Устройство фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в качестве устройства фильтрации и компенсации реактивной мощности системы тягового электроснабжения, в частности в электротяговых сетях переменного тока железных дорог.
Известно устройство для компенсации реактивной мощности, в котором регулирование реактивной мощности осуществляется ступенчато с использованием подключения или отключения дополнительной L-C цепочки с помощью биполярного коммутатора в зависимости от напряжения контактной сети (RU, 2459335, H02J 3/16, 22.04.2011).
Недостатком данного устройства является ограничение регулирования реактивной мощности, что не обеспечивает полную компенсацию реактивной мощности во всем диапазоне электрических нагрузок. Кроме этого оно не обеспечивает фильтрацию высших гармонических составляющих тока и напряжения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является устройство фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока, содержащее последовательно соединенные между шиной 27,5 кВ устройства и рельсом главный выключатель, первый реактор, первое звено конденсаторов, второе звено конденсаторов с параллельно включенным вторым реактором, третье звено конденсаторов с третьим реактором, демпфирующий резистор и трансформатор тока, причем демпфирующий резистор первым выводом подключен между точкой соединения второго и третьего звеньев конденсаторов, а второй вывод первичной обмотки трансформатора тока подключен к рельсу, а так же контактор с приводом с замыкающим и размыкающим блок-контактами, подсоединенный между вторым выводом демпфирующего резистора и первым выводом первичной обмотки трансформатора тока, трансформатор напряжения с реле напряжения, подключенным ко вторичной обмотке, а его первичная обмотка подсоединена к третьему звену конденсаторов с третьим реактором, и реле тока, подключенное к вторичной обмотке трансформатора тока, причем выходной замыкающий контакт реле напряжения подключен к приводу контактора на его включение через его размыкающий блок-контакт, а выходной размыкающий контакт реле тока подключен к приводу контактора на его отключение через замыкающий блок-контакт (RU, 2547443, H02J 3/01, 02.09.2013).
Недостатком этого устройства является ограничение регулирования реактивной мощности и фильтрации высших гармонических составляющих тока и напряжения. Кроме этого управление осуществляется по току, что не позволяет точно определить значение реактивной мощности в сети.
Задачей полезной модели является расширение диапазона компенсации реактивной мощности и фильтрация высших гармоник тока и напряжения в сети, увеличение точности автоматического управления компенсацией реактивной мощности.
Для выполнения поставленной задачи в устройстве фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока, содержащем последовательно соединенные выключатель, первый реактор и первый конденсатор, вход выключателя подключен к фазному проводнику, последовательно соединенные второй реактор и второй конденсатор, и третий реактор, в качестве третьего реактора используется реактор плунжерного типа, параллельно которому подключены две цепочки из последовательно подключенных конденсатора и реактора, общая точка соединения третьего реактора и двух конденсаторов подключена к нейтральному проводнику, а сердечник третьего реактора механически связан с линейным электроприводом, вход которого подключен к выходу блока управления электроприводом, вход которого предназначен для подключения к датчику реактивной мощности контактной сети.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена электрическая схема устройства фильтрации и автоматической компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока.
Устройство фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока содержит параллельно подключенные цепочку из последовательно подключенных первого реактора 1 и первого конденсатора 2, цепочку из последовательно подключенных второго реактора 3 и второго конденсатора 4, и третьего реактора плунжерного типа 5, общая точка входов реакторов подключена к выходу выключателя 6, который своим входом подключен к фазному проводнику 7. Общая точка выходов конденсаторов 2, 4 и третьего реактора 5 подключена к нейтральному проводнику 8. Третий реактор 5 имеет механическую связь с линейным электроприводом 9, который подключен к выходам блока управления электроприводом 10 с входом для подключения датчика реактивной мощности контактной сети.
Устройство фильтрации и автоматической компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока работает следующим образом.
Цепочки из последовательно подключенных первых и вторых конденсатора и реактора 1, 2, 3, 4 образуют фильтры высших гармонических составляющих тока и напряжения, они подключаются параллельно друг другу в сеть между фазным 7 и нулевым 8 проводами через автоматический выключатель, обеспечивающий защиту устройства. Параллельно фильтрам подключает третий реактор плунжерного типа 5 для обеспечения регулирования реактивной мощности. Сердечник третьего реактора 5 имеет механическую связь с электроприводом 9. Электропривод 9 передает сердечнику поступательное движение, изменяя немагнитный зазор в магнитопроводе третьего реактора 5. При изменении немагнитного зазора изменяется индуктивность третьего реактора 5 и, как следствие, реактивная мощность устройства. Управление электродвигателем 9 осуществляется с помощью блока управления электроприводом 10, в зависимости от текущей реактивной мощности в сети, которая передается через вход для датчика реактивной мощности. Этот вход обеспечивает обратную связь с сетью электроснабжения для осуществления точного автоматического регулирования реактивной мощности.
Параметры для фильтров высших гармонических составляющих тока и напряжения подбираются таким образом, чтобы они образовывали резонансный контур настроенный на требуемые частоты гармоник. Количество фильтров и номера гармоник, для которых они используются, выбирается исходя из гармонического анализа тока и напряжения сети.
Расчет требуемой индуктивности реактора плунжерного типа выполняется в зависимости от параметров сети и максимальных нагрузок. Для обеспечения компенсации емкостной составляющей реактивной мощности реактивное сопротивление реактора плунжерного типа должно быть больше, чем приведенное реактивное сопротивление фильтров высших гармонических составляющих тока и напряжения. Реактор плунжерного типа должен быть выполнен таким образом, чтобы не допускать режим насыщения стали сердечника при номинальном токе устройства.
Линейный электропривод может быть выполнен в виде линейного двигателя или в виде сервопривода. В качестве примера может быть использован сервопривод Exlar 158 GSX60 с ролико-винтовой передачей (GSX Series Integrated Motor and Actuator. Официальный сайт: www.exlar.com).
В качестве блока управления линейным электроприводом может быть выбран стандартный блок для управления асинхронным двигателем с обратной связью {Алексеев К.Б., Микроконтроллерное управление электроприводом: учебное пособие для вузов по специальности "Автоматизация технологических процессов и производств (машиностроение)", Москва, МГИУ, 2008. 52, 69).
По сравнению с прототипом данное устройство позволяет обеспечить компенсацию реактивной мощности и фильтрацию высших гармонических составляющих тока и напряжения в широком диапазоне за счет наличия плунжерного реактора с плавно регулируемым индуктивным сопротивлением с высокой точностью автоматического регулирования, обеспечиваемого с помощью обратной связи по датчику реактивной мощности контактной сети.