| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2282295
СПОСІБ УПРАВЛІННЯ компенсація реактивної потужності І ПРИСТРІЙ його реалізують
Ім'я винахідника: Каширін В'ячеслав Володимирович (RU); Ніконов Валерій Вікторович (RU); Солтус Костянтин Павлович
Ім'я патентовласника: Відкрите акціонерне товариство "Всеросійський науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут електровозобудування" (ВАТ "ВЕлНІІ")
Адреса для листування: 346413, Ростовська обл., М Новочеркаськ, вул. Машинобудівників, 3, ВАТ "ВЕлНІІ"
Дата початку дії патенту: 2004.09.20
Використання: в електротехніці, на електрорухомому складі однофазно-змінного струму з зонно-фазовим регулюванням, як пристрій для підвищення коефіцієнта потужності. Технічний результат полягає в компенсації реактивної потужності, споживаної електровозом, і зниженні витрат електроенергії. Компенсатор реактивної потужності (КРП) підключають по черзі до однієї з декількох секцій вторинної обмотки тягового трансформатора, що живлять відповідні плечі випрямно-інверторного перетворювача. Залежно від значення реактивної потужності ланцюга, підключають секції джерела реактивної потужності до джерела живлення. Пристрій, що реалізовує запропонований спосіб управління КРМ, додатково містить ключі, через які КРМ підключають до секцій вторинної обмотки тягового трансформатора, блок управління ключами, задатчик режиму роботи, датчики напруги та струму, обчислювально-вимірювальний блок.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до електротехніки, а саме до електроустаткування електрорухомого складу (е.п.с.) залізниць однофазно-змінного струму з зонно-фазовим регулюванням, і призначене для підвищення коефіцієнта використання потужності системи тягового енергопостачання і, як наслідок, зниження витрат електроенергії.
Однією з проблем, пов'язаних з впровадженням на е.п.с. змінного струму компенсаторів реактивної потужності (КРП), є пошук оптимальних режимів роботи КРМ, що сприяють зниженню витрати електроенергії на е.п.с. в цілому.
Необхідність підвищення коефіцієнта потужності е.п.с. можна пояснити наступним чином. Припустимо, що е.п.с. потужністю Р працює з cos 
= 1 (активне навантаження) при синусоїдальній напрузі U. В цьому випадку сила струму в ланцюзі складе 
, А потужність теплових втрат
На практиці експлуатація е.п.с. здійснюється з cos <1 (змішана навантаження), сила струму в ланцюзі буде більше
.
Збільшення сили струму в ланцюзі приводить до збільшення теплових втрат
Таким чином, електричні втрати пропорційні квадрату cos .
Так, наприклад, підвищення cos = 0,8 на 15% призводить до зниження втрат в мережі живлення на 41%!
Поряд зі зниженням втрат в живильної ланцюга, завдяки підвищенню коефіцієнта потужності, спостерігаються істотні теплові втрати в елементах компенсатора - головним чином в дроселі, тиристорному ключі і конденсаторах. Тому облік поєднання втрат від застосування компенсуючих пристроїв є важливим завданням підвищення енергетичних показників на сучасному е.п.с., обладнаному КРМ.
Відомий спосіб управління компенсатором реактивної потужності (патент РФ №2187185), який полягає в тому, що компенсацію реактивної потужності здійснюють комутацією джерел живлення з джерелом реактивної потужності за допомогою четирехквадратного перетворювача. Такий спосіб істотно підвищує коефіцієнт потужності, однак використання додатково чотириквадрантний перетворювача загрожує ускладненням системи управління, необхідністю використання дорогої елементної бази і поряд з підвищенням коефіцієнта потужності при різних режимах роботи перетворення енергії супроводжується додатковими втратами потужності в елементах чотириквадрантний перетворювача.
Аналогом розглянутих способів управління (патент РФ №2187872) є спосіб, при якому необхідну величину і форму миттєвого струму на мережевому вході досягають в результаті складання струмів компенсатора реактивної потужності і компенсатора потужності спотворення, причому управління вентилями компенсаційного випрямляча здійснюють шляхом триразового включення кожного вентиля на періоді напруги в моменти рівності періодичних опорних напруг і керуючих напруг.
При такому способі управління знижується коефіцієнт корисної дії системи компенсації реактивної потужності, оскільки зі збільшенням кількості комутацій за період напруги збільшується величина електричних втрат.
Найбільш близьким до запропонованого технічним рішенням є спосіб управління компенсатором реактивної потужності, прийнятий як прототип (патент РФ №2212086), при якому визначають значення реактивної потужності ланцюга, в залежності від напруги і струму навантаження, підключають до джерела живлення (секціях вторинної обмотки тягового трансформатора ) джерело реактивної потужності, причому незалежно від зони регулювання, джерело реактивної потужності підключають до джерела живлення з максимальною потужністю. Спосіб реалізують пристроєм, що містить компенсатор реактивної потужності, що складається з двох LC-контурів, підключених постійно до джерела живлення з максимальною потужністю.
Цей спосіб має недолік: LC-контур постійно підключений до джерела живлення. При роботі з малими навантаженнями величина власних втрат в компенсаторі реактивної потужності ( 
Р КУ) перевищує величину зниження втрат ланцюга харчування від застосування компенсатора ( Р O). Енергетична характеристика цього способу управління приведена на фіг.2. На ній показано, що з ростом реактивної потужності ланцюга Q d абсолютні втрати P O від компенсації реактивної потужності в ланцюзі харчування знижуються більш інтенсивно, ніж ростуть власні втрати в компенсаторі Р КУ. Тому в діапазонах роботи, ознакою яких є негативна різниця Р КУ - Р О, система компенсації реактивної потужності неефективна, оскільки зростання втрат в реактивних елементах компенсатора переважає над зниженням втрат від компенсації реактивної потужності. Значення реактивної потужності Q O є точкою рівноваги власних втрат потужності компенсатора і величини зниження втрат потужності ланцюга від застосування компенсації реактивної потужності. При Q d> Q O спостерігається ефективність компенсації реактивної потужності.
Пристрій, що реалізовує даний спосіб управління, містить тяговий трансформатор, випрямно-побутовий перетворювач електровоза з підключеним до нього тяговим двигуном, два джерела реактивної потужності, що складаються з послідовно з'єднаних індуктивності і ємності, датчик режиму мережі, що включає в себе датчик напруги і датчик струму, блок синхронізують імпульсів, блок управління і комутатор. Такий пристрій має наступний недолік - LC-ланцюга компенсатора реактивної потужності постійно підключені на сумарну напругу всіх джерел живлення, хоча при роботі з малими навантаженнями досить працювати від одного або декількох (але не всіх) джерел живлення. Перешкодою цьому є неможливість перемикати LC-компенсатор на оптимальні джерела живлення. Тому при роботі з малими навантаженнями величина втрат може перевищувати економію енергії від застосування КРМ, що не може гарантувати стабільне сприятливий баланс по витраті електроенергії внаслідок перекомпенсації реактивної потужності.
Завданням винаходу є зниження витрат електроенергії споживаної е.п.с.
Поставлена задача досягається способом управління, при якому задають значення мінімально допустимої реактивної потужності джерела реактивної потужності, а й максимальне значення реактивної потужності джерела реактивної потужності при підключенні до різних джерел живлення, для кожної робочої зони регулювання напруги тягових двигунів визначають величину реактивної потужності навантаження, порівнюють максимальне значення реактивної потужності джерела реактивної потужності при роботі від різних джерел живлення з фактичним значенням реактивної потужності навантаження і підключають мінімально перевершує за значенням реактивної потужності навантаження джерело реактивної потужності до відповідного джерела живлення, при зниженні значення реактивної потужності джерела реактивної потужності нижче мінімально допустимого значення відключають джерело реактивної потужності від джерела живлення. З метою зниження кидка струму в моменти часу між перемиканнями з одного джерела живлення на інше або в моменти часу, що передують повторному підключенню джерела реактивної потужності до джерел живлення, для виключення можливого брязкоту контактів при коливанні Q d в області значень Q O, Q KУ1 і Q КУ2 до джерела реактивної потужності на час, що дорівнює, наприклад, 5 с, визначається постійної часу розряду ємності на активний опір ланцюга КРМ, підключають активне навантаження.
Пристрій для компенсації реактивної потужності містить тяговий трансформатор з кількома секціями вторинної обмотки, навантаження, виконану у вигляді випрямно-інверторного перетворювача електровоза з підключеними до нього переважно декількома тяговими двигунами, джерело реактивної потужності, що представляє собою КРМ і складається з послідовно з'єднаних індуктивності і ємності, датчика напруги і датчика струму, тиристорний ключ і блок керування тиристорним ключем. У пристрій додатково введені ключі для підключення джерела реактивної потужності до відповідних джерел живлення, блок управління ключами, задатчик режиму роботи для створення номера зони регулювання напруги і обчислювально-вимірювальний блок для визначення моментів комутації КРМ до відповідних джерел живлення.
Новим в пропонованому технічному рішенні, на відміну від прототипу, є те, що КРМ підключається тільки до джерела енергії, від яких працює перетворювач. З метою зниження витрат електроенергії виключається робота КРМ з низькими навантаженнями, при яких власні втрати КРМ можуть перевищити зниження втрат в ланцюзі від його застосування.
Сказане дозволяє зробити висновок про причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю суттєвих ознак і досягається технічним результатом.
На доданих до опису кресленнях показано:
 |
 |
 | |
Фиг.1 - схема підключення компенсатора реактивної потужності до джерела живлення;
на фіг.2 - енергетична характеристика роботи КРМ;
на Фіг.3 - пристрій, що реалізує даний спосіб управління КРМ.
Фіг.4 - блок-схема алгоритму управління, що реалізує запропонований спосіб управління КРМ.
Пристрій, що реалізовує даний спосіб управління (фіг.3), містить тяговий трансформатор 1, переважно з декількома вторинними обмотками, які виступають в якості джерел живлення, випрямно-побутовий перетворювач (ВІЛ) електровоза 2 з підключеними до нього переважно декількома тяговими двигунами (ТД) 3 , компенсатор реактивної потужності (КРП) 4, датчик напруги контактної мережі (ДН) 5, датчик струму ланцюга тягових двигунів (ДТ) 6, ключі (СК) 7, що складаються з ключа К1 і ключа К2, які працюють в протилежних станах, блок управління ключами (БУСЬК) 8, тиристорний ключ (ТК) 9, блок керування тиристорним ключем (Бутко) 10, задатчик режиму роботи, в якості якого може бути використаний контролер машиніста е.п.с. (КМ) 11, для створення номера зони регулювання, обчислювально-вимірювальний блок (БВИ) 12 для визначення моментів комутації КРМ до відповідних джерел живлення. Паралельно конденсатору КРМ 4, через нормально замкнуті ключі 13 і 14 підключений резистор 15 для розряду залишкової ємності в моменти перемикання КРМ 4 з одного джерела живлення на інше, щоб уникнути значних стрибків струму. Компенсатор реактивної потужності 4 виконаний у вигляді модуля і складається з LC-контура, керованого ключами 7 і 9, для підключення його до вторинних обмоток тягового трансформатора 1. Як керованих ключів 7 можуть використовуватися контактори, що забезпечують ступеневу зміна реактивної потужності, і тиристори 9, забезпечують плавну зміну реактивної потужності компенсуючого пристрою. КРМ забезпечує два ступені реактивної потужності в залежності від підключення до висновків обмоток тягового трансформатора 1. Блок управління ключами 8 забезпечує включення і виключення ключів 7 по сигналам, що надходять з обчислювально-вимірювального блоку 12, а й включення і виключення ключів 7 без обриву силового струму. Блок керування тиристорним ключем 10 забезпечує формування сигналів управління відповідно до алгоритмами, що реалізують даний спосіб управління, безударное підключення LC-контурів КРМ 4 до обмотці тягового трансформатора 1 в момент переходу напруги на тиристорному ключі 9 через нуль, а й відключення LC-контурів КРМ 4 від обмотки тягового трансформатора 1 в момент переходу струму тиристорного ключа 9 через нуль. Завдання номера робочої зони харчування Nz, що характеризує рівень напруги живлення, який формується підключенням певних джерел напруги до навантаження, здійснюється перемиканням позицій електромеханічного контролера машиніста 11. При підключенні КРМ 4 до джерела живлення 1 однієї з пар керованих ключів 7 К1 або К2 відбувається відключення одного з нормально замкнутих ключів К1 13 або К2 14, з метою розриву ланцюга розрядного резистора 15, що представляє собою чисто активне навантаження. Цим виключаються додаткові втрати при роботі КРМ 4. На практиці час розряду до прийнятного рівня вибирають на рівні 5 с.
Обчислювально-вимірювальний блок 12 за інформацією, отриманою з датчиків струму 6 і напруги 5, задатчик режиму роботи (КМ) 11 виконує вимір фактичної реактивної потужності на струмоприймачі електровоза, визначення реактивної потужності, що генерується КРМ, формує сигнал на включення необхідної ступені КРМ, а й виконує відключення КРМ або його модулів шляхом зняття керуючих імпульсів при порушеннях заданих (нормальних) режимів роботи. БВИ 12 здійснює і та захист від комутаційних перенапруг на тиристорах ключових елементів, від перевантажень по струму, від зовнішніх і внутрішніх коротких замикань, від замикань на землю, а й від підвищення напруги на конденсаторах LC-контурів понад номінальної напруги.
БВИ 12 складається з мікропроцесора, оперативного пам'яті (ОЗУ), постійного пам'яті (ПЗУ), аналогово-цифрового перетворювача (АЦП) і таймерів-лічильників. Мікропроцесор, ОЗУ, ПЗУ, АЦП і таймери-лічильники можуть бути виконані на базі промислового контролера М167-1х (каталог продукції АТ "Каскод" "Бортова і промислова електроніка", 189625, С-Петербург, Павловська, Фільтровское шосе, 3 (тел. (812) 466-5784, (812) 476-0795), с.66).
Пристрій, що реалізовує пропонований спосіб управління компенсатором реактивної потужності, працює таким чином. При включенні харчування починається робота обчислювально-вимірювального блоку 12, і визначають величину реактивної потужності навантаження на підставі інформації з датчиків по формулі Q d = P d tg , Де P d = I d U d, I d - струм навантаження, U d - напруга на навантаженні, яке визначається в залежності від I d за зовнішніми характеристиками перетворювача, записаним в ПЗУ БВИ 12, - Зрушення фаз між струмом і напругою джерела живлення. При роботі електровоза з реактивною потужністю Q d вище мінімально допустимого значення підключають одну секцію КРМ до джерела енергії з найменшим значенням (Uіст1), після чого знову визначають реактивну потужність ланцюга Q d і порівнюють її значення зі значенням реактивної потужності працюючої секції Q КУ1, (фіг .1). При перевищенні реактивної потужності навантаження над величиною потужності компенсатора перемикають секцію компенсатора до джерела з великим напруженням (Uіст2), після чого порівнюють значення реактивної потужності ланцюга з величиною потужності компенсатора Q КУ2, і якщо воно нижче, то виконують перемикання компенсатора на джерело напруги з меншим значенням (Uіст1), причому в моменти перемикання замикають її на активний опір 15 (розрядний резистор) з тим, щоб при необхідності її повторного підключення на джерело живлення уникнути кидка струму в ланцюзі. Процес повторюється циклічно.
Спосіб реалізують алгоритмом, наведеним на фіг.4. Виконання його відбувається циклічно, старт програми відбувається автоматично при подачі напруги живлення на обчислювально-вимірювальний блок.
При подачі напруги живлення на обчислювально-вимірювальний блок 12 відбувається запуск керуючої програми (блок 16) і введення значень величини реактивної потужності, які може забезпечити КРМ 4 на першій Q КУ1 і другий Q КУ2 щаблях регулювання і значення мінімально допустимої реактивної потужності джерела реактивної потужності Q O (блок 17). Потім здійснюють введення значення сили струму тягових двигунів I d і зони регулювання ВІЛ 7 N Z (блок 18), визначення напруги на тягових двигунах U d за зовнішніми характеристиками ВІП 7 (блок 19), визначення фактичної корисної потужності P d (блок 20) і визначення величини реактивної потужності складової Q d від фактичної корисної потужності (блок 21).
Після визначення величини реактивної потужності Q d її порівнюють з величинами Q O і Q КУ1 (блоки 22 і 23) і визначають, до якого джерела живлення необхідно підключити LC-контур, відповідно встановлюючи ознака на включення необхідної ступені (блок 25 і блок 26). Якщо необхідно відключити КРМ 4, то встановлюється ознака на відключення КРМ 4, тобто встановлюють ознака на включення нульовий ступені (ступені 0) (блок 24).
Після визначення необхідної ступені регулювання її порівнюють з поточним станом компенсатора (блок 27) і, якщо необхідне і поточне стану збігаються, то, зберігаючи поточне значення компенсатора, переходять до блоку 17, в іншому випадку здійснюють перемикання на бажаний рівень. Перевіряють стан компенсатора (блок 28), якщо компенсатор включений, то відключають компенсатор (блок 29), знімаючи сигнали з тиристорного ключа 9 і ключів 7. Після відключення компенсатора запускається таймер (блок 30), що відлічує час комутації, необхідне для того, щоб ємність компенсатора розрядилася на розрядний резистор 15, причому в період часу комутації продовжують контролювати величину реактивної потужності Q d. Час комутації і забезпечує гістерезис, завдяки якому можливо уникнути "брязкоту" ключів, поява якого можливо, якщо значення реактивної потужності Q d буде коливатися в області граничних значень Q O і Q KУ1. Після закінчення часу комутації (блок 31) включають компенсатор на бажаний рівень (блок 32) шляхом подачі керуючих сигналів на ключі 7 і тиристорний ключ 9. Після включення компенсатора програма автоматично переходить на блок 18 для забезпечення безперервного контролю параметрів управління.
Параметри КРМ:
перший ступінь: U = 638 В, Q KУ1 = 94 квар;
другий ступінь: U = 928 В, Q KУ1 = 200 квар.
Таким чином, пропонований спосіб управління компенсатором реактивної потужності і пристрій, його реалізує, забезпечують підвищення коефіцієнта потужності і зниження витрати електроенергії е.п.с.
ПРОМИСЛОВА прийнятним
Пропонований спосіб управління КРМ і пристрій, його реалізує, апробовані на дослідній секції двосекційного електровоза ВЛ80 TK -1338, показали зниження витрати електроенергії на 6-8%. Пропонований винахід може знайти застосування на електрорухомому складі змінного струму в ланцюгах тягового і допоміжного приводу.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Спосіб управління компенсатором реактивної потужності, що складається в тому, що для кожної робочої зони регулювання напруги тягових двигунів визначають величину реактивної потужності навантаження, в залежності від напруги і струму навантаження підключають до джерела живлення джерело реактивної потужності, що відрізняється тим, що задають значення мінімально допустимої реактивної потужності джерела реактивної потужності, а й максимальне значення реактивної потужності джерела реактивної потужності при підключенні до різних джерел живлення, для кожної робочої зони регулювання напруги тягових двигунів визначають величину реактивної потужності навантаження, порівнюють максимальне значення реактивної потужності джерела реактивної потужності при роботі від різних джерел живлення з фактичним значенням реактивної потужності навантаження і підключають мінімально перевершує за значенням реактивної потужності навантаження джерело реактивної потужності до відповідного джерела живлення, при зниженні значення реактивної потужності джерела реактивної потужності нижче мінімально допустимого значення відключають джерело реактивної потужності від джерела живлення, причому в моменти часу між перемиканнями з одного джерела живлення на інше або попередні повторному підключенню джерела реактивної потужності до джерел живлення до джерела реактивної потужності підключають активне навантаження.
2. Спосіб управління компенсатором реактивної потужності по п.1, що відрізняється тим, що перемикання з одного джерела живлення на інше або повторне підключення джерела реактивної потужності до джерел живлення здійснюють із затримкою часу, рівний, наприклад, 5 с.
3. Пристрій для компенсації реактивної потужності, що містить тяговий трансформатор з кількома секціями вторинної обмотки, навантаження, виконану у вигляді випрямно-інверторного перетворювача електровоза з підключеними до нього переважно декількома тяговими двигунами, тиристорний ключ і блок керування тиристорним ключем, джерело реактивної потужності, що складається з послідовно з'єднаних індуктивності і ємності, датчик напруги, підключений до первинної обмотці тягового трансформатора, що відрізняється тим, що воно додатково містить ключі, через які компенсатор реактивної потужності підключають до секцій вторинної обмотки тягового трансформатора, блок управління ключами, задатчик режиму роботи, датчик струму в ланцюзі тягового двигуна, обчислювально-вимірювальний блок, до якого підключені блок керування тиристорним ключем, блок управління ключами, задатчик режиму роботи, датчики напруги та струму.
Версія для друку
Дата публікації 15.02.2007гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.