Д.т.н. Кулинич Ю.М., к.т.н. Духовников В.К.

Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Россия

Новые возможности пассивного компенсатора реактивной мощности

На сети железных дорог Российской Федерации эксплуатируются электровозы переменного тока с вентильными преобразователями, имеющими низкий коэффициент мощности, который в зависимости от нагрузки и удаления электровоза от тяговой подстанции находится в пределах 0,65…0,85.

Низкое значение к_м обусловлено отставанием по фазе потребляемого тока относительно питающего напряжения, а также искажением формы этого тока. Из-за этого из контактной сети потребляется непроизводительная реактивная мощность, ухудшающая энергетические показатели электровоза.

Компенсировать реактивную мощность электроподвижного состава переменного тока без изменения силового преобразователя возможно с помощью подключения пассивного нерегулируемого компенсатора реактивной мощности (КРМ) к вторичной обмотке силового трансформатора электровоза.

КРМ и устройство его управления прошли испытания на российском электровозе ВЛ85-023 [1] на экспериментальном кольце ВНИИЖТ. Результаты испытаний показали, что приемлемым является компенсатор, имеющий ёмкость C=1475мкФ и настроенный на резонансную частоту 135Гц. В этом случае среднее значение коэффициента мощности электровоза в режиме тяги находится на уровне 0,92, что обеспечивает почти двукратное сокращение потребления реактивной энергии на тягу поездов. В режиме рекуперативного торможения также происходит увеличение коэффициента мощности электровоза в среднем до к_м =0,8, а в отдельных режимах до к_м =0,9 [1].

Вместе с тем, использование на электровозе нерегулируемого компенсатора реактивной мощности приводит к значительному увеличению коэффициента мощности лишь в номинальном режиме работы и к перекомпенсации реактивной мощности при малых токах нагрузки, что объясняется постоянной величиной ёмкостного тока, протекающего через цепь компенсатора [2]. В этой связи работа КРМ является эффективной только в небольшом диапазоне токовых нагрузок.

Для устранения указанного недостатка пассивного компенсатора разработано новое устройство регулируемого пассивного компенсатора реактивной мощности, которое позволяет повысить коэффициент мощности во всем диапазоне токовых нагрузок за счёт обеспечения равенства мощности компенсатора и реактивной мощности нагрузки Q_н=Q_крм путём плавного изменения реактивной мощности компенсатора Q_крм на основе применения, помимо LC-цепи, вольтодобавочного трансформатора, выпрямителя и автономного инвертора напряжения [3].

Рассмотрим принцип работы предлагаемого устройства на примере упрощенной схемы электровоза (рис. 1).

Рис. 1. Структурная блок-схема предлагаемого устройства компенсации реактивной мощности: Тр – трансформатор напряжения; ТЭД – тяговый электродвигатель; БСИ – блок синхронизирующих импульсов; ДТ – датчик тока; ДН – датчик напряжения; В – выпрямитель; БУИ – блок управления инвертором; АИН – автономный инвертор напряжения; ВДТ – вольтодобавочный трансформатор

Блок управления инвертором БУИ при помощи датчиков тока ДТ, напряжения ДН и блока синхронизирующих импульсов БСИ, вычисляет реактивную мощность Q_н, потребляемую нагрузкой, и формирует на своём выходе сигнал, пропорциональный этой мощности. Этот сигнал поступает на вход автономного инвертора напряжения АИН, который плавно изменяет выходное напряжение u_вдт–1, пропорциональное реактивной мощности нагрузки Q_н. Напряжение u_вдт–1 поступает на первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора ВДТ. На вторичной обмотке этого трансформатора формируется напряжение u_вдт–2.

На LC-цепь компенсатора поступает суммарное напряжение вторичных обмоток трансформатора Тр u₂ и вольтодобавочного трансформатора u_вдт–2, которое определяет величину напряжения U_с на конденсаторе компенсатора. Величина напряжения на обкладках конденсатора, в свою очередь, определяет реактивную мощность компенсатора Q_крм. Ёмкостной ток i_с источника реактивной мощности С компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки i_н в цепи вторичной обмотки Тр. Для обеспечения максимального коэффициента мощности необходимо достижение равенства мощности компенсатора Q_крм и реактивной мощности нагрузки Q_н.

Изменение реактивной мощности компенсатора Q_крм при фиксированной ёмкости конденсатора С осуществляется за счёт увеличения или уменьшения величины напряжения U_с на его обкладках в соответствии с выражением:

_{. (1)}

В замкнутом контуре электрической цепи, включающего в себя I-II-III секции вторичной обмотки трансформатора Тр, вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора ВДТ, индуктивность L и ёмкость С источника реактивной мощности в соответствии со вторым законом Кирхгофа выполняется соотношение:

_{, (2)}

_{где UL – напряжение на индуктивности компенсатора.}

Компенсация реактивной мощности нагрузки происходит за счёт изменения напряжения на конденсаторе С источника реактивной мощности. При фиксированном значении напряжения u₂ вторичной обмотки трансформатора Тр это выполняется путем изменения напряжения на вторичной обмотке u_вдт–2 вольтодобавочного трансформатора ВДТ, которое формируется АИН из постоянного напряжения, поступающего на его вход с выхода выпрямителя В.

Эффективность применения предлагаемого устройства на электроподвижном составе определялась по результатам расчётов двух вариантов работы электровоза: штатной схемы и с включением предлагаемого устройства компенсации реактивной мощности. Для решения поставленной задачи было использовано математическое моделирование, выполненное с помощью программы OrCAD 10.5.

Рассмотрим работу электровоза, оборудованного предлагаемым устройством компенсации реактивной мощности, при следующих значениях элементов LC-фильтра: C=3,3мФ, L=421мкГн. Значение ёмкости конденсатора C выбрано заведомо меньшим для того, чтобы оценить эффективность от использования этого устройства.

Напряжение на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора формируется при помощи автономного инвертора напряжения, его амплитудное значение вычисляется по формуле

, (3)

где μ – глубина модуляции сигналов; E_d – постоянное напряжение на входе АИН.

Плавное изменение реактивной мощности Q_крм возможно за счёт изменения величины напряжения u_вдт–2:

. (4)

При постоянных значениях E_d и k – коэффициента трансформации ВДТ изменение этого напряжения происходит за счёт глубины модуляции µ.

В результате моделирования установлено, что при включенном устройстве потребляемый электровозом ток i синфазен с питающим напряжением u, а форма i приближена к синусоидальной (рис. 2). Это свидетельствует о наиболее полной компенсации реактивной мощности за счёт максимального увеличения cosφ=1. Однако в форме выпрямленного напряжения u_d появились высокочастотные пульсации, связанные с работой АИН. Таким образом, благодаря отсутствию сдвига между потребляемым током i и питающим напряжением u, а также практически синусоидальной форме сетевого тока i происходит значительное улучшение энергетических показателей электровоза во всем диапазоне токовых нагрузок.

Рис. 2. Мгновенные диаграммы напряжений и тока электровоза ЭП1 в режиме

тяги при включении предлагаемого устройства: u – питающее напряжение;

i – потребляемый электровозом ток; u_d – выпрямленное напряжение;

i_н – ток тяговых двигателей электровоза;

– средний ток тяговых двигателей электровоза

Таким образом, основное преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что, в отличие от пассивного компенсатора реактивной мощности, при изменении реактивной мощности нагрузки Q_н происходит одновременное изменение реактивной мощности компенсатора Q_крм, которая может быть плавно увеличена (уменьшена) за счет изменения величины напряжения на вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора. Это позволяет полностью компенсировать реактивную мощность электровоза во всех режимах его работы и улучшить его энергетические показатели.

Литература:

1. Широченко, Н.Н. Улучшение энергетики электровозов переменного ток / Н.Н. Широченко, В.А. Татарников, З.Г. Бибинеишвили // Железнодорожный транспорт. – 1988. – №7. С. 33-36.

2. Кучумов, В.А. Электромагнитные процессы в однофазном компенсированном преобразователе электровоза / В.А. Кучумов // Вестник ВНИИЖТ. – 1988. – №4. – С. 19-23.

3. А.С. №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, Бюл. №33.