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 низкий коэффициент мощности, достигающий в лучшем случае 0,84.
Низкий коэффициент мощности обусловлен следующим.
При несинусоидальной форме напряжения и тока полная мощность S=U·I электрической цепи рассчитывается как [Атабеков Г.И. Основы теории цепей. - М.: Энергия. 1969. - 424 с.]:
где P - активная мощность;
Q - реактивная мощность;
N - мощность искажения, характеризующая степень различия в формах кривых напряжения и тока.
При синусоидальной форме синфазных напряжения и тока S=Р, поэтому мощности Q и N являются реактивными.
По аналогии с синусоидальными функциями отношение активной мощности при несинусоидальных токах к полной мощности называется коэффициентом мощности:
м
к=P/S
При синусоидальном напряжении и несинусоидальном токе активная мощность P определяется мощностью первой гармоники:
1
1
Р=UICosφ
1
где φ - угол сдвига между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока.
Следовательно, коэффициент мощности:
1
где ν - 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, во-первых, увеличивает Cosφ путем создания емкостного тока нагрузки и смещения первичного тока электровоза в сторону опережения питающего напряжения, во-вторых, повышает значение коэффициента ν благодаря шунтирующему действию LC-цепи для тока высших гармоник, генерируемых преобразователем электровоза.
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.
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. Одновременно с этим через LC-цепь осуществляется шунтирование внутри электровоза третьей и ближайших по частоте высших гармонических составляющих тока, приводящее к уменьшению в составе входного тока электровоза высших гармоник тока и увеличению коэффициент искажения формы потребляемого тока ν.
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.
м
м
Кроме того, резонансная LC-цепь, настроенная на частоту, близкую к частоте наибольшей по величине третьей гармонической составляющей тока, оказывает шунтирующее действие для гармоник тока, генерируемых преобразователем электровоза. При этом образуется локальный контур тока третьей гармоники «преобразователь-LC-цепь» внутри электровоза, в котором происходит компенсация третьей и близких по частоте высших гармонических составляющих в потребляемом токе электровоза. Снижение уровня высших гармоник во входном токе электровоза способствует увеличению коэффициента искажения формы потребляемого тока ν и, соответственно, увеличению коэффициента мощности к. Таким образом, коэффициент мощности к возрастает также за счет уменьшения в составе входного тока электровоза высших гармоник, определяющих коэффициент искажения формы потребляемого тока ν.
Среднее значение коэффициента мощности электровоза при мощности компенсатора 520 кВАр (C=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
Достоинством известного устройства является высокое значение коэффициента мощности к, обусловленное незначительным потреблением реактивной мощности.
м
1
Однако достижение высокого значения коэффициента мощности к электровоза обеспечивается лишь при определенных (номинальных) токах нагрузки, при которых Cosφ имеет максимальное значение, и лишь на определенных интервалах работы преобразователя, во время которого происходит шунтирование токов высших гармоник, влияющих на коэффициент ν. 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 №332012 г. МКИ B60L 9/00].
Устройство для компенсации реактивной мощности содержит многообмоточный трансформатор напряжения, связанный с нагрузкой, компенсатор, блок синхронизирующих импульсов, датчик тока, датчик напряжения, выпрямитель, инвертор, блок управления инвертором и вольтодобавочный трансформатор.
Компенсатор содержит первый и второй источники реактивной мощности, каждый из которых 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, а его выход - с входом блока синхронизирующих импульсов, выход которого подключен ко второму входу блока управления инвертором.
Первые выводы первого и второго источников реактивной мощности соединены между собой. Объединенные выводы источников реактивной мощности связаны с первой (I) секцией вторичной обмотки трансформатора напряжения. Вторые выводы первого и второго источников реактивной мощности через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора подсоединены к третьей (III) секции вторичной обмотки 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, осуществляющего плавное четырехзонное регулирование напряжения на двигателе. При этом двигатель потребляет из сети кроме активной, также реактивную мощность, которая влияет на ухудшение показателей электропотребления.
ЭЛ
1
ЭЛ
В блок управления инвертором с датчика тока поступает текущее значение тока электровоза и с датчика напряжения через блок синхронизирующих импульсов - текущее значение питающего напряжения. По поступившим значениям 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.
ВДТ_1
ЭЛ
Этот сигнал поступает на первый вход инвертора, на второй вход которого с выхода выпрямителя поступает постоянное напряжения, в результате на его выходе формируется выходное напряжение u, пропорциональное реактивной мощности электровоза Q.
ВДТ_1
ВДТ_2
Выходное напряжение инвертора u поступает на первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора. На вторичных обмотках вольтодобавочного трансформатора индуцируется напряжение u, пропорциональное коэффициенту его трансформации.
C
КРМ
ЭЛ
м
Суммарное напряжение вторичных обмоток трансформатора и напряжение вольтодобавочного трансформатора, определяющее величину напряжения на конденсаторе U источников реактивной мощности, поступает на конденсаторы первого и второго источников реактивной мощности. Величина напряжения на обкладках конденсаторов источников реактивной мощности определяет реактивную мощность компенсатора Q. Емкостной ток источников 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 степень компенсации реактивной мощности электровоза определяет значение 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.
КРМ
C
Изменение мощности компенсатора Q при фиксированной емкости компенсатора C 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 I-II-III секции вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 (или I-II секции вторичной обмотки трансформатора напряжения), вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора, индуктивность L и емкость C источников реактивной мощности в соответствии со вторым законом Кирхгофа выполняется следующее соотношение:
2
ВДТ2
L
C
u+u=U+U,
2
где u - напряжение I-II-III (или I-II) секций вторичной обмотки трансформатора напряжения;
ВДТ2
u - напряжение вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора;
L
C
U, U - соответственно напряжение на индуктивности и емкости источников реактивной мощности.
L
C
При малой величине активного сопротивления обмотки индуктивности U<<U, справедливо соотношение:
2
ВДТ2
C
u+u=U
КРМ
2
ВДТ2
Изменение напряжения на конденсаторе источников 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 конденсаторах U источников реактивной мощности регулируется из условия полной компенсации реактивной мощности электровоза Q на частоте первой гармоники 50 Гц, т.е.:
ВДТ_1
C
ЭЛ
м
1
Таким образом, на выходе инвертора формируется переменное напряжение первичной обмотки u вольтодобавочного трансформатора с частотой 50 Гц, создающее напряжение на конденсаторах U источников реактивной мощности, компенсирующее реактивную мощность электровоза Q. При этом коэффициент мощности к увеличивается за счет приближения Cosφ к 1.
Кроме того, при работе компенсатора происходит изменение коэффициента искажения формы потребляемого тока ν.
LC-цепь первого и второго источников реактивной мощности, настроенных на частоту третьей гармоники питающего напряжения, шунтируют токи высших гармоник, генерируемых нагрузкой, увеличивая коэффициент искажения формы потребляемого тока ν.
0з
рег
рег
0
Первый источник реактивной мощности при подключении цепи нагрузки к трансформатору напряжения с малым напряжением (напряжением секций I-II) на интервале времени α - α и второй источник реактивной мощности при подключении цепи нагрузки к трансформатору напряжения с большим напряжением (напряжением секций I-II-III) на интервале времени от подачи импульсов управления α до t=α следующего полупериода сетевого напряжения создают контуры для шунтирования тока высших гармоник.
0з
рег
рег
0
Таким образом, шунтирование тока высших гармоник осуществляется на обоих интервалах работы выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза α - α и α - α, т.е. на всем интервале его работы.
м
Генерируемые нагрузкой токи высших гармоник замыкаются через LC-цепи первого и второго источников реактивной мощности, минуя цепи вторичной и, соответственно, первичной обмотки трансформатора напряжения. Это приводит к отсутствию высших гармоник токов в форме входного тока электровоза, приближая ее к синусоидальной форме и увеличивая значение коэффициент искажения формы потребляемого тока ν. Благодаря этому значение коэффициента мощности к электровоза повышается.
м
КРМ
Таким образом, коэффициент мощности к электровоза увеличивается как за счет полной компенсации реактивной составляющей входного тока на частоте 50 Гц, так и за счет улучшения формы входного тока 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, т.е. за счет приближения первой гармоники потребляемого тока к питающему напряжению.
м
м
1
Однако коэффициент мощности к электровоза остается ниже его максимально возможных значений, что является недостатком известного устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава. Это обусловлено тем, что регулирование коэффициент мощности к осуществляется только на частоте первой гармоники 50 Гц за счет управления величиной Cosφ без воздействия на высшие гармонические составляющие тока, определяющие величину коэффициента искажения формы потребляемого тока ν.
м
1
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, обеспечивающего повышение коэффициента мощности к электровоза до экстремально высоких значений за счет управления величиной произведения коэффициента Cosφ на частоте первой гармоники и коэффициента искажения формы потребляемого тока ν.
м
Для решения поставленной задачи в устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее многообмоточный трансформатор напряжения с тремя секциями вторичной обмотки I, II, III соответственно, связанный с нагрузкой из выпрямительно-инверторного преобразователя и двигателя, компенсатор, включающий два источника реактивной мощности, выполненные как LC-цепь, датчик тока, датчик напряжения, блок синхронизирующих импульсов, выпрямитель, инвертор, вольтодобавочный трансформатор, при этом нагрузка подключена параллельно трансформатору напряжения, который через датчик тока соединен с сетью, вход датчика напряжения соединен параллельно сети, а его выход - с входом блока синхронизирующих импульсов, первые выводы обоих источников реактивной мощности объединены между собой и являются первым входом компенсатора, вторые их выводы - вторым и третьим входами компенсатора, первый вход компенсатора связан с первой (I) секцией вторичной обмотки трансформатора напряжения, второй и третий входы компенсатора через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора подсоединены к третьей (III) секции вторичной обмотки трансформатора напряжения, первая (I) и вторая (II) секция вторичной обмотки трансформатора напряжения через выпрямитель соединена со вторым входом инвертора, введены блок вычисления активной мощности, блок вычисления полной мощности и блок экстремального регулирования, предназначенный для получения экстремальных значений коэффициента мощности к методом шагового поиска и содержащий блок линии задержки, представляющий собой элемент памяти, блок задатчика зоны нечувствительности, представляющий собой источник напряжения, сигнал которого определяет зону нечувствительности δ коэффициента мощности при его регулировании, первый и второй элементы сравнения, сигнум-реле и блок управления инвертором, причем в блоке экстремального регулирования объединенные вход блока линии задержки и первый вход первого элемента сравнения являются его входом, выход блока линии задержки подключен к второму входу первого элемента сравнения, выход которого связан с первым входом второго элемента сравнения, второй вход второго элемента сравнения связан с выходом блока задатчика зоны нечувствительности, выход второго элемента сравнения через сигнум-реле связан с входом блока управления инвертором, выход которого является выходом блока экстремального регулирования, выход датчика тока соединен с первыми входами блока вычисления активной мощности и блока вычисления полной мощности, выходы которых связаны, соответственно, с первым и вторым входом блока вычисления коэффициента мощности, выход блока синхронизирующих импульсов подключен к вторым входам блока вычисления активной мощности и блока вычисления полной мощности, выход блока вычисления коэффициента мощности соединен с входом блока экстремального регулирования, выход которого подключен к первому входу инвертора, выход инвертора подключен к вольтодобавочному трансформатору, а работа сигнум-реле осуществляется в соответствии с выражением:
i-1
z=ΔQ-δ;
i-1
i-1
i-2
ΔQ=Q(x)-Q(x);
где z - сигнал на входе сигнум-реле, а ±1 - сигнал на его выходе;
i-1
ΔQ - приращение коэффициента мощности на (i-1)-м периоде вычисления;
δ - величина зоны нечувствительности;
i-1
i-2
Q(x) и Q(x) - значения коэффициента мощности, соответственно, на (i-1)-м и (i-2)-м периоде вычисления.
м
Введение в устройство для компенсации реактивной мощности блока вычисления активной мощности, блока вычисления полной мощности и блока экстремального регулирования, предназначенного для получения максимальных значений коэффициента мощности к методом шагового поиска и содержащего блок линии задержки, представляющий собой элемент памяти, блок задатчика зоны нечувствительности, представляющий собой источник напряжения, сигнал которого определяет зону нечувствительности δ коэффициента мощности при его регулировании, первый и второй элементы сравнения, сигнум-реле и блок управления инвертором и образование новых взаимосвязей между элементами устройства отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности изобретения «новизна».
м
м
1
Введение в устройство для компенсации реактивной мощности блока вычисления активной мощности, блока вычисления полной мощности и блока экстремального регулирования, предназначенного для получения максимальных значений коэффициента мощности к методом шагового поиска и содержащего блок линии задержки, представляющий собой элемент памяти, блок задатчика зоны нечувствительности, представляющий собой источник напряжения, сигнал которого определяет зону нечувствительности δ коэффициента мощности при его регулировании, первый и второй элементы сравнения, сигнум-реле и блок управления инвертором и образование новых взаимосвязей между элементами устройства приводит к повышению коэффициента мощности к электровоза до экстремально высоких значений за счет управления величиной произведения коэффициента Cosφ на частоте первой гармоники и коэффициента искажения формы потребляемого тока ν.
м
1
м
м
Это обусловлено тем, что в заявляемом устройстве экстремальная величина коэффициента мощности к электровоза регулируется не путем раздельного воздействия либо на величину коэффициента Cosφ на частоте первой гармоники, либо на величину коэффициента искажения формы потребляемого тока ν, а путем непосредственного воздействия на величину их произведения. Такое воздействие приводит к максимальному снижению реактивной и полной мощности электровоза, и, как следствие, к экстремально высоким значениям коэффициента мощности к. Кроме того, достижение экстремально высоких значений коэффициента мощности к приводит к снижению потерь мощности в сети между электровозом и подстанцией.
м
м
1
Причинно-следственная связь «Введение в устройство для компенсации реактивной мощности блока вычисления активной мощности, блока вычисления полной мощности и блока экстремального регулирования, предназначенного для получения максимальных значений коэффициента мощности к методом шагового поиска и содержащего блок линии задержки, представляющий собой элемент памяти, блок задатчика зоны нечувствительности, представляющий собой источник напряжения, сигнал которого определяет зону нечувствительности δ коэффициента мощности при его регулировании, первый и второй элементы сравнения, сигнум-реле и блок управления инвертором и образование новых взаимосвязей между элементами устройства приводит к повышению коэффициента мощности к электровоза до экстремально высоких значений за счет управления величиной произведения коэффициента Cosφ на частоте первой гармоники и коэффициента искажения формы потребляемого тока ν» 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 экстремального регулирования 4, датчик тока 5, датчик напряжения 6, блок синхронизирующих импульсов 7, выпрямитель 8, инвертор 9, вольтодобавочный трансформатор 10, блок вычисления активной мощности 11, блок вычисления полной мощности 12 и блок вычисления коэффициента мощности 13.
Компенсатор 3 включает первый и второй источники реактивной мощности 20 и 21, каждый из которых представляет собой LC-цепь с фиксированными параметрами индуктивности и емкости, рассчитанную на работу в номинальном режиме работы электровоза.
м
Блок экстремального регулирования 4 предназначен для получения максимальных значений коэффициента мощности к методом шагового поиска и содержит блок линии задержки 14, блок задатчика зоны нечувствительности 15, первый 16 и второй 17 элементы сравнения, сигнум-реле 18 и блок управления инвертором 19. Блок линии задержки 14 представляет собой элемент памяти. Блок задатчика зоны нечувствительности 15 представляет собой источник напряжения, сигнал которого определяет заданную зону нечувствительности δ коэффициента мощности, т.е. диапазон его возможных значений. Шаг работы блока экстремального регулирования 4 равен периоду времени T сетевого напряжения.
Объединенные вход блока линии задержки 14 и первый вход первого элемента сравнения 16 являются входом блока экстремального регулирования 4. Выход блока линии задержки 14 подключен к второму входу первого элемента сравнения 16, выход которого связан с первым входом второго элемента сравнения 17. Второй вход второго элемента сравнения 17 связан с выходом блока задатчика зоны нечувствительности 15. Выход второго элемента сравнения 17 через сигнум-реле 18 связан с входом блока управления инвертором 19, выход которого является выходом блока экстремального регулирования 4.
Первые выводы первого и второго источников реактивной мощности 20, 21 объединены между собой и являются первым входом компенсатора 3. Вторые выводы первого и второго источников реактивной мощности 20, 21 являются вторым и третьим входами компенсатора 3.
Трансформатор напряжения 1 выполнен многообмоточным с тремя секциями вторичной обмотки I, II, III соответственно.
Нагрузка 2 включает в себя выпрямительно-инверторный преобразователь 22 и двигатель 23.
Нагрузка 2 подключена параллельно трансформатору напряжения 1. Трансформатор напряжения 1 соединен с сетью через датчик тока 5. Выход датчика тока 5 соединен с первыми входами блока вычисления активной мощности 11 и блока вычисления полной мощности 12, выходы которых связаны, соответственно, с первым и вторым входом блока вычисления коэффициента мощности 13.
Вход датчика напряжения 6 соединен параллельно сети, а его выход - с входом блока синхронизирующих импульсов 7, выход которого подключен к вторым входам блока вычисления активной мощности 11 и блока вычисления полной мощности 12. Выход блока вычисления коэффициента мощности 13 соединен с входом блока экстремального регулирования 4, выход которого подключен к первому входу инвертора 9, выход инвертора 9 подключен к вольтодобавочному трансформатору 10.
Первый вход компенсатора 3 связан с первой (I) секцией вторичной обмотки трансформатора напряжения 1. Второй и третий входы компенсатора 3 через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора 10 подсоединены к третьей (III) секции вторичной обмотки трансформатора напряжения 1.
Первая (I) и вторая (II) секция вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 через выпрямитель 8 соединена со вторым входом инвертора 9.
Устройство для компенсации реактивной мощности работает следующим образом.
Пониженное трансформатором напряжения 1 переменное напряжение сети поступает на вход выпрямительно-инверторного преобразователя 22, осуществляющего плавное четырехзонное регулирование напряжения на двигателе 23. При этом двигатель 23 потребляет из сети кроме активной, также реактивную мощность, которая влияет на ухудшение показателей электропотребления.
Текущие значения сетевого напряжения u и потребляемого электровозом тока i измеряются датчиками тока 5 и напряжения 6. Выходной сигнал датчика напряжения 6 поступает в блок синхронизирующих импульсов 7. В блоке синхронизирующих импульсов 7 формируются импульсы управления в моменты перехода сетевого напряжения через ноль, позволяющие отсчитывать периоды изменения Т этого напряжения.
На входы блока вычисления активной мощности 11 и блока вычисления полной мощности 12 поступают выходной сигнал тока с выхода датчика тока 5 и выходной сигнал напряжения с выхода блока синхронизирующих импульсов 7. В блоках вычисления активной 11 и полной 12 мощности по текущим значениям напряжения и тока вычисляются, соответственно, активная P и полная мощность S электровоза по известным формулам:
м
Вычисленные значения активной и полной мощности поступают в блок вычисления коэффициента мощности 13, где для i-го периода времени T определяется значение коэффициента мощности к электровоза за предшествующий (i-1)-й период времени Т.
м
к=P/S
м
i-1
Полученное значение к характеризует показатель качества Q(x) системы управления инвертором на предыдущем (i-1)-м периоде вычисления.
м
1
Дальнейшее регулирование осуществляется непосредственно по вычисленной величине к, т.е. по произведению значений Cosφ и ν без раздельного воздействия на эти составляющие.
i-1
м
м экст
м
м
м экст
м экст
м экст
Сигнал Q(x), пропорциональный коэффициенту мощности к, поступает на вход блока экстремального регулирования 4, который осуществляет поиск коэффициента мощности электровоза вблизи его экстремальных значений к и поддерживает его вблизи этих значений. Поиск экстремального значения коэффициента мощности осуществляется путем ступенчатого приращения напряжения инвертора на величину Δx как в сторону его увеличения, так и уменьшения. Алгоритм поиска заключается в следующем: при увеличении коэффициента мощности к сохраняется приращение напряжения инвертора, выбранное на предыдущем шаге, при уменьшении коэффициента мощности к приращение напряжения инвертора выбирается с противоположным знаком. При регулировании диапазон возможных значений коэффициента мощности отличается от экстремального к значения на заданную величину зоны нечувствительности δ и находится в пределах от (к - δ) до к.
i-1
м
i-1
i-2
На вход блока линии задержки 14 и первый вход первого элемента сравнения 16 подается сигнал Q(x), пропорциональный коэффициенту мощности к. В блоке линии задержки 14 сигнал Q(x) сохраняется на период времени Т и на последующем периоде принимает значение Q(x), которое поступает на второй вход первого элемента сравнения 16.
i-1
i-2
i-1
В первом элементе сравнения 16 происходит сравнение сигналов Q(x) и Q(x), разность которых определяет приращение коэффициента мощности ΔQ на (i-1)-м периоде вычисления:
i-1
i-1
i-2
ΔQ=Q(x)-Q(x);
i-1
Сигнал приращение коэффициента мощности ΔQ подается на первый вход второго элемента сравнения 17, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока задатчика зоны нечувствительности 15. В блоке 17 происходит вычисление их разности:
i-1
z=ΔQ-δ.
м
м экст
м экст
м экст
Если разность z меньше величины зоны нечувствительности δ экстремального регулятора 4, то величина коэффициента мощности к находится в заданном диапазоне экстремальных значений от (к - δ) до к. Принцип экстремального регулирования основан на том, что после попадания значения коэффициента мощности в зону нечувствительности δ регулятор 4 поддерживает его значения в этом диапазоне, т.е система поиска начнет циклическое движение в области экстремальных значений к.
i-1
Разностный сигнал z=ΔQ-δ поступает в сигнум-реле 18, где он анализируется. Сигнал на выходе сигнум-реле 18 принимает одно из двух возможных значений (+1 или -1), которые формируются в зависимости от разности z в соответствии с выражением:
При значении signz=+1 на i-м шаге поиска выбирается тоже приращение напряжения инвертора Δx (направление поиска), что и на предыдущем (i-1)-м шаге, а при значении signz=-1 на i-м шаге поиска выбирается противоположное по знаку приращение напряжения инвертора, т.е. - Δx.
упр(i)
Сигнал с выхода сигнум-реле 18 поступает в блок управления инвертором 19, в котором происходит формирования сигнала управление инвертором ±Δu на i-м шаге управления в зависимости от величины signz. Если signz=+1, то приращение напряжение управления не изменяется по сравнению с предыдущим (i-1)-ым шагом поиска, если signz=-1, то приращение напряжение управления выбирается с противоположным знаком.
Блок управления инвертором 19 работает по следующему алгоритму:
ВДТ_1
Сформированный в блоке управления инвертором 19 сигнал поступает в инвертор 9, который осуществляет ступенчатое изменение напряжения Δu на его выходе (на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 10) в сторону его увеличения, или уменьшения.
упр(i)
Изменение напряжения инвертора 9 на i-м шаге определяется знаком приращения напряжения управления ±Δu. Инвертор 9 работает по следующему алгоритму:
Приращение напряжения на выходе инвертора 9 приводит к изменению напряжения на первичной и вторичной обмотках вольтодобавочного трансформатора 10 и, соответственно, к изменению напряжения на конденсаторах источника реактивной мощности 3, благодаря которому происходит либо увеличение, либо уменьшение реактивной мощности устройства компенсации, обеспечивающее экстремально высокие значения коэффициента мощности электровоза.
ВДТ_1
ВДТ_2
Выходное напряжение инвертора u, поступая на первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора, индуцирует на вторичных обмотках вольтодобавочного трансформатора напряжение u, пропорциональное коэффициенту его трансформации.
C
КРМ
Суммарное напряжение вторичных обмоток трансформатора напряжения и напряжение вольтодобавочного трансформатора, определяющее величину напряжения на конденсаторе U источников реактивной мощности, поступает на конденсаторы первого и второго источников реактивной мощности. Величина напряжения на обкладках конденсаторов источников реактивной мощности определяет реактивную мощность компенсатора Q.
где C - емкость конденсатора источника реактивной мощности,
C
U - напряжение на обкладках конденсатора источника реактивной мощности.
м экстр
Емкостной ток источников реактивной мощности максимально компенсирует реактивную составляющую тока нагрузки в цепи вторичной обмотки трансформатора напряжения, повышая до экстремального значения коэффициента мощности к электровоза.
м экстр
м экстр
Таким образом, устройство для компенсации реактивной мощности позволяет в диапазоне значений от (к - δ) до к получить экстремально высокие значения коэффициента мощности.
м
Результаты математического моделирования показывают, что использование заявляемого устройства увеличивает по сравнению с прототипом коэффициент мощности к электровоза с 0,82 до 0,98. Одновременно с этим потери напряжения в тяговой сети уменьшились на 15-18%.