Патент на изобретение №2383984

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

(57) Реферат:

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении коэффициента мощности во всех режимах работы электровоза. Устройство для компенсации реактивной мощности содержит нагрузку (1), источник реактивной мощности (2), датчик режима сети (3), блок синхронизирующих импульсов (4), устройство вычисления заданного тока (5), вычитатель (6), блок управления четырехквадрантным преобразователем (7), четырехквадрантный преобразователь (8), устройство управления ключевым элементом (9), устройство вычисления реактивной мощности (16), устройство вычисления заданного напряжения (17), второй элемент сравнения (18), блок управления источника регулируемого напряжения (19), источник регулируемого напряжения (20) и датчик напряжения (21). Источник реактивной мощности (2) состоит из последовательно соединенных индуктивности (10), емкости (11) и ключевого элемента, выполненного в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров (12), (13). Датчик режима сети (3) включает в себя трансформатор напряжения (14) и трансформатор тока (15). В качестве нагрузки (1) использован тиристорный преобразователь. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для повышения коэффициента мощности потребителей, в частности, на электроподвижном составе переменного тока с тиристорными преобразователями.

В настоящее время на сети железных дорог переменного тока наибольшее распространение получили электровозы с зонно-фазным регулированием напряжения на тяговых двигателях. Одним из недостатков этих локомотивов является низкий коэффициент мощности, достигающий в лучшем случае 0,84. Коэффициент мощности является одним из основных энергетических показателей электровоза, определяющий потребление им непроизводительной реактивной мощности. Работа электровоза с низким значением коэффициента мощности приводит к существенным потерям электроэнергии.

При несинусоидальной форме напряжения и тока коэффициент мощности К_м электровоза определяется по формуле [Л.А.Бессонов. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Учебник. – 10-е изд. – М.: Гардарики, 2000]

где – угол сдвига между входным током и питающим напряжением;

– коэффициент искажения тока.

Последний коэффициент характеризует степень искажения входного тока электровоза и определяется отношением первой гармоники входного тока I₁ к его действующему значению I_вх

При расчете по формуле (1) учитываются высшие гармонические составляющие, характерные для несинусоидальных токов. Это соотношение справедливо и для синусоидальных токов, поскольку при =1 выражение (1) принимает вид

Таким образом, коэффициент мощности К_м характеризует степень потребления электровозом активной и соответственно реактивной мощности, т.е. увеличение К_м способствует повышению активной мощности и одновременному уменьшению реактивной.

Для повышения коэффициента мощности за счет увеличения Cos применяют компенсирующие установки в виде LC-контуров, расположенные на электровозе и подключенные непосредственно к вторичной обмотке его тягового трансформатора. Компенсирующее устройство увеличивает коэффициент мощности путем создания емкостной нагрузки и смещения входного тока электровоза в сторону приближения к питающему напряжению.

Известно устройство для повышения коэффициента мощности [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 В60L 9/12], которое компенсирует реактивную мощность, потребляемую нагрузкой, за счет подключения к вторичной обмотке трансформатора электровоза индуктивно-емкостного LC-компенсатора с фиксированными параметрами индуктивности и емкости. При индуктивном характере нагрузки это вызывает появление емкостной составляющей тока, компенсирующей индуктивную составляющую тока электровоза. В этом случае фаза входного (потребляемого) тока приближается к питающему напряжению, способствуя повышению коэффициента мощности электровоза за счет увеличения Cos.

Устройство содержит трансформатор напряжения, нагрузку, LC-компенсатор, ключевой элемент, устройство формирования импульсов ключевого элемента, триггер запуска, элемент И, формирователь импульсов включения, датчик напряжения сети, блок защиты и командный блок. При этом нагрузкой является выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем, ключевой элемент выполнен в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров.

LC-компенсатор через ключевой элемент подключен параллельно нагрузке и вторичной обмотке трансформатора напряжения, первичная обмотка которого связана сетью. Первый вход элемента И связан с выходом датчика напряжения сети, вход которого подключен к сети. Блок защиты соединен со вторым входом элемента И, выход которого связан с входом «R» триггера запуска. Входы формирователя импульсов включения связаны с конденсатором компенсатора и вторичной обмоткой трансформатора напряжения, а выход – с входом «С» триггера запуска, выход которого через устройство формирования импульсов ключевого элемента соединен с управляющим входом ключевого элемента, командный блок подключен к входу «D» триггера запуска и к третьему входу элемента И.

Функция ключевого элемента состоит во включении и отключении LC-компенсатора устройства. Включение тиристоров ключевого элемента осуществляется сигналом с выхода триггера запуска через устройство формирования импульсов ключевого элемента. При этом на разрешающий вход «С» триггера запуска поступает сигнал с выхода формирователя импульсов включения, который генерируется в моменты равенства напряжений на конденсаторе компенсатора и вторичной обмотки трансформатора напряжения. Сигнал на выходе триггера запуска формируется после подачи на его вход «D» сигнала командного блока. При этом появление напряжения на выходе триггера совпадает с ближайшим моментом равенства напряжений на конденсаторе и вторичной обмотки трансформатора напряжения.

Закрытие тиристоров ключевого элемента происходит либо в случае превышения допускаемого напряжения в сети, либо при срабатывании защиты. Сигналы на отключение формируются соответственно датчиком напряжения сети и блоком защиты. При наличии хотя бы одного из этих сигналов на входе элемента И, на его выходе появляется сигнал, подаваемый на вход сброса «R» триггера запуска. Этот сигнал приводит к формированию на выходе триггера запуска сигнала на закрытие тиристоров ключевого элемента.

Таким образом, через ключевой элемент LC-компенсатор подключается к нагрузке, при этом основное назначение блоков управления сводится к предотвращению сверхтоков, возможных при подключении LC-компенсатора к вторичной обмотке трансформатора напряжения и обеспечения быстродействующей защиты. Защита преобразователя осуществляется путем снятия управляющих импульсов с тиристоров в случае возникновения опасных токов и напряжений.

Испытания устройства компенсации на электровозе ВЛ85 [Н.Н.Широченко, В.А.Татарников, З.Г.Бибинеишвили. Улучшение энергетики электровозов переменного тока. – Железнодорожный транспорт, 1988, 7, с.33] показали, что при мощности компенсатора 520 кВАр (С=1475 мкФ) среднее значение коэффициента мощности электровоза находится на уровне 0,92. При таком повышении коэффициента мощности электровоза обеспечивается почти двукратное сокращение потребления реактивной мощности на тягу поездов.

Таким образом, применение LC-компенсатора реактивной мощности позволяет значительно повысить коэффициент мощности электровоза и снизить потери электроэнергии за счет сокращения потребления реактивной мощности.

Однако применение LC-компенсатора с постоянной величиной тока компенсации повышает коэффициент мощности электровоза лишь при определенных (номинальных) токах нагрузки. Отклонение нагрузки электровоза от номинальной вызывает неполную компенсацию реактивной мощности, что снижает эффективность применения устройства.

Кроме того, синусоидальный по форме ток компенсатора не влияет на высшие гармонические составляющие входного тока электровоза и поэтому не обеспечивает их компенсацию. Из-за этого не происходит улучшение формы входного тока и связанного с этим повышение коэффициента искажения тока .

Таким образом, с помощью устройства компенсации происходит повышение коэффициента мощности электровоза лишь за счет повышения Cos в определенном диапазоне (близком к номинальным) токов нагрузки. При этом форма входного (потребляемого) тока электровоза остается несинусоидальной.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является устройство для компенсации реактивной мощности, основанное на компенсации реактивной мощности как за счет приближения фазы входного тока к питающему напряжению, так и за счет улучшения формы этого тока [А.С. 2187185. Устройство для компенсации реактивной мощности. Авторы изобретения Ю.М.Кулинич, В.В.Литовченко, А.Н.Савоськин. – Опубл. в БИ 22, 2002 г., МКИ Н02J 3/18].

Устройство для компенсации реактивной мощности содержит нагрузку, источник реактивной мощности, датчик режима сети, блок синхронизирующих импульсов, устройство вычисления заданного тока, вычитатель, блок управления четырехквадрантным преобразователем, четырехквадрантный преобразователь, источник постоянного напряжения и устройство управления ключевым элементом.

Источник реактивной мощности состоит из последовательно соединенных индуктивности, емкости и двух встречно-параллельно соединенных тиристоров. Датчик режима сети включает в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока.

Нагрузка подключена к сети через трансформатор тока и параллельно цепи из последовательно включенных индуктивности, емкости и встречно-параллельно включенных тиристоров. Трансформатор напряжения подключен параллельно сети, а его выход связан с входом блока синхронизирующих импульсов и с первыми входами устройства вычисления заданного тока и устройства управления ключевым элементом. Выход трансформатора тока связан со вторым входом устройства вычисления заданного тока и первым входом вычитателя. Выход устройства вычисления заданного тока соединен со вторым входом вычитателя, выход которого связан с первым входом блока управления четырехквадрантного преобразователя, второй вход которого соединен с выходом блока синхронизирующих импульсов. Источник постоянного напряжения соединен с первым входом четырехквадрантного преобразователя, второй вход которого связан с выходом блока управления четырехквадрантного преобразователя. Выход четырехквадрантного преобразователя подключен параллельно нагрузке. Второй вход устройства управления ключевым элементом подключен параллельно конденсатору источника реактивной мощности, а его выход связан с тиристорами ключевого элемента.

Устройство для компенсации реактивной мощности работает следующим образом. С помощью цепи из последовательно соединенных индуктивности и емкости происходит компенсация (в номинальном режиме) реактивной составляющей входного тока электровоза путем приближения его фазы к питающему напряжению и повышение коэффициента мощности за счет увеличения Cos. Уменьшение фазы осуществляется путем создания неуправляемой емкостной составляющей тока, протекающей через LC-цепь компенсатора, которая для частоты 50 Гц имеет емкостное сопротивление. При сложении емкостного тока компенсатора с индуктивным током нагрузки происходит смещение фазы входного тока и приближения ее к питающему напряжению. Уменьшение фазы приводит к повышению коэффициента мощности К_м за счет увеличения Cos. Тиристоры и устройство управления ключевым элементом предназначены для включения и выключения LC-компенсатора при равенстве напряжения на конденсаторе и напряжения сети, измеряемого на выходе трансформатора напряжения.

С помощью четырехквадрантного преобразователя происходит компенсация высших гармонических составляющих входного тока электровоза и приближение его формы к синусоидальной. Благодаря этому повышается коэффициент мощности К_м за счет увеличения коэффициента искажения тока . Четырехквадрантный преобразователь обеспечивает формирование на своем выходе тока i_a, компенсирующего отклонение формы тока нагрузки i_н от желаемой синусоидальной формы i*=I_mSint, которой соответствует единичное значение коэффициента мощности. Для тока, генерируемого четырехквадрантным преобразователем, справедливо выражение

Амплитудное значение I_m входного (потребляемого) тока электровоза определяется активной мощностью нагрузки Р_н, т.е. при полной компенсации реактивной мощности из сети потребляется синусоидальный ток с амплитудой I_m, совпадающий по фазе с питающим напряжением.

Устройство вычисления заданного тока формирует сигнал, пропорциональный желаемой форме i*=I_mSint кривой входного (потребляемого) тока синусоидальной формы, который определяется активной мощностью Р_н, потребляемой нагрузкой. Действующее значение этого тока I рассчитывается по формуле

Значения активной мощности Р_н и действующего значения питающего напряжения U рассчитываются по формулам

где Т – период сетевого напряжения;

u, i – мгновенные значения питающего напряжения и тока нагрузки.

Значения питающего напряжения и тока нагрузки поступают на входы устройства вычисления заданного тока с выходов трансформаторов напряжения и тока. С помощью вычитателя происходит сравнение сигнала заданного тока i^* и тока нагрузки i_н. В соответствии с (5) разность этих сигналов определяет величину выходного тока, генерируемого четырехквадрантным преобразователем. Этот сигнал поступает в блок управления четырехквадрантным преобразователем, который осуществляет модуляцию импульсов управления четырехквадрантного преобразователя. Выходной ток четырехквадрантного преобразователя компенсирует отклонение тока нагрузки от заданной синусоидальной формы и повышает коэффициент мощности электровоза за счет увеличения коэффициента искажения тока . Для синхронной работы блока управления четырехквадрантного преобразователя с питающей сетью предназначен блок синхронизирующих импульсов. Выходной ток четырехквадрантного преобразователя формируется за счет энергии источника постоянного напряжения, которая должна быть равной реактивной мощности, потребляемой нагрузкой.

Достоинством известного устройства является компенсация реактивной мощности и повышение коэффициента мощности как за счет компенсации реактивной составляющей входного тока, так и за счет компенсации высших гармонических составляющих входного тока электровоза.

Недостатком известного устройства является то, что повышение коэффициента мощности электровоза происходит при определенных (номинальных) токах нагрузки. Отклонение нагрузки от номинальной приводит к неполной компенсации реактивной мощности. Во-первых, это связано с тем, что применение LC-компенсатора с постоянной величиной тока компенсации при изменении тока нагрузки приводит к недокомпенсации, либо перекомпенсации реактивной составляющей входного тока. Неполная компенсация реактивной мощности снижает показатель коэффициента мощности и эффективность применения устройства. Во-вторых, применение в устройстве источника постоянного напряжения с фиксированным уровнем напряжения обеспечивает постоянную величину энергии этого источника, затрачиваемую на компенсацию реактивной мощности. При таких условиях полная компенсация высших гармонических составляющих тока возможна только при определенных (номинальных) токах нагрузки. Отклонение тока электровоза от номинального приводит к неполной компенсации высших гармонических составляющих входного тока. Это вызывает ухудшение формы входного тока и снижение коэффициента мощности из-за уменьшения значения коэффициента искажения тока .

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для компенсации реактивной мощности, в котором коэффициент мощности увеличивается за счет компенсации реактивной составляющей входного тока и компенсации высших гармонических составляющих входного тока электровоза в широком диапазоне токовых нагрузок, включая номинальный режим работы.

Для решения поставленной задачи в устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее нагрузку, в качестве которой использован тиристорный преобразователь, источник реактивной мощности, состоящий из последовательно соединенных индуктивности, емкости и ключевого элемента, выполненного в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик режима сети, включающий в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока, блок синхронизирующих импульсов, устройство вычисления заданного тока, вычитатель, блок управления четырехквадрантным преобразователем, четырехквадрантный преобразователь и устройство управления ключевым элементом, при этом нагрузка подключена к сети через трансформатор тока и параллельно цепи из последовательно включенных индуктивности, емкости и встречно-параллельно включенных тиристоров, трансформатор напряжения подключен параллельно сети, а его выход связан с входом блока синхронизирующих импульсов и с первыми входами устройства вычисления заданного тока и устройства управления ключевым элементом, выход трансформатора тока связан со вторым входом устройства вычисления заданного тока и первым входом вычитателя, выход устройства вычисления заданного тока соединен со вторым входом вычитателя, выход которого связан с первым входом блока управления четырехквадрантного преобразователя, второй вход которого соединен с выходом блока синхронизирующих импульсов, выход блока управления четырехквадрантного преобразователя соединен с первым входом четырехквадрантного преобразователя, выход которого подключен параллельно нагрузке, второй вход устройства управления ключевым элементом подключен параллельно конденсатору источника реактивной мощности, а его выход связан с тиристорами ключевого элемента, в него дополнительно введены устройство вычисления реактивной мощности, устройство вычисления заданного напряжения, второй элемент сравнения, блок управления источника регулируемого напряжения, источник регулируемого напряжения и датчик напряжения, при этом входы устройства вычисления реактивной мощности соединены с выходами трансформаторов напряжения и тока, выход устройства вычисления реактивной мощности через устройство вычисления заданного напряжения связан с первым входом второго элемента сравнения, выход которого через последовательную цепь из блока управления источника регулируемого напряжения, источника регулируемого напряжения и датчика напряжения соединен со вторым входом четырехквадрантного преобразователя, выход датчика напряжения подключен к второму входу второго элемента сравнения.

Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении (устройство вычисления реактивной мощности, устройство вычисления заданного напряжения, второй элемент сравнения, блок управления источника регулируемого напряжения, источник регулируемого напряжения и датчик напряжения) свидетельствуют о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «новизна».

Введение в устройство совокупности новых элементов: устройства вычисления реактивной мощности, устройства вычисления заданного напряжения, второго элемента сравнения, блока управления источника регулируемого напряжения, источника регулируемого напряжения и датчика напряжения и новые взаимосвязи элементов обеспечивают максимальное улучшение коэффициента мощности за счет компенсации реактивной составляющей входного тока и компенсации высших гармонических составляющих входного тока электровоза в широком диапазоне токовых нагрузок, включая номинальный режим работы.

Это обусловлено приближением формы входного (потребляемого) тока электровоза к синусоидальной путем компенсации высших гармонических составляющих входного тока и повышение коэффициента мощности К_м за счет увеличения коэффициента искажения тока и при одновременной компенсации реактивной составляющей входного тока, приводящей также к увеличению коэффициента мощности К_м за счет увеличения Cos.

Одновременно наличие в устройстве четырехквадрантного преобразователя с источником регулируемого напряжения позволяет компенсировать реактивную мощность и увеличить коэффициент мощности К_м в отличных от номинальных режимах работы электровоза.

Кроме того, введение устройства вычисления реактивной мощности, устройства вычисления заданного напряжения, второго элемента сравнения, блока управления источника регулируемого напряжения, источника регулируемого напряжения и датчика напряжения, и новые взаимосвязи элементов приводят к увеличению скорости движения электровоза. Такая причинно-следственная связь не известна из уровня техники. Следовательно, она является новой и заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

На чертеже показана схема заявляемого устройства.

Устройство для компенсации реактивной мощности содержит нагрузку 1, источник реактивной мощности 2, датчик режима сети 3, блок синхронизирующих импульсов 4, устройство вычисления заданного тока 5, вычитатель 6, блок управления четырехквадрантным преобразователем 7, четырехквадрантный преобразователь 8, устройство управления ключевым элементом 9, устройство вычисления реактивной мощности 16, устройство вычисления заданного напряжения 17, второй элемент сравнения 18, блок управления источника регулируемого напряжения 19, источник регулируемого напряжения 20 и датчик напряжения 21. Источник реактивной мощности 2 состоит из последовательно соединенных индуктивности 10, емкости 11 и ключевого элемента, выполненного в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров 12, 13. Датчик режима сети 3 включает в себя трансформатор напряжения 14 и трансформатор тока 15. В качестве нагрузки 1 использован тиристорный преобразователь.

Нагрузка 1 подключена к сети через трансформатор тока 15 и параллельно цепи из последовательно включенных индуктивности 10, емкости 11 и встречно-параллельно включенных тиристоров 12, 13. Трансформатор напряжения 14 подключен параллельно сети, а его выход связан с входом блока синхронизирующих импульсов 4 и с первыми входами устройства вычисления заданного тока 5 и устройства управления ключевым элементом 9. Выход трансформатора тока 15 связан со вторым входом устройства вычисления заданного тока 5 и первым входом вычитателя 6, выход устройства вычисления заданного тока 5 соединен со вторым входом вычитателя 6. Выход вычитателя 6 связан с первым входом блока управления четырехквадрантного преобразователя 7, второй вход которого соединен с выходом блока синхронизирующих импульсов 4. Выход блока управления четырехквадрантного преобразователя 7 соединен с первым входом четырехквадрантного преобразователя 8, выход которого подключен параллельно нагрузке. Второй вход устройства управления ключевым элементом 9 подключен параллельно конденсатору 11 источника реактивной мощности 2, а его выход связан с тиристорами 12, 13 ключевого элемента. Входы устройства вычисления реактивной мощности 16 соединены с выходами трансформаторов напряжения 14 и тока 15. Выход устройства вычисления реактивной мощности 16 через устройство вычисления заданного напряжения 17 связан с первым входом второго элемента сравнения 18. Выход второго элемента сравнения 18 через последовательную цепь из блока управления источника регулируемого напряжения 19, источника регулируемого напряжения 20 и датчика напряжения 21 соединен со вторым входом четырехквадрантного преобразователя 8. Выход датчика напряжения 21 подключен к второму входу второго элемента сравнения 18.

Нагрузка 1 является штатным оборудованием электровоза и выполнена на базе силовых тиристоров типа ТЛ 830. Четырехквадрантный преобразователь 8 собран из силовых полностью управляемых IGBT-транзисторов. Блок синхронизирующих импульсов 4, элементы сравнения 6 и 18, а также устройство управления ключевым элементом 9 выполнены на базе операционных и логических элементов средней степени интеграции. Устройство вычисления заданного тока 5 и устройство вычисления реактивной мощности 16 реализованы на базе микропроцессора PIC 16F877.

Устройство для преобразования формы напряжения потребителя работает следующим образом.

С помощью цепи из последовательно соединенных индуктивности 10 и емкости 11 происходит компенсация реактивной составляющей входного тока электровоза в номинальном режиме. Принцип работы LC-компенсатора основан на приближении фазы входного тока к питающему напряжению и повышении коэффициента мощности за счет увеличения Cos. Уменьшение фазы осуществляется путем создания неуправляемой емкостной составляющей тока, протекающей через LC-цепь компенсатора, которая для частоты 50 Гц имеет емкостное сопротивление. При сложении емкостного тока компенсатора с индуктивным током нагрузки происходит смещение фазы входного тока и приближения ее к питающему напряжению. Уменьшение фазы приводит к повышению коэффициента мощности К_м за счет увеличения Cos. При постоянной емкости 11 мощность LC-компенсатора остается неизменной, поэтому ее величину рассчитывают на работу в номинальном режиме работы электровоза. В отличных от номинальных режимах работы происходит неполная компенсация реактивной составляющей входного тока электровоза и снижение эффективности работы устройства. Тиристоры 12, 13 в устройстве управления ключевым элементом 2 предназначены для включения и выключения LC-компенсатора при равенстве напряжения на конденсаторе 11 и напряжения сети, измеряемого на выходе трансформатора напряжения 14.

С помощью четырехквадрантного преобразователя 8 происходит компенсация высших гармонических составляющих входного тока электровоза и приближение его формы к синусоидальной. Благодаря этому повышается коэффициент мощности К_м за счет увеличения коэффициента искажения тока . Четырехквадрантный преобразователь 8 обеспечивает формирование на своем выходе тока i_a, компенсирующего отклонение формы тока нагрузки i_н от желаемой синусоидальной формы i^*=I_mSint, которой соответствует единичное значение коэффициента мощности.

Амплитудное значение I_m входного (потребляемого) тока электровоза определяется активной мощностью нагрузки Р_н, т.е. при полной компенсации реактивной мощности из сети потребляется синусоидальный ток с амплитудой I_m, совпадающий по фазе с питающим напряжением.

Устройство вычисления заданного тока 5 формирует сигнал, пропорциональный желаемой форме i^*=I_mSint кривой входного (потребляемого) тока синусоидальной формы, который определяется активной мощностью Р_н, потребляемой нагрузкой 1.

Значения питающего напряжения и тока нагрузки поступают на входы устройства вычисления заданного тока 5 с выходов трансформаторов напряжения 14 и тока 15. С помощью вычитателя 6 происходит сравнение сигнала заданного тока i^* и тока нагрузки i_н. Разность этих сигналов определяет величину выходного тока, генерируемого четырехквадрантным преобразователем 8. Этот сигнал поступает в блок управления четырехквадрантным преобразователем 7, который осуществляет модуляцию импульсов управления четырехквадрантного преобразователя 8. Выходной ток четырехквадрантного преобразователя 8 компенсирует отклонение тока нагрузки 1 от заданной синусоидальной формы и повышает коэффициент мощности электровоза за счет увеличения коэффициента искажения тока . Для синхронной работы блока управления четырехквадрантного преобразователя 7 с питающей сетью предназначен блок синхронизирующих импульсов 4.

Выходной ток четырехквадрантного преобразователя 8 формируется за счет энергии источника регулируемого напряжения 20, которая должна быть равна суммарной Q реактивной мощности высших гармонических составляющих входного тока и мощности реактивной составляющей входного тока, нескомпенсированной LC-компенсатором в отличных от номинального режимах работы электровоза. Для компенсации суммарной реактивной мощности Q напряжение U_ист на выходе источника регулируемого напряжения 20 (втором входе четырехквадрантного преобразователя 8) должно удовлетворять условию

где С – емкость конденсатора, включенного на выходе источника регулируемого напряжения 20 (не показан).

Суммарная реактивная мощность Q вычисляется с помощью устройства вычисления реактивной мощности 16, а необходимое для ее компенсации напряжение U_ист на выходе источника регулируемого напряжения 20 рассчитывается устройством вычисления заданного напряжения 17 в соответствии с выражением (7). С помощью блока управления источника регулируемого напряжения 19 происходит управление источником регулируемого напряжения 20. Для этого на его вход подается разностный сигнал, пропорциональный заданному и фактическому значению напряжения на выходе источника регулируемого напряжения 20. Фактическое значение напряжения определяется с помощью датчика напряжения 21, подключенного к выходу источника регулируемого напряжения 20. Заданное и фактическое значения напряжений сравниваются с помощью второго элемента сравнения 18.

Благодаря включению в устройство источника регулируемого напряжения происходит полная компенсация реактивной мощности и повышение коэффициента мощности до близких к единице значениям во всех (включая номинальный) режимах работы электровоза. LC-компенсатор компенсирует реактивную составляющую входного тока в номинальном режиме работы электровоза. Четырехквадрантный преобразователь 8 компенсирует нескомпенсированную в отличных от номинального режима реактивную составляющую входного тока, а также реактивную мощность, связанную с высшими гармоническими составляющими входного тока.

Таким образом, включение в устройство источника регулируемого напряжения 20 позволяет изменять величину тока, генерируемую четырехквадрантным преобразователем 8 при изменении режима работы электровоза. В связи с этим становится возможным полная компенсация реактивной мощности во всех режимах работы электровоза. Расчеты показывают, что применение на электровозе такого устройства позволяет повысить значение коэффициента мощности до 0,996 в режиме тяги и до 0,985 в рекуперативном режиме [A.M.Савоськин, Ю.М.Кулинич, Р.П.Гринберг. Повышение коэффициента мощности электровоза переменного тока. – Электротехника, 2002, 5, с. 11-16].

Устройство для компенсации реактивной мощности испытано на электровозе ВЛ65 в депо Белогорск Забайкальской железной дороги. Опытные поездки показали повышение коэффициента мощности электровоза на 0,15 и увеличение скорости его движения на 5-7%.

Формула изобретения

Устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее нагрузку, в качестве которой использован тиристорный преобразователь, источник реактивной мощности, состоящий из последовательно соединенных индуктивности, емкости и ключевого элемента, выполненного в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик режима сети, включающий в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока, блок синхронизирующих импульсов, устройство вычисления заданного тока, вычитатель, блок управления четырехквадрантным преобразователем, четырехквадрантный преобразователь и устройство управления ключевым элементом, при этом нагрузка подключена к сети через трансформатор тока и параллельно цепи из последовательно включенных индуктивности, емкости и встречно-параллельно включенных тиристоров, трансформатор напряжения подключен параллельно сети, а его выход связан с входом блока синхронизирующих импульсов и с первыми входами устройства вычисления заданного тока и устройства управления ключевым элементом, выход трансформатора тока связан со вторым входом устройства вычисления заданного тока и первым входом вычитателя, выход устройства вычисления заданного тока соединен со вторым входом вычитателя, выход которого связан с первым входом блока управления четырехквадрантного преобразователя, второй вход которого соединен с выходом блока синхронизирующих импульсов, выход блока управления четырехквадрантного преобразователя соединен с первым входом четырехквадрантного преобразователя, выход которого подключен параллельно нагрузке, второй вход устройства управления ключевым элементом подключен параллельно конденсатору источника реактивной мощности, а его выход связан с тиристорами ключевого элемента, отличающееся тем, что в него дополнительно введены устройство вычисления реактивной мощности, устройство вычисления заданного напряжения, второй элемент сравнения, блок управления источника регулируемого напряжения, источник регулируемого напряжения и датчик напряжения, при этом входы устройства вычисления реактивной мощности соединены с выходами трансформаторов напряжения и тока, выход устройства вычисления реактивной мощности через устройство вычисления заданного напряжения связан с первым входом второго элемента сравнения, выход которого через последовательную цепь из блока управления источника регулируемого напряжения, источника регулируемого напряжения и датчика напряжения соединен со вторым входом четырехквадрантного преобразователя, выход датчика напряжения подключен к второму входу второго элемента сравнения.

РИСУНКИ