Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рисунок 1.3 – Схема иллюстрирующая способ повышения коэффициента мощности с помощью компенсатора (а) и его векторная диаграмма (б)

При включении компенсатора источник и электрическая сеть разгружаются от реактивной энергии , так как она циркулирует уже по цепи «приемник-компенсатор». Бла­годаря этому достигаются существенное повышение использова­ния генераторов переменного тока и электрических сетей и умень­шение потерь энергии, возникающих при бесполезной циркуляции реактивной энергии между источником и приемником. Компенсатор в этом случае выполняет роль генератора реактивной энер­гии, так как токи I_с в конденсаторе и I_1р в катушке индуктивности направлены навстречу один другому (первый опережает по фазе напряжение на 90°, второй отстает от него на 90°), вследствие чего включение компенсатора уменьшает общий реактивный ток I_р и сдвиг фаз между током I и напряже­нием U. При соответствующем подборе реактивной мощности компен­сатора можно добиться, что вся реактивная энергия, поступающая в приемник будет циркулировать внутри контура «приемник-компенсатор», а генератор и сеть не будут участвовать в ее передаче. При этих условиях от источ­ника к приемнику будет передаваться только активная мощ­ность, то есть cos φ будет равен единице.

Коэффициент мощности является одним из энергетических показателей работы электровоза переменного тока , который определяет потребляемую производительную мощность.

Из выше сказанного следует, что возможные направления работы по улучшению энергоэффективности электровозов однофазно-переменного тока связаны с уменьшением фазового угла сдвига φ между потребляемым электровозом током i и питающим напряжением u.

Целью дипломной работы является разработка устройства компенсации реактивной мощности, позволяющего значительно увеличить энергетическую эффективность электровоза во всём диапазоне токовой нагрузки за счёт обеспечения совпадения по фазе потребляемого электровозом тока i с питающим напряжением u.

2 ИССЛЕДОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

2.1 Применение нерегулируемого пассивного компенсатора реактивной мощности

В настоящее время в России свыше 34 тысяч километров железных дорог электрифицировано на переменном токе. Почти половину эксплуатируемого парка электровозов составляют электровозы переменного тока, оборудованные полупроводниковыми преобразователями для питания тяговых двигателей, из которых около 25 % оборудованы преобразователями с зонно-фазовым регулированием: грузовые BЛ80P, BЛ85, пассажирские BЛ65. Эти электровозы имеют ряд преимуществ перед диодными (BЛ60К, BЛ80Т,C и др.), важнейшие из которых – плавное регулирование выпрямленного напряжения и возможность возврата электроэнергии в систему электроснабжения при рекуперативном торможении. На Красноярской железной дороге по обобщённым годовым данным средний коэффициент мощности указанных электровозов составляет 0,795. По данным этой же дороги, а также в соответствии с результатами обширных экспериментов, электровозы переменного тока типа ВЛ80Р с рекуперативным торможением имеют ещё более низкий коэффициент мощности: в режиме тяги – 0,705; в режиме рекуперации – 0,5175 [1].

Коэффициент мощности (КМ) является одним из основных энергетических показателей электровоза, определяющий потребление им непроизводительной реактивной мощности. Работа электровоза с низким значением коэффициента мощности приводит к существенным потерям электроэнергии. При несинусоидальной форме напряжения и тока КМ электровоза определяется по формуле:

_{, (2.1)}

где – КМ электровоза; P – активная потребляемая мощность, Вт; S – полная потребляемая мощность, ВА; ν – коэффициент несинусоидальности потребляемого тока (характеризует степень искажения входного тока электровоза и определяется отношением первой гармоники входного тока к его действующему значению); cos φ₁ – коэффициент, обусловленный сдвигом фаз между первыми гармониками напряжения и тока.

Таким образом, КМ характеризует степень потребления электровозом активной и соответственно реактивной мощности, то есть увеличение способствует повышению активной мощности и одновременному уменьшению реактивной.

Для того, чтобы повысить коэффициент мощности электровоза, в настоящее время на железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, в ряде случаев используются стационарные компенсирующие устройства вдоль участка электроснабжения.

Подключение устройств компенсации наиболее эффективным является непосредственно у потребителя реактивной мощности, то есть на электроподвижном составе (ЭПС).

Также для улучшения качества потребления электроэнергии в системе электроснабжения используются: 1) пропуск полуволн напряжения в цепи тяговых электродвигателей; 2) изменение алгоритма управления выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП).

Но эти два способа не нашли особого применения, так как не происходило улучшения формы тока электровоза и, соответственно, увеличения коэффициента несинусоидальности, что в свою очередь слабо увеличивало КМ электровоза.

Компенсировать реактивную мощность электроподвижного состава переменного тока, именно без изменения силового преобразователя возможно с помощью подключения пассивного нерегулируемого компенсатора реактивной мощности (КРМ) ко вторичной обмотке силового трансформатора электровоза, как показано на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Схема подключения нерегулируемого КРМ

Компенсатор реактивной мощности представляет собой последовательную резонансную LC-цепь, включаемую с помощью ключевого элемента, состоящего из двух встречно-параллельно соединённых тиристоров V_k1 и V_k2.

Принцип работы компенсатора реактивной мощности (КРМ) заключается в улучшении формы потребляемого электровозом тока и сокращения отставания по фазе первой гармоники этого тока, что приводит к повышению коэффициента мощности. За счёт шунтирования третьей гармоники тока цепью компенсатора, настроенного на близкую частоту, а также некоторого ослабления ближайших по частоте высших гармоник , происходит уменьшение высших гармонических составляющих во входном токе электровоза . Уменьшение фазового угла φ осуществляется путём создания неуправляемой ёмкостной составляющей тока основной частоты, протекающей через LC-цепь, которая для частоты 50 Гц имеет ёмкостное сопротивление. За счёт этого происходит смещение фазы потребляемого тока в сторону опережения и приближение к фазе питающего напряжения.

Назначение схемы управления тиристорами V_k1, V_k2 ключевого элемента сводится к отключению КРМ при возникновении аварийных режимов работы электровоза, а также в момент равенства мгновенных значений напряжения на вторичной обмотке трансформатора и напряжения на конденсаторе КРМ.

Во ВНИИЖТе найдена и исследована возможность более эффективного повышения коэффициента мощности тиристорных электровозов. Разработка и испытание такого компенсатора для электровоза ВЛ85 явилось практически продолжением решения этой актуальной задачи.

Одна из важных задач – выбор параметров LC-элементов компенсатора, обеспечивающих максимально возможное улучшение энергетических характеристик электровоза при минимальных затратах. Для этого в модели предусмотрена возможность варьировать указанные параметры. Подбор емкости осуществлялся путем изменения числа параллельно включенных банок конденсаторов, подбор индуктивности – изменением количества витков индуктивных шунтов с помощью специально разработанного скользящего контакта соединения.

Целью испытаний являлось определение рациональных параметров LC-цепочки компенсатора, обеспечивающей максимальную компенсацию реактивной мощности при минимальных массо-габаритных и стоимостных показателей КРМ.

Оценка эффективности компенсации реактивной мощности проводилась путем сравнения зависимостей коэффициента мощности и напряжения на тяговых двигателях при одном и том же токе якоря.

Рисунок 2.2 – Графики изменения коэффициента мощности электровоза:

1 – штатная схема, 2 – электровоза с включенным КРМ

Для создания необходимых тяговых и тормозных режимов испытываемого электровоза использовался сцепленный с ним вспомогательный локомотив ВЛ80^С, работавший соответственно в режимах электрического торможения или тяги. Оценка эффективности компенсации реактивной мощности проводилась путем сравнения зависимостей коэффициента мощности напряжения на тяговых двигателях при одном и том же токе якоря. Зависимости 1 и 2 на рисунке 2.2 получены для преобразователей с четырехзонным регулированием при токе якоря тяговых двигателей 900 А. Кривая 2 соответствует преобразователям с компенсаторами, содержащими 6 параллельно включенных конденсаторов емкостью 2200 мкФ и дроссель индуктивностью 0.63 мГн, выбранный исходя из обеспечения резонансной частоты 135 Гц. Кривая 1 соответствует схеме электровоза с обычными преобразователями без компенсаторов реактивной мощности[2].

При применении компенсаторов практически во всем диапазоне регулирования достигается существенное увеличение коэффициента мощности электровоза. При этом во второй половине второй зоны, а так же третьей и четвертой зонах коэффициент мощности находится в пределах от 0,97 до 1,0.

Исследования показали , что наиболее близкими к оптимальным являются компенсаторы, имеющие реактивную мощность 520 кВАр (1474мкФ) и настроенные на резонансную частоту 135 Гц. В этом случае можно ожидать что среднее значение коэффициента мощности электровоза находится на уровне 0,92.

В процессе испытаний установлено так же, что благодаря компенсаторам коэффициент мощности электровоза возрастает в режиме рекуперативного торможения. При таком значении коэффициента мощности обеспечивается почти двукратное сокращение потребления реактивной энергии на тягу поездов [2].

Также исследования процессов включения и работы тиристоров ВИП показали, что применение на электровозах ВЛ85 компенсирующих устройств не привело к нарушению надежной работы этих тиристоров. Все плечи преобразователей уверенно включались на всех зонах при четырехзонном регулировании. Установлено так же, что компенсаторы реактивной мощности улучшают внешние характеристики электровоза в режимах тяги и рекуперативного торможения. Это способствует, в частности, повышению скорости движения поездов, то есть улучшению одного из основных показателей электрической тяги.

Использование на электровозе нерегулируемого компенсатора реактивной мощности приводит к значительному увеличению коэффициента мощности в рабочем диапазоне регулирования и к перекомпенсации реактивной мощности при малых токах нагрузки, что объясняется постоянной величиной ёмкостного тока, протекающего через компенсатор. Вместе с тем было установлено, что использование нерегулируемого компенсатора реактивной мощности приводит к увеличению коэффициента мощности при номинальной нагрузке и его снижению при малых нагрузках. Это связано с тем, что при изменении режима работы электровоза , изменяется величина потребляемой реактивной мощности. А это является значительным недостатком нерегулируемого КРМ.

Применение пассивного нерегулируемого КРМ не решает проблемы полной компен­сации реактивной мощности и, несмотря на существенное повышение коэффициента мощности, в сетевом токе присутствуют высшие гармоники значительной интенсивно­сти. Для повышения коэффициента мощности электровозов необходимо применение регулируемого компенсатора реактивной мощности.

2.2 Переключаемый пассивный компенсатор реактивной мощности

Компенсировать реактивную мощность в более широком диапазоне нагрузок позволяет переключаемый пассивный компенсатор реактивной мощности. Поэтому для обеспечения высоких значений коэффициента мощности электровоза во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок предлагается применение переключаемого компенсатора реактивной мощности, величина реактивной мощности которого автоматически изменяется в зависимости от режима работы электровоза.

Компенсация реактивной мощности при работе переключаемого компенсатора осуществляется за счёт подключения двух LC-фильтров к различным секциям вторичной обмотки тягового трансформатора, алгоритм подключения определяется в зависимости от зоны регулирования.

Все сказанное выше позволяет сделать вывод о необходи­мости применения способа управления КРМ, учитывающего по­тери электроэнергии в КРМ. Предложенный способ можно реа­лизовать при помощи устройства компенсации реактивной мощности, предложенным для модернизации электровоза ВЛ80^ТК1338 к.т.н. Литовченко В.В. Согласно этому способу задают значение минимально допустимой реактивной мощности Q₀, а также зна­чения реактивной мощности источника реактивной мощности при подключении к различным источникам питания (секциям вторичной обмотки тягового трансформатора). Для каждой ра­бочей зоны регулирования напряжения тяговых двигателей оп­ределяют величину реактивной мощности нагрузки, сравнивают максимальное значение реактивной мощности источника реак­тивной мощности при работе от различных источников питания с фактическим значением реактивной мощности нагрузки. После подключают источник реактивной мощности, минимально пре­восходящий по значению реактивной мощности значение фак­тической реактивной мощности нагрузки, к соответствующему источнику питания. При снижении значения реактивной мощ­ности источника реактивной мощности ниже минимально до­пустимого значения отключают источник реактивной мощности от источника питания. С целью снижения броска тока в момен­ты времени между переключениями с одного источника питания на другой или в моменты времени, предшествующие повторно­му подключению источника реактивной мощности к источни­кам питания, для исключения возможного дребезга контактов при колебании Q_d в области значений Q_o и Q_Ky1 источник ре­активной мощности на время ( t_к ), определяемое постоянной времени разряда ёмкости на активное сопротивление цепи КРМ, отключается от источника питания.

Характеристики

Список файлов ВКР