Патент на изобретение №2169978

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

(57) Реферат:

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности может использоваться на электроподвижном составе переменного тока для повышения коэффициента мощности электровоза. Техническим результатом является повышение компенсации реактивной мощности при синусоидальной и несинусоидальной форме питающего напряжения и тока, а также при различных режимах работы электровоза за счет приближения формы потребляемого тока к питающему напряжению с учетом высших гармоник и одновременного уменьшения пульсаций потребляемого электровозом тока, что снижает расход электроэнергии. Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности содержит нагрузку, источник реактивной мощности, датчик режима сети, блок синхронизирующих импульсов, блок импульсно-фазового управления, четыре перемножителя, три интегратора, устройство вычисления квадратного корня и элемент сравнения. Источник реактивной мощности состоит из последовательно соединенных индуктивности, емкости и двух встречно-параллельно включенных 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 соединен с первым и вторым входом первого перемножителя, первым входом третьего перемножителя и входом блока синхронизации импульсов. Выход трансформатора тока соединен с первым и вторым входом второго перемножителя и вторым входом третьего перемножителя. Выходы первого-третьего перемножителей связаны с первыми входами интеграторов. Выходы первого и второго интегратора подключены к соответствующим входам четвертого перемножителя, выход которого через устройство вычисления квадратного корня соединен с первым входом элемента сравнения. Выход сравнения связан с входом блока импульсно-фазового управления. Выход блока синхронизации импульсов подключен к вторым входам интеграторов, выход третьего интегратора подключен к второму входу элемента сравнения, выход блока импульсно-фазового управления подключен к тиристорам источника реактивной мощности. 1 ил.

Устройство относится к электротехнике и предназначено для повышения коэффициента мощности потребителей, в частности электроподвижного состава переменного тока с тиристорными преобразователями.

Одним из недостатков эксплуатируемых в настоящее время электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения (ВЛ65, ВЛ85) 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. Для повышения коэффициента мощности 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 первичного тока электровоза в сторону опережения питающего напряжения.

Известно устройство для управления компенсированным выпрямительно-инверторным преобразователем электроподвижного состава [1], которое компенсирует реактивную мощность, потребляемую нагрузкой при синусоидальном и несинусоидальном питающем напряжении. Компенсация осуществляется 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. В этом случае фаза потребляемого тока приближается к питающему напряжению, способствуя повышению коэффициента мощности электровоза.

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, командный блок.

LC-компенсатор через ключевой элемент подключен параллельно нагрузке и вторичной обмотке трансформатора напряжения, первичная обмотка которого связана с 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, а выход – с входом “C” триггера запуска, выход которого через устройство формирования импульсов ключевого элемента соединен с управляющим входом ключевого элемента, командный блок подключен к входу “D” триггера запуска.

Функция ключевого элемента состоит во включении и отключении компенсатора устройства. При этом ключевой элемент выполнен в виде двух встречно-параллельно включенных тириcторов. Включение тиристоров компенсатора осуществляется сигналом с выхода триггера запуска через устройство формирования импульсов ключевого элемента. При этом на разрешающий вход “C” 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 трансформаторе.

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 “R” сброса триггера запуска. Этот сигнал приводит к формированию на выходе триггера сигнала на закрытие тиристоров ключевого элемента.

Таким образом, через ключевой элемент LC-компенсатор постоянно подключен к нагрузке, при этом основное назначение блоков управления сводится к предотвращению сверхтоков, возможных при подключении LC-компенсатора к напряжению вторичной обмотки трансформатора 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 ВЛ 85 [2] показали, что при мощности компенсатора 520 кВАр (1475 мкФ) среднее значение коэффициента мощности электровоза находится на уровне 0,92. При таком повышении коэффициента мощности электровоза обеспечивается почти двухкратное сокращение потребления реактивной энергии 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 и коэффициент мощности составляет 0,82-0,85.

Кроме того, на величину тока компенсации в устройстве не влияют высшие гармонические составляющие тока и напряжения контактной сети. Известно, однако, что величины этих гармоник определяют фазовый сдвиг между питающим напряжением и потребляемым электровозом током. Поэтому эти величины необходимо учитывать при выборе величины тока компенсатора.

Известно также устройство для автоматического регулирования реактивной мощности [3], которое позволяет изменять ток компенсатора за счет регулирования угла открытия тиристоров. При этом угол открытия тиристоров определяется фазовым утлом сдвига между основными гармониками сетевого тока и напряжения. Ток компенсатора регулируется таким образом, чтобы обеспечить минимальный фазовый сдвиг между потребляемым током и сетевым напряжением. Это позволяет повысить коэффициент мощности электровоза при различных токах нагрузки.

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности содержит нагрузку, источник реактивной мощности, датчик режима сети, блок синхронизирующих импульсов, блок управления и блок импульсно-фазового управления. В качестве нагрузки используется тиристорный преобразователь. Источник реактивной мощности состоит из последовательно соединенных индуктивности, емкости и двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Датчик режима сети включает в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока.

Нагрузка подключена к питающей сети через трансформатор тока и параллельно – источнику реактивной мощности. Трансформатор напряжения подключен параллельно питающей сети, его выход связан с входом блока синхронизирующих импульсов, выход которого соединен с первыми входами блока управления и блока импульсно-фазового управления. Выход трансформатора тока связан со вторым входом блока управления. Выход блока управления подключен ко второму входу блока импульсно-фазового управления. Выход блока импульсно-фазового управления связан с тиристорами источника реактивной мощности.

Компенсация реактивной мощности происходит за счет создания емкостной составляющей тока нагрузки, осуществляемой с помощью источника реактивной мощности. Величина этого тока определяется углом открытия тиристоров, входящих в источник реактивной мощности.

Измерение коэффициента мощности нагрузки осуществляется по величине фазового угла сдвига между током и напряжением питающей сети. Такой способ измерения реализован с помощью датчика реактивной мощности, блока управления и блока импульсно-фазового управления. На выходе блока управления формируется напряжение, пропорциональное коэффициенту мощности нагрузки. С помощью этого напряжения и импульсов напряжения синхронизации, поступающими на входы блока импульсно-фазового управления, происходит преобразование напряжений в фазу управления тиристорами источника реактивной мощности.

При уменьшении коэффициента мощности, вызванного появлением фазового угла сдвига между сетевым током и напряжением, устройство автоматически изменяет фазу открытия тиристоров. Изменение угла открытия тиристоров приводит к увеличению емкостной составляющей тока источника реактивной мощности, протекающего в противофазе с индуктивной составляющей тока, потребляемого нагрузкой. Это вызывает уменьшение фазового угла сдвига между питающим напряжением и результирующим током нагрузки, что приводит к повышению коэффициента мощности нагрузки. Так осуществляется компенсация реактивной мощности нагрузки во всех режимах работы электровоза.

Таким образом, известное устройство позволяет компенсировать реактивную мощность во всех режимах работы электровоза.

Однако полная компенсация реактивной мощности в устройстве возможна лишь при синусоидальной форме питающего напряжения и тока. Это связано с тем, что при синусоидальной форме напряжения и тока коэффициент мощности определяется углом сдвига между этими величинами. В этом случае не учитываются высшие гармонические составляющие тока и напряжения. При искаженной (несинусоидальной) форме питающего тока и напряжения, характерных для железных дорог переменного тока, коэффициент мощности определяется отношением активной и полной мощностей, потребляемых нагрузкой [4]. Поэтому способ измерения коэффициента мощности, принятый в устройстве, вызывает ошибку измерения при несинусоидальной форме тока и напряжения, так как активную и полную мощности определяют также и высшие гармонические составляющие, связанные с искажениями формы напряжения и тока. По этой причине фазовый угол сдвига только между основными гармониками напряжения и тока не в полной мере определяет коэффициент мощности нагрузки. Это приводит к неполной компенсации реактивной мощности и ухудшению энергетических показателей электровоза, поэтому коэффициент мощности в этом случае составляет 0,85-0,88.

В основу изобретения положена задача создания устройства для автоматического регулирования реактивной мощности, которое позволяет максимально компенсировать реактивную мощность при любой (синусоидальной и несинусоидальной) форме питающего напряжения и тока, а также при различных режимах работы электровоза за счет приближения формы потребляемого тока к питающему напряжению с учетом высших гармоник и одновременного уменьшения пульсаций потребляемого электровозом тока.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для автоматического регулирования реактивной мощности, содержащее нагрузку, в качестве которой использован тиристорный преобразователь, источник реактивной мощности, состоящий из последовательно соединенных индуктивности, емкости и двух встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик режима сети, включающий в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока, блок синхронизирующих импульсов, блок импульсно-фазового управления, при этом нагрузка подключена к питающей сети через датчик режима сети и параллельно источнику реактивной мощности, первый выход датчика режима сети подключен к входу блока синхронизирующих импульсов, выход блока импульсно-фазового управления связан с тиристорами источника реактивной мощности, в него дополнительно введены четыре перемножителя, три интегратора, устройство вычисления квадратного корня и элемент сравнения, при этом первый выход датчика режима сети подключен к первому и второму входу первого перемножителя и первому входу третьего перемножителя, второй выход датчика режима сети соединен с первым и вторым входом второго перемножителя и вторым входом третьего перемножителя, выходы первого – третьего перемножителей связаны с первыми входами интеграторов, выходы первого и второго интегратора подключены к соответствующим входам четвертого перемножителя, выход которого через устройство вычисления квадратного корня соединен с первым входом элемента сравнения, выход которого связан с входом блока импульсно-фазового управления, выход блока синхронизации импульсов подключен к вторым входам интеграторов, выход третьего интегратора подключен к второму входу элемента сравнения.

Введение в устройство совокупности новых элементов (четырех перемножителей, трех интеграторов, устройства вычисления квадратного корня и элемента сравнения) и их взаимосвязей позволяет достоверно измерять коэффициент мощности К_м электровоза при несинусоидальном токе и напряжении, а также различных режимах работы, что приводит к увеличению коэффициента мощности К_м, при этом потребление реактивной мощности сводится к минимуму.

Это обусловлено тем, что совокупность признаков устройства для автоматического регулирования реактивной мощности позволяет определять за период сетевого напряжения активную и полную мощности, потребляемые электровозом. При несинусоидальной форме напряжения и тока коэффициент мощности К_м электровоза, вычисленный за один период сетевого напряжения, определяется отношением активной P к полной S мощности. Полная мощность определяется в устройстве как произведение действующих значений напряжения U и тока I за один период сетевого напряжения:
K_м=P/S=P/UI, (1)
где P = uidt,
U, I – действующие значения напряжения и тока, определяемые по формулам (2):

При расчете по формуле (1) учитываются высшие гармонические составляющие, характерные для несинусоидальных токов и напряжений.

Отношение К_м = P/S также справедливо при синусоидальной форме тока и напряжения. В этом случае активная мощность определяется соотношением P = UIcos, поэтому в соответствии с (1) K_м= cos, где – сдвиг фазы между напряжением и током сети, т.е. в этом случае коэффициент мощности можно определить как косинус угла сдвига между током и напряжением.

Таким образом, коэффициент мощности К_м характеризуется степенью потребления электровозом активной и соответственно реактивной мощности, т.е. увеличение К_м способствует повышению активной мощности и одновременному уменьшению реактивной. Появление реактивной мощности вызвано смещением фазы потребляемого тока относительно питающего напряжения. Поэтому для уменьшения реактивной мощности необходимо приближать форму потребляемого тока к форме сетевого напряжения.

Кроме того, использование в компенсаторе реактивной мощности управляемых тиристоров позволяет компенсировать реактивную мощность во всех режимах работы электровоза. С изменением режима работы изменяется индуктивная составляющая тока нагрузки, имеющая реактивный характер. Устройство за счет изменения фазы открытия тиристоров изменяет емкостной ток компенсатора реактивной мощности, что обеспечивает компенсацию индуктивного тока нагрузки. Изменение тока нагрузки автоматически вызывает изменение тока компенсатора реактивной мощности, обеспечивая компенсацию реактивной мощности во всех режимах работы электровоза.

На основании значений сетевого напряжения u и тока i устройство вычисляет активную P и полную мощности S, потребляемые электровозом за период сетевого напряжения ( формулы 1, 2). По разности рассчитанных величин формируется угол открытия тиристоров компенсатора реактивной мощности, вызывая протекание через него емкостного тока. Направление этого тока противофазно индуктивной составляющей тока нагрузки, поэтому при сложении этих токов уменьшается общий реактивный ток нагрузки. За счет этого форма потребляемого электровозом тока приближается к питающему напряжению, вызывая уменьшение потребляемой реактивной мощности и повышению коэффициента мощности электровоза. При этом угол открытия тиристоров компенсатора реактивной мощности регулируется таким образом, чтобы обеспечить максимальную компенсацию реактивной мощности и увеличить коэффициент мощности электровоза.

Таким образом, устройство компенсирует реактивную мощность и повышает коэффициент мощности электровоза при различных режимах его работы, а также при любой форме питающего напряжения и потребляемого тока.

Кроме этого, вследствие приближения кривой потребляемого тока i к форме сетевого напряжения u коммутация потребляемого тока i (изменение направления тока на противоположное) происходит при более низких мгновенных значениях сетевого напряжения u. Это способствует уменьшению пульсаций потребляемого тока i, которые оцениваются коэффициентом пульсаций тока К_п. Известно [7], что уменьшение К_п менее 0,4 – 0,5 вызывает повышение cos и коэффициента мощности К_м электровоза. При названных значениях К_п коэффициент мощности К_м электровоза достигает стабильно высокого уровня, значительно превышая эту величину при значениях К_п больших 0,4 – 0,5.

Таким образом, увеличение коэффициента мощности К_м электровоза осуществляется как за счет приближения формы потребляемого тока i и сетевого напряжения u, так и за счет уменьшения коэффициента пульсаций К_п потребляемого тока i.

На чертеже представлена схема устройства для автоматического регулирования реактивной мощности.

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности содержит загрузку 1, источник реактивной мощности 2, датчик режима сети 3, блок синхронизирующих импульсов 4, блок импульсно-фазового управления 5,четыре перемножителя 6-9, три интегратора 10-12, устройство вычисления квадратного корня 13 и элемент сравнения 14. Источник реактивной мощности 2 состоит из последовательно соединенных индуктивности 15, емкости 16 и двух встречно-параллельно включенных тиристоров 17, 18. Датчик режима сети 3 включает в себя трансформатор напряжения 19 и трансформатор тока 20.

Нагрузка 1 подключена к сети через трансформатор тока 20 и параллельно цепи из последовательно включенных индуктивности 15, емкости 16 и встречно-параллельно включенных тиристоров 17, 18. Трансформатор напряжения 19 подключен параллельно сети, а его выход соединен с первым и вторым входом первого перемножителя 6, первым входом третьего перемножителя 8 и входом блока синхронизации импульсов 4. Выход трансформатора тока 20 соединен с первым и вторым входом второго перемножителя 7 и вторым входом третьего перемножителя 8. Выходы первого-третьего перемножителей 6-8 связаны с первыми входами интеграторов 10-12. Выходы первого 10 и второго 11 интегратора подключены к соответствующим входам четвертого перемножителя 9, выход которого через устройство вычисления квадратного корня 13 соединен с первым входом элемента сравнения 14. Выход элемента сравнения 14 связан с входом блока импульсно-фазового управления 5. Выход блока синхронизации импульсов 4 подключен к вторым входам интеграторов 10-12, выход третьего интегратора 12 подключен к второму входу элемента сравнения 14. Выход блока импульсно-фазового управления 5 подключен к тиристорам 17, 18 компенсатора реактивной мощности 2.

В качестве перемножителя использована микросхема К525ПСЗ, интегратор выполнен на базе операционного усилителя К140УД7, устройство вычисления квадратного корня выполнено на базе операционных усилителей и описано в [5]. Блок синхронизации импульсов выполнен по патенту [6].

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности работает следующим образом.

На выходе трансформаторов напряжения 19 и тока 20 формируется напряжение, пропорциональное мгновенным значениям питающего напряжения u и потребляемого тока i. С помощью перемножителей 6-8 производится преобразование этих сигналов. На выходе перемножителя 6 формируется сигнал, пропорциональный u². Выходным сигналом перемножителя 7 является величина i². Сигнал на выходе перемножителя 8 пропорционален произведению ui потребляемого тока и питающего напряжения. С помощью интеграторов 10-12 производится интегрирование сигналов, поступающих на их входы. В конце каждого периода сетевого напряжения сигнал на выходе интеграторов 10-12 составляет соответственно: u²dt, i²dt и uidt. При этом сигнал на выходе третьего интегратора 12 пропорционален активной мощности P, потребляемой преобразователем за период сетевого напряжения. Перемножитель 9 и устройство вычисления квадратного корня 13 предназначены для вычисления сигнала, пропорционального полной мощности S, потребляемой преобразователем за период сетевого напряжения. Сигнал, пропорциональный полной S и активной P мощности, поступает на первый и второй вход элемента сравнения 14 соответственно с выходов устройства вычисления квадратного корня 13 и третьего интегратора 12. На выходе элемента сравнения 14 формируется напряжение, пропорциональное разности этих сигналов. Сигнал с выхода элемента сравнения 14 поступает на вход блока импульсно-фазового управления 5, где происходит преобразование входного сигнала в фазу управляющих импульсов тиристоров 17, 18 компенсатора реактивной мощности 2. При этом регулирование сводится к уменьшению выходного напряжения элемента сравнения 14, что соответствует максимальному уменьшению реактивной мощности, потребляемой преобразователем за счет создания емкостной составляющей тока преобразователя с помощью тиристоров 17, 18. Синхронную работу интеграторов 10-12 обеспечивает блок синхронизации импульсов 4.

Таким образом, использовав принцип регулирования по величине разности активной и полной входных мощностей, можно максимально компенсировать реактивную мощность нагрузки при работе как с синусоидальной, так и с искаженной формой сетевого напряжения и тока.

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности прошло испытания в депо Белогорск Забайкальской железной дороги на электровозе ВЛ65. Эксплуатация устройства позволила увеличить коэффициент мощности электровоза до 0,9 – 0,92 во всех режимах его работы, что, в свою очередь, привело к снижению расхода электроэнергии на 10-12%.

Источники информации:
1. 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 Б.И. N 12 1989 г, МКИ В 60 L 9/12.

2. Н.Н.Широченко, В.А.Татарников, З.Г.Бибинеишвили. Улучшение энергетики электровозов переменного тока. – Железнодорожный транспорт, 1988, N 7. С.ЗЗ.

3. А.С. 1674306. Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности. Авторы изобретения А.С.Копанев, Б.М.Наумов, И.К.Юрченко. – Опубл. в Б.И. N 32 1991 г. МКИ H 02 J 3/18.

4. Л.А.Бессонов. Теоретические основы электротехники. – М.: Высшая школа , 1984.

5. Е.А. Коломбет. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. – М.: Радио и связь, 1991.

6. Патент N 2118038. Формирователь синхронизирующих импульсов. Авторы Ю. М.Кулинич и В.В.Кравчук.

7. Б. Н.Тихменев. Электровозы переменного тока со статическими преобразователями. М. : Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1958.

Формула изобретения

Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности, содержащее нагрузку, в качестве которой используется тиристорный преобразователь, источник реактивной мощности, состоящий из последовательно соединенных индуктивности, емкости и двух встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик режима сети, включающий в себя трансформатор напряжения и трансформатор тока, блок синхронизирующих импульсов, блок импульсно-фазового управления, при этом нагрузка подключена к питающей сети через трансформатор тока и параллельно источнику реактивной мощности, а выход трансформатора напряжения подключен к входу блока синхронизирующих импульсов, выход блока импульсно-фазового управления связан с тиристорами источника реактивной мощности, отличающееся тем, что в него дополнительно введены четыре перемножителя, три интегратора, устройство вычисления квадратного корня и элемент сравнения, при этом первый выход датчика режима сети подключен к первому и второму входу первого перемножителя и первому входу третьего перемножителя, второй выход датчика режима сети соединен с первым и вторым входом второго перемножителя и вторым входом третьего перемножителя, выходы первого, второго и третьего перемножителей соединены с первыми входами интеграторов, выходы первого и второго интегратора подключены к соответствующим входам четвертого перемножителя, выход которого через устройство вычисления квадратного корня соединен с первым входом элемента сравнения, выход которого связан с входом блока импульсно-фазового управления, выход блока синхронизации импульсов подключен к вторым входам интеграторов, выход третьего интегратора подключен к второму входу элемента сравнения.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 06.04.2009

Извещение опубликовано: 20.05.2010 БИ: 14/2010