RU2467893C1 - Electric rolling stock reactive power compensator - Google Patents
Electric rolling stock reactive power compensator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2467893C1 RU2467893C1 RU2011115446/11A RU2011115446A RU2467893C1 RU 2467893 C1 RU2467893 C1 RU 2467893C1 RU 2011115446/11 A RU2011115446/11 A RU 2011115446/11A RU 2011115446 A RU2011115446 A RU 2011115446A RU 2467893 C1 RU2467893 C1 RU 2467893C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reactive power
- voltage
- current
- electric locomotive
- inverter
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
Landscapes
- Inverter Devices (AREA)
- Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для повышения коэффициента мощности потребителей, в частности электроподвижного состава переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения.The invention relates to electrical engineering and is intended to increase the power factor of consumers, in particular electric rolling stock of alternating current with zone-phase voltage regulation.
Одним из недостатков эксплуатируемых в настоящее время электровозов переменного тока с зонно-фазовым регулированием напряжения является низкий коэффициент мощности, достигающий в лучшем случае 0,84.One of the drawbacks of currently operating AC electric locomotives with zone-phase voltage regulation is the low power factor, which reaches 0.84 in the best case.
Общеизвестно, что коэффициент мощности км электровоза при несинусоидальной форме напряжения и тока определяется по формуле (Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1984):It is well known that the power factor to m of an electric locomotive with a non-sinusoidal form of voltage and current is determined by the formula (L. Bessonov. Theoretical Foundations of Electrical Engineering. - M.: Higher School, 1984):
где φ - угол сдвига между питающим напряжением и первой гармоникой потребляемого тока,where φ is the angle of shift between the supply voltage and the first harmonic of the current consumption,
ν - коэффициент искажения формы потребляемого тока.ν is the distortion coefficient of the shape of the consumed current.
Последний коэффициент характеризует степень искажения входного тока электровоза и определяется отношением первой гармоники тока к его действующему значению:The last coefficient characterizes the degree of distortion of the input current of the electric locomotive and is determined by the ratio of the first harmonic of the current to its current value:
Таким образом, коэффициент мощности км характеризуется степенью потребления электровозом активной и, соответственно, реактивной мощности, а его увеличение способствует повышению активной мощности, и одновременному уменьшению реактивной.Thus, the power factor to m is characterized by the degree of consumption by the electric locomotive of active and, accordingly, reactive power, and its increase contributes to an increase in active power, and at the same time a decrease in reactive power.
Для повышения коэффициента мощности км применяются компенсирующие установки в виде резонансных LC-контуров. Компенсирующее устройство, во-первых, увеличивает Cosφ путем создания емкостного тока нагрузки и смещения первичного тока электровоза в сторону опережения питающего напряжения. Во-вторых, повышает значение коэффициента ν благодаря шунтирующему действию LC-цепи для тока высших гармоник, генерируемых преобразователем электровоза.To increase the power factor to m, compensating installations in the form of resonant LC circuits are used. The compensating device, firstly, increases Cosφ by creating a capacitive load current and biasing the primary current of the electric locomotive in the direction of advancing the supply voltage. Secondly, it increases the value of the coefficient ν due to the shunting action of the LC circuit for the higher harmonics current generated by the electric locomotive converter.
Однако высокое значение коэффициента мощности км электровоза достигается лишь при определенных, а именно при номинальных токах нагрузки. Отклонение нагрузки электровоза от номинальной вызывает неполную компенсацию реактивной мощности, что снижает коэффициент мощности км до 0,82-0,85, что является проблемой в существующем уровне техники.However, a high value of the power factor to m of an electric locomotive is achieved only at certain, namely, at rated load currents. The deviation of the load of the electric locomotive from the nominal one causes incomplete compensation of reactive power, which reduces the power factor to m to 0.82-0.85, which is a problem in the current level of technology.
Известно устройство для управления компенсированным выпрямительно-инверторным преобразователем электроподвижного состава с устройством для компенсации реактивной мощности, основанным на генерации емкостной составляющей тока, компенсирующего реактивную мощность, потребляемую индуктивной нагрузкой при синусоидальном и несинусоидальном питающем напряжении (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 B60L 9/12).A device for controlling a compensated rectifier-inverter converter of electric rolling stock with a device for compensating reactive power based on the generation of a capacitive component of the current compensating for the reactive power consumed by the inductive load at a sinusoidal and non-sinusoidal supply voltage (AS No. 1468791. Device for controlling the compensated rectifier-inverter converter of an electric rolling stock.Actors V.A. Kuchumov, V.A. Tatarnikov, N.N Shirochenko, Z. G. Bibineishvili. - Published in BI No. 12, 1989, MKI B60L 9/12).
Устройство для управления компенсированным выпрямительно-инверторным преобразователем электроподвижного состава содержит трансформатор напряжения, связанный с нагрузкой, компенсатор, представляющий LC-цепь с фиксированными параметрами индуктивности и емкости, ключевой элемент, устройство для 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 электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем, ключевой элемент выполнен в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Параметры LC-цепи выбираются из условия работы электровоза в номинальном режиме.A device for controlling a compensated rectifier-inverter converter of an electric rolling stock comprises a voltage transformer associated with a load, a compensator representing an LC circuit with fixed parameters of inductance and capacitance, a key element, a device for generating pulses of a key element, a trigger, an element And, a pulse generator of switching on , line voltage sensor, protection unit and command unit. In this case, the load is a rectifier-inverter converter of an electric locomotive with a traction motor connected to it, the key element is made in the form of two on-parallel connected thyristors. The parameters of the LC circuit are selected from the operating conditions of the electric locomotive in nominal mode.
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 напряжения, выход формирователя импульсов подключены к входу «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.The LC-compensator through the key element is connected in parallel with the load and the secondary winding of the voltage transformer, the primary winding of which is connected to the network. The first input of the And element is connected to the output of the network voltage sensor, the input of which is connected to the network. The protection unit is connected to the second input of the And element, the output of which is connected to the input “R” of the trigger. The inputs of the switching pulse shaper are connected to the compensator capacitor and the secondary winding of the voltage transformer, the output of the pulse shaper is connected to the input “C” of the trigger, the output of which is connected to the control input of the key element through the pulse forming device of the key element. The command unit is connected to the input "D" of the trigger trigger and to the third input of the element I.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Пониженное 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.The reduced alternating voltage of the network is supplied to the input of the rectifier-inverter converter, which provides smooth four-zone voltage regulation on the traction motor. In this case, the traction motor consumes from the network, in addition to active, also reactive power, which degrades the power consumption.
При индуктивном характере нагрузки через LC-цепь протекает емкостная составляющая тока, компенсирующая 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, приводящее к уменьшению в составе входного тока электровоза высших гармоник тока и увеличению коэффициентом искажения тока ν.With the inductive nature of the load, a capacitive current component flows through the LC circuit to compensate for the inductive component of the load current. In this case, the phase of the angle φ of the current consumed by the electric locomotive approaches the supply voltage. At the same time, through the LC circuit, the third and nearest higher harmonic current components are shunted inside the electric locomotive, leading to a decrease in the higher current harmonics in the input current of the electric locomotive and an increase in the current distortion coefficient ν.
Тиристоры ключевого элемента включаются сигналом с выхода триггера запуска через устройство формирования импульсов ключевого элемента.The thyristors of the key element are switched on by the signal from the output of the trigger trigger through the pulse forming device of the key element.
При этом выходной сигнал триггера генерируется в моменты равенства напряжений на конденсаторе компенсатора и вторичной обмотки трансформатора напряжения при поступлении на разрешающий вход «С» триггера сигнала с выхода формирователя импульсов включения. Сигнал на выходе триггера запуска формируется после подачи на его вход «D» сигнала командного блока. При этом формирование напряжения на выходе триггера запуска совпадает с ближайшим моментом равенства напряжений на конденсаторе и трансформаторе напряжения.In this case, the trigger output signal is generated at the moments of equal voltage across the compensator capacitor and the secondary winding of the voltage transformer when a trigger signal arrives at the enable input “C” from the output of the on-pulse shaper. The signal at the output of the trigger trigger is formed after the signal of the command unit is supplied to its input “D”. In this case, the formation of voltage at the output of the trigger trigger coincides with the closest moment of equality of voltage on the capacitor and voltage transformer.
Тиристоры ключевого элемента закрываются либо в случае превышения допускаемого напряжения в сети, либо при срабатывании защиты. Сигналы на отключение формируются, соответственно, датчиком напряжения сети или 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 формирует на выходе триггера запуска сигнал на закрытие тиристоров ключевого элемента.The thyristors of the key element are closed either in case of exceeding the permissible voltage in the network, or when the protection is triggered. Shutdown signals are generated, respectively, by a network voltage sensor or protection unit. If at least one of these signals is present at the input of the AND element, a signal appears at its output, which is fed to the “R” input of the reset trigger trigger. This signal generates at the output of the trigger trigger a signal to close the thyristors of the key element.
Таким образом, при работе компенсатора реактивной мощности его LC-цепь через ключевой элемент постоянно соединяется с вторичной обмоткой трансформатора. При этом компенсатор генерирует емкостную составляющую тока противофазную индуктивной составляющей тока нагрузки. Фаза φ потребляемого электровозом тока при этом приближается к питающему напряжению, увеличивая Cosφ и коэффициент мощности км электровоза.Thus, when the reactive power compensator is operating, its LC circuit is constantly connected through the key element to the secondary winding of the transformer. In this case, the compensator generates a capacitive component of the current antiphase inductive component of the load current. The phase φ of the current consumed by the electric locomotive approaches the supply voltage, increasing Cosφ and the power factor to m of the electric locomotive.
Кроме того, резонансная LC-цепь, настроенная на частоту, близкую к частоте наибольшей по величине третьей гармонической составляющей тока, оказывает шунтирующее действие для гармоник тока, генерируемых преобразователем электровоза. При этом образуется локальный контур тока третьей гармоники «преобразователь-LC-цепь» внутри электровоза, в котором происходит компенсация третьей и близких по частоте высших гармонических составляющих в потребляемом токе электровоза. Снижение уровня высших гармоник во входном токе электровоза способствует увеличению коэффициента искажения тока ν и, соответственно, увеличению коэффициента мощности км. Таким образом, коэффициент мощности км возрастает также за счет уменьшения в составе входного тока электровоза высших гармоник, определяемых коэффициентом искажения тока ν.In addition, the resonant LC circuit tuned to a frequency close to the frequency of the largest third harmonic component of the current has a shunting effect for the current harmonics generated by the electric locomotive converter. In this case, a local third-harmonic current loop “converter-LC-circuit” is formed inside the electric locomotive, in which the third and close in frequency higher harmonic components in the consumed current of the electric locomotive are compensated. A decrease in the level of higher harmonics in the input current of an electric locomotive increases the current distortion coefficient ν and, accordingly, increases the power factor to m . Thus, the power factor to m also increases due to a decrease in the higher harmonics in the input current of the electric locomotive, determined by the current distortion coefficient ν.
При появлении сверхтоков, возможных при подключении LC-компенсатора к напряжению вторичной обмотки трансформатора напряжения, блок управления отключает компенсатор и обеспечивает быстродействующую защиту. Защита преобразователя осуществляется путем снятия управляющих импульсов с тиристоров ключевого элементаWhen overcurrents occur that are possible when the LC compensator is connected to the voltage of the secondary winding of the voltage transformer, the control unit turns off the compensator and provides high-speed protection. The converter is protected by removing control pulses from the thyristors of the key element
Испытания устройства компенсации на электровозе ВЛ 85 (Широченко Н.Н., Татарников В.А., Бибинеишвили З.Г. Улучшение энергетики электровозов переменного тока. - Железнодорожный транспорт, 1988 г., №7, с.33-36) показали, что при мощности компенсатора 520 кВАр (С=1475 мкФ) среднее значение коэффициента мощности электровоза находится на уровне 0,92. При таком значении коэффициента мощности электровоза обеспечивается почти двукратное (по сравнению со штатным электровозом) сокращение потребления реактивной энергии на тягу поездов. Таким образом, применение LC-компенсатора реактивной мощности обеспечивает высокое значение коэффициента мощности км электровоза и малые потери электроэнергии за счет незначительного потребления реактивной мощности, что является достоинством известного устройства.Tests of the compensation device on the VL 85 electric locomotive (Shirochenko NN, Tatarnikov VA, Bibineishvili ZG Improving the energy of AC electric locomotives. - Railway transport, 1988, No. 7, p. 33-36) showed that with a compensator power of 520 kVar (C = 1475 μF), the average value of the power factor of an electric locomotive is at the level of 0.92. With this value of the power factor of the electric locomotive, an almost twofold (compared with a standard electric locomotive) reduction of the consumption of reactive energy for train traction is provided. Thus, the use of an LC-compensator for reactive power provides a high power factor to m of an electric locomotive and low energy losses due to low consumption of reactive power, which is an advantage of the known device.
Однако достижение высокого показателя коэффициента мощности км электровоза обеспечивается лишь при определенных (номинальных) токах нагрузки, при которых Cosφ имеет максимальное значение, и лишь на определенных интервалах работы преобразователя, во время которого происходит шунтирование токов высших гармоник, влияющих на коэффициент ν. Это обусловлено применением LC-компенсатора с фиксированными параметрами и постоянной величиной тока компенсации.However, the achievement of a high power factor to m electric locomotive is achieved only at certain (nominal) load currents at which Cosφ has a maximum value, and only at certain intervals of the converter operation, during which the higher harmonics currents are shunted, affecting the ν coefficient. This is due to the use of an LC compensator with fixed parameters and a constant compensation current.
Отклонение нагрузки электровоза от номинальной вызывает неполную компенсацию реактивной мощности, что снижает коэффициент мощности км до 0,82-0,85, что является недостатком известного устройства.The deviation of the load of the locomotive from the nominal causes incomplete compensation of reactive power, which reduces the power factor to m to 0.82-0.85, which is a disadvantage of the known device.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, основанное на генерации емкостной составляющей тока, компенсирующего реактивную мощность, потребляемую индуктивной нагрузкой при синусоидальном и несинусоидальном питающем напряжении (А.С. №2212086. Устройство для компенсации реактивной мощности. Авторы изобретения Ю.М.Кулинич, А.Н.Савоськин. - Дата публикации 10.09.2003 г., МКИ 7 H02J 3/18, B60L 9/12).The closest to the claimed solution in terms of essential features is a device for compensating the reactive power of an electric rolling stock, based on the generation of a capacitive component of the current, compensating for the reactive power consumed by the inductive load at a sinusoidal and non-sinusoidal supply voltage (AS No. 22212086. A device for compensating reactive The authors of the invention are Yu.M. Kulinich, A. N. Savoskin, publication date 09/10/2003, MKI 7 H02J 3/18, B60L 9/12).
Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава содержит трансформатор напряжения, связанный с нагрузкой, компенсатор, датчик режима сети, блок синхронизирующих импульсов, блок управления и коммутатор.A device for compensating the reactive power of an electric rolling stock comprises a voltage transformer associated with the load, a compensator, a network mode sensor, a block of synchronizing pulses, a control unit and a switch.
Компенсатор включает первый и второй источники реактивной мощности, каждый из которых представляет собой LC-цепь с фиксированными параметрами индуктивности и емкости, выбранными из расчета работы в номинальном режиме работы электровоза.The compensator includes the first and second sources of reactive power, each of which is an LC circuit with fixed inductance and capacitance parameters selected from the calculation of the operation in the nominal operation mode of an electric locomotive.
Трансформатор напряжения выполнен многообмоточным и имеет три вторичные обмотки.The voltage transformer is multi-winding and has three secondary windings.
Нагрузка включает в себя выпрямительно-инверторный преобразователь и двигатель. Датчик режима сети содержит датчик тока и датчик напряжения.The load includes a rectifier-inverter converter and a motor. The network mode sensor contains a current sensor and a voltage sensor.
Нагрузка подключена параллельно трансформатору напряжения и коммутатору. Трансформатор напряжения соединен с сетью через датчик тока, выход которого связан со вторым входом блока управления, выход которого подключен к первому входу коммутатора. Вход датчика напряжения соединен параллельно сети, а его выход через блок синхронизирующих импульсов связан с первым входом блока управления. Конденсаторы первого и второго источников реактивной мощности соединены между собой и связаны со вторым входом коммутатора, индуктивности первого и второго источников реактивной мощности подключены к третьему и четвертому входам коммутатора. Подключение источников реактивной мощности к различным секциям вторичной обмотки трансформатора обеспечивает трехступенчатое изменение реактивной мощности компенсатора.The load is connected in parallel with the voltage transformer and the switch. The voltage transformer is connected to the network through a current sensor, the output of which is connected to the second input of the control unit, the output of which is connected to the first input of the switch. The input of the voltage sensor is connected in parallel with the network, and its output through the block of synchronizing pulses is connected to the first input of the control unit. The capacitors of the first and second reactive power sources are interconnected and connected to the second input of the switch, the inductors of the first and second reactive power sources are connected to the third and fourth inputs of the switch. Connection of reactive power sources to various sections of the secondary winding of the transformer provides a three-stage change in the reactive power of the compensator.
Устройство для компенсации реактивной мощности работает следующим образом.A device for reactive power compensation works as follows.
Пониженное трансформатором напряжения переменное напряжение сети поступает на вход выпрямительно-инверторного преобразователя, осуществляющего плавное четырехзонное регулирование напряжения на двигателе. При этом двигатель потребляет из сети кроме активной, также реактивную мощность, которая влияет на ухудшение показателей электропотребления.The AC voltage reduced by the voltage transformer is supplied to the input of the rectifier-inverter converter, which provides smooth four-zone voltage regulation on the motor. In this case, the engine consumes from the network, in addition to active, also reactive power, which affects the deterioration of power consumption.
Для максимального обеспечения коэффициента мощности электровоза необходимо достижение равенства мощности компенсатора QКРМ и реактивной мощности электровоза QЭЛ во всех режимах его работы.To maximize the power factor of an electric locomotive, it is necessary to achieve equality of the power of the compensator Q CRM and the reactive power of the electric locomotive Q EL in all modes of operation.
Датчик режима сети, блок управления и блок синхронизирующих импульсов определяют фазовый угол сдвига φ. В зависимости от величины фазового угла сдвига φ между током электровоза и питающим напряжением сети коммутатор переключает цепи первого и второго источников реактивной мощности к различным секциям вторичной обмотки трансформатора напряжения.The network mode sensor, the control unit and the block of synchronizing pulses determine the phase angle of shift φ. Depending on the magnitude of the phase angle of shift φ between the current of the electric locomotive and the supply voltage of the network, the switch switches the circuits of the first and second sources of reactive power to various sections of the secondary winding of the voltage transformer.
При всех переключениях источников реактивной мощности в цепи LC-компенсатора протекает емкостной ток, который компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки, увеличивая Cosφ электровоза во всех режимах работы электровоза, включая номинальный. При этом полная компенсация реактивной мощности обеспечивается ступенчато только при равенстве реактивной мощности электровоза и мощности первой, второй и третьей ступенях компенсатора. При значениях реактивной мощности электровоза, отличающихся от мощностей ступеней компенсатора реактивной мощности, происходит недомпенсация или перекомпенсация реактивной мощности электровоза.With all switching of reactive power sources, a capacitive current flows in the LC compensator circuit, which compensates the inductive component of the load current, increasing the cosφ of the electric locomotive in all modes of operation of the electric locomotive, including the nominal one. In this case, full compensation of reactive power is provided stepwise only if the reactive power of the electric locomotive is equal to the power of the first, second and third stages of the compensator. At values of the reactive power of the electric locomotive that differ from the powers of the steps of the reactive power compensator, there is an undercompensation or overcompensation of the reactive power of the electric locomotive.
Кроме того, LC-цепь первого и второго источников реактивной мощности, настроенных на частоту третьей гармоники питающего напряжения, шунтирует токи высших гармоник, генерируемых нагрузкой, увеличивая коэффициент искажения тока ν.In addition, the LC circuit of the first and second reactive power sources tuned to the frequency of the third harmonic of the supply voltage shunts the higher harmonics generated by the load, increasing the current distortion coefficient ν.
Первый источник реактивной мощности при подключении цепи нагрузки к трансформатору с малым напряжением на интервале времени α0з-αрег и второй источник реактивной мощности при подключении цепи нагрузки к трансформатору с большим напряжением на интервале времени от подачи импульсов управления αрег до t=α0 следующего полупериода сетевого напряжения создают контуры для шунтирования тока высших гармоник (Кулинич Ю.М. Устройство и работа выпрямительно-инверторного преобразователя. М.: Локомотив, №1, 2001 г. С.14-18).The first reactive power source when connecting the load circuit to a transformer with a low voltage in the time interval α 0з- α reg and the second reactive power source when connecting the load circuit to a transformer with a high voltage in the time interval from the supply of control pulses α reg to t = α 0 next a half-period of the mains voltage creates circuits for shunting the current of higher harmonics (Kulinich Yu.M. Design and operation of a rectifier-inverter converter. M: Lokomotiv, No. 1, 2001, p.14-18).
Таким образом, шунтирование тока высших гармоник осуществляется на обоих интервалах работы выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза α0з-αрег и αрег-α0, т.e. на всем интервале его работы.Thus, the shunting of the current of higher harmonics is carried out at both operation intervals of the rectifier-inverter converter of the electric locomotive α 0з -α reg and α reg -α 0 , i.e. over the entire interval of his work.
Генерируемые нагрузкой токи высших гармоник замыкаются через LC-цепи первого и второго источников реактивной мощности, минуя цепи вторичной и, соответственно, первичной обмотки трансформатора напряжения. Это приводит к отсутствию высших гармоник токов в форме входного тока электровоза, приближая ее к синусоидальной форме и увеличивая значение коэффициента искажения тока ν. Значение коэффициента мощности км электровоза повышается.The higher harmonic currents generated by the load are closed through the LC circuits of the first and second reactive power sources, bypassing the secondary and, accordingly, primary windings of the voltage transformer. This leads to the absence of higher harmonics of currents in the form of the input current of an electric locomotive, bringing it closer to a sinusoidal shape and increasing the value of the current distortion coefficient ν. The value of the power factor to m of the electric locomotive increases.
Таким образом, коэффициент мощности км электровоза увеличивается как за счет улучшения формы входного тока, так и за счет более полной компенсации реактивной составляющей входного тока в отличных от номинального режимах работы.Thus, the power factor to m of the electric locomotive increases both by improving the shape of the input current, and by more fully compensating for the reactive component of the input current in different operating modes.
При изменении реактивной мощности электровоза и сохранении номинального значения мощности компенсатора (соответствующей номинальной мощности электровоза) равенство нарушается, что приводит к недокомпенсации или перекомпенсации реактивной мощности электровоза, а также к уменьшению или превышению тока компенсатора над индуктивной составляющей тока нагрузки и увеличению фазового угла сдвига φ между током электровоза и питающим напряжениям.When the reactive power of the electric locomotive is changed and the nominal value of the compensator power (corresponding to the nominal power of the electric locomotive) is maintained, the equality is violated, which leads to undercompensation or overcompensation of the reactive power of the electric locomotive, as well as to a decrease or excess of the compensator current over the inductive component of the load current and an increase in the phase shift angle φ between electric locomotive current and supply voltage.
При увеличении значения угла φ, превышающего некоторое пороговое значение, появляется сигнал управления на выходе блока управления, что приводит к переключению с помощью коммутатора цепей первого и второго источников реактивной мощности к обмоткам трансформатора напряжения с меньшим напряжением.When the value of the angle φ exceeds a certain threshold value, a control signal appears at the output of the control unit, which leads to switching, using the switch, the circuits of the first and second reactive power sources to the windings of the voltage transformer with a lower voltage.
В этом случае уменьшается мощность и, соответственно, ток первого и второго источников реактивной мощности. Это приводит к уменьшению емкостной составляющей входного тока электровоза и приближения фазы φ тока электровоза к питающему напряжению, что вызывает повышение коэффициента мощности км нагрузки.In this case, the power and, accordingly, the current of the first and second sources of reactive power are reduced. This leads to a decrease in the capacitive component of the input current of the electric locomotive and the phase φ of the current of the electric locomotive approaches the supply voltage, which causes an increase in the power factor to m load.
Таким образом, компенсация реактивной мощности осуществляется ступенчато, и более полная компенсация реактивной мощности электровоза достигается только в пределах каждой ступени изменения реактивной мощности компенсатора. При этом коэффициент мощности км повышается как за счет улучшения формы входного тока на двух интервалах работы преобразователя (α0з-αрег и αрег-α0) путем шунтирования, так и за счет компенсации реактивной составляющей входного тока во всех режимах работы, включая номинальный режим, что является достоинством известного устройства.Thus, the reactive power compensation is carried out stepwise, and a more complete compensation of the reactive power of the electric locomotive is achieved only within each stage of the change in the reactive power of the compensator. In this case, the power factor to m is increased both by improving the shape of the input current at two converter operation intervals (α 0з- α reg and α reg -α 0 ) by shunting, and by compensating the reactive component of the input current in all operating modes, including rated mode, which is the advantage of the known device.
Недостатком известного устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава является пониженный коэффициент мощности км электровоза из-за недомпенсации или перекомпенсации при значениях его реактивной мощности, отличающихся от мощностей ступеней компенсатора реактивной мощности, т.е. из-за компенсации реактивной мощности электровоза не во всем диапазоне токовых нагрузок.A disadvantage of the known device for compensating the reactive power of electric rolling stock is the reduced power factor to m of the electric locomotive due to undercompensation or overcompensation at values of its reactive power that differ from the powers of the reactive power compensator stages, i.e. due to compensation of the reactive power of an electric locomotive, it is not in the entire range of current loads.
Это обусловлено тем, что при фиксированных трех ступенях реактивной мощности QКРМ компенсатора и при изменяющейся реактивной мощности электровоза QЭЛ полная компенсация его реактивной мощности возможна только тогда, когда потребляемая электровозом реактивная мощность будет равна мощности QЭЛ=QКРМ соответствующих ступеней компенсатора. Невыполнение этого условия вызывает неполную компенсацию реактивной мощности электровоза.This is due to the fact that for three fixed reactive power levels Q of the CRM of the compensator and for changing reactive power of the electric locomotive Q EL, full compensation of its reactive power is possible only when the reactive power consumed by the electric locomotive is equal to the power Q EL = Q of the CRM of the corresponding compensator steps. Failure to do so causes incomplete compensation of the reactive power of the electric locomotive.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, позволяющего повысить коэффициент мощности км электровоза во всем диапазоне токовых нагрузок за счет обеспечения равенства мощности компенсатора и реактивной мощности электровоза QЭЛ=QКРМ во всех режимах работы электровоза путем плавного изменения реактивной мощности компенсатора QКРМ, а также увеличить скорость движения электровоза за счет повышения напряжения на его токоприемнике.The problem solved by the invention is to develop a device for compensating the reactive power of electric rolling stock, which allows to increase the power factor to m of the electric locomotive over the entire range of current loads by ensuring equal power of the compensator and the reactive power of the electric locomotive Q EL = Q CRM in all modes of operation of the electric locomotive by smooth changes in the reactive power of the compensator Q CRM , as well as increase the speed of the electric locomotive by increasing the voltage at its current collector.
Для решения поставленной задачи в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, содержащее многообмоточный трансформатор напряжения, связанный с нагрузкой, включающей выпрямительно-инверторный преобразователь и двигатель, компенсатор, включающий первый и второй источники реактивной мощности с фиксированными параметрами LC-цепи, датчик тока, датчик напряжения, и блок синхронизирующих импульсов, при этом нагрузка подключена параллельно трансформатору напряжения, присоединенному к сети через датчик тока, вход датчика напряжения соединен параллельно сети, а его выход - с блоком синхронизирующих импульсов, первые выводы первого и второго источников реактивной мощности соединены между собой, дополнительно введены выпрямитель и последовательно соединенные блок управления инвертором, инвертор и вольтодобавочный трансформатор, при этом выходы датчика тока и блока синхронизирующих импульсов соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления инвертором, выход которого подключен к первому входу инвертора, первая и вторая секции вторичной обмотки трансформатора через выпрямитель соединены со вторым входом инвертора, выход которого подключен к первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора, объединенные первые выводы первого и второго источников реактивной мощности связаны с первой секцией вторичной обмотки трансформатора напряжения, а вторые выводы первого и второго источников реактивной мощности через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора подсоединены к третьей секции вторичной обмотки трансформатора напряжения.To solve the problem, a device for compensating the reactive power of an electric rolling stock containing a multi-winding voltage transformer connected to a load including a rectifier-inverter converter and a motor, a compensator including the first and second reactive power sources with fixed parameters of the LC circuit, current sensor, sensor voltage, and a block of synchronizing pulses, while the load is connected in parallel with a voltage transformer connected to the network through a current sensor, in the voltage sensor path is connected in parallel with the network, and its output is connected to a block of synchronizing pulses, the first outputs of the first and second reactive power sources are interconnected, an additional rectifier and series-connected inverter control unit, an inverter and a boost transformer are introduced, while the outputs of the current sensor and unit synchronizing pulses are connected respectively to the first and second inputs of the inverter control unit, the output of which is connected to the first input of the inverter, the first and second sec and the secondary winding of the transformer through a rectifier connected to the second input of the inverter, the output of which is connected to the primary winding of the boost transformer, the combined first terminals of the first and second reactive power sources are connected to the first section of the secondary winding of the voltage transformer, and the second conclusions of the first and second reactive power sources are through secondary the windings of the boost transformer are connected to the third section of the secondary winding of the voltage transformer.
Заявляемое решение отличается от прототипа введением в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава новых элементов (выпрямителя и последовательно соединенных блока управления инвертором, инвертора и вольтодобавочного трансформатора) и образованием новых взаимосвязей между элементами устройства. Наличие в заявляемом решении отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».The claimed solution differs from the prototype by introducing new elements (a rectifier and a series-connected inverter control unit, an inverter and a boost booster transformer) into the device for compensating the reactive power of the electric rolling stock and creating new relationships between the elements of the device. The presence in the claimed solution of distinctive essential features indicates the conformity of the proposed solution to the patentability criterion of the invention of "novelty."
Введение в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава выпрямителя и последовательно соединенных блока управления инвертором, инвертора и вольтодобавочного трансформатора, приводящее к образованию новых взаимосвязей между элементами устройства обеспечивает повышение коэффициента мощности км электровоза во всем диапазоне токовых нагрузок.The introduction of a rectifier and a series-connected inverter control unit, an inverter and a boost booster transformer into the device for compensating reactive power of the electric rolling stock, leading to the formation of new interconnections between the elements of the device, provides an increase in the power factor to m of the electric locomotive over the entire range of current loads.
Это обусловлено тем, что на конденсаторах LC-цепи поддерживается реактивная мощность, равная реактивной мощности электровоза, благодаря плавному изменению напряжения на вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора и формированию соответствующего напряжения на конденсаторах LC-цепи, определяющего реактивная мощность QКРМ компенсатора. При этом изменение реактивной мощности QКРМ компенсатора происходит одновременно с изменением реактивной мощности электровоза QЭЛ во всем диапазоне токовых нагрузок благодаря регулированию выходного напряжения инвертора, обеспечивающего необходимую величину напряжения на вольтодобавочном трансформаторе. Это позволяет полностью компенсировать QЭЛ во всех режимах его работы и приблизить значение Cosφ к единице.This is due to the fact that the reactive power equal to the reactive power of the electric locomotive is maintained on the capacitors of the LC circuit due to a smooth change in the voltage on the secondary winding of the boost transformer and the formation of the corresponding voltage on the capacitors of the LC circuit, which determines the reactive power Q of the CRM of the compensator. In this case, the change in reactive power Q of the CRM of the compensator occurs simultaneously with a change in the reactive power of the electric locomotive Q EL in the entire range of current loads due to the regulation of the output voltage of the inverter, which provides the necessary voltage value on the boost transformer. This allows you to fully compensate for Q EL in all modes of its operation and bring the value of Cosφ to unity.
Увеличение Cosφ за счет полной компенсации реактивной мощности электровоза во всем диапазоне токовых нагрузок, включая номинальный, приводит к повышению коэффициента мощности км электровоза при одновременном приближении формы тока электровоза к синусоидальной форме, характеризующейся высоким значением коэффициента искажения тока ν.An increase in Cosφ due to the full compensation of the reactive power of the electric locomotive over the entire range of current loads, including the nominal one, leads to an increase in the power factor to m of the electric locomotive, while the current form of the electric locomotive approaches the sinusoidal form, characterized by a high value of the current distortion coefficient ν.
Причинно-следственная связь «Введение в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава выпрямителя и последовательно соединенных блока управления инвертором, инвертора и вольтодобавочного трансформатора, приводящее к образованию новых взаимосвязей между элементами устройства, обеспечивает повышение коэффициента мощности км электровоза во всем диапазоне токовых нагрузок» логически следует из уровня техники.Causal relationship “Introduction to a device for compensating the reactive power of an electric rolling stock of a rectifier and a series-connected inverter control unit, an inverter and a boost transformer, leading to the formation of new relationships between the elements of the device, provides an increase in the power factor to m of an electric locomotive over the entire range of current loads” logically follows from the prior art.
Кроме того, введение в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава выпрямителя и последовательно соединенных блока управления инвертором, инвертора и вольтодобавочного трансформатора, приводящее к образованию новых взаимосвязей между элементами устройства, приводит к повышению скорости движения электровоза. Это обусловлено тем, что полная компенсация реактивной мощности электровоза QЭЛ во всех режимах его работы приводит к уменьшению реактивного тока, протекающего в контактной сети, уменьшению падения напряжения в контактной сети от протекания реактивного тока и, как следствие, к повышению напряжения на токоприемнике электровоза, приводящее к повышению скорости движения электровоза.In addition, the introduction of a rectifier and a series-connected inverter control unit, an inverter and a boost booster transformer into the device for compensating reactive power of the electric rolling stock, leading to the formation of new relationships between the elements of the device, leads to an increase in the speed of the electric locomotive. This is due to the fact that the full compensation of the reactive power of the electric locomotive Q EL in all modes of its operation leads to a decrease in the reactive current flowing in the contact network, to a decrease in the voltage drop in the contact network from the flow of reactive current, and, as a result, to an increase in the voltage at the current collector of the electric locomotive, leading to an increase in the speed of the electric locomotive.
Причинно-следственная связь «Введение в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава выпрямителя и последовательно соединенных блока управления инвертором, инвертора и вольтодобавочного трансформатора, приводящее к образованию новых взаимосвязей между элементами устройства, приводит к повышению скорости движения электровоза» не обнаружена в уровне технике и не следует логически из уровня техники. Наличие новой причинно-следственной связи «отличительные существенные признаки - новый результат» свидетельствует о соответствии заявляемого решения «изобретательский уровень».Causal relationship "Introduction to a device for compensating the reactive power of an electric rolling stock of a rectifier and a series-connected control unit of an inverter, an inverter and a boost transformer, which leads to the formation of new relationships between the elements of the device, leads to an increase in the speed of the electric locomotive" is not found in the prior art and is not follows logically from the prior art. The presence of a new causal relationship "distinctive essential features - a new result" indicates the conformity of the proposed solution "inventive step".
На фигуре представлена блок-схема заявляемого устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, иллюстрирующая работу устройства и подтверждающая его промышленную применимость.The figure shows a block diagram of the inventive device for compensating the reactive power of an electric rolling stock, illustrating the operation of the device and confirming its industrial applicability.
Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава основано на генерации емкостной составляющей тока, компенсирующей реактивную мощность, потребляемую индуктивной нагрузкой.A device for compensating the reactive power of an electric rolling stock is based on the generation of a capacitive current component that compensates for the reactive power consumed by an inductive load.
Устройство для компенсации реактивной мощности содержит многообмоточный трансформатор напряжения 1, связанный с нагрузкой 2, компенсатор 3, блок синхронизирующих импульсов 4, датчик тока 5, датчик напряжения 6, выпрямитель 7 и последовательно соединенные блок управления инвертором 8, инвертор 9 и вольтодобавочный трансформатор 10.The device for reactive power compensation contains a multi-winding voltage transformer 1, connected to the load 2, a compensator 3, a synchronizing pulse unit 4, a current sensor 5, a voltage sensor 6, a rectifier 7, and an inverter 8, an inverter 9 and a boost converter 10 connected in series.
Компенсатор 3 включает первый и второй источники реактивной мощности 11 и 12, каждый из которых представляет собой LC-цепь с фиксированными параметрами индуктивности и емкости, рассчитанную на работу в номинальном режиме работы электровоза.Compensator 3 includes first and second sources of reactive power 11 and 12, each of which is an LC circuit with fixed parameters of inductance and capacitance, designed to operate in the nominal mode of operation of an electric locomotive.
Трансформатор напряжения 1 выполнен многообмоточным с тремя секциями вторичной обмотки I, II, III соответственно.The voltage transformer 1 is multi-winding with three sections of the secondary winding I, II, III, respectively.
Нагрузка 2 включает в себя выпрямительно-инверторный преобразователь 13 и двигатель 14.The load 2 includes a rectifier-inverter converter 13 and a motor 14.
Нагрузка 2 подключена параллельно трансформатору напряжения 1. Трансформатор напряжения 1 соединен с сетью через датчик тока 5. Выход датчика тока 5 соединен с первым входом блока управления инвертором 8. Вход датчика напряжения 6 соединен параллельно сети, а его выход - с входом блока синхронизирующих импульсов 4, выход которого подключен ко второму входу блока управления инвертором 8.The load 2 is connected in parallel with voltage transformer 1. Voltage transformer 1 is connected to the network through the current sensor 5. The output of the current sensor 5 is connected to the first input of the inverter control unit 8. The input of voltage sensor 6 is connected in parallel to the network, and its output is connected to the input of the synchronizing pulse unit 4 the output of which is connected to the second input of the control unit of the inverter 8.
Первые выводы первого и второго источников реактивной мощности 11, 12 соединены между собой. Объединенные выводы источников реактивной мощности 11, 12 связаны с первой (I) секцией вторичной обмотки трансформатора напряжения 1. Вторые выводы первого и второго источников реактивной мощности 11, 12 через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора 10 подсоединены к третьей (III) секции вторичной обмотки трансформатора напряжения 1.The first conclusions of the first and second sources of reactive power 11, 12 are interconnected. The combined leads of the reactive power sources 11, 12 are connected to the first (I) section of the secondary winding of the voltage transformer 1. The second leads of the first and second reactive power sources 11, 12 through the secondary windings of the boost transformer 10 are connected to the third (III) section of the secondary winding of the voltage transformer 1 .
Выход блока управления инвертором 8 подключен к первому входу инвертора 9. Первая (I) и вторая (II) секция вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 через выпрямитель 7 соединена со вторым входом инвертора 9, выход которого подключен к первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 10.The output of the control unit of the inverter 8 is connected to the first input of the inverter 9. The first (I) and second (II) section of the secondary winding of the voltage transformer 1 through a rectifier 7 is connected to the second input of the inverter 9, the output of which is connected to the primary winding of the boost transformer 10.
Устройство для компенсации реактивной мощности работает следующим образом.A device for reactive power compensation works as follows.
Пониженное трансформатором напряжения 1 переменное напряжение сети поступает на вход выпрямительно-инверторного преобразователя 13, осуществляющего плавное четырехзонное регулирование напряжения на двигателе 14. При этом двигатель 14 потребляет из сети кроме активной, также реактивную мощность, которая влияет на ухудшение показателей электропотребления.The AC voltage lowered by the voltage transformer 1 is supplied to the input of the rectifier-inverter converter 13, which provides smooth four-zone voltage regulation on the motor 14. In this case, the motor 14 also consumes reactive power from the network, which affects the deterioration of power consumption.
Величина реактивной мощности определяется датчиками тока 5 и напряжения 6, а также блоком синхронизирующих импульсов 4 по текущим значениям тока электровоза и питающего напряжения, а также фазовому углу сдвига φ между ними.The magnitude of the reactive power is determined by the current sensors 5 and voltage 6, as well as a block of synchronizing pulses 4 according to the current values of the current of the electric locomotive and the supply voltage, as well as the phase shift angle φ between them.
Блок управления инвертором 8 вычисляет реактивную мощность QЭЛ, потребляемую электровозом, и формирует сигнал, пропорциональный реактивной мощности электровоза QЭЛ. Этот сигнал поступает на первый вход инвертора 9, который плавно формирует выходное напряжение, пропорциональное реактивной мощности электровоза QЭЛ. Выходное напряжение инвертора 9 uВДТ_1 поступает на первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 10. На вторичных обмотках вольтодобавочного трансформатора 10 индуцируется напряжение uВДТ_2, пропорциональное коэффициенту его трансформации.The inverter control unit 8 calculates the reactive power Q EL consumed by the electric locomotive, and generates a signal proportional to the reactive power of the electric locomotive Q EL . This signal is fed to the first input of the inverter 9, which smoothly generates an output voltage proportional to the reactive power of the electric locomotive Q EL . The output voltage of the inverter 9 u VDT_1 is supplied to the primary winding of the boost transformer 10. At the secondary windings of the boost transformer 10, the voltage u VDC_2 is proportional to its transformation coefficient.
На конденсаторы первого и второго источников реактивной мощности 11 и 12 поступает суммарное напряжение вторичных обмоток трансформатора напряжения 1 и вольтодобавочного трансформатора 10, которое определяет величину напряжения на конденсаторе UС источников реактивной мощности 11 и 12. Величина напряжения на обкладках конденсаторов источников реактивной мощности 11 и 12 определяет реактивную мощность компенсатора QКРМ. Емкостной ток источников реактивной мощности 11 и 12 компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки 2 в цепи вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 и, соответственно, реактивную мощность электровоза QЭЛ. Степень компенсации реактивной мощности электровоза определяет величину коэффициента мощности км электровоза.The capacitors of the first and second reactive power sources 11 and 12 receive the total voltage of the secondary windings of the voltage transformer 1 and the boost transformer 10, which determines the voltage across the capacitor U C of reactive power sources 11 and 12. The voltage value on the capacitor plates of the reactive power sources 11 and 12 determines the reactive power of the compensator Q CRM . The capacitive current of reactive power sources 11 and 12 compensates the inductive component of the load current 2 in the secondary circuit of voltage transformer 1 and, accordingly, the reactive power of the electric locomotive Q EL . The degree of compensation of the reactive power of the electric locomotive determines the value of the power factor to m of the electric locomotive.
Для максимального обеспечения коэффициента мощности км электровоза необходимо достижение равенства мощности компенсатора QКРМ и реактивной мощности электровоза QЭЛ во всех режимах его работы, что обеспечивается путем плавного регулирования QКРМ при изменении QЭЛ.To maximize the power factor to m of the electric locomotive, it is necessary to achieve equal power of the compensator Q CRM and the reactive power of the electric locomotive Q EL in all modes of operation, which is ensured by continuously regulating the Q CRM with changing Q EL .
Изменение мощности компенсатора QКРМ при фиксированной емкости компенсатора С осуществляется путем изменения напряжения UС на его обкладках в соответствии с соотношением:The change in the power of the compensator Q CRM with a fixed capacity of the compensator C is carried out by changing the voltage U C on its plates in accordance with the ratio:
где С - емкость конденсатора источника реактивной мощности,where C is the capacitance of the reactive power source capacitor,
UС - напряжение на обкладках конденсатора источника реактивной мощности.U C is the voltage across the capacitor plates of the reactive power source.
В замкнутом контуре электрической цепи, включающего в себя I-II-III секции вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 (или I-II секции вторичной обмотки трансформатора напряжения 1), вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 10, индуктивность L и емкость С источника реактивной мощности 11 (или источника реактивной мощности 12), в соответствии со вторым законом Кирхгофа выполняется следующее соотношение:In a closed circuit of an electrical circuit, including I-II-III sections of the secondary winding of voltage transformer 1 (or I-II sections of the secondary winding of voltage transformer 1), the secondary winding of the boost transformer 10, inductance L and capacitance C of a reactive power source 11 (or source of reactive power 12), in accordance with the second law of Kirchhoff, the following relation holds:
где u2 - напряжение I-II-III (или I-II) секций вторичной обмотки трансформатора напряжения 1;where u 2 - voltage I-II-III (or I-II) sections of the secondary winding of voltage transformer 1;
uВДТ2 - напряжение вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 10;u VDT2 - voltage of the secondary winding of the boost transformer 10;
UL, UC - соответственно напряжение на индуктивности и емкости источники реактивной мощности 11 (или 12).U L , U C - respectively, the voltage at the inductance and capacitance reactive power sources 11 (or 12).
При малой величине активного сопротивления обмотки индуктивности UL<<UC, справедливо соотношение:With a small value of the active resistance of the inductance winding U L << U C , the relation is true:
Изменение напряжения на конденсаторе источников реактивной мощности 11 (или 12) и, соответственно, реактивной мощности компенсатора QКРМ осуществляется при фиксированном значении напряжении u2 вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 за счет изменения напряжения на вторичной обмотке uВДТ2 вольтодобавочного трансформатора 10.The voltage change on the capacitor of reactive power sources 11 (or 12) and, accordingly, the reactive power of the CRM compensator Q is carried out at a fixed value of voltage u 2 of the secondary winding of voltage transformer 1 due to a change in voltage on the secondary winding u VDT2 of boost transformer 10.
Напряжение на конденсаторах UС источников реактивной мощности 11 (или 12) регулируется из условия полной компенсации реактивной мощности электровоза QЭЛ, т.е.:The voltage across the capacitors U C of the reactive power sources 11 (or 12) is regulated from the condition of complete compensation of the reactive power of the electric locomotive Q EL , that is:
Таким образом, на выходе инвертора 9 формируется напряжение первичной обмотки uВДТ_1 вольтодобавочного трансформатора 10, создающее напряжение на конденсаторах UС источников реактивной мощности 11, 12, необходимое для полной компенсации реактивной мощности электровоза QЭЛ. При этом коэффициент мощности км увеличивается за счет приближения Cosφ к 1.Thus, at the output of the inverter 9, the voltage of the primary winding u VDT_1 of the boost transformer 10 is generated, which creates a voltage across the capacitors U C of the reactive power sources 11, 12, which is necessary for complete compensation of the reactive power of the electric locomotive Q EL . In this case, the power factor to m increases due to the approach of Cosφ to 1.
Переменное выходное напряжение инвертора 10 формируется из постоянного напряжения, полученного на выходе выпрямителя 7.The alternating output voltage of the inverter 10 is formed from a constant voltage obtained at the output of the rectifier 7.
Кроме того, при работе компенсатора 3 происходит изменение коэффициента искажения тока ν.In addition, during the operation of the compensator 3, the current distortion coefficient ν changes.
LC-цепь первого и второго источников реактивной мощности 11, 12, настроенных на частоту третьей гармоники питающего напряжения, шунтируют токи высших гармоник, генерируемых нагрузкой 2, увеличивая коэффициент искажения тока ν.The LC circuit of the first and second sources of reactive power 11, 12, tuned to the frequency of the third harmonic of the supply voltage, shunts the higher harmonics generated by load 2, increasing the current distortion factor ν.
Первый источник реактивной мощности 11 при подключении цепи нагрузки 2 к трансформатору напряжения 1 с малым напряжением (напряжением секций I-II) на интервале времени α0з-αрег и второй источник реактивной мощности 12 при подключении цепи нагрузки 2 к трансформатору напряжения 1 с большим напряжением (напряжением секций I-II-III) на интервале времени от подачи импульсов управления αрег до t=α0 следующего полупериода сетевого напряжения создают контуры для шунтирования тока высших гармоник.The first reactive power source 11 when connecting the load circuit 2 to a voltage transformer 1 with a low voltage (voltage of sections I-II) for a time interval α 0z- α reg and the second reactive power source 12 when connecting a load circuit 2 to a voltage transformer 1 with a high voltage (voltage sections I-II-III) on the time interval from the supply of control pulses α reg to t = α 0 the next half-cycle of the mains voltage create circuits for shunting the current of higher harmonics.
Таким образом, шунтирование тока высших гармоник осуществляется на обоих интервалах работы выпрямительно-инверторного преобразователя 13 электровоза α0з-αрег и αрег-α0, т.е. на всем интервале его работы.Thus, the shunting of the current of higher harmonics is carried out at both operation intervals of the rectifier-inverter converter 13 of the electric locomotive α 0з- α reg and α reg -α 0 , i.e. over the entire interval of his work.
Генерируемые нагрузкой 2 токи высших гармоник замыкаются через LC-цепи первого и второго источников реактивной мощности 11, 12, минуя цепи вторичной и, соответственно, первичной обмотки трансформатора напряжения 1. Это приводит к отсутствию высших гармоник токов в форме входного тока электровоза, приближая ее к синусоидальной форме и увеличивая значение коэффициента искажения тока ν. Значение коэффициента мощности км электровоза повышается.The 2 higher harmonic currents generated by the load are closed through the LC circuits of the first and second reactive power sources 11, 12, bypassing the secondary and, accordingly, primary windings of voltage transformer 1. This leads to the absence of higher harmonics of currents in the form of the input current of the electric locomotive, bringing it closer to sinusoidal shape and increasing the value of the current distortion coefficient ν. The value of the power factor to m of the electric locomotive increases.
Таким образом, коэффициент мощности км электровоза увеличивается как за счет полной компенсации реактивной составляющей входного тока, так и за счет улучшения формы входного тока во всех режимах работы электровоза (включая номинальный) путем плавного изменения реактивной мощности компенсатора QКРМ.Thus, the power factor to m of the electric locomotive increases both due to full compensation of the reactive component of the input current, and due to an improvement in the shape of the input current in all modes of operation of the electric locomotive (including the nominal one) by smoothly changing the reactive power of the compensator Q CRM .
Кроме того, компенсация реактивной мощности электровоза QЭЛ приводит к уменьшению потребляемого им реактивного тока Ip. Этот ток замыкается на участке тяговой сети между подстанцией и электровозом и не производит полезной работы. Наряду с активным током, протекая по тяговой сети, реактивный ток приводит к повышению падения (потери) напряжения в контактном проводе тяговой сети. Установлено, что передача 1 ампера реактивного тока вызывает в 5-7 раз большие потери напряжения, чем передача 1 ампера активного тока [P.P.Мамошин. Энергетика системы переменного тока. М.: Железнодорожный транспорт, №9, 1987 г. С.69-70]. В этой связи, компенсация реактивной мощности электровоза QЭЛ позволяет в значительной степени уменьшить реактивную составляющую тока тяговой сети Iр и за счет уменьшения потерь напряжения повысить уровень напряжения на токоприемнике электровоза. Повышение напряжения на токоприемнике электровоза сопровождается одновременным увеличением напряжения на двигателях. В соответствии со скоростной характеристикой двигателя, увеличение напряжения на двигателе вызывает пропорциональное увеличение скорости его вращения и, соответственно, увеличение скорости движения электровоза.In addition, the compensation of the reactive power of the electric locomotive Q EL leads to a decrease in the reactive current I p consumed by it. This current closes on the section of the traction network between the substation and the electric locomotive and does not produce useful work. Along with the active current flowing through the traction network, the reactive current leads to an increase in the voltage drop (loss) in the contact wire of the traction network. It has been established that the transfer of 1 ampere of reactive current causes 5-7 times greater voltage losses than the transfer of 1 ampere of active current [PPMamoshin. Power system AC. M .: Railway transport, No. 9, 1987, S.69-70]. In this regard, compensation of the reactive power of the electric locomotive Q EL allows to significantly reduce the reactive current component of the traction network I r and, due to the reduction of voltage losses, increase the voltage level at the current collector of the electric locomotive. The increase in voltage on the current collector of an electric locomotive is accompanied by a simultaneous increase in voltage on the engines. In accordance with the speed characteristic of the engine, an increase in the voltage on the engine causes a proportional increase in the speed of its rotation and, accordingly, an increase in the speed of the electric locomotive.
Испытания устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава приводилось в лаборатории преобразовательной техники ДВГУПС на физической модели электровоза с плавным регулированием напряжения, оборудованного заявляемым устройством. В качестве тиристоров выпрямительно-инверторного преобразователя использовались тиристоры средней мощности типа КУ202Н, управление которыми осуществлялось от микропроцессора PIC 16F84. Инвертор выполнен на базе IGBT-транзисторов IRG4BC30KD, управление которыми осуществлялось методом ШИМ-модуляции от микропроцессора PIC 18F452. В качестве датчиков тока и напряжения использовались датчики LTS 6-NP и LV25-P, выпускаемые фирмой LEM.Tests of the device for compensating the reactive power of electric rolling stock were carried out in the laboratory of the DVGUPS converter technology on a physical model of an electric locomotive with stepless voltage regulation, equipped with the inventive device. As thyristors of a rectifier-inverter converter, medium-power thyristors of the KU202N type were used, which were controlled from a PIC 16F84 microprocessor. The inverter is based on IGBT transistors IRG4BC30KD, which were controlled by the PWM modulation method from the PIC 18F452 microprocessor. As current and voltage sensors, LTS 6-NP and LV25-P sensors manufactured by LEM were used.
Результаты испытаний показали, что применение на электровозе предлагаемого устройства для компенсации реактивной мощности увеличивает по сравнению с прототипом коэффициент мощности км с 0,815 до 0,984. При этом первая составляющая коэффициента мощности - Cosφ достигала значений 0,96-0,995. Одновременно с этим частота вращения двигателя (скорость электровоза) увеличилась на 10-12%.The test results showed that the use of the proposed device for reactive power compensation on an electric locomotive increases the power factor to m compared with the prototype from 0.815 to 0.984. Moreover, the first component of the power factor - Cosφ reached values of 0.96-0.995. At the same time, the engine speed (electric locomotive speed) increased by 10-12%.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011115446/11A RU2467893C1 (en) | 2011-04-19 | 2011-04-19 | Electric rolling stock reactive power compensator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011115446/11A RU2467893C1 (en) | 2011-04-19 | 2011-04-19 | Electric rolling stock reactive power compensator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011115446A RU2011115446A (en) | 2012-10-27 |
| RU2467893C1 true RU2467893C1 (en) | 2012-11-27 |
Family
ID=47146901
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011115446/11A RU2467893C1 (en) | 2011-04-19 | 2011-04-19 | Electric rolling stock reactive power compensator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2467893C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2548206C1 (en) * | 2013-12-06 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) | Device for reactive power compensation of electric stock |
| RU2595265C1 (en) * | 2015-08-10 | 2016-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) | Device for compensation of reactive power of electric stock |
| RU2668346C1 (en) * | 2017-07-24 | 2018-09-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) | Device for compensation of reactive power of electric stock |
| RU2670093C1 (en) * | 2017-07-17 | 2018-10-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) | Device for compensation of reactive power of electric stock |
| RU2729500C1 (en) * | 2019-04-22 | 2020-08-07 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта" | Control method of traction, rundown and hot settling modes of railway electric rolling stock with input single-phase pulse-width voltage converter at parking thereof |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0214661A2 (en) * | 1985-09-10 | 1987-03-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Reactive power compensation apparatus |
| RU2145141C1 (en) * | 1999-01-25 | 2000-01-27 | Дальневосточный государственный университет путей сообщения | Automatic reactive-power control device |
| RU2212086C2 (en) * | 2001-10-16 | 2003-09-10 | ООО "ЭЛМЕХтранс А" | Facility to compensate for reactive |
| RU99394U1 (en) * | 2010-06-17 | 2010-11-20 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | AC ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM |
-
2011
- 2011-04-19 RU RU2011115446/11A patent/RU2467893C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0214661A2 (en) * | 1985-09-10 | 1987-03-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Reactive power compensation apparatus |
| RU2145141C1 (en) * | 1999-01-25 | 2000-01-27 | Дальневосточный государственный университет путей сообщения | Automatic reactive-power control device |
| RU2212086C2 (en) * | 2001-10-16 | 2003-09-10 | ООО "ЭЛМЕХтранс А" | Facility to compensate for reactive |
| RU99394U1 (en) * | 2010-06-17 | 2010-11-20 | Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги" | AC ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2548206C1 (en) * | 2013-12-06 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) | Device for reactive power compensation of electric stock |
| RU2595265C1 (en) * | 2015-08-10 | 2016-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) | Device for compensation of reactive power of electric stock |
| RU2670093C1 (en) * | 2017-07-17 | 2018-10-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) | Device for compensation of reactive power of electric stock |
| RU2668346C1 (en) * | 2017-07-24 | 2018-09-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) | Device for compensation of reactive power of electric stock |
| RU2729500C1 (en) * | 2019-04-22 | 2020-08-07 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта" | Control method of traction, rundown and hot settling modes of railway electric rolling stock with input single-phase pulse-width voltage converter at parking thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011115446A (en) | 2012-10-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Babaei et al. | Voltage quality improvement by a dynamic voltage restorer based on a direct three-phase converter with fictitious DC link | |
| CN104810822B (en) | A kind of two-way DC/DC of microgrid changes the control method of sagging coefficient | |
| RU2467893C1 (en) | Electric rolling stock reactive power compensator | |
| CN103701350A (en) | Modular multi-level converter capacitor voltage fluctuation inhibition method under low-frequency working condition | |
| CN103414207A (en) | Droop control-based smooth switching method | |
| Zhou et al. | Single-phase input variable-speed AC motor system based on an electrolytic capacitor-less single-stage boost three-phase inverter | |
| WO2020248651A1 (en) | Off-line phase split device and inverter system | |
| CN108512452A (en) | A kind of control system and control method of direct-current grid grid-connection converter electric current | |
| CN103904909A (en) | Double-PWM frequency converter integrated coordinated control system based on fractional order control | |
| CN104375039A (en) | Testing system for isolation type direct-current transformer | |
| Nadweh et al. | Using Four–Quadrant Chopper with Variable Speed Drive System Dc-Link to Improve the Quality of Supplied Power for Industrial Facilities | |
| Liu et al. | Fuzzy logic control of dual active bridge in solid state transformer applications | |
| Xinghua et al. | A Pi-based control scheme for primary cascaded H-bridge rectifier in transformerless traction converters | |
| RU2383984C1 (en) | Reactive power compensator | |
| CN211880102U (en) | Multifunctional four-quadrant converter | |
| RU2670093C1 (en) | Device for compensation of reactive power of electric stock | |
| CN102684513A (en) | Uninterruptible power supply and rectifying circuit of uninterruptible power supply | |
| RU2212086C2 (en) | Facility to compensate for reactive | |
| RU2310263C2 (en) | Reactive power correction device | |
| RU2548206C1 (en) | Device for reactive power compensation of electric stock | |
| RU2595265C1 (en) | Device for compensation of reactive power of electric stock | |
| Gao et al. | Control of an active bus voltage limiter with modified space vector pulse width modulation strategies in regenerative applications | |
| RU2506677C1 (en) | Device for compensation of reactive capacity | |
| Takahashi et al. | Power decoupling method for isolated DC to single-phase AC converter using matrix converter | |
| RU2668346C1 (en) | Device for compensation of reactive power of electric stock |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160420 |