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

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для 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 Р - 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:
м
к=P/S
При синусоидальном напряжении и несинусоидальном токе активная мощность Р определяется мощностью первой гармоникой тока:
1
1
Р=UIcosϕ
1
1
где ϕ - угол сдвига между питающим напряжением U и первой гармоникой потребляемого тока I.
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.
1
Таким образом, в электрических цепях, характеризующимися периодическими токами несинусоидальной формы, выделяют две составляющие коэффициента мощности: коэффициент cosϕ, обусловленный сдвигом фаз между первой гармоникой тока I и напряжением U, и коэффициент ν, обусловленный искажением кривой тока.
м
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 высокое значение коэффициента мощности к электровоза при определенных (номинальных) токах нагрузки за счет увеличения cosϕ, путем приближения фазы ϕ первой гармоники потребляемого электровозом тока к питающему напряжению.
м
Недостатком известного устройства является недостаточно высокое значение коэффициента мощности к электровоза при токах нагрузки, отличных от номинальных
Это обусловлено применением LC-компенсатора с фиксированными параметрами и постоянной величиной тока компенсации.
м
Отклонение тока нагрузки электровоза от номинального значения вызывает неполную компенсацию реактивной мощности, снижающую коэффициент мощности к.
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 токе [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, нагрузку, 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 вольтодобавочного 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.
С
КРМ
Суммарное напряжение вторичной обмотки трансформатора напряжения и вольтодобавочного трансформатора формирует величину напряжения U на конденсаторе 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
С
Изменение мощности компенсатора Q при фиксированной емкости конденсатора С компенсатора осуществляется путем изменения напряжения U на его обкладках в соответствии с соотношением:
где С - емкость конденсатора источника реактивной мощности,
С
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 конденсатор С источника реактивной мощности в соответствии со вторым законом Кирхгофа выполняется следующее соотношение:
2
ВДТ_2
L
C
u+u=U+U,
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 конденсаторе источника реактивной мощности.
L
C
При малой величине активного сопротивления обмотки индуктивности U<U, поэтому справедливо следующее соотношение:
2
ВДТ_2
C
u+u=U
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
1
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 I к питающему напряжению.
м
КРМ
Таким образом, коэффициент мощности к электровоза увеличивается за счет полной компенсации реактивной составляющей входного тока только на основной 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 на основной частоте 50 Гц путем приближения первой гармоники потребляемого тока к питающему напряжению.
м
Однако повышение коэффициента мощности к электровоза остается недостаточно полным, что обусловлено регулированием реактивной мощности электровоза и компенсатора только по величине первой гармонической составляющей реактивной тока на основной частоте 50 Гц без учета реактивной мощности искажения.
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 электровоза и компенсатора как по величине первой гармонической составляющей реактивной тока на основной частоте 50 Гц, так и реактивной мощности искажения, вызванной высшими гармоническими составляющими реактивного тока.
ЭЛ
Для решения поставленной задачи устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, содержащее многообмоточный трансформатор напряжения, 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 - с входом блока синхронизирующих импульсов, выход которого подключен к первому входу блока управления инвертором, 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 первой секции вторичной обмотки трансформатор напряжения, снабжено вторым датчиком тока, вторым датчиком напряжения, элементом сравнения, ПИ-регулятором и двумя идентичными блоками вычисления реактивной мощности, каждый из которых содержит фильтр, дифференциатор, усилитель, умножитель и интегратор, при этом в каждом блоке вычисления реактивной мощности вход фильтра является его первым входом, второй вход интегратора - его вторым входом, второй вход умножителя - его третьим входом, а выход интегратора - его выходом, выход фильтра через последовательно соединенные дифференциатор и усилитель подключен к первому входу умножителя, выход которого соединен с первым входом интегратора, выход каждого датчика тока соединен с третьим входом соответствующего блока вычисления реактивной мощности, выход каждого датчика напряжения соединен с первым входом соответствующего блока вычисления реактивной мощности, выход блока синхронизирующих импульсов подключен ко второму входу каждого блока вычисления реактивной мощности, выход одного блока вычисления реактивной мощности соединен с первым входом, а выход другого - со вторым входом элемента сравнения, выход которого через ПИ-регулятор подключен к второму входу блока управления инвертором, вход второго датчика тока соединен последовательно между вторыми выводами источника реактивной мощности и вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора, вход второго датчика напряжения подключен параллельно к последовательно включенным второму датчику тока и компенсатору, причем первый блок вычисления реактивной мощности формирует сигнал среднего значения реактивной мощности электровоза Q в соответствии с формулой:
где  - круговая частота сетевого напряжения;
T - период изменения сетевого напряжения;
i(t) - текущее значение тока электровоза;
u(t) - текущее значение сетевого напряжения,
КРМ
а второй блок вычисления реактивной мощности формирует сигнал среднего значения реактивной мощности компенсатора Q в соответствии с формулой:
где  - круговая частота сетевого напряжения;
T - период изменения сетевого напряжения;
k
i(t) - текущее значение тока компенсатора;
КРМ
u(t) - текущее значение напряжения компенсатора.
Кроме того, в устройстве для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава первый и второй блоки вычисления реактивной мощности, элемент сравнения, ПИ-регулятор, инвертор и цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора образуют систему автоматического регулирования (САР) реактивной мощности по отклонению (ошибке), причем цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора выполняет функцию объекта регулирования САР, блок управления инвертором - функцию устройства управления САР, инвертор - функцию исполнительного устройства САР, первый блок вычисления реактивной мощности - функцию задающего элемента САР, второй блок вычисления реактивной мощности - функцию измерительного элемента САР.
ЭЛ
Введение в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава второго датчик напряжения, второго датчика тока, элемента сравнения, ПИ-регулятора и двух идентичных первого и второго блоков вычисления реактивной мощности, предназначенных для вычисления реактивной мощности и содержащих фильтр, дифференциатор, усилитель, умножитель и интегратор и образование новых взаимосвязей между элементами устройства, а также формирование первым блоком вычисления реактивной мощности сигнала среднего значения реактивной мощности электровоза Q в соответствии с формулой:
где  - круговая частота сетевого напряжения;
T - период изменения сетевого напряжения;
i(t) - текущее значение тока электровоза;
u(t) - текущее значение сетевого напряжения,
КРМ
а вторым блоком вычисления реактивной мощности - сигнала среднего значения реактивной мощности компенсатора Q в соответствии с формулой:
где  - круговая частота сетевого напряжения;
T - период изменения сетевого напряжения;
k
i(t) - текущее значение тока компенсатора;
КРМ
u(t) - текущее значение напряжения компенсатора.
отличает заявляемое решение от прототипа.
Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности изобретения «новизна».
ЭЛ
Введение в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава второго датчика напряжения, второго датчика тока, элемента сравнения, ПИ-регулятора и двух идентичных первого и второго блоков вычисления реактивной мощности, предназначенных для вычисления реактивной мощности и содержащих фильтр, дифференциатор, усилитель, умножитель и интегратор и образование новых взаимосвязей между элементами устройства, а также формирование первым блоком вычисления реактивной мощности сигнала среднего значения реактивной мощности электровоза Q в соответствии с формулой:
где  - круговая частота сетевого напряжения;
T - период изменения сетевого напряжения;
i(t) - текущее значение тока электровоза;
u(t) - текущее значение сетевого напряжения,
KPM
а вторым блоком вычисления реактивной мощности - сигнала среднего значения реактивной мощности компенсатора Q в соответствии с формулой:
где  - круговая частота сетевого напряжения;
T - период изменения сетевого напряжения;
k
i(t) - текущее значение тока компенсатора;
КРМ
м
u(t) - текущее значение напряжения компенсатора приводит к повышению коэффициента мощности к электровоза.
ЭЛ
КРМ
Это обусловлено тем, что в заявляемом устройстве для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава обеспечение равенства Q=Q осуществляется за счет определения этих мощностей как по величине первой гармонической составляющей реактивной тока на основной частоте 50 Гц, так и реактивной мощности искажения, вызванной высшими гармоническими составляющими реактивного тока.
ЭЛ
КРМ
м
Обеспечение равенства Q=Q приводит к повышению коэффициента мощности к электровоза.
ЭЛ
Причинно-следственная связь «Введение в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава второго датчика напряжения, второго датчика тока, элемента сравнения, ПИ-регулятора и двух идентичных первого и второго блоков вычисления реактивной мощности, предназначенных для вычисления реактивной мощности и содержащих фильтр, дифференциатор, усилитель, умножитель и интегратор и образование новых взаимосвязей между элементами устройства, а также формирование первым блоком вычисления реактивной мощности сигнала среднего значения реактивной мощности электровоза Q в соответствии с формулой:
где  - круговая частота сетевого напряжения;
T - период изменения сетевого напряжения;
i(t) - текущее значение тока электровоза;
u(t) - текущее значение сетевого напряжения,
KPM
а вторым блоком вычисления реактивной мощности - сигнала среднего значения реактивной мощности компенсатора Q в соответствии с формулой:
где  - круговая частота сетевого напряжения;
T - период изменения сетевого напряжения;
k
i(t) - текущее значение тока компенсатора;
КРМ
м
u(t) - текущее значение напряжения компенсатора приводит к повышению коэффициента мощности к электровоза» 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, два блока вычисления реактивной мощности 4 и 5, блок синхронизирующих импульсов 6, два датчика тока 7 и 8 два датчика напряжения 9 и 10, выпрямитель 11, инвертор 12, блок управления инвертором 13, вольтодобавочный трансформатор 14, элемент сравнения 15 и ПИ-регулятор 16.
Трансформатор напряжения 1 выполнен многообмоточным с тремя вторичными обмотками I, II, III соответственно.
Нагрузка 2 включает в себя выпрямительно-инверторный преобразователь 22 и двигатель 23.
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.
Компенсатор 3 имеет два вывода: первым выводом служит вывод его конденсатора, вторым выводом - вывод его индуктивности.
Первый блок вычисления реактивной мощности 4 предназначен для вычисления реактивной мощности электровоза с учетом нелинейного характера тока электровоза, второй блок 5 предназначен для вычисления реактивной мощности компенсатора 3 с учетом нелинейного характера тока компенсатора 3.
Каждый блок вычисления реактивной мощности 4 и 5 содержит фильтр 17, дифференциатор 18, усилитель 19, умножитель 20 и интегратор 21. При этом в каждом блоке вычисления реактивной мощности 4 и 5 вход фильтра 17 является его первым входом, второй вход интегратора 21 - его вторым входом, второй вход умножителя 20 - его третьим входом, а выход интегратора 21 - его выходом. Выход фильтра 17 через последовательно соединенные дифференциатор 18 и усилитель 19 подключен к первому входу умножителя 20, выход которого соединен с первым входом интегратора 21.
Первый датчик тока 7 предназначен для измерения текущего значения потребляемого электровозом тока, а второй датчик тока 8 - для измерения текущего значения тока компенсатора 3. Первый датчик напряжения 9 предназначен для измерения текущего значения сетевого напряжения, а второй датчик напряжения 10 - для измерения текущего значения напряжения на компенсаторе 3.
Нагрузка 2 подключена параллельно трансформатору напряжения 1, который через первый датчик тока 7 соединен с сетью.
Вход первого датчика напряжения 9 соединен параллельно сети, а его выход - с входом блока синхронизирующих импульсов 6, выход которого подключен к первому входу блока управления инвертором 13. Первая (I) и вторая (II) секции вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 через выпрямитель 11 соединены со вторым входом инвертора 12. Первый вход инвертора 12 связан с выходом блока управления инвертором 13. Выход инвертора 12 подключен параллельно первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 14. Первый вывод вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 14 связан с вторичной обмоткой трансформатора напряжения 1. Первый вывод источника реактивной мощности 3 подключен к первой (I) секции вторичной обмотки трансформатор напряжения 1.
Выходы первого 7 и второго 8 датчиков тока соединены, соответственно, с третьими входами первого и второго блоков вычисления реактивной мощности 4 и 5. Выходы первого 9 и второго 10 датчиков напряжения соединены, соответственно, с первыми входами первого и второго блоков вычисления реактивной мощности 4 и 5.
Выход блока синхронизирующих импульсов 6 подключен к вторым входам первого и второго блоков вычисления реактивной мощности 4 и 5. Выход первого блока вычисления реактивной мощности 4 соединен с первым входом элемента сравнения 15. Выход второго блока вычисления реактивной мощности 5 соединен со вторым входом элемента сравнения 15. Выход элемента сравнения 15 через ПИ-регулятор 16 подключен к второму входу блока управления инвертором 13. Вход второго датчика тока 8 соединен последовательно между вторыми выводами источника реактивной мощности 3 и вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 14. Вход второго датчика напряжения 10 подключен параллельно к последовательно включенным второму датчику тока 8 и компенсатору 3.
Первый и второй блоки вычисления реактивной мощности 4 и 5, элемент сравнения 15, ПИ-регулятор 16, инвертор 12 и цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 14 образуют систему автоматического регулирования (САР) реактивной мощности по отклонению (ошибке).
При этом цепь вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 14 выполняет функцию объекта регулирования САР, блок управления инвертором 13 - устройства управления САР, инвертор 12 - исполнительного устройства САР.
ЭЛ
Первый блок вычисления реактивной мощности 4 выполняет функцию задающего элемента САР и формирует сигнал среднего значения реактивной мощности электровоза Q в соответствии с формулой:
где  - круговая частота сетевого напряжения;
T - период изменения сетевого напряжения;
i(t) - текущее значение тока электровоза;
u(t) - текущее значение сетевого напряжения.
KPM
Второй блок вычисления реактивной мощности 5 выполняет функцию измерительного элемента САР и формирует сигнал среднего значения реактивной мощности компенсатора Q в соответствии с формулой:
где  - круговая частота сетевого напряжения;
T - период изменения сетевого напряжения;
k
i(t) - текущее значение тока компенсатора;
КРМ
u(t) - текущее значение напряжения компенсатора.
Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава работает следующим образом.
Пониженное трансформатором напряжения 1 переменное напряжение сети поступает на вход выпрямительно-инверторного преобразователя 22, который осуществляет плавное четырехзонное регулирование напряжения на двигателе 23. При этом двигатель 23 потребляет из сети кроме активной, также реактивную мощность, которая влияет на ухудшение энергетических показателей электровоза.
Сетевое напряжение поступает на первый датчик напряжения 9, в котором преобразуется в сигнал напряжения, пропорциональный величине сетевого напряжения.
Выходной сигнал первого датчика напряжения 9 поступает в блок синхронизирующих импульсов 6, в котором формируются импульсы управления в моменты перехода сетевого напряжения через ноль. Импульсы управления, соответствующие периодам Т изменения сетевого напряжения, поступают на второй вход каждого блока вычисления реактивной мощности 4 и 5 и на первый вход блока управления инвертором 13 и синхронизируют их работу.
В первый блок вычисления реактивной мощности 4 на его первый вход поступает сигнал с первого датчика напряжения 9, на третий его вход поступает сигнал с первого датчика тока 7.
В первом блоке вычисления реактивной мощности 4 фильтр 17 осуществляет фильтрацию скачков сетевого напряжения, связанных с коммутацией тока в нагрузке 2. Отфильтрованный сигнал поступает на вход дифференциатора 18, в котором осуществляется дифференцирование формы напряжения сети u(t). Полученный в дифференциаторе 18 сигнал производной сетевого напряжения du(t)/dt подается в усилитель 19, в котором значение сигнала производной сетевого напряжения du(t)/dt умножается на величину 1/ω. В умножитель 20 поступают полученный в усилителе 19 сигнал, а также сигнал текущего значения тока электровоза i(t), полученный в первом датчике тока 7, которые перемножаются в умножителе 20.
В интегратор 21 поступают сигналы с выхода умножителя 20 и с выхода блока синхронизирующих импульсов 6. Интегратор 21 осуществляет интегрирование выходного сигнала умножителя 20 за период Т сетевого напряжения, задаваемого блоком синхронизирующих импульсов 6.
ЭЛ
В результате преобразования сигналов на выходе первого блока вычисления реактивной мощности 4 образуются сигнал среднего значения реактивной мощности электровоза Q в соответствии с формулой:
где  - круговая частота сетевого напряжения;
T - период изменения сетевого напряжения;
i(t) - текущее значение тока электровоза;
u(t) - текущее значение сетевого напряжения.
ЭЛ
Вычисленное значение реактивной мощности электровоза Q поступает на первый вход элемента сравнения 15.
KPM
k
Во второй блок вычисления реактивной мощности 5 на его первый вход поступает сигнал напряжения на компенсаторе u со второго датчика напряжения 10, на третий его вход поступает сигнал тока компенсатора i со второго датчика тока 8.
KPM
KPM
КРМ
KPM
k
Во втором блоке вычисления реактивной мощности 5 фильтр 17 осуществляет фильтрацию скачков напряжения компенсатора u, связанных с коммутацией тока в нагрузке 2. Отфильтрованный сигнал поступает на вход дифференциатора 18, в котором осуществляется дифференцирование формы напряжения u(t) компенсатора 3. Полученный в дифференциаторе 18 сигнал производной напряжения компенсатора 3 du(t)/dt поступает в усилитель 19, в котором значение сигнала производной напряжения компенсатора du(t)/dt умножается на величину 1/ω. В умножитель 20 поступают полученный в усилителе 19 сигнал, а также сигнал текущего значения тока компенсатора i(t), полученный во втором датчике тока 8, которые перемножаются в умножителе 20. В интегратор 21 поступают сигналы с выхода умножителя 20 и с выхода блока синхронизирующих импульсов 6. Интегратор 21 осуществляет интегрирование выходного сигналя умножителя 20 за период Т сетевого напряжения, задаваемого блоком синхронизирующих импульсов 6.
КРМ
В результате преобразования сигналов на выходе второго блока вычисления реактивной мощности 5 образуются сигнал среднего значения реактивной мощности компенсатора Q в соответствии с формулой:
где  - круговая частота сетевого напряжения;
T - период изменения сетевого напряжения;
k
i(t) - текущее значение тока компенсатора;
KPM
u(t) - текущее значение напряжения компенсатора.
КРМ
Вычисленное значение реактивной мощности компенсатора Q поступает на второй вход элемента сравнения 15.
ВДТ_1
Переменное напряжение вторичных обмоток трансформатора напряжения 1 поступает на вход выпрямителя 11, с выхода которого на второй вход инвертора 12 подается постоянное выпрямленное напряжение. На выходе инвертора 12 по текущему значению выходного сигнала блока управления инвертором 13 формируется переменное по форме выходное напряжение u частотой 50 Гц.
ВДТ_1
ВДТ_2
Выходное напряжение u инвертора 12 поступает на первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 14, на вторичной обмотке которого индуцируется переменное напряжение u, пропорциональное коэффициенту его трансформации.
2
ВДТ
C
K
Суммарное напряжение вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 u и вольтодобавочного трансформатора 14 u формирует напряжение на конденсаторе U и ток I компенсатора 3 с учетом как первой гармонической составляющей реактивной тока на основной частоте 50 Гц, так и реактивной мощности искажения, вызванной высшими гармоническими составляющими реактивного тока.
K
ЭЛ
Емкостной ток I компенсатора 3 компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки 2 в цепи вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 и, соответственно, реактивную мощность электровоза Q как по величине первой гармонической составляющей реактивной тока на основной частоте 50 Гц, так и реактивной мощности искажения, вызванной высшими гармоническими составляющими реактивного тока.
м
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
Максимально возможное значение коэффициента мощности к электровоза достижимо при условии равенства мощности компенсатора Q и реактивной мощности электровоза Q, вычисленных с учетом первой гармонической составляющей реактивной тока на основной частоте 50 Гц и реактивной мощности искажения, вызванной высшими гармоническими составляющими реактивного тока.
ЭЛ
КРМ
КРМ
ЭЛ
ЭЛ
KPM
В элементе сравнения 15 САР осуществляется сравнение сигнала среднего значения реактивной мощности электровоза Q с первого блока вычисления 4 и сигнала среднего значения реактивной мощности компенсатора Q со второго блока вычисления 5 и вычисление отклонения фактического значения реактивной мощности Q от заданного значения Q. На выходе элемента сравнения 15 САР появляется сигнал рассогласования (ошибки): Q-Q.
ЭЛ
KPM
ЭЛ
КРМ
ЭЛ
КРМ
САР уменьшает до нуля сигнал рассогласования Q-Q. Для этого сигнал рассогласования Q-Q подается на вход ПИ-регулятора 16, в котором по скорости изменения входного сигнала рассогласования Q-Q устраняется статическая ошибка регулирования САР.
Полученный на выходе ПИ-регулятора 16 сигнал в блоке управления инвертором 13 преобразуется в сигнал управления для инвертора 12.
ЭЛ
КРМ
KPM
ЭЛ
Блок управления инвертором 13 осуществляет управление инвертором 12 по критерию получения минимального сигнала рассогласования Q-Q на выходе элемента сравнения 15. При нулевой ошибке рассогласования реактивная мощность компенсатора 3 Q становится равной реактивной мощности электровоза Q.
ВДТ_1
ВДТ_2
На выходе инвертора 12 образуется переменное напряжение u, которое поступает на первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 14. На его вторичной обмотке пропорционально коэффициенту трансформации появляется напряжение u, которое регулирует величину реактивной мощности компенсатора 3.
КРМ
м
Таким образом, полная компенсация реактивной мощности во всех режимах его работы (включая номинальный), осуществляемая за счет плавного изменения реактивной мощности Q компенсатора 3 как по величине первой гармонической составляющей реактивной тока на основной частоте 50 Гц, так и реактивной мощности искажения, вызванной высшими гармоническими составляющими реактивного тока, приводит к увеличению коэффициента мощности к электровоза.
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 0,802 до 0,974. При этом cosϕ (первая составляющая коэффициента мощности) составляет 0,96-0,98. Одновременно с этим увеличивается на 10-12% скорость движения электровоза.