Доклад (Разработка системы управления компенсатором реактивной мощности)

Доклад

Плакат 1

Железнодорожный транспорт России ежегодно потребляет около 6-7% вырабатываемой в стране электроэнергии, из которых на тягу поездов расходуется свыше 32,3 млрд.кВтч. Экономия электроэнергии является одной из важных задач. Источником негативного влияния на качество потребляемой электроэнергии являются электровозы переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения. Оборудованные ВИП.

На плакате представлены диаграммы характеризующие работу неуправляемого и управляемого выпрямителя. В неуправляемом выпрямителе ток всегда совпадает с напряжением и угол фазового сдвига равен 0 , поэтому Км определяется коэффициентом искажения потребляемого тока 0,9. Управляемый выпрямитель отличают более низкие значения коэффициента мощности в виду отставания потребляемого тока от питающего напряжения на угол регулирования α, тем самым снижая коэффициент мощности, как видно из сравнительного анализа. Повышают коэффициент мощности, подключая компенсатор параллельно нагрузке, емкостный ток которого компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки. В результате чего происходит уменьшение сдвига фаз между током и напряжением, что в итоге приводит повышению коэффициента мощности. На этом принципе и основаны последующие исследования.

Плакат 2

Которые проводились во ВНИИЖТе. Разработка и испытание такого компенсатора для электровоза ВЛ85 явилось решением этой актуальной задачи. КРМ представляет собой последовательную резонансную LC-цепь которая постоянно подключена к одной секции обмотки ТР, включаемую с помощью ключевого элемента, состоящего из двух встречно-параллельно соединённых тиристоров V_k1 и V_k2.

Исследования показали, что использование на электровозе КРМ, приводит к увеличению коэффициента мощности в рабочем диапазоне регулирования и перекомпенсации реактивной мощности при малых токах нагрузки. Из графика мы видим что с применением КРМ Км составил 0,97 – 1,0 , а при штатной схеме 0,84. Таким образом применение данного КРМ не решает проблемы полной компен­сации реактивной мощности.

Плакат 3

Обеспечения высоких значений коэффициента мощности электровоза в широком диапазоне нагрузок предлагается применение переключаемого компенсатора, величина реактивной мощности которого автоматически изменяется в зависимости от режима работы электровоза, с помощью подключения к соответствующей секции обмотки трансформатора. То есть регулирования напряжения на конденсаторе, которое определяет величину реактивной мощности КРМ. Алгоритм работы компенсатора приведен на плакате.

Плакат 4

Применение предложенного КРМ и было реализовано на электровозе 3ЭС5К. На каждой секции электровоза разместили два модуля. При этом первый модуль КРМ1 с помощью контактора КМ31 соединен с двумя секциями вторичной обмотки трансформатора с общим напряжением 945 В, другой модуль КРМ2 подключен с помощью контактора КМ32 ко всей вторичной обмотке трансформатора на полное напряжение 1260 В

Такая схема переключаемого КРМ обеспечивает трехступенчатое регулирование реактивной мощности. На первой работал КРМ 1, на второй КРМ 2(КРМ 1 отключен), на третьей оба КРМ. Но при испытаниях энергетическая эффективность оказалась недостаточно высокой. Было принято решение подключать оба модуля КРМ на напряжение обмотки трансформатора 1260 В. Новая конфигурация переключаемого КРМ обеспечивает двухступенчатое регулирование реактивной мощности: на первой зоне регулирования работает один модуль КРМ, на высших зонах при токе якорей двигателей более 200 А включаются оба модуля. Испытания двухступенчатого КРМ на электровозе 3ЭС5К №47 показали его достаточно высокую эффективность. Из анализа рисунка следует, что работа электровоза с включенным КРМ отличается более высокими значениями коэффициента мощности в среднем 0,9 , по сравнению со штатной схемой 0,8.

Но высокие значения КМ обеспечиваются лишь в ограниченном диапазоне режимов работы электровоза, когда потребляемая реактивная мощность будет равна мощности соответствующих ступеней компенсатора.

Плакат 5

В разработанном компенсаторе в отличие от ранее рассмотренных схем КРМ в LC-цепь компенсатора последовательно включена вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора ВДТ, предназначенная для изменения величины напряжения на конденсаторе. Изменение напряжения на этой обмотке происходит за счет регулирования напряжения на первичной обмотке, при помощи АИН. Система управления (СУ) АИН обеспечивает поддержание равенства реактивных мощностей.

Алгоритм переключения IGBT-транзисторов V1-V4, составляющих силовую часть автономного инвертора напряжения, выполняется при помощи устройства формирования импульсов управления (УФИУ) АИН. На вход УФИУ поступает сигнал, пропорциональный реактивной мощности нагрузки Q_Н, который вычисляется при помощи блока управления инвертором БУИ, датчиков тока ДТ, напряжения ДН и блока синхронизирующих импульсов БСИ. УФИУ позволяет обеспечить плавное изменение выходного напряжения АИН u_ВДТ–1, что в последующем меняет напряжение на вторичной обмотке ВДТ и в итоге величину напряжения на обкладках конденсатора, что в свою очередь, определяет реактивную мощность компенсатора Q_КРМ

Исходя из этого, плавное изменение реактивной мощности КРМ Q_КРМ, возможно за счёт изменения величины напряжения на вторичной обмотке ВДТ u_ВДТ–2.

Плакат 6

Автономный инвертор напряжения предназначен для формирования заданной величины напряжения на своём выходе, для компенсации реактивной мощности нагрузки. Он представляет собой схему, ключевыми элементами которой являются полностью управляемые VS1-VS4 и неуправляемые VD1-VD4 вентили, соединённые встречно-параллельно. Источник переменного напряжения e_c в электрической цепи эквивалентен напряжению первичной обмотки трансформатора ВДТ. Соединённые последовательно согласующий дроссель L_С и e_c включены между анодами VD1, VD3 и катодами VD2, VD4. Дроссель L_С служит для ограничения скорости нарастания тока нагрузки i_c. Между анодами VD2, VD4 и катодами VD1, VD3 подключён источник постоянного напряжения E_d, а также конденсатор С, выполняющий роль фильтра высших гармоник тока i_и.

Алгоритм переключения транзисторов VS1-VS4 АИН осуществляется по закону, обеспечивающего ШИМ напряжения по форме модулирующего напряжения U_м1, U_м2 . Импульсы управления VS1-VS4 генерируются в моменты равенства напряжений u_м1, u_м2 и u_ГПН. И в результате работы АИН к первичной обмотке ВДТ прикладывается переменно импульсное напряжение u_н..

Плакат 7

При выполнении математического моделирования работы электровоза в режиме тяги и рекуперации, был выполнен следующий анализ результатов работы электровоза в штатном режиме из которого следует, что первая гармоника потребляемого электровозом тока i₍₁₎ отстаёт от питающего напряжения u на угол фазового сдвига φ, величина которого составляет: на первой зоне φ₁=80,1°( φ₁=75,2°), на второй φ₂=57,8°( φ₂=68,6° ) и на третьей φ₃=47,3°( φ₃=64,0°). Форма сетевого тока i искажена вследствие процессов, протекающих во время сетевой (γ) и фазной (γ_р) коммутаций. Определены коэффициенты мощности , которые составили: на первой зоне к'_м1=0,169(к'_м1=0,244), второй к'_м2=0,514(к'_м2=0,354) и третьей к'_м3=0,657(к'_м3=0,427).

С применением разработанного КРМ на всех трёх зонах регулирования достигается совпадение по фазе потребляемого электровозом тока i с питающим напряжением u (φ≈0°), кривая тока i приближается к синусоидальной форме. Таким образом, при близком к нулю значению угла φ коэффициенты мощности электровоза на каждой зоне регулирования составили: на первой зоне к_м1=0,979(к_м1=0,958), второй к_м2=0,980(к_м2=0,961) и третьей к_м3=0,988(к_м3=0,963).

На всех зонах регулирования заметно явное улучшение формы потребляемого тока. С применением разработанного КРМ удаётся увеличить коэффициент мощности электровоза в продолжительном режиме до 0,965 – 0,985 в зависимости от режима работы локомотива.

Плакат 8

Разрабатываемое в дипломной работе устройство компенсации реактивной мощности является многофункциональным устройством, применяемым на ЭПС, питающих мощные тиристорные преобразователи.

Все опасные факторы, которые могут возникнуть в процессе установки, наладки устройства связаны с электробезопасностью

Плакат 9

Применение разработанного устройства компенсации реактивной мощности приводит к уменьшению реактивной составляющей тягового тока и, соответственно, общего тока в контактной сети. При этом для реализации локомотивом той же мощности потребляется меньшее значение тока.

Из графика распределения ЧДД (рисунок 6.6) следует, что срок окупаемости применения разработанного компенсатора реактивной мощности составит около Т_ОК = 29 месяцев.