Устройство для компенсации реактивной мощности

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано на электроподвижном составе переменного тока для повышения коэффициента мощности электровоза. Техническим результатом является увеличение коэффициента мощности за счет улучшения формы выходного тока и более полной компенсации реактивной составляющей входного тока при различных режимах работы. Для этого устройство для компенсации реактивной мощности содержит тяговый трансформатор, выпрямительный преобразователь электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем, два источника реактивной мощности, датчик режима сети, блок управления и коммутатор, также введены два ключевых элемента, каждый из которых содержит тиристорный ключ, датчик напряжения на тиристорах и формирователь импульсов управления тиристорным ключом, а также два резистора, при этом тиристорные ключи включены последовательно с первым и вторым источниками реактивной мощности, а резисторы подключены параллельно емкостям соответствующих источников реактивной мощности. 1 ил.

 

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

Одним из недостатков эксплуатируемых в настоящее время электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения является низкий коэффициент мощности, достигающий в лучшем случае 0,84. Коэффициент мощности является одним из основных энергетических показателей электровоза, определяющий потребление им 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 компенсации реактивной мощности выпрямительно-инверторного преобразователя электроподвижного состава [1], которое компенсирует реактивную мощность, потребляемую нагрузкой от источника питания. Компенсация осуществляется за счет подключения к вторичной обмотке трансформатора электровоза индуктивно-емкостного LC-компенсатора с фиксированными параметрами индуктивности и емкости.

Устройство содержит тяговый трансформатор, нагрузку, LC-компенсатор, ключевой элемент, устройство формирования импульсов управления ключевым элементом. LC-компенсатор через ключевой элемент подключен параллельно нагрузке и вторичной обмотке тягового трансформатора напряжения, первичная обмотка которого связана с питающей сетью. Функция ключевого элемента состоит во включении и отключении LC-компенсатора. При этом ключевой элемент выполнен в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Через ключевой элемент LC-компенсатор постоянно подключен к нагрузке. Испытания устройства компенсации реактивной мощности на электровозе ВЛ85 [2] показали, что среднее значение коэффициента мощности электровоза повышается до 0,92 и обеспечивается почти двукратное сокращение потребления реактивной энергии на тягу поездов.

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.

Известно также устройство [3], позволяющее частично устранить этот недостаток.

Устройство содержит тяговый трансформатор, нагрузку, в качестве которой используется выпрямительно-инверторный преобразователь, источник реактивной мощности, состоящий из двух LC-компенсаторов, каждый из которых образован последовательным соединением индуктивности и емкости, два ключевых элемента, выполненных каждый в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Компенсация реактивной мощности осуществляется при подключении указанных LC-компенсаторов параллельно вторичной обмотке тягового трансформатора.

Испытания устройства компенсации реактивной мощности на электропоезде ЭР29 [4] показали, что при токах нагрузки, превышающих 0,5 от номинального значения, коэффициент мощности превышает 0,97. Однако при токах нагрузки меньше 0,5 от номинального значения имеется значительная перекомпенсация и снижение энергетических показателей электропоезда.

В качестве прототипа изобретения целесообразно принять устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее тяговый трансформатор, нагрузку, выполненную в виде выпрямительного преобразователя электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем и соединенного своими входами с выводами вторичных обмоток тягового трансформатора, два источника реактивной мощности - первый и второй, каждый из которых образован последовательно соединенными индуктивностью и емкостью, датчик режима сети, включающий в себя датчик напряжения и датчик тока, блок управления и коммутатор, соединенный своими выходами с выводами вторичных обмоток тягового трансформатора, а входами: одним - с выходом блока управления и другими - с указанными источниками реактивной мощности, при этом первичная обмотка тягового трансформатора подключена к питающей сети через датчик тока, датчик напряжения включен параллельно питающей сети, выходы датчика режима сети соединены с соответствующими входами блока управления [5].

Недостатком известного является возникновение ударных токов при подключении коммутатором источника реактивной мощности к вторичной обмотке трансформатора в случае не соответствия напряжения на обмотке трансформатора и на конденсаторе источника реактивной мощности. Кроме того, появление ударных токов ухудшает форму кривой тока питающей сети и снижает коэффициент мощности электровоза.

Техническим результатом является полная компенсация реактивной мощности в различных режимах работы электровоза при любой (синусоидальной и несинусоидальной) форме питающего напряжения и тока.

Существенные отличительные признаки предложения заключаются в том, что дополнительно введены два ключевых элемента - первый и второй, каждый из которых содержит тиристорный ключ, состоящий из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик напряжения на тиристорах и формирователь импульсов управления тиристорным ключом, причем датчик напряжения включен параллельно тиристорам, а выходом соединен с первым входом формирователя импульсов управления, соединенного своим выходом с управляющим входом тиристорного ключа, и два резистора, при этом тиристорный ключ первого ключевого элемента включен последовательно с первым источником реактивной мощности, тиристорный ключ второго - последовательно со вторым источником реактивной мощности, вторые входы формирователей импульсов управления первого и второго ключевых элементов соединены с выходом блока управления, а дополнительные резисторы включены: один - параллельно емкости первого источника реактивной мощности и второй - параллельно емкости второго источника реактивной мощности.

Введение в устройство совокупности новых элементов (два ключевых элемента, каждый из которых содержит тиристорный ключ, датчик напряжения и формирователь импульсов управления, и два резистора) и их взаимосвязи позволяют устранить ударные токи при переключениях источников реактивной мощности и регулировать величину реактивной мощности без искажения формы кривой потребляемого из сети тока ударными токами. При этом потребление реактивной мощности из питающей сети сводится к минимуму.

Это обусловлено тем, что устройство изменяет схему подключения источников реактивной мощности к обмоткам тягового трансформатора и тем самым величину реактивной мощности, которая для каждого источника определяется по формуле:

где ω - угловая частота напряжения питающей сети,

С_1,2 - емкость конденсатора соответственно первого, второго источника реактивной мощности,

U_1,2 - действующее значение напряжения на конденсаторе первого, второго источника реактивной мощности.

Результирующая величина реактивной мощности устройства определяется, как числом источников реактивной мощности подключенных к обмоткам трансформатора, так и величиной напряжения на этих обмотках. Переключения источников осуществляется контакторами коммутатора, а их безударное подключение ключевыми элементами по сигналам блока управления. Сигнал блока управления формируется на основании информации о величине реактивной мощности, определенной по мгновенным значениям тока и напряжения питающей сети, таким образом, чтобы минимизировать величину реактивной мощности электровоза.

На чертеже представлено схема устройства для компенсации реактивной мощности.

Устройство для компенсации реактивной мощности содержит тяговый трансформатор 1, нагрузку 2, в виде выпрямительного преобразователя 3 с подключенным к нему тяговым двигателем 4, первый 5 и второй 6 источники реактивной мощности, датчик режима сети 7, включающий в себя датчик напряжения 8 и датчик тока 9, блок управления 10, коммутатор 11 и два ключевых элемента - первый 12 и второй 13. Первый источник реактивной мощности 5 состоит из соединенных последовательно индуктивности 14 и емкости 15, второй источник реактивной мощности 6 состоит из соединенных последовательно индуктивности 16 и емкости 17. Первый ключевой элемент 12 содержит тиристорный ключ - два встречно-параллельно включенных тиристора 18 и 19, датчик напряжения 20 и формирователь импульсов управления 21. Второй ключевой элемент 13 содержит тиристорный ключ - два встречно-параллельно включенных тиристора 22 и 23, датчик напряжения 24 и формирователь импульсов управления 25.

Дополнительные резисторы 26 и 27 включены параллельно емкостям 15 и 17 первого и второго источников реактивной мощности соответственно.

Нагрузка 2 подключена к выводам вторичных обмоток тягового трансформатора 1, первичная обмотка которого подключена к питающей сети через датчик тока 9, датчик напряжения 8 включен параллельно питающей сети. Выходы датчика режима сети 7 соединены с соответствующими входами блока управления 10. Коммутатор 11 соединен своими выходами с выводами вторичных обмоток тягового трансформатора 1. Один вход коммутатора 11 соединен с выходом блока управления 10. Источники реактивной мощности 5 и 6 соединены последовательно с тиристорными ключами 18, 19 и 22, 23 ключевых элементов 12 и 13 соответственно и подключены к другим входам коммутатора 11. Датчики напряжения 20 и 24 включены параллельно тиристорам 18, 19 и 22, 23 соответственно. Выходы датчиков напряжения 20 и 24 соединены с первыми входами формирователей импульсов 21 и 25, выходы которых соединены с управляющими входами тиристорных ключей 18,19 и 22, 23 соответственно. Вторые входы формирователей импульсов 21 и 25 подключены к выходу блока управления 10.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При питании нагрузки 2 от трансформатора 1 напряжение и ток его первичной обмотки имеют не синусоидальную форму, а ток смещен по фазе от напряжения в сторону отставания, что обусловлено индуктивным характером нагрузки. Эти ток и напряжения измеряются датчиками 9 и 8 и подаются на блок управления 10, в котором определяется величина реактивной мощности и формируется сигнал на переключение контакторов коммутатора 11 и подключение соответствующего, например, первого источника реактивной мощности к выбранной вторичной обмотке трансформатора 1. Одновременно сигнал с блока 10 поступает на второй вход формирователя 21. Непосредственное подключение источника реактивной мощности произойдет при включении тиристорного ключа 18,19 путем подачи на его управляющий вход импульса с выхода формирователя 21. Для этого на первый вход формирователя 21 должен поступить сигнал с датчика напряжения 20 о “нулевом” напряжении на тиристорном ключе 18,19. Наличие такого сигнала свидетельствует о равенстве мгновенных значений напряжения на выбранной вторичной обмотке трансформатора и емкости источника реактивной мощности, что исключает появление ударных токов при подключении источника реактивной мощности. Так как переключение источника реактивной мощности может осуществляться от обмотки трансформатора с большим напряжением к обмотке с меньшим напряжением, то для снижения напряжения на емкости 15 предусмотрено сопротивление 26, через которое происходит разряд емкости 15.

Аналогичным образом работает устройство при переключениях второго источника реактивной мощности.

Наличие двух источников реактивной мощности, коммутатора и двух ключевых элементов позволяет регулировать величину реактивной мощности источника и максимально компенсировать реактивную мощность нагрузки в различных режимах работы как с синусоидальной, так и с искаженной формой сетевого напряжения и тока.

Технико-экономическая эффективность предложения определяется тем, что при его использовании минимизируется реактивная мощность, потребляемая от источника питания, и соответственно повышается коэффициент мощности. Результаты испытания устройства для компенсации реактивной мощности показали, что коэффициент мощности электровоза во всем диапазоне изменения нагрузок повысился до 0.95, что в свою очередь привело к снижению расхода электроэнергии на 5%.

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 БИ №12, 1989 г., кл. В 60 L 9/12.

2. Н.Н.Широченко, В.А.Татарников, З.Г.Бибинеишвили. Улучшение энергетики электровозов переменного тока. - Железнодорожный транспорт, 1988, №7, с.33.

3. Б.И.Хомяков, С.И.Меркушев, О.Н.Назаров и др.. Опытный электропоезд ЭР29 переменного тока. Результаты тягово-энергетических испытаний. - Электрическая и тепловозная тяга. 1991. №12. с.12-16.

4. С.И.Меркушев, Б.И.Хомяков, О.Н.Назаров. Энергетические показатели преобразователей опытного электропоезда ЭР29 переменного тока. /Совершенствование электрооборудования электропоездов и высоковольтного оборудования пассажирских вагонов: сб.научн.тр./ Под ред. Г.Г.Гомолы. - М.: Транспорт, 1993. - 128с.//с.27-36.

5. Патент №2212086. Устройство для компенсации реактивной мощности. Авторы Ю.М.Кулинич, А.Н.Савоськин. - Опубл. в БИ №25. 10.09.2003 г., кл. Н 02 J 3/18, В 60 L 9/12.

Устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее тяговый трансформатор, нагрузку, выполненную в виде выпрямительного преобразователя электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем и соединенного своими входами с выводами вторичных обмоток тягового трансформатора, два источника реактивной мощности, первый и второй, каждый из которых образован последовательно соединенными индуктивностью и емкостью, датчик режима сети, включающий в себя датчик напряжения и датчик тока, блок управления и коммутатор, соединенный своими выходами с выводами вторичных обмоток тягового трансформатора, а входами - одним с выходом блока управления и другими - с указанными источниками реактивной мощности, при этом первичная обмотка тягового трансформатора подключена к питающей сети через датчик тока, датчик напряжения включен параллельно питающей сети, выходы датчика режима сети соединены с соответствующими входами блока управления, отличающееся тем, что в него дополнительно введены два ключевых элемента, первый и второй, каждый из которых содержит тиристорный ключ, состоящий из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик напряжения на тиристорах и формирователь импульсов управления тиристорным ключом, причем датчик напряжения на тиристорах включен параллельно тиристорам, а выходом соединен с первым входом формирователя импульсов управления, соединенного своим выходом с управляющим входом тиристорного ключа, и два резистора, при этом тиристорный ключ первого ключевого элемента включен последовательно с первым источником реактивной мощности, тиристорный ключ второго - последовательно со вторым источником реактивной мощности, вторые входы формирователей импульсов управления первого и второго ключевых элементов соединены с выходом блока управления, а дополнительные резисторы включены один параллельно емкости первого источника реактивной мощности и второй параллельно емкости второго источника реактивной мощности.