КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
REACTIVE POWER COMPENSATOR

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для повышения коэффициента мощности потребителей, в частности, электроподвижного состава переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения.
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.
м
Общеизвестно, что коэффициент мощности к электровоза при несинусоидальной форме напряжения и тока определяется по формуле (Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1984):
где ϕ - угол сдвига между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока,
ν - коэффициент искажения формы потребляемого тока.
Последний коэффициент характеризует степень искажения входного тока электровоза и определяется отношением первой гармоники тока к его действующему значению:
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
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.
Известен компенсатор реактивной мощности, принцип работы которого заключается в генерации тока автономным инвертором напряжения для компенсации нелинейного тока нагрузки и получения синусоидального сетевого тока [Лабунцов В.А., Чжан Дайжун. Однофазные полупроводниковые компенсаторы пассивной составляющей мгновенной мощности. М.: Электричество. - 1993. №12. С. 20-32].
Компенсатор реактивной мощности содержит автономный инвертор напряжения и блок управления автономным инвертором напряжения.
Автономный инвертор напряжения содержит мостовой выпрямитель, выполненный на базе полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей с встречно-параллельно подключенными к ним силовыми полупроводниковыми вентилями, а также конденсатор.
Силовые полупроводниковые ключи мостового управляемого выпрямителя, соединенные анодами и катодами, образуют соответственно его анодную и катодную группы. Соединение анодов и катодов полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей является выводами цепи переменного тока автономного инвертора напряжения.
Конденсатор включен между анодной и катодной группами управляемого выпрямителя.
Блок управления автономным инвертором напряжения содержит широтно-импульсный модулятор, датчик тока нагрузки, блок вычисления заданного сетевого тока и элемент сравнения. При этом один вход элемента сравнения соединен с выходом датчика тока нагрузки, а другой - с выходом блока вычисления заданного значения сетевого тока. Выход элемента сравнения подключен к входу широтно-импульсного модулятора. Выходы широтно-импульсного модулятора подключены к соответствующим входам управления полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей.
Блок управления автономным инвертором напряжения является разомкнутой системой регулирования тока компенсатора реактивной мощности.
Выводы цепи переменного тока автономного инвертора напряжения через согласующий дроссель подключены параллельно нелинейной нагрузке. При этом нагрузка представляет собой управляемый выпрямитель, нагруженный на активно-индуктивную цепь, и подключена к источнику синусоидального напряжения.
Устройство работает следующим образом.
*
н
k
На входы элемента сравнения блока управления автономным инвертором напряжения поступают сигналы заданного значения сетевого тока ki синусоидальной формы и фактического значения тока нагрузки ki, по текущим значениям которых на выходе упомянутого элемента сравнения формируется сигнал  заданного значения тока компенсатора реактивной мощности независимо от фактического значения тока компенсатора i.
м
Сигнал заданного значения тока компенсатора реактивной мощности  в широтно-импульсном модуляторе сравнивается с высокочастотным модулирующим сигналом u треугольной формы. Точки пересечения этих сигналов определяют выходные сигналы блока широтно-импульсного модулятора, которые, поступая в блок автономного инвертора напряжения, определяют интервалы работы его силовых полупроводниковых ключей.
На выходе автономного инвертора напряжения формируется напряжение, определяемое интервалами работы его силовых полупроводниковых ключей. Под действием этого напряжения в выходной цепи компенсатора реактивной мощности протекает ток компенсатора.
k
н
Сформированный компенсатором реактивной мощности ток i складывается на входе нагрузки с несинусоидальным током нагрузки i, образуя синусоидальный по форме и совпадающий по фазе с напряжением сети сетевой ток i.
м
В этом случае фаза ϕ сетевого тока i приближается к питающему напряжению, увеличивая cosϕ и, соответственно, повышая коэффициента мощности к.
м
Одновременно с этим осуществляется приближение формы сетевого тока i к синусоидальной, благодаря чему происходит уменьшение в составе сетевого тока i высших гармоник, что приводит к увеличению коэффициента мощности к за счет повышения значения коэффициента искажения формы тока ν.
м
Таким образом, использование известного компенсатора реактивной мощности позволяет повысить значение коэффициента мощности к нагрузки и снизить потери электроэнергии за счет сокращения потребления реактивной мощности.
Достоинство известного компенсатора реактивной мощности заключается в низких потерях электроэнергии за счет компенсации реактивной мощности.
k
Однако компенсация реактивной мощности, осуществляемая известным компенсатором реактивной мощности, является неполной, что является его недостатком. Это обусловлено погрешностью формирования тока компенсатора i, вызванной генерацией этого тока независимо от его фактического значения.
k
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является компенсатор реактивной мощности, принцип работы которого заключается в генерации тока компенсации i автономным инвертором напряжения для компенсации нелинейного тока нагрузки и получения синусоидального сетевого тока [Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок: Пер. с польск. - М.: Энергоатомиздат, 1985].
Компенсатор реактивной мощности содержит автономный инвертор напряжения (АИН) и блок управления автономным инвертором напряжения (БУ АИН).
Автономный инвертор напряжения содержит мостовой выпрямитель, выполненный на базе полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей с встречно-параллельно подключенными к ним силовыми полупроводниковыми вентилями, а также конденсатор.
Силовые полупроводниковые ключи мостового управляемого выпрямителя, соединенные анодами и катодами, образуют соответственно его анодную и катодную группы. Соединение анодов и катодов полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей являются выводами цепи переменного тока автономного инвертора напряжения.
Конденсатор включен между анодной и катодной группами управляемого выпрямителя.
Блок управления автономным инвертором напряжения содержит пороговый элемент, датчик тока нагрузки, датчик тока компенсатора, блок вычисления заданного значения сетевого тока, первый и второй элементы сравнения. При этом один вход первого элемента сравнения соединен с выходом датчика тока нагрузки, а другой - с выходом блока вычисления заданного значения сетевого тока. Выход первого элемента сравнения подключен к первому входу второго элемента сравнения, второй вход которого связан с выходом датчика тока компенсатора. Выход второго элемента сравнения подключен к входу порогового элемента, выходы которого подключены к соответствующим входам управления полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей.
Блок управления автономным инвертором напряжения является замкнутой системой регулирования тока компенсатора реактивной мощности, реализуемой с помощью датчика тока компенсатора и второго элемента сравнения.
Выводы цепи переменного тока автономного инвертора напряжения через последовательно включенные согласующий дроссель и датчик тока компенсатора подключены параллельно нелинейной нагрузке. При этом нагрузка представляет собой управляемый выпрямитель, нагруженный на активно-индуктивную цепь, и подключена к источнику синусоидального напряжения.
Устройство работает следующим образом.
*
*
н
н
На входы первого элемента сравнения блока управления автономным инвертором напряжения поступают сигналы заданного значения сетевого тока ki синусоидальной формы и фактического значения тока нагрузки ki, образованные соответственно на выходах блока вычисления заданного значения сетевого тока и датчика тока нагрузки. На выходе первого элемента сравнения формируется сигнал  заданного значения тока компенсатора реактивной мощности по текущим значениям заданного сетевого тока ki и фактического значения тока нагрузки ki.
k
k
п
На первый вход второго элемента сравнения поступает сигнал заданного значения тока компенсатора реактивной мощности , на второй его вход с датчика тока компенсатора - ток компенсатора реактивной мощности ki. В элементе сравнения происходит сравнение их значений. При этом фактическое значение тока компенсатора i благодаря замкнутой обратной связи находится в диапазоне значений, не превышающих значение заданного тока компенсатора  на величину значения u порогового элемента.
п
Сигнал разности  заданного и фактического значений тока компенсатора поступает на вход порогового элемента, имеющего характеристику в виде симметричной петли гистерезиса с порогом срабатывания u.
k
п
На выходе порогового элемента в моменты, когда разностный сигнал токов Δi превышает порог срабатывания u, формируются импульсы напряжения, которые попарно переключают силовые полупроводниковые ключи автономного инвертора напряжения.
k
п
Переключение силовых полупроводниковых ключей автономного инвертора напряжения приводит к изменению направления тока компенсатора i и обеспечивает траекторию изменения тока компенсатора в токовом коридоре, ширина которого ограничена значениями порогового напряжения u.
k
Приближение фактического значения тока компенсатора i заданному значению тока компенсатора  происходит за счет высокочастотного переключения силовых полупроводниковых ключей автономного инвертора напряжения. При этом в моменты переключения силовых полупроводниковых ключей автономного инвертора напряжения происходят потери в них активной мощности. Частое переключение силовых полупроводниковых ключей автономного инвертора напряжения обуславливает значительные потери в них активной мощности.
k
н
Сформированный компенсатором реактивной мощности ток компенсатора i складывается на входе нагрузки с несинусоидальным током нагрузки i, образуя синусоидальный по форме и совпадающий по фазе с напряжением сети сетевой ток i.
м
В этом случае фаза ϕ сетевого тока i приближается к питающему напряжению, увеличивая соsϕ и способствуя повышению коэффициента мощности к.
м
Одновременно с этим осуществляется приближение формы сетевого тока i к синусоидальной, благодаря чему происходит уменьшение в составе сетевого тока i высших гармоник, что приводит к увеличению коэффициента мощности к за счет увеличения значения коэффициента искажения тока ν.
Достоинство известного компенсатора реактивной мощности заключается в повышении компенсации реактивной мощности за счет более точного формирования тока компенсатора, приближающегося к его заданному значению, что приводит к повышению коэффициента мощности.
Недостатком известного устройства являются значительные потери активной мощности в автономном инверторе напряжения, влияющие на снижение коэффициента мощности нагрузки. Это обусловлено высокочастотным переключением силовых полупроводниковых ключей автономного инвертора напряжения.
м
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке компенсатора реактивной мощности, обеспечивающего значительное снижение потерь активной мощности в автономном инверторе напряжения при одновременном повышении коэффициента мощности к нагрузки за счет уменьшения частоты переключений силовых полупроводниковых ключей автономного инвертора напряжения.
Для решения поставленной задачи в компенсаторе реактивной мощности, подключенном своими выходами параллельно к цепи нагрузки из соединенных между собой управляемого выпрямителя и активно-индуктивной цепи и к источнику синусоидального напряжения, содержащем автономный инвертор напряжения, включающий полностью управляемые силовые полупроводниковые ключи со встречно-параллельно подключенными к ним силовыми полупроводниковыми вентилями и конденсатор, блок управления автономным инвертором напряжения, включающий датчик тока нагрузки, датчик тока компенсатора, блок вычисления заданного значения сетевого тока, два элемента сравнения, а также согласующий дроссель, при этом управляемые силовые полупроводниковые ключи автономного инвертора напряжения, соединенные коллекторами, образуют его коллекторную группу, а соединенные эмиттерами - его эмиттерную группу, связанные между собой конденсатором, соединения эмиттеров и коллекторов полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей являются выводами цепи переменного тока автономного инвертора напряжения, один вывод которой является первым выходом компенсатора реактивной мощности, другой ее вывод соединен со вторым выводом датчика тока компенсатора, первый вывод которого подключен ко второму выводу согласующего дросселя, первый вывод которого является вторым выходом компенсатора реактивной мощности, один вход первого элемента сравнения соединен с выходом датчика тока нагрузки, а другой - с выходом блока вычисления заданного значения сетевого тока, выход первого элемента сравнения подключен к первому входу второго элемента сравнения, второй вход которого связан с выходом датчика тока компенсатора, согласно изобретению в блок управления автономным инвертором напряжения дополнительно введены компаратор, логический элемент НЕ, триггер и генератор импульсов, причем выход второго элемента сравнения через последовательно включенные компаратор и логический элемент НЕ соединен с информационным входом D триггера, второй тактовый вход C которого подключен к выходу генератора импульсов, при этом выходы триггера подключены к соответствующим входам управления полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей.
Совокупность существенных признаков заявляемого решения отличается от совокупности существенных признаков известного решения введением новых элементов в один из блоков устройства и образованием новых взаимосвязей в устройстве, а именно блок управления автономным инвертором напряжения снабжен компаратором, логическим элементом НЕ, триггером и генератором импульсов, причем выход второго элемента сравнения через последовательно включенные компаратор и логический элемент НЕ соединен с информационным входом D триггера, второй вход C которого подключен к выходу генератора импульсов, при этом выходы триггера подключены к соответствующим входам управления полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей.
Наличие существенных отличительных признаков в совокупности существенных признаков заявляемого решения свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности изобретения «новизна».
м
Введение в блок управления автономным инвертором напряжения компаратора, логического элемента НЕ, триггера и генератора импульсов и образование новых взаимосвязей в устройстве приводит к снижению потери электроэнергии за счет сокращения потерь активной мощности в автономном инверторе напряжения и к повышению значения коэффициента мощности к нагрузки за счет уменьшения частоты переключений силовых полупроводниковых ключей автономного инвертора напряжения.
Это обусловлено тем, что потери активной мощности в компенсаторе связаны с потерями активной мощности в ключевых элементах автономного инвертора напряжения. Эти потери возникают во время переключения ключевых элементов автономного инвертора напряжения и определяются частотой работы ключевых элементов: чем больше частота переключений, тем выше потери активной мощности в ключевых элементах.
Частота переключения ключевых элементов автономного инвертора напряжения определяется фиксированной частотой генератора импульсов, зависящей от резонансной частоты согласующего дросселя.
Фиксированная частота переключения ключевых элементов достигается при одновременном наличии сигналов на информационном входе D и на тактовом входе C триггера.
Фиксированная согласованная частота переключения ключевых элементов автономного инвертора напряжения обеспечивает постоянную частоту одной высокочастотной пульсации в токе компенсатора и, соответственно, во входном токе преобразователя, что приводит к ее эффективному подавлению с помощью согласующего дросселя и повышению коэффициента искажения формы потребляемого тока ν и, соответственно, коэффициента мощности.
Причинно-следственная связь «введение в блок управления автономным инвертором напряжения компаратора, логического элемента НЕ, триггера и генератора импульсов и образование новых взаимосвязей в устройстве приводит к снижению потери электроэнергии за счет сокращения потерь активной мощности в компенсаторе» известна в уровне техники.
м
Причинно следственная связь «введение в блок управления автономным инвертором напряжения компаратора, логического элемента НЕ, триггера и генератора импульсов и образование новых взаимосвязей в устройстве приводит к повышению значения коэффициента мощности к нагрузки за счет снижения пульсаций в токе компенсатора и, соответственно, во входном токе преобразователя» не известна в уровне техники и явным образом не следует из него, следовательно, является новой.
Наличие новой причинно-следственной связи «существенные отличительные признаки - новый результат» свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертеже представлена схема компенсатора реактивной мощности, иллюстрирующая его работоспособность и «промышленную применимость».
Компенсатор реактивной мощности содержит автономный инвертор напряжения 1, блок управления автономным инвертором напряжения 2 и согласующий дроссель 3.
Автономный инвертор напряжения 1 состоит из полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей 4-7 со встречно-параллельно подключенными к ним силовыми полупроводниковыми вентилями 8-11, а также конденсатора 12.
Силовые полупроводниковые ключи 4-7 автономного инвертора напряжения 1, соединенные коллекторами, образуют его коллекторную группу, а соединенные эмиттерами - его эмиттерную группу.
Соединение эмиттеров и коллекторов полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей 4-7 является выводами цепи переменного тока автономного инвертора напряжения 1. Конденсатор 12 включен между анодной и катодной группами полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей 4-7. Первый вывод цепи переменного тока автономного инвертора напряжения 1 является первым выходом компенсатора реактивной мощности.
Блок управления автономным инвертором напряжения 2 содержит датчик тока нагрузки 13, датчик тока компенсатора 14, блок вычисления заданного значения сетевого тока 15, первый элемент сравнения 16 и второй элемент сравнения 17, компаратор 18, логический элемент НЕ 19, триггер 20 и генератор импульсов 21. При этом один вход первого элемента сравнения 16 соединен с выходом датчика тока нагрузки 13, а другой - с выходом блока вычисления заданного значения сетевого тока 15. Выход первого элемента сравнения 16 подключен к первому входу второго элемента сравнения 17, второй вход которого связан с выходом датчика тока компенсатора 14. Выход второго элемента сравнения 17 через последовательно включенные компаратор 18 и логический элемент НЕ 19 соединен с информационным входом D триггера 20. Второй вход C триггера 20 подключен к выходу генератора импульсов 21. Выходы триггера 20 подключены к соответствующим входам управления полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей 4-7.
Блок управления автономным инвертором напряжения 2 является замкнутой системой регулирования тока компенсатора реактивной мощности, реализуемой с помощью датчика тока компенсатора 14 и второго элемента сравнения 17. Выход датчика тока компенсатора 14 подключен к согласующему дросселю 3, выход которого является вторым выходом компенсатора реактивной мощности. Выходы компенсатора реактивной мощности подключены параллельно к цепи нагрузки и источнику синусоидального напряжения 25. При этом нагрузка 22 подключена параллельно источнику синусоидального напряжения 25 через датчик тока нагрузки 13. Нагрузка 22 представляет собой управляемый выпрямитель 23, нагруженный на активно-индуктивную цепь 24.
Выводы цепи переменного тока автономного инвертора напряжения 1 подключены параллельно нагрузке 22. При этом один вывод цепи переменного тока автономного инвертора напряжения 1 подключен напрямую, а второй его вывод - через датчик тока компенсатора 14 и согласующий дроссель 3.
Устройство работает следующим образом.
н
н
*
Под действием напряжения источника синусоидального напряжения 25 в цепи нагрузки 22 протекает ток нагрузки ki, контролируемый датчиком тока нагрузки 13. Сигнал фактического значения тока нагрузки ki поступает на первый вход первого элемента сравнения 16 блока управления автономным инвертором напряжения 2. Одновременно на второй его вход с блока вычисления заданного значения сетевого тока 15 поступает сигнал заданного значения сетевого тока ki синусоидальной формы.
*
н
На выходе первого элемента сравнения 16 формируется сигнал  заданного значения тока компенсатора реактивной мощности по текущим значениям заданного значения сетевого тока ki и фактического значения тока нагрузки ki.
k
На первый вход второго элемента сравнения 17 поступает сигнал заданного значения тока компенсатора реактивной мощности . На второй его вход с датчика тока компенсатора 14 - ток компенсатора реактивной мощности ki. В элементе сравнения 17 происходит сравнение их значений.
п
Сигнал разности  заданного и фактического значений тока компенсатора поступает на вход компаратора 18, имеющего характеристику в виде симметричной петли гистерезиса с порогом срабатывания u.
k
п
k
п
На выходе порогового элемента в моменты, когда разностный сигнал токов Δi превышает порог срабатывания u, формируются импульсы напряжения, которые переключают силовые полупроводниковые ключи автономного инвертора напряжения, благодаря чему происходит изменение направления тока компенсатора i. Пороговый элемент попарно включает силовые полупроводниковые ключи автономного инвертора напряжения и обеспечивает траекторию изменения тока компенсатора в токовом коридоре, ширина которого ограничена значениями порогового напряжения u.
k
п
Благодаря замкнутой обратной связи по току фактическое значение тока компенсатора i находится в диапазоне значений, не отличающихся от заданного тока компенсатора  свыше порогового значения u.
k
н
м
м
Сформированный компенсатором реактивной мощности ток i складывается на входе нагрузки 22 с несинусоидальным током нагрузки 22 i, образуя синусоидальный по форме и совпадающий по фазе с напряжением сети сетевой ток i. В этом случае фаза ϕ сетевого тока i приближается к питающему напряжению, увеличивая cosϕ и способствуя повышению коэффициента мощности к. Одновременно с этим осуществляется приближение формы сетевого тока i к синусоидальной, благодаря чему происходит уменьшение в составе сетевого тока i высших гармоник, что приводит к увеличению коэффициента мощности к за счет увеличения значения коэффициента искажения тока ν.
Моделирование работы преобразователя в пакете Simulink программы MATLAB показало, что потери активной мощности в ключевых элементах автономного инвертора напряжения сократились в 1,8 раза.
м
Таким образом, использование известного компенсатора реактивной мощности позволяет повысить значение коэффициента мощности к нагрузки и снизить потери электроэнергии как за счет сокращения потерь активной мощности в компенсаторе, так и за счет снижения пульсаций в токе компенсатора и, соответственно, во входном токе.