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. Отклонение нагрузки электровоза от номинальной вызывает неполную компенсацию реактивной мощности, что снижает коэффициент мощности к_м до 0,82-0,85, что является проблемой в существующем уровне техники.

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).

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.

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.

Устройство работает следующим образом.

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.

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 «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.

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 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 (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 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, 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.

Отклонение нагрузки электровоза от номинальной вызывает неполную компенсацию реактивной мощности, что снижает коэффициент мощности к_м до 0,82-0,85, 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 (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).

Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава содержит трансформатор напряжения, связанный с нагрузкой, компенсатор, датчик режима сети, блок синхронизирующих импульсов, блок управления и коммутатор.

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.

Трансформатор напряжения выполнен многообмоточным и имеет три вторичные обмотки.

Нагрузка включает в себя выпрямительно-инверторный преобразователь и двигатель. Датчик режима сети содержит датчик тока и датчик напряжения.

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.

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 максимального обеспечения коэффициента мощности электровоза необходимо достижение равенства мощности компенсатора Q_КРМ и реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ во всех режимах его работы.

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.

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.

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.

Первый источник реактивной мощности при подключении цепи нагрузки к трансформатору с малым напряжением на интервале времени α_0з-α_рег и второй источник реактивной мощности при подключении цепи нагрузки к трансформатору с большим напряжением на интервале времени от подачи импульсов управления α_рег 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).

Таким образом, шунтирование тока высших гармоник осуществляется на обоих интервалах работы выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза α_0з-α_рег и α_рег-α₀, т.e. на всем интервале его работы.

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 к_м электровоза повышается.

Таким образом, коэффициент мощности к_м 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.

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.

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.

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 к_м нагрузки.

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 к_м повышается как за счет улучшения формы входного тока на двух интервалах работы преобразователя (α_0з-α_рег и α_рег-α₀) путем шунтирования, так и за счет компенсации реактивной составляющей входного тока во всех режимах работы, включая номинальный режим, что является достоинством известного устройства.

Недостатком известного устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава является пониженный коэффициент мощности к_м 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.

Это обусловлено тем, что при фиксированных трех ступенях реактивной мощности Q_КРМ компенсатора и при изменяющейся реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ полная компенсация его реактивной мощности возможна только тогда, когда потребляемая электровозом реактивная мощность будет равна мощности Q_ЭЛ=Q_КРМ соответствующих ступеней компенсатора. Невыполнение этого условия вызывает неполную компенсацию реактивной мощности электровоза.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, позволяющего повысить коэффициент мощности к_м электровоза во всем диапазоне токовых нагрузок за счет обеспечения равенства мощности компенсатора и реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ=Q_КРМ во всех режимах работы электровоза путем плавного изменения реактивной мощности компенсатора Q_КРМ, а также увеличить скорость движения электровоза за счет повышения напряжения на его токоприемнике.

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.

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».

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 к_м электровоза во всем диапазоне токовых нагрузок.

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 Q_КРМ компенсатора. При этом изменение реактивной мощности Q_КРМ компенсатора происходит одновременно с изменением реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ во всем диапазоне токовых нагрузок благодаря регулированию выходного напряжения инвертора, обеспечивающего необходимую величину напряжения на вольтодобавочном трансформаторе. Это позволяет полностью компенсировать Q_ЭЛ во всех режимах его работы и приблизить значение Cosφ к единице.

Увеличение Cosφ за счет полной компенсации реактивной мощности электровоза во всем диапазоне токовых нагрузок, включая номинальный, приводит к повышению коэффициента мощности к_м электровоза при одновременном приближении формы тока электровоза к синусоидальной форме, характеризующейся высоким значением коэффициента искажения тока 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 к_м электровоза во всем диапазоне токовых нагрузок» логически следует из уровня техники.

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 Q_ЭЛ 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.

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».

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

Устройство для компенсации реактивной мощности электроподвижного состава основано на генерации емкостной составляющей тока, компенсирующей реактивную мощность, потребляемую индуктивной нагрузкой.

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.

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.

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 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.

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.

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.

Устройство для компенсации реактивной мощности 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 влияет на ухудшение показателей электропотребления.

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.

Блок управления инвертором 8 вычисляет реактивную мощность Q_ЭЛ, потребляемую электровозом, и формирует сигнал, пропорциональный реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ. Этот сигнал поступает на первый вход инвертора 9, который плавно формирует выходное напряжение, пропорциональное реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ. Выходное напряжение инвертора 9 u_{ВДТ_1} поступает на первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора 10. На вторичных обмотках вольтодобавочного трансформатора 10 индуцируется напряжение u_{ВДТ_2}, пропорциональное коэффициенту его трансформации.

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 U_С источников реактивной мощности 11 и 12. Величина напряжения на обкладках конденсаторов источников реактивной мощности 11 и 12 определяет реактивную мощность компенсатора Q_КРМ. 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 Q_ЭЛ. Степень компенсации реактивной мощности электровоза определяет величину коэффициента мощности к_м электровоза.

Для максимального обеспечения коэффициента мощности к_м электровоза необходимо достижение равенства мощности компенсатора Q_КРМ и реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ во всех режимах его работы, что обеспечивается путем плавного регулирования Q_КРМ при изменении Q_ЭЛ.

Изменение мощности компенсатора Q_КРМ при фиксированной емкости компенсатора С осуществляется путем изменения напряжения U_С на его обкладках в соответствии с соотношением:

где С - емкость конденсатора источника реактивной мощности,

U_С - напряжение на обкладках конденсатора источника реактивной мощности.

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:

где u₂ - напряжение I-II-III (или I-II) секций вторичной обмотки трансформатора напряжения 1;

u_ВДТ2 - напряжение вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 10;

U_L, U_C - соответственно напряжение на индуктивности и емкости источники реактивной мощности 11 (или 12).

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

.

Изменение напряжения на конденсаторе источников реактивной мощности 11 (или 12) и, соответственно, реактивной мощности компенсатора Q_КРМ осуществляется при фиксированном значении напряжении u₂ вторичной обмотки трансформатора напряжения 1 за счет изменения напряжения на вторичной обмотке u_ВДТ2 вольтодобавочного трансформатора 10.

Напряжение на конденсаторах U_С источников реактивной мощности 11 (или 12) регулируется из условия полной компенсации реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ, т.е.:

Таким образом, на выходе инвертора 9 формируется напряжение первичной обмотки u_{ВДТ_1} вольтодобавочного трансформатора 10, создающее напряжение на конденсаторах U_С источников реактивной мощности 11, 12, необходимое для полной компенсации реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ. При этом коэффициент мощности к_м увеличивается за счет приближения Cosφ к 1.

Переменное выходное напряжение инвертора 10 формируется из постоянного напряжения, полученного на выходе выпрямителя 7.

Кроме того, при работе компенсатора 3 происходит изменение коэффициента искажения тока ν.

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.

Первый источник реактивной мощности 11 при подключении цепи нагрузки 2 к трансформатору напряжения 1 с малым напряжением (напряжением секций I-II) на интервале времени α_0з-α_рег 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 α_рег до t=α₀ следующего полупериода сетевого напряжения создают контуры для шунтирования тока высших гармоник.

Таким образом, шунтирование тока высших гармоник осуществляется на обоих интервалах работы выпрямительно-инверторного преобразователя 13 электровоза α_0з-α_рег и α_рег-α₀, т.е. на всем интервале его работы.

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 к_м электровоза повышается.

Таким образом, коэффициент мощности к_м 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 Q_КРМ.

Кроме того, компенсация реактивной мощности электровоза Q_ЭЛ приводит к уменьшению потребляемого им реактивного тока I_p. 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 Q_ЭЛ позволяет в значительной степени уменьшить реактивную составляющую тока тяговой сети I_р 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.

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.

Результаты испытаний показали, что применение на электровозе предлагаемого устройства для компенсации реактивной мощности увеличивает по сравнению с прототипом коэффициент мощности к_м 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%.