Устройство для компенсации реактивной мощности

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроподвижном составе переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения. Технический результат заключается в повышении коэффициента мощности за счет улучшения синусоидальности формы первичного тока электровоза. Устройство для компенсации реактивной мощности содержит трансформатор напряжения, нагрузку в виде выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем, источник реактивной мощности с последовательно соединенными конденсатором и индуктивностью, датчиком тока компенсатора и инвертором, блок вычисления заданного тока, элемент сравнения, блок управления источником реактивной мощности. Блок вычисления заданного тока содержит устройство фазовой автоподстройки, блоки вычисления основной, третьей и пятой гармоник тока, сумматор, первый и второй умножители, в котором выход устройства фазовой автоподстройки непосредственно соединен с вторым входом блока вычисления основной гармоники тока, и, соответственно, через первый и второй умножители - с вторыми входами блока вычисления третьей гармоники тока и блока вычисления пятой гармоники тока, выходы которых подключены к соответствующими входами сумматора. Первичная обмотка трансформатора напряжения связана с сетью, вторичная обмотка которого через датчик тока соединена с параллельно включенными нагрузкой и источником реактивной мощности, датчик напряжения подключен параллельно вторичной обмотке трансформатора напряжения, выход которого связан с входом устройством фазовой автоподстройки. Выход сумматора соединен с первым входом элемента сравнения, выход источника реактивной мощности соединен с его вторым входом, а выход элемента сравнения через блок управления подключен к третьему входу источника реактивной мощности. 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для повышения коэффициента мощности потребителей, в частности, электроподвижного состава переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения.

Одним из недостатков эксплуатируемых в настоящее время электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения является низкий коэффициент мощности, достигающий в лучшем случае 0,84.

Общеизвестно, что коэффициент мощности к_м электровоза при несинусоидальной форме напряжения и тока определяется по формуле:

где φ - угол сдвига между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока,

ν - коэффициент искажения формы тока.

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

Таким образом, коэффициент мощности к_м характеризуется степенью приближения фазы потребляемого тока к питающему напряжению и степенью синусоидальности его формы.

Для повышения коэффициента мощности к_м применяются компенсирующие устройства. Известные компенсирующие устройства на основе резонансных LC-цепей позволяют увеличить коэффициента мощности к_м, преимущественно, за счет увеличения 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, которое предназначено для компенсации реактивной мощности, потребляемой индуктивной нагрузкой (А.С. №1674306. Устройство для автоматического регулирования реактивной мощности. Авторы изобретения А.С. Копанев, Б.М. Наумов, И.К. Юрченко. - Опубл. в БИ №32 1991, МКИ 7 H02J 3/18).

Устройство для компенсации реактивной мощности содержит трансформатор напряжения, нагрузку, источник реактивной мощности, датчик режима сети, блок синхронизации, блок управления и блок импульсно-фазового управления. В качестве нагрузки используется выпрямительно-инверторный преобразователь электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем. Источник реактивной мощности состоит из последовательно соединенных индуктивности L, емкости C и двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Датчик режима сети включает в себя датчик напряжения и датчик тока.

Первичная обмотка трансформатора напряжения связана с сетью, вторичная обмотка которого через датчик тока соединена с параллельно включенными нагрузкой и источником реактивной мощности.

Датчик напряжения подключен параллельно вторичной обмотке трансформатора напряжения. Выход датчика напряжения связан с входом блока синхронизации, выход которого соединен с первыми входами блока управления и блока импульсно-фазового управления. Выход датчика 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.

Устройство работает следующим образом.

Пониженное трансформатором напряжения переменное напряжение сети поступает на вход выпрямительно-инверторного преобразователя, осуществляющего плавное четырехзонное регулирование напряжения на тяговом двигателе. При этом тяговый двигатель потребляет из сети, кроме активной, также реактивную мощность, которая ухудшает показатели электропотребления.

Пониженное трансформатором напряжения переменное напряжение поступает также на LC-цепь источника реактивной мощности. При индуктивном характере нагрузки через LC-цепь протекает емкостная составляющая тока, которая компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки. В этом случае фаза угла φ потребляемого электровозом тока приближается к питающему напряжению.

Одновременно с этим через LC-цепь осуществляется шунтирование внутри электровоза третьей и ближайших по частоте высших гармонических составляющих тока, которое приводит к уменьшению в составе входного тока электровоза высших гармоник тока, искажающих синусоидальную форму входного тока. И, как следствие, уменьшение в составе тока электровоза высших гармоник тока приводит к увеличению коэффициента искажения формы тока ν.

При изменении индуктивного тока нагрузки в источнике реактивной мощности происходит изменение емкостного тока и осуществляется компенсация индуктивного тока нагрузки во всех режимах работы электровоза. Величина емкостного тока источника реактивной мощности определяется углом α_рег открытия тиристоров, входящих в источник реактивной мощности.

При уменьшении коэффициента мощности, вызванного появлением фазового угла сдвига φ между сетевым током и напряжением, устройство автоматически изменяет фазу α_рег 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 φ между питающим напряжением и результирующим током нагрузки, что приводит к повышению коэффициента мощности нагрузки. Так осуществляется компенсация реактивной мощности нагрузки как в номинальном режиме, так и при изменении режима работы электровоза.

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

С датчика тока сигнал тока нагрузки через блок управления поступает на второй вход блока импульсно-фазового управления.

С датчика напряжения сигнал напряжения нагрузки через блок синхронизации поступает на первый вход блока импульсно-фазового управления. В блоке импульсно-фазового управления формируется импульс сигнала угла управления α_рег, автоматически регулирующий емкостной ток и, соответственно, реактивную мощность источника реактивной мощности.

При этом на фазу импульса сигнала угла управления α_рег накладываются ограничения, связанные с подключением источника реактивной мощности к вторичной обмотке трансформатора напряжения. В нормальном режиме работы компенсатора в момент открытия тиристоров источника реактивной мощности напряжение на конденсаторе C источника реактивной мощности и напряжение на вторичной обмотке трансформатора напряжения примерно равны. В режимах, отличных от номинального, в случае разности этих напряжений появляется дополнительный ток заряда конденсатора, протекающий от вторичной обмотки трансформатора напряжения в цепь источника реактивной мощности, который искажает форму тока первичной обмотки трансформатора напряжения. Искажение формы тока первичной обмотки трансформатора напряжения снижает величину коэффициента искажения формы тока ν и, соответственно, коэффициента мощности электровоза км.

Одновременно с регулированием емкостного тока источника реактивной мощности осуществляется шунтирование через LC-цепь высших гармонических составляющих тока, генерируемых нагрузкой. Благодаря этому происходит более полная компенсация реактивной мощности, связанная с уменьшением высших гармоник тока во входном токе электровоза и улучшение его синусоидальной формы.

Таким образом, в известном устройстве для компенсации реактивной мощности коэффициент мощности к_м электровоза повышается как за счет плавного изменения реактивной мощности в источнике реактивной мощности, приводящего к повышению коэффициента мощности к_м, так и за счет улучшения формы потребляемого тока.

Недостаток известного устройства заключается в том, что значение коэффициента мощности к_м электровоза остается недостаточно высоким.

Это обусловлено тем, что на значение коэффициента мощности к_м электровоза влияет дополнительный ток заряда конденсатора, возникающий в момент подачи импульсов управления α_рег.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является устройство для компенсации реактивной мощности (А.С. №2506677. Устройство для компенсации реактивной мощности. Автор изобретения Ю.М. Кулинич. - Опубл. в БИ №4 2014, МКИ H02J 3/18, B60L 9/12).

Устройство для компенсации реактивной мощности содержит трансформатор напряжения, нагрузку, источник реактивной мощности, представляющий собой последовательно соединенные индуктивность L, емкость C и два встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик напряжения, датчик тока, блок синхронизирующих импульсов, блок управления источником реактивной мощности, блок импульсно-фазового управления, блок вычисления заданного тока, блок вычисления фактического тока и элемент сравнения.

Блок вычисления заданного тока представляет собой параллельно соединенные каналы вычисления активной мощности и вычисления действующего значения напряжения.

В качестве нагрузки использован выпрямительно-инверторный преобразователь электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем.

Первичная обмотка трансформатора напряжения связана с сетью, вторичная обмотка которого через датчик тока соединена с параллельно включенными нагрузкой и источником реактивной мощности.

Датчик напряжения подключен параллельно вторичной обмотке трансформатора напряжения. Выход датчика напряжения связан с входом блока синхронизирующих импульсов. Выход блока синхронизирующих импульсов соединен с первыми входами блока управления источником реактивной мощности и блока импульсно-фазового управления. Выход блока управления источником реактивной мощности подключен ко второму входу блока импульсно-фазового управления, выход которого связан с тиристорами источника реактивной мощности.

Первый вход блока вычисления заданного тока соединен с выходом датчика напряжения, второй вход блока вычисления заданного тока и первый вход блока вычисления фактического тока подключены к выходу датчика тока.

Выход блока вычисления заданного тока и выход блока вычисления фактического тока соединены с соответствующими входами элемента сравнения, выход которого подключен ко второму входу блока управления источником реактивной мощности.

Выход блока синхронизирующих импульсов подключен к третьему входу блока вычисления заданного тока и второму входу блока вычисления фактического тока.

Устройство для компенсации реактивной мощности работает следующим образом.

Пониженное трансформатором напряжения переменное напряжение сети u₁ поступает на вход выпрямительно-инверторного преобразователя, осуществляющего плавное четырехзонное регулирование напряжения на тяговом двигателе. При этом тяговый двигатель потребляет из сети, кроме активной, также реактивную мощность, которая ухудшает показатели электропотребления.

Ток и напряжение вторичной обмотки трансформатора напряжения контролируются, соответственно, датчиком тока и датчиком напряжения.

Сигналы тока нагрузки и напряжения вторичной обмотки трансформатора напряжения поступают соответственно с датчиков тока и напряжения в блок вычисления заданного тока.

В блоке вычисления заданного тока формируется сигнал заданного тока нагрузки I_зад, пропорциональный току нагрузки в случае полной компенсации реактивной мощности на основной частоте.

Одновременно сигнал тока вторичной обмотки трансформатора с датчика тока поступает в блок вычисления фактического тока, на выходе которого формируется сигнал действующего значения I_ф фактического тока нагрузки.

Сигналы заданного I_зад и фактического I_ф токов подаются на элемент сравнения, где из заданного тока нагрузки вычитается его фактическое значение ΔI=I_зад-I_ф. На выходе элемента сравнения формируется сигнал ΔI, пропорциональный нескомпенсированному значению тока нагрузки, который определяет ее реактивную мощность. При этом сигнал ΔI формируется с учетом как фазового угла сдвига φ между током и напряжением питающей сети, так и величины коэффициента ν искажения формы тока.

Сигнал ΔI через блок управления источником реактивной мощности поступает в блок импульсно-фазового управления. В блоке управления источником реактивной мощности производится вычисление фазы импульсов сигнала угла управления α_рег, необходимой для получения минимального значения сигнала ΔI. В блоке импульсно-фазового управления происходит усиление импульсов сигнала угла управления α_рег до уровня, необходимого для открытия тиристоров источника реактивной мощности. Сформированные в блоке импульсно-фазового управления импульсы сигнала угла управления α_рег подаются на тиристоры источника реактивной мощности.

При открытии тиристоров при индуктивном характере нагрузки через LC-цепь источника реактивной мощности протекает емкостная составляющая тока, которая компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки. В этом случае фаза угла φ потребляемого электровозом тока приближается к питающему напряжению. Одновременно с этим через LC-цепь осуществляется шунтирование внутри электровоза третьей и ближайших по частоте высших гармонических составляющих тока нагрузки, которое приводит к уменьшению в составе входного тока электровоза высших гармоник тока, приближению формы потребляемого тока к синусоидальной форме и увеличению коэффициента искажения формы тока ν.

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

При изменении режима работы электровоза происходит изменение потребляемой им реактивной мощности, что приводит к нарушению баланса между потребляемой им реактивной мощности и реактивной мощностью источника реактивной мощности. Это вызывает уменьшение коэффициента мощности нагрузки. Блок управления источником реактивной мощности автоматически изменяет фазу импульсов сигнала угла управления α_рег до момента восстановления равенства потребляемой реактивной мощности нагрузки и реактивной мощности источника реактивной мощности.

При изменении угла открытия тиристоров увеличивается или уменьшается емкостная составляющая источника реактивной мощности, протекающая в противофазе с индуктивной составляющей тока, потребляемого нагрузкой. Это вызывает приближение величины фактического тока нагрузки к его заданному значению. Уменьшение до минимального значения сигнала ΔI приводит к максимально возможному повышению коэффициента мощности нагрузки. Компенсация реактивной мощности нагрузки осуществляется как в номинальном режиме, так и при изменении режима работы электровоза.

Кроме того, изменение угла открытия тиристоров влияет на изменение синусоидальности потребляемого электровозом тока.

Изменение фазы импульсов сигнала угла управления α_рег, отсчитываемых от полупериодов напряжения u₂ вторичной обмотки трансформатора напряжения, приводит к изменению тока источника реактивной мощности. Фаза импульсов сигнала угла управления α_рег определяет задержку открытия тиристоров источника реактивной мощности относительно напряжения u₂.

До включения тиристора ток в цепи источника реактивной мощности равен нулю.

В номинальном режиме работы электровоза при включении тиристора в случае равенства напряжений на конденсаторе C источника реактивной мощности и вторичной обмотки трансформатора напряжения ток в цепи источника реактивной мощности увеличивается от нулевого до значения, определяемого напряжением напряжения u₂ вторичной обмотки трансформатора напряжения.

В режимах, отличных от номинального, при включении тиристора в случае неравенства напряжений на конденсаторе C источника реактивной мощности и вторичной обмотке трансформатора напряжения, от его вторичной обмотки протекает импульс тока дозарядки конденсатора. Величина тока дозарядки зависит от разности напряжений на конденсаторе C источника реактивной мощности и вторичной обмотки трансформатора напряжения в момент включения тиристоров, определяемым углом управления α_рег. Чем больше величина фазы импульсов сигнала угла управления α_рег, тем больше отличаются указанные напряжения и, соответственно, увеличивается амплитуда и длительность импульса тока дозарядки.

Процесс дозарядки конденсатора продолжается до выравнивания напряжения на вторичной обмотке трансформатора напряжения и напряжения на конденсаторе.

Импульс тока дозарядки, трансформированный в первичную обмотку трансформатора напряжения, ухудшает синусоидальную форму первичного тока и, соответственно, вызывает уменьшение значений коэффициентов искажения формы тока и, соответственно, коэффициента мощности электровоза.

Таким образом, в известном устройстве происходит не полная компенсация реактивной мощности, связанная с ограничением регулирования фазы импульсов сигнала угла управления α_рег, что уменьшает диапазон увеличения Cosφ и, соответственно, коэффициента мощности к_м.

Известное устройство для компенсации реактивной мощности повышает коэффициента мощности к_м в номинальном режиме работы электровоза, что является его достоинством.

Однако коэффициента мощности к_м остается недостаточно высоким, что является недостатком известного устройства.

Это обусловлено возникновением в режимах работы электровоза, отличных от номинального, импульсов тока дозарядки конденсатора за счет работы источника реактивной мощности в режиме прерывистого тока и наличием высших гармонических составляющих тока электровоза за счет недокомпенсации высших гармонических составляющих тока нагрузки, что приводит к ухудшению синусоидальности формы первичного тока электровоза и уменьшению коэффициента его мощности.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке устройства для компенсации реактивной мощности, повышающего коэффициента мощности к_м за счет улучшения синусоидальности формы первичного тока электровоза благодаря обеспечению работы источника реактивной мощности в режиме непрерывного тока, а также полной компенсации высших гармонических составляющих тока нагрузки.

Для решения поставленной задачи устройство для компенсации реактивной мощности содержит трансформатор напряжения, нагрузку в виде выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем, источник реактивной мощности с последовательно соединенными конденсатором и индуктивностью, вход которой является одним из входов источника реактивной мощности, датчик напряжения, датчик тока, блок вычисления заданного тока, элемент сравнения, блок управления источником реактивной мощности, при этом первичная обмотка трансформатора напряжения связана с сетью, вторичная обмотка которого через датчик тока соединена с параллельно включенными нагрузкой и источником реактивной мощности, датчик напряжения подключен параллельно вторичной обмотке трансформатора напряжения, выход которого связан с первым входом блока вычисления заданного тока, выход датчика тока соединен со вторым входом блока вычисления заданного тока, выход блока вычисления заданного тока через элемент сравнения подключен к входу блока управления источником реактивной мощности, в источник реактивной мощности введены датчик тока компенсатора и инвертор, последовательно соединенные с индуктивностью и конденсатором, при этом вход датчика тока компенсатора является первым входом источника реактивной мощности, а его выход - выходом источника реактивной мощности, вход инвертора является третьим входом источника реактивной мощности, блок вычисления заданного тока выполнен из устройства фазовой автоподстройки, блоков вычисления основной гармоники тока, вычисления третьей гармоники тока, вычисления пятой гармоники тока, сумматора, первого и второго умножителей, в котором выход устройства фазовой автоподстройки непосредственно соединен с вторым входом блока вычисления основной гармоники тока, и, соответственно, через, первый и второй умножители - с вторыми входами блока вычисления третьей гармоники тока и блока вычисления пятой гармоники тока, выходы которых подключены к соответствующими входами причем выход блока вычисления заданного тока подключен к первому входу элемента сравнения, выход которого через блок управления источником реактивной мощности подключен к третьему входу источника реактивной мощности, второй вход элемента сравнения подключен к выходу источника реактивной мощности.

Заявляемое решение отличается от прототипа введением новых элементов в устройство для компенсации реактивной мощности, приводящим к новым взаимосвязям между элементами устройства, а именно в источник реактивной мощности введены датчик тока компенсатора и инвертор, блок вычисления заданного тока выполнен из устройства фазовой автоподстройки, блоков вычисления основной, третьей и пятой гармоники тока, сумматора, первого и второго умножителей. Наличие существенных отличительных признаков в совокупности существенных признаков, характеризующих в целом устройство для компенсации реактивной мощности, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Введение датчика тока компенсатора и инвертор в устройство для компенсации реактивной мощности, выполнение блока вычисления заданного тока из устройства фазовой автоподстройки, блоков вычисления основной, третьей и пятой гармоники тока, сумматора, первого и второго умножителей и изменение взаимосвязей между элементами устройство для компенсации реактивной мощности приводит к повышению коэффициента мощности к_м за счет улучшения синусоидальности формы первичного тока электровоза благодаря обеспечению работы источника реактивной мощности в режиме непрерывного тока, а также полной компенсации высших гармонических составляющих тока нагрузки.

Это обусловлено компенсацией высших гармоник тока нагрузки путем генерации третей и пятой гармоник тока источником реактивной мощности, протекающих в противоположном направлении высшим гармоникам тока нагрузки, что улучшает синусоидальность формы первичного тока электровоза.

Кроме того, наличие во всех режимах работы непрерывного без бросков тока источника реактивной мощности, возникающих в моменты подключения источника реактивной мощности к вторичной обмотке трансформатора напряжения, не приводит к искажению синусоидальности формы первичного тока электровоза.

Причинно-следственная связь «Введение датчика тока компенсатора и инвертор в устройство для компенсации реактивной мощности, выполнение блока вычисления заданного тока из устройства фазовой автоподстройки, блоков вычисления основной, третьей и пятой гармоники тока, сумматора, первого и второго умножителей и изменение взаимосвязей между элементами устройство для компенсации реактивной мощности приводит к повышению коэффициента мощности к_м за счет улучшения синусоидальности формы первичного тока электровоза благодаря обеспечению работы источника реактивной мощности в режиме непрерывного тока, а также полной компенсации высших гармонических составляющих тока нагрузки» не обнаружена в уровне техники, явным образом не следует из него, следовательно, является новой.

Наличие новой причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого устройства для компенсации реактивной мощности критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для компенсации реактивной мощности, подтверждающая его работоспособность и промышленную применимость.

Устройство для компенсации реактивной мощности содержит трансформатор напряжения 1, нагрузку 2, источник реактивной мощности 3, датчик напряжения 4, датчик тока 5, блок вычисления заданного тока 6, элемент сравнения 7, блок управления 8 источником реактивной мощности 3.

В качестве нагрузки 2 использован выпрямительно-инверторный преобразователь 9 электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем 10.

Источник реактивной мощности 3, являющийся компенсатором реактивной мощности, представляет собой последовательно соединенные индуктивность L 11, конденсатор C 12, датчик тока компенсатора 13 и инвертор 14. Первым входом источника реактивной мощности 3 является вход датчика тока компенсатора 13, вторым его входом - вход индуктивности 11, а третьим его входом - вход инвертора 14. Выходом источника реактивной мощности 3 является выход датчика тока компенсатора 13.

Блок вычисления заданного тока 6 содержит устройство фазовой автоподстройки 15, блок вычисления основной гармоники тока 16, блок вычисления третьей гармоники тока 17, блок вычисления пятой гармоники тока 18, сумматор 19, первый 20 и второй 21 умножители. Первым входом блока вычисления заданного тока 6 является вход устройство фазовой автоподстройки 15, вторым его входом являются объединенные первые входы блоков вычисления основной гармоники тока 16, вычисления третьей гармоники тока 17 и вычисления пятой гармоники тока 18. Выходом блока вычисления заданного тока 6 является выход сумматора 19.

Выход устройства фазовой автоподстройки 15 непосредственно соединен с вторым входом блока вычисления основной гармоники тока 16, и, соответственно, через первый 20 и второй 21 умножители - с вторыми входами блока вычисления третьей гармоники тока 17 и блока вычисления пятой гармоники тока 18.

Выходы блока вычисления основной гармоники тока 16, блока вычисления третьей гармоники тока 17 и блока вычисления пятой гармоники тока 18 соединены с соответствующими входами сумматора 19.

Первичная обмотка трансформатора напряжения 1 связана с сетью, вторичная обмотка которого через датчик тока 5 соединена параллельно с нагрузкой 2, к которой подключены первый и второй вход источника реактивной мощности 3.

Датчик напряжения 4 подключен параллельно вторичной обмотке трансформатора напряжения 1. Выход датчика напряжения 4 связан с первым входом блока вычисления заданного тока 6, а выход датчика тока 5 - со вторым входом блока вычисления заданного тока 6.

Выход блока вычисления заданного тока 6 соединен с первым входом элемента сравнения 7, выход которого через блок управления 8 источником реактивной мощности 3 подключен к третьему входу источника реактивной мощности 3 (к инвертору 14).

Второй вход элемента сравнения 7 подключен к выходу источника реактивной мощности 3.

Устройство для компенсации реактивной мощности работает следующим образом.

Пониженное трансформатором напряжения 1 переменное напряжение сети поступает на вход выпрямительно-инверторного преобразователя 9, осуществляющего плавное четырехзонное регулирование напряжения на тяговом двигателе 10. При этом тяговый двигатель 10 потребляет из сети, кроме активной, также реактивную мощность, которая ухудшает показатели электропотребления.

Напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 контролируются, соответственно, датчиком напряжения 4 и датчиком тока 5.

Пониженное трансформатором напряжения 1 переменное напряжение поступает также на LC-цепь 11-12 источника реактивной мощности 3. При индуктивном характере нагрузки 2 через LC-цепь 11-12 протекает емкостная составляющая тока, которая компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки 2. В этом случае фаза угла φ потребляемого электровозом тока приближается к питающему напряжению u₁.

Одновременно с этим через LC-цепь 11-12 осуществляется шунтирование внутри электровоза третьей и ближайших по частоте высших гармонических составляющих тока нагрузки, которое приводит к уменьшению в составе входного тока электровоза высших гармоник тока, искажающих синусоидальную форму входного тока. Как следствие, уменьшение в составе тока электровоза высших гармоник тока приводит к увеличению коэффициента искажения формы тока ν.

Компенсация реактивной мощности происходит за счет создания управляемой емкостной составляющей тока нагрузки 2, осуществляемой с помощью источника реактивной мощности 3. Величина этого тока определяется выходным напряжением инвертора 14.

При уменьшении коэффициента мощности нагрузки 2 блок управления 8 источником реактивной мощности 3 автоматически изменяет выходное напряжение инвертора 14 с учетом величины реактивного тока нагрузки основной частоты, а также высших гармонических составляющих тока нагрузки. Изменение выходного напряжения инвертора 14 приводит, во-первых, к увеличению или уменьшению емкостной составляющей тока источника реактивной мощности 3, протекающего в противофазе с индуктивной составляющей тока, потребляемого нагрузкой 2. Это вызывает приближение фазы φ входного тока электровоза к питающему напряжению и увеличивается коэффициент мощности электровоза за счет увеличения Cosφ. Во-вторых, с помощью инвертора 14 источник реактивной мощности 3 генерирует третью и пятую гармоники тока, противофазные третьей и пятой гармоникам тока нагрузки 2. Благодаря этому происходит улучшение синусоидальности входного тока электровоза и увеличение коэффициента мощности за счет увеличения коэффициента искажения формы тока ν. Так осуществляется компенсация реактивной мощности нагрузки, при которой максимально повышается значение коэффициента мощности к_м.

Определение заданного тока i_{к зад} источника реактивной мощности 3, компенсирующего основную и высшие гармонические составляющие тока нагрузки, осуществляется в блоке вычисления заданного тока 6.

Заданный ток i_{к зад} источника реактивной мощности 3 определяется из соотношения:

где i_н - ток нагрузки;

i_н1 - первая гармоника тока нагрузки;

i_нh - высшие гармонические составляющие тока нагрузки.

Поскольку наибольшее значение в токе нагрузки имеют доминирующие высшие третья и пятая гармоники, выражение (3) принимает вид:

Компоненты тока нагрузки являются расчетными и рассчитывается по измеренным данным тока вторичной обмотки трансформатора i₂, в результате чего получаем расчетное соотношение:

где индекс (∗) означает, что эти значения являются расчетными.

Сигнал с датчика напряжения 4 подается на первый вход блок вычисления заданного тока 6, сигнал с датчика тока 5 подается на его второй вход.

При поступлении сигнала с датчика напряжения 4 в устройство фазовой автоподстройки 15 в нем происходит вычисление угла θ, образованного вращающейся системой координат напряжения u₂ относительно неподвижной α-β-плоскости.

Вычисление первой (основной) и высших (третьей и пятой) гармоник реактивной составляющей тока нагрузки $$\left(i_{н}^{\ast }-i_{н1}^{\ast }\right)$$ , $$i_{н3}^{\ast }$$ и $$i_{н5}^{\ast }$$ в блоке вычисления заданного тока 6 осуществляется в блоках вычисления основной гармоники тока 16, третьей гармоники тока 17 и пятой гармоники тока 18. Входными сигналами для этих блоков является ток i₂ вторичной обмотки трансформатора напряжения 1, а также вычисленный сигнал угла θ, образованный вращающейся системой координат напряжения, полученный на выходе устройства фазовой автоподстройки 15.

Вычисленный сигнал угла θ подается непосредственно на первый вход блока вычисления основной гармоники тока 16, в котором вычисляется первая (основная) гармоника реактивной составляющая тока нагрузки $$\left(i_{н}^{\ast }-i_{н1}^{\ast }\right)$$ .

На первый вход блока вычисления третьей гармоники 17 поступает сигнал с первого умножителя 20, в котором вычисленный сигнал угла θ умножается на порядок гармоники h, равный трем. В блоке вычисления третьей гармоники 17 определяется третья гармоническая составляющая тока нагрузки $$i_{н3}^{\ast }$$ .

На первый вход блока вычисления третьей гармоники 18 поступает сигнал со второго умножителя 21, в котором вычисленный сигнал угла θ умножается на порядок гармоники h, равный пяти. В блоке вычисления пятой гармоники 18 определяется пятая гармоническая составляющая тока нагрузки $$i_{н5}^{\ast }$$ .

С помощью сумматора 19 производится расчет заданного тока источника реактивной мощности i_{к зад}.

Вычисленные сигналы основной и высших (третьей и пятой) гармонических составляющих реактивного тока нагрузки подаются на сумматор 19, на выходе которого в соответствии с выражением (5) формируется сигнал реактивного тока нагрузки 2, который является заданным i_{к зад} для компенсации источником реактивной мощности 3.

Заданный i_{к зад} сигнал компенсатора с выхода сумматора 19 поступает на первый вход элемента сравнения 7, а на его второй вход с выхода датчика тока компенсатора 13 поступает фактический ток i_{к факт} источника реактивной мощности 3.

В элементе сравнения 7 происходит сравнение заданного i_{к зад} и фактического тока i_{к факт} источника реактивной мощности 3. Последнее значение определяется с помощью датчика тока компенсатора 13. Разностный сигнал i_{к зад}-i_{к факт}, полученный на выходе элемента сравнения 7, поступает на вход блока управления 8 источником реактивной мощности 3. Блок управления 8 источником реактивной мощности 3 формирует сигнал для управления ключевыми элементами инвертора 14 таким образом, чтобы выполнялось равенство i_{к зад}=i_{к факт} заданного и фактического тока источника реактивной мощности 3. В этом случае происходит компенсация реактивного тока нагрузки на основной частоте, а также доминирующих третьей и пятой гармоник тока нагрузки.

В источнике реактивной мощности 3 ток компенсатора протекает непрерывно во всех режимах работы электровоза, который определяется напряжениями вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 и выходного напряжения инвертора 14.

В номинальном режиме работы электровоза действующее значение напряжения на выходе инвертора 14 равно нулю, при этом ток компенсатора определяется параметрами LC-цепи.

В режиме, отличном от номинального, действующее значение напряжения на выходе инвертора 14 не равно нулю, т.е. может принимать либо положительные, либо отрицательные значения, при этом ток компенсатора определяется при неизменных параметрах LC-цепи напряжением инвертора 14 и изменяется в соответствии с изменением реактивной мощности электровоза.

В результате изменения напряжения на выходе инвертора 14 происходит компенсация основной и высших гармонических составляющих тока нагрузки электровоза, как в номинальном, так и в отличном от номинального режимах работы.

Таким образом, при использовании заявляемого устройства для компенсации реактивной мощности максимально повышается значение коэффициента мощности к_м электровоза до 0,96. За счет компенсации первой (основной) гармоники реактивной составляющей тока нагрузки значение коэффициента мощности к_м электровоза повышается на 0,025, а за счет компенсации высших гармонических составляющих тока нагрузки - на 0,075.

Устройство для компенсации реактивной мощности, содержащее трансформатор напряжения, нагрузку в виде выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем, источник реактивной мощности с последовательно соединенными конденсатором и индуктивностью, вход которой является одним из входов источника реактивной мощности, датчик напряжения, датчик тока, блок вычисления заданного тока, элемент сравнения, блок управления источником реактивной мощности, при этом первичная обмотка трансформатора напряжения связана с сетью, вторичная обмотка которого через датчик тока соединена с параллельно включенными нагрузкой и источником реактивной мощности, датчик напряжения подключен параллельно вторичной обмотке трансформатора напряжения, выход которого связан с первым входом блока вычисления заданного тока, выход датчика тока соединен со вторым входом блока вычисления заданного тока, выход блока вычисления заданного тока через элемент сравнения подключен к входу блока управления источником реактивной мощности, отличающееся тем, что в источник реактивной мощности введены датчик тока компенсатора и инвертор, последовательно соединенные с индуктивностью и конденсатором, при этом вход датчика тока компенсатора является первым входом источника реактивной мощности, а его выход - выходом источника реактивной мощности, вход инвертора является третьим входом источника реактивной мощности, блок вычисления заданного тока выполнен из устройства фазовой автоподстройки, блоков вычисления основной гармоники тока, вычисления третьей гармоники тока, вычисления пятой гармоники тока, сумматора, первого и второго умножителей, в котором выход устройства фазовой автоподстройки непосредственно соединен с вторым входом блока вычисления основной гармоники тока и, соответственно, через первый и второй умножители - с вторыми входами блока вычисления третьей гармоники тока и блока вычисления пятой гармоники тока, выходы которых подключены к соответствующими входами сумматора, при этом вход устройства фазовой автоподстройки является первым входом блока вычисления заданного тока, объединенные первые входы блоков вычисления основной гармоники тока, вычисления третьей гармоники тока и вычисления пятой гармоники тока являются вторым его входом, выход сумматора - выходом блока вычисления заданного тока, причем выход блока вычисления заданного тока подключен к первому входу элемента сравнения, выход которого через блок управления источником реактивной мощности подключен к третьему входу источника реактивной мощности, второй вход элемента сравнения подключен к выходу источника реактивной мощности.