициента мощности) составляет 0,96-0,99. Одновременно с этим увеличивается на 10-12% скорость движения электровоза.