УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

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

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.

Общеизвестно, что коэффициент мощности к_м электровоза при несинусоидальной форме напряжения и тока определяется по формуле (Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1984):

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

ν - коэффициент искажения формы потребляемого 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 потребления электровозом активной и, соответственно, реактивной мощности, а его увеличение способствует повышению активной мощности и одновременному уменьшению реактивной.

Для повышения коэффициента мощности к_м 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.

Однако высокое значение коэффициента мощности к_м электровоза достигается лишь при определенных, а именно при номинальных токах нагрузки и синфазности напряжения конденсатора LC-компенсатора и вторичной обмотки трансформатора. Отклонение нагрузки электровоза от номинальной вызывает неполную компенсацию реактивной мощности, а также смещение фазы напряжения на конденсаторе LC-компенсатора снижает коэффициент мощности к_м до 0,7-0,8, что является проблемой в существующем уровне техники.

Известно устройство для управления компенсированным выпрямительно-инверторным преобразователем электроподвижного состава с устройством для компенсации реактивной мощности, которое основано на генерации емкостной составляющей тока, компенсирующего реактивную мощность, потребляемую индуктивной нагрузкой при синусоидальном и несинусоидальном питающем напряжении (АС №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).

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. Емкость конденсатора, которая определяет реактивную мощность LC-компенсатора Q_KPM, выбирается из условия наиболее полной компенсации реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ в номинальном режиме его работы при равенстве реактивных мощностей компенсатора и электровоза.

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 «C» триггера запуска, выход которого через устройство формирования импульсов ключевого элемента соединен с управляющим входом ключевого элемента. Командный блок подключен к входу «D» триггера запуска и к третьему входу элемента И.

Устройство работает следующим образом.

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

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.

Тиристоры ключевого элемента включаются сигналом с выхода триггера запуска через устройство формирования импульсов ключевого элемента.

При этом выходной сигнал триггера генерируется в моменты равенства напряжений на конденсаторе компенсатора и вторичной обмотки трансформатора напряжения при поступлении на разрешающий вход «C» 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.

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.

Таким образом, при работе компенсатора реактивной мощности его LC-цепь через ключевой элемент постоянно соединяется с вторичной обмоткой трансформатора. При этом LC-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 к_м электровоза.

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 к_м. Таким образом, коэффициент мощности к_м возрастает также за счет уменьшения в составе входного тока электровоза высших гармоник, определяемых коэффициентом искажения тока 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 элемента.

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 (C=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 к_м электровоза и малые потери электроэнергии за счет незначительного потребления реактивной мощности, что является достоинством известного устройства.

Однако достижение высокого показателя коэффициента мощности к_м электровоза обеспечивается лишь при определенных (номинальных) токах нагрузки, при которых Cosφ имеет максимальное значение. Это обусловлено применением LC-компенсатора с фиксированными параметрами и постоянной величиной тока компенсации. При постоянной емкости конденсатора C реактивная мощность LC-компенсатора Q_KPM остается постоянной при изменении реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ, что снижает коэффициент мощности к_м.

Кроме того, наличие активных сопротивлений в цепи нагрузки и LC-компенсатора приводит к появлению фазового угла между напряжением на конденсаторе LC-компенсатора и напряжением вторичной обмотки трансформатора, что также снижает коэффициент мощности к_м.

Одновременное действие указанных факторов снижает коэффициент мощности к_м до 0,7-0,8, что является недостатком известного устройства.

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 (АС №2467893. Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава. Авторы изобретения Ю.М. Кулинич, В.К. Духовников. - Дата публикации 27.11.2012 г., МКИ 7 B60L 9/00).

Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава содержит многообмоточный трансформатор напряжения, связанный с нагрузкой, компенсатор, блок синхронизирующих импульсов, датчик тока, датчик напряжения, выпрямитель и последовательно соединенные блок управления инвертором и инвертор.

Компенсатор представляет собой LC-цепь с фиксированными параметрами индуктивности и емкости, рассчитанными на работу в номинальном режиме работы электровоза. Параметры LC-цепи выбираются из условия работы электровоза в номинальном режиме. Емкость конденсатора, которая определяет реактивную мощность LC-компенсатора Q_KPM, выбирается из условия наиболее полной компенсации реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ в номинальном режиме его работы при равенстве реактивных мощностей компенсатора и электровоза:

где C - емкость конденсатора LC-компенсатора;

ω=2πf - угловая частота для f=50 Гц;

U_C - напряжение на обкладках конденсатора LC-компенсатора.

Трансформатор напряжения выполнен многообмоточным с тремя секциями вторичной обмотки I, II, III соответственно.

Нагрузка включает в себя выпрямительно-инверторный преобразователь и двигатель.

Нагрузка подключена параллельно трансформатору напряжения. Трансформатор напряжения соединен с сетью через датчик тока. Выход датчика тока соединен с первым входом блока управления инвертором. Вход датчика напряжения соединен параллельно сети, а его выход - с входом блока синхронизирующих импульсов, выход которого подключен ко второму входу блока управления инвертором.

Компенсатор через инвертор подключен к первой (I) и второй (II) секциям вторичной обмотки трансформатора напряжения.

Выход блока управления инвертором подключен к первому входу инвертора. Первая (I) и вторая (II) секции вторичной обмотки трансформатора напряжения через выпрямитель соединены со вторым входом инвертора, выход которого подключен к компенсатору.

Устройство для компенсации реактивной мощности работает следующим образом.

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.

Для компенсации реактивной мощности электровоза во всех режимах его работы производится регулирование реактивной мощности компенсатора Q_KPM за счет изменения амплитуды напряжения на обкладках конденсатора LC-компенсатора.

В замкнутом контуре электрической цепи, образованном I-II секциями вторичной обмотки трансформатора напряжения, выходной цепью инвертора, индуктивностью L и емкостью C компенсатора, в соответствии со вторым законом Кирхгофа для этой цепи выполняется следующее соотношение

где u₂ - напряжение I-II секций вторичной обмотки трансформатора напряжения;

u_И - напряжение инвертора;

U_L, U_C - соответственно напряжение на индуктивности и емкости LC-компенсатора.

При малой величине индуктивного сопротивления обмотки индуктивности U_L<<U_C, справедливо соотношение:

Изменение напряжения на конденсаторе компенсатора и, соответственно, реактивной мощности компенсатора Q_KPM при фиксированном значении напряжении u₂ вторичной обмотки трансформатора напряжения осуществляется за счет изменения напряжения u_и инвертора.

Напряжение на конденсаторе U_C компенсатора регулируется из условия полной компенсации реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ (3) без учета фазового искажения при формировании напряжения на конденсаторе компенсатора, вносимого активными сопротивлениями цепи компенсатора и нагрузки.

Таким образом, на выходе инвертора формируется напряжение u_и, создающее напряжение U_C на конденсаторе компенсатора для компенсации реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ по условию (3), что приводит к увеличению коэффициента мощности к_м. Таким образом, коэффициент мощности к_м электровоза увеличивается во всех режимах его работы (включая номинальный) путем плавного изменения реактивной мощности компенсатора Q_KPM.

Величина реактивной мощности определяется датчиками тока и напряжения, а также блоком синхронизирующих импульсов по текущим значениям тока электровоза и питающего напряжения, а также по фазовому углу сдвига φ между ними.

Блок управления инвертором вычисляет реактивную мощность Q_ЭЛ, потребляемую электровозом, и формирует сигнал, пропорциональный реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ. Этот сигнал поступает на первый вход инвертора, который плавно формирует выходное напряжение, пропорциональное реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ. Выходное напряжение инвертора u_И, складываясь с напряжением вторичных обмоток трансформатора напряжения, прикладывается к конденсатору компенсатора. Таким образом, на конденсатор компенсатора поступает суммарное напряжение вторичных обмоток трансформатора напряжения и напряжение инвертора, которые определяют величину напряжения на конденсаторе U_C компенсатора. Величина напряжения на обкладках конденсатора LC-компенсатора определяет реактивную мощность компенсатора Q_KPM. Емкостной ток компенсатора компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки в цепи вторичной обмотки трансформатора напряжения и, соответственно, реактивную мощность электровоза Q_ЭЛ. Степень компенсации реактивной мощности электровоза определяет величину коэффициента мощности к_м электровоза.

Максимальное значение коэффициента мощности к_м электровоза достигается при равенстве мощности компенсатора Q_KPM и реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ (3).

При изменении режима работы электровоза происходит изменение напряжения u_И на выходе инвертора, которое формируется из постоянного напряжения выпрямителя. Это напряжение инвертора является синфазным напряжению вторичной обмотки трансформатора и приводит к изменению напряжения на обкладках конденсатора компенсатора и, соответственно, реактивной мощности компенсатора Q_KPM, тем самым обеспечивается равенство реактивных мощностей компенсатора Q_KPM и электровоза Q_ЭЛ (3).

Обеспечение равенства реактивных мощностей компенсатора Q_KPM и электровоза Q_ЭЛ приводит к компенсации реактивной мощности электровоза во всех режимах его работы, что является достоинством известного устройства для компенсации реактивной мощности.

Однако наличие активного сопротивления обмотки индуктивности LC-компенсатора приводит к фазовому и амплитудному искажениям при формировании напряжения на конденсаторе компенсатора.

Причем напряжение на выходе инвертора является не синфазным по отношению к напряжению на обкладках конденсатора компенсатора. Это сопротивление вносит фазовый и амплитудный сдвиг в формирование части напряжения конденсатора, связанного с напряжением инвертора.

Кроме того, часть выходного напряжения инвертора теряется на указанном активном сопротивлении в виде падения напряжения, что также вызывает погрешность в формировании требуемой амплитуды напряжения на конденсаторе. Таким образом, активное сопротивление в выходной цепи инвертора вызывает фазовые и амплитудные погрешности при формировании напряжения на конденсаторе компенсатора, которые приводят к неполной компенсации реактивной мощности и, как следствие, к остаточному фазовому углу сдвига между питающим напряжением и потребляемым током. Наличие фазового угла сдвига между питающим напряжением и потребляемым током приводит к уменьшению Cosφ и, соответственно, коэффициента мощности электровоза к_м, что является недостатком известного устройства для компенсации реактивной мощности.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для компенсации реактивной мощности, позволяющего повысить коэффициент мощности электровоза к_м за счет максимально полной компенсации реактивной мощности путем одновременного изменения амплитуды и фазы выходного напряжения инвертора при формировании напряжения на конденсаторе компенсатора.

Для решения поставленной задачи в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, содержащее многообмоточный трансформатор напряжения, связанный с нагрузкой, включающей последовательно соединенные выпрямительно-инверторный преобразователь и двигатель, компенсатор, блок синхронизирующих импульсов, первый датчик тока, первый датчик напряжения, выпрямитель, инвертор и блок управления инвертором, при этом компенсатор представляет собой LC-цепь с фиксированными параметрами индуктивности и емкости, рассчитанными на работу электровоза в номинальном режиме, нагрузка подключена параллельно трансформатору напряжения, который через первый датчик тока соединен с сетью, выход первого датчика тока соединен с первым входом блока управления инвертором, вход первого датчика напряжения соединен параллельно сети, а его выход через блок синхронизирующих импульсов подключен ко второму входу блока управления инвертором, первый выход которого подключен к входу управления амплитудой выходного напряжения инвертора, компенсатор через инвертор подключен к первой и второй секциям вторичной обмотки трансформатора напряжения, которые через выпрямитель соединены с входом постоянного напряжения инвертора, в него введены второй и третий датчики тока и второй датчик напряжения, при этом вход второго датчика напряжения подключен параллельно выпрямителю, а его выход подключен к третьему входу блока управления инвертором, второй датчика тока подключен последовательно в цепь LC-компенсатора, а его выход соединен с четвертым входом блока управления инвертором, третий датчик тока подключен последовательно в цепь двигателя, а его выход соединен с пятым входом блока управления инвертором, выход первого датчика напряжения подсоединен к шестому входу блока управления инвертором, а второй выход блока управления инвертором подключен к входу управления фазой выходного напряжения инвертора.

Введение в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава новых конструктивных элементов: второго и третьего датчиков тока и второго датчика напряжения, приводящее к изменению взаимосвязей элементов устройства в целом, отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков в совокупности существенных признаков, характеризующих устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Введение в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава второго и третьего датчиков тока и второго датчика напряжения, а также изменение взаимосвязей элементов устройства приводит к повышению коэффициент мощности электровоза к_м за счет максимально полной компенсации реактивной мощности путем одновременного изменения амплитуды и фазы выходного напряжения инвертора при формировании напряжения на конденсаторе компенсатора.

Это обусловлено тем, что выходное напряжение инвертора формируется по новому принципу, заключающемуся в одновременном изменении его амплитуды и фазы, величина которых определяется активными сопротивлениями цепи нагрузки и компенсатора. Это приводит к синфазности напряжений на конденсаторе компенсатора и вторичной обмотки трансформатора напряжения, благодаря чему обеспечивается равенство реактивных мощностей электровоза Q_ЭЛ и компенсатора Q_KPM. Этим достигается полная компенсация реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ.

При этом изменение реактивной мощности Q_KPM компенсатора происходит одновременно с изменением реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ во всем диапазоне токовых нагрузок.

Причинно-следственная связь «Введение в устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава второго и третьего датчиков тока и второго датчика напряжения, а также изменение взаимосвязей элементов устройства приводит к повышению коэффициента мощности электровоза к_м за счет максимально полной компенсации реактивной мощности путем одновременного изменения амплитуды и фазы выходного напряжения инвертора при формировании напряжения на конденсаторе компенсатора» не обнаружена в уровне техники при анализе известной информации и явным образом не следует из него. Следовательно, вышеприведенная причинно-следственная связь является новой, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

На фигуре представлена блок-схема заявляемого устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, иллюстрирующая работу устройства и подтверждающая его промышленную применимость.

Работа устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава основана на генерации емкостной составляющей тока, компенсирующего реактивную мощность, потребляемую индуктивной нагрузкой.

Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава содержит многообмоточный трансформатор напряжения 1, связанный с нагрузкой 2, компенсатор 3, блок синхронизирующих импульсов 4, первый 5, второй 6, третий 7 датчики тока, первый 8 и второй 9 датчики напряжения, выпрямитель 10 и последовательно соединенные блок управления инвертором 11 и инвертор 12.

Компенсатор 3 представляет собой LC-цепь с фиксированными параметрами индуктивности и емкости, рассчитанными на работу в номинальном режиме работы электровоза. Емкость конденсатора, которая определяет реактивную мощность LC-компенсатора Q_KPM, выбирается из условия наиболее полной компенсации реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ в номинальном режиме его работы при равенстве реактивных мощностей компенсатора и электровоза (3).

Трансформатор напряжения 1 выполнен многообмоточным с тремя секциями вторичной обмотки I, II, III соответственно.

Нагрузка 2 включает в себя выпрямительно-инверторный преобразователь 13 и двигатель 14.

Нагрузка 2 подключена параллельно трансформатору напряжения 1. Трансформатор напряжения 1 соединен с сетью через первый датчик тока 5. Выход первого датчика тока 5 соединен с первым входом блока управления инвертором 11. Вход первого датчика напряжения 8 соединен параллельно сети, а его выход соединен с шестым входом блока управления инвертором 11 и через блок синхронизирующих импульсов 4 связан со вторым входом блока управления инвертором 11.

Последовательно соединенные компенсатор 3, инвертор 12 и второй датчик тока 6 подключены параллельно к первой (I) и второй (II) секциям вторичной обмотки трансформатора напряжения 1.

Первый и второй выходы блока управления инвертором 11 подключены, соответственно, к входам управления амплитудой и фазой выходного напряжения инвертора 12. Первая (I) и вторая (II) секция вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 через выпрямитель 10 соединены с входом постоянного напряжения инвертора 12.

Второй датчик напряжения 9 подключен параллельно первой (I) и второй (II) секциям вторичной обмотки трансформатора напряжения 1, а его выход связан с третьим входом блока управления инвертором 11.

Выход второго датчика тока 6 подключен к четвертому входу блока управления инвертором 11.

Двигатель 14 соединен с выпрямительно-инверторным преобразователем 13 через третий датчик тока 7, выход которого связан с пятым входом блока управления инвертором 11.

Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава работает следующим образом.

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 ухудшает показатели электропотребления.

Для компенсации реактивной мощности электровоза во всех режимах его работы производится регулирование реактивной мощности компенсатора Q_KPM за счет изменения напряжения на обкладках конденсатора LC-компенсатора.

Для схемы, включающей цепи нагрузки и компенсатора, с учетом активных сопротивлений цепи нагрузки и компенсатора выполняется соотношение:

где - значение входного тока электровоза при условии полной компенсации реактивной мощности;

u₂ - напряжение I-II секций вторичной обмотки трансформатора напряжения 1;

u_и - напряжение инвертора 12;

z_L, z_C - комплексные сопротивление цепи нагрузки 2 и компенсатора 3, рассчитываемые по формулам:

Z_L=R₁+jx_L; z_C=R₂-jx_C;

где R₁, R₂ - активные сопротивления цепи нагрузки 2 и компенсатора 3;

x_L=ωL - индуктивное сопротивление цепи нагрузки 2;

x_C=1/ωC - емкостное сопротивление компенсатора 3.

Из анализа выражения (6) следует, что комплексное напряжение инвертора 12 u_И, необходимое для полной компенсации реактивной мощности нагрузки 2, включает вещественную и мнимую составляющие. При этом амплитуда выходного напряжения инвертора 12 определяется квадратным корнем из квадратов вещественной и мнимой части этого напряжения. Фаза выходного напряжения инвертора 12 также находится в зависимости от вещественной и мнимой части напряжения u_И.

Таким образом, на изменение напряжения на конденсаторе компенсатора 3 и, соответственно, реактивной мощности компенсатора 3 Q_KPM при фиксированном значении напряжении u₂ вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 влияют одновременное изменение напряжения u_И инвертора 12 как по амплитуде, так и по фазе.

Вследствие этого изменение напряжения на конденсаторе компенсатора 3 и, соответственно, реактивной мощности компенсатора 3 Q_KPM при фиксированном значении напряжении u₂ вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 осуществляется за счет изменения напряжения u_И инвертора 12 как по амплитуде, так и по фазе.

В этом случае напряжение на конденсаторе U_C компенсатора 3 регулируется из условия полной компенсации реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ (3) с учетом фазового искажения, вносимого активными сопротивлениями R₁, R₂ цепи нагрузки 2 и компенсатора 3.

Таким образом, на выходе инвертора 12 формируется напряжение u_И, создающее напряжение U_C на конденсаторе компенсатора 3 для компенсации реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ по условию (3), что приводит к увеличению коэффициента мощности к_м. Таким образом, коэффициент мощности к_м электровоза увеличивается во всех режимах его работы (включая номинальный) путем плавного изменения реактивной мощности компенсатора 3 Q_KPM.

Напряжение и входной ток электровоза контролируются, соответственно, первыми датчиками напряжения 8 и тока 5, выходной сигнал которых поступает в блок управления инвертором 11 для вычисления входного тока электровоза по текущим значениям тока электровоза и питающего напряжения при условии полной компенсации реактивной мощности.

Напряжение электровоза также через первый датчик напряжения 8 поступает в блок синхронизирующих импульсов 4, который синхронизирует работу блока управления инвертором 11 по сетевому напряжению.

Сигналы, пропорциональные комплексным сопротивлениям цепи нагрузки 2 и компенсатора 3, определяются вторым датчиком напряжения 9, третьим 7 и вторым 6 датчиками тока по величине токов нагрузки 2 и компенсатора 3 и поступают на пятый и четвертый входы блока управления инвертором 11, в котором рассчитываются комплексные сопротивления цепи нагрузки 2 и компенсатора 3 в соответствии с формулой (6).

Сигналы, пропорциональные комплексным сопротивлениям цепи нагрузки 2 и компенсатора 3, в соответствии с формулой (6) рассчитываются в блоке управления инвертором 11 по величине токов нагрузки 2 и компенсатора 3, а также по значению напряжения вторичной обмотки трансформатора напряжения 1, которые определяются с помощью третьего 7 и второго 6 датчиков тока, а также второго датчика напряжения 9.

Блок управления инвертором 11 вычисляет требуемую амплитуду и фазу выходного напряжения инвертора 12, которые осуществляют управление инвертором 12 по двум каналам. Эти сигналы управления поступают, соответственно, на входы управления амплитудой и фазой выходного напряжения инвертора 12, который формирует выходное напряжение, необходимое для полной компенсации реактивной мощности электровоза. Выходное напряжение инвертора 12 образуется из постоянного напряжения, поступающего на вход постоянного напряжения инвертора с выхода выпрямителя 10.

Выходное напряжение инвертора 12 u_И складывается с напряжением вторичных обмоток трансформатора напряжения 1 и прикладывается к конденсатору компенсатора 3. Таким образом, на конденсатор компенсатора 3 поступает суммарное напряжение вторичных обмоток трансформатора напряжения 1 и напряжение инвертора 12, которые определяют величину напряжения на конденсаторе U_C компенсатора 3. Величина напряжения на обкладках конденсатора LC-компенсатора 3 определяет реактивную мощность компенсатора 3 Q_KPM. Емкостной ток компенсатора 3 компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки 2 в цепи вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 и, соответственно, реактивную мощность электровоза Q_ЭЛ. Степень компенсации реактивной мощности электровоза определяет величину коэффициента мощности к_м электровоза.

Максимальное значение коэффициента мощности к_м электровоза достигается при равенстве мощности компенсатора Q_KPM и реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ (3).

При изменении режима работы электровоза происходит изменение напряжения u_И на выходе инвертора 12, которое формируется из постоянного напряжения выпрямителя 10. Это напряжение инвертора 12 является синфазным напряжению вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 и приводит к изменению напряжения на обкладках конденсатора компенсатора 3 и, соответственно, реактивной мощности компенсатора 3 Q_KPM, тем самым обеспечивается равенство (3) реактивных мощностей компенсатора 3 Q_KPM и электровоза Q_ЭЛ.

Обеспечение равенства реактивных мощностей компенсатора 3 Q_KPM и электровоза Q_ЭЛ приводит к компенсации реактивной мощности электровоза во всех режимах его работы, что является достоинством известного устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава.

Испытания устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава проводились на физической модели электровоза с плавным регулированием напряжения. Выпрямительно-инверторный преобразователь укомплектован тиристорами средней мощности КУ202Н. Инвертор выполнен на базе IGBT-транзисторов IRG4BC30KD, управление которым осуществлялось от микропроцессора PIC 18F452. В качестве датчиков тока и напряжения использовались датчики LTS 6-NP и LV25-P, выпускаемые фирмой LEM.

Результаты математического моделирования работы предлагаемого устройства для компенсации реактивной мощности показали увеличение коэффициента мощности в среднем на 12,8% по сравнению с прототипом. При этом первая гармоника потребляемого тока приблизилась к форме питающего напряжения в среднем на 14,8 эл. град.