电力机车辅助电路移相电容控制方法的改进.pdf

6 0 工业仪表与自动化装置 2 0 1 3年第3期 电力机车辅助 电路移相电容控制方法的改进 王安明 ( 西安铁路职业技术学院， 西安 7 1 0 0 1 4 ) 摘要 ： 在电力机车辅助电路移相 电容支路 中采用串联晶闸管的方法， 消除了在合 闸瞬间产生的 电流冲击。利用 P S I M仿真软件进行 了仿真 实验 ， 在相 同的仿真参数 下， 对比了移相电容支路 串联 晶闸管前后的功率因数 曲线 ， 可以看出， 在移向电容支路 串联 晶闸管后电路 的功率因数 明显提 高。 关键词： 电力机车； 辅助 电路 ； 移相电容； 晶闸管 中图分类号 ： U 2 6 2 7 十 2 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 0 0 6 8 2 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 6 0 0 2 I mp r o v e me nt o f c o n t r o l me t ho d o f p ha s e s hi f t i n g c a pa c i t o r o n e l e c t r i c l o c o mo t i v e a ux i l i a r y c i r c u i t W ANG Anmi ng ( X i a n R a i l w a y V o c a t i o n a l & T e c h n i c a l I n s t i t u t e ， Xi a n 7 1 0 0 1 4，C h i n a ) Abs t r a c t ： Us e d me t h o d t h a t s h i fti ng p ha s e c a pa c i t o r s e r i e s t h y r i s t o r i n e l e c t ric l o c o mo t i v e a u x i l i a r y c i r c u i t ，e l i mi n a t e s i n t h e c l o s i n g mo me n t s g e n e r a t e d c u r r e n t s h o c kS i mu l a t i n g t o u s e t h e PS I M s i mu l a t i o n s o f t wa r e，i n t h e s a me s i mu l a t i o n pa r a me t e r s ，c o n t r a s t t h e p o we r f a c t o r c u r v e us i n g t h y r i s t o r i n t h e s e r i e s o f s h i fti n g ph a s e c a pa c i t o r ，a f t e r s e rie s o f s h i fti n g p h a s e c a p a c i t o r u s e s t h y r i s t o r t h e p o we r f a c t o r o f t h e c i r c u i t i s i mp r o v e d o b v i o us l y Ke y wo r ds ： e l e c t r i c l o c o mo t i v e；a u x i l i a ry c i r c u i t ；s hi fti n g p h a s e c a p a c i t o r ；t h y r i s t o r 0 引言 工业生产 中的电气设备和电力线路的电能损耗 占总量的 2 0 3 0 ， 因此 ， 节能降耗对工业企业是 至关重要的， 提高功率因数是一种非常有效 的节能途 径 。功率因数不高， 根本原因就是 由于电感性负载 的存在。当电压与电流之间有相位差 ， 即功率因数不 等于 1时， 电路 中发生能量互换， 出现无功功率 Q= U l c o s q ， 这样就引起 2个问题 ： 1 ) 发电设备的容量不 能合理利 用； 2 ) 增 加线路 和发 电机绕组 的功率 损 耗 J 。有功功率电网损耗不超过负荷的 1 0 。而无 功功率电网损耗却 占无功负荷 的3 0 5 0 。无功 功率总损耗要比有功功率总损耗大3 5 倍 。 电力机车的辅助电源由异步劈相机提供 ， 异步 劈相机把由主变压器的辅助绕组供给的单相工频交 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 1 1 4 基金项目： 西安铁路职业技术学院2 0 1 1 年度立项课题“ 电力机 车辅助 电机智能控制研究” ( X T Z Y1 1 G O 3 ) 作者简介 ： 王安明 ， 男 ， 西安铁 路职 业技术学 院 助教 ， 研究方 向 为机 电控制技术。 流电转换成三相工频交流电， 以供给辅助 电路的所 有三相异步电机。劈相机的电负载随机车运行工况 而改变 ， 为尽可能保持劈相机输 出三相线 电压的对 称性 ， 在它的 U 与 w 端子间并联有 4个 1 2 k v a r 电 容器 ， 以对无 功功率进 行补偿 ， 提高功率 因数。 用直接并联电容器的方法虽然能在一定程度上提高 功率因数 ， 但在合闸的瞬间， 会产生较大的合闸电流 冲击 ， 同时易在某个频率上产生并联谐振 ， 引起过电 流。鉴于上述不足 ， 在补偿 电容支路中串入晶闸管 ， 在合闸的瞬间 ， 晶闸管没有触发导通 ， 电容器中没有 电流流过 ， 从而消除了电容器直接接人电源产生的 合闸电流。同时 ， 以基波频率即 5 0 H z 作为 晶闸管 的触发频率 ， 在一定程度上降低谐波分量 ， 有助于提 高电路的功率因数 1 无功补偿电路相关参数 相关参数主要包括移相电容器的额定电压 、 工 作频率 、 无功功率、 额定容量 、 相电压等。 1 1 补偿电容器的选用条件 采用并联电容器进行无功功率补偿称为移相电 容器 ， 目的就是为了提高 电路 的功率因数。相关器 2 0 1 3年第 3 期 工业仪表与 自动化装置 6 1 件的参数必须满足下列 3个条件 ： 1 ) 移相电容器的额定电压大于或等于其工作 电压 ， 即 ； 2 ) 移相电容器的频率等于电网的工作频率， 即 c = k 3 ) 移相 电容器 的额定 容量 大于或等于无功功 率 ， 即 Q q。 其中 为电网工作频率 ( H z ) ， 为移相 电容器工作 频率 ( H z ) ， Q为需要补偿 的无 功功率 ( k v a r ) ， Q 。 为 移相 电容器的额定容量 ( k v a r ) 。 1 2补偿电容容量的确定 补偿 电容 的容量按下式确定 ： q =2 7 rf U 2 C1 0 ( 1 ) 式中： c为 单 相 电 容 器 电 容 ( F ) ， 为 相 电 压 ( k V) 厂 为工频 5 0 H z 。 根据式( 1 ) ， 可知 c：旦 1 0 ( 2 ) 2 7 r f U 2 、 已知 Q =1 2 k v a r ， U： 0 3 8 k V， 求得 C= 2 6 4 。 2 仿 真电路设计 P S I M是专门为 电力 电子和 电机控制设计的一 款仿真软件 。它可以快速地仿真和便利地与用户交 互 ， 为电力电子数字控制和 电机驱动系统研究提供 了强大的仿真环境。 仿真电路主要包括 4部 分 ： 电源、 电机及其 负 载、 补偿电路及触发电路 。电源为三相工频交流电 ， 为了模拟劈相机电路的不对称性， 在电压、 频率、 相 位设置适当的误差。电机及其负载用 2台三相异步 电动机拖动机械负载 ， 由于实际的电机 负载是通风 机 ， 因此机械负载用恒定转矩负载。补偿 电路是补 偿电容和晶闸管的串联支路 ， 为简化起见 ， 共有 2个 支路 ， 每个支路分别有 2个晶闸管反 向并联 ， 以保证 在交流 电的正半周和负半周电流能够连续。触发电 路产生与交流电同步的触 发信号 ， 控制 晶闸管在交 流电过零点时开通。仿真 电路如图 1 所示 。 图1 仿真电路图 在仿真电路图中， 三相电源 、 、 的每一个支 路串接一个电流表 ， 并对地各并联一个电压表， 以观 察电压和电流的波形。为了测量三相电路的功率因 数 ， 在电源和负载之 间串接了三相功率 因数表 。在 劈相机供 电的实际电路 中， 相和 相称为电动相 ， 而 相是发 电相 ， 所 以补偿 电路并联 在 相和 相之 问， 补偿电路支路中 ， 反 向并联的晶闸管 由相互 反向的触发信号触发。触发电路由电压传感器、 比 较器 、 非门和通断控制器组成。电压传感器检测交 流电的电压值 ， 按照一定 的增益输出到 比较器正输 入端 ， 比较器负输入端接地 ， 比较器输出端输出与交 流电同步的同步信号到通断控制器 ， 通断控制器用 于连接门极控制信号和功率晶闸管。2个反向并联 的晶闸管由交流电的过零点触发， 一个在正半周触 发导通 ， 另一个在负半周触发导通 。而在异步电机 的轴输出端 ， 接有速度传感器和转速表 ， 用以观察异 步电机的转速。 3 系统仿真 为 了模拟三相 电压 的不对称 ， 三相 电源相 电压 有效值分别为 U： 2 1 0 V， V=2 1 9 V， W= 2 0 0 V， U相 与 相 的相位差为 1 2 1 。 ， 相与 相 的相位差 为 1 1 9 。 ， 电源频率为 4 9 H z 。三相功率因数表的工作频 率设为 5 O H z ， 截止频率为 4 0 H z 。考虑到实际的电 路是 4个 1 2 k v a r的补偿电容器并联 ， 每个电容器对 应的容量是 2 6 4 F ， 故 2个并联支路 的补偿 电容器 容量分别设置为 5 2 8 F 。 分 2种情况进行仿真 ， 一种是在 电容支路不串 接晶闸管 ， 另一种是在电容支路 串接晶闸管 ， 2种情 况的仿真参数相同。图2为补偿电容支路未串联晶 闸管的功率因数曲线图， 图3为补偿电容支路串联 晶闸管后的功率 因数曲线 图。在图 2中， 由于受高 次谐波的影响， 功率因数曲线呈波浪形 ， 在工频交流 电的一个周期 内， 出现了 5个波峰 ； 在 图 3中， 波形 较图 2更加光滑 ， 同样是在一个周期 内， 出现 了 1 0 个波峰 ， 是图 2的 2倍 ， 但波峰与波谷的变化幅度显 著减小， 这说明高次谐波的分量有所减少， 无论是波 峰还是波谷， 均高于图2 。由此推断， 图 3 功率因数 的平均值更高。通过对比前后两种功率因数曲线， 补偿电容支路串联晶闸管后的功率因数明显提高。 ( 下转第 6 6页) 6 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 3年第 3期 可以看出， 经卡尔曼滤波器滤波后 噪声效果 已经很 理想 。但是 ， 滤波后数据出现 的均值不等于零 的原 因可能是卡尔曼滤波的计算舍人误差或卡尔曼滤波 器的增益 不严格等 于 1引起 的， 原 因有待进 一步 研 究 ； _ _ _ _ - _ 一 l 一3 2 -l U l 2 j 4 1 0 。 3 图8 经过卡尔曼滤波的数据直方图 4 结束语 稳定跟踪平台的陀螺噪声以及随机漂移对平台 系统的稳定精度与跟踪精度有很大的影响。该文对 机载稳定跟踪平台伺服系统 内框架进行机理分析 ， 建立包括被控对象 、 电动机 + 传动轴 +负载的摩擦 、 功率放大器时滞等环节在 内的系统固有非线性动态 模型， 分析了陀螺噪声信号及其对平台系统 的影响， 陀螺噪声的存在会引起平台输 出轴的抖动和角度的 漂移。设 计 了卡尔曼滤 波器 ， 滤波结果 达到 预想 要求。 参考 文献 ： 1 孟中， 张涛 降低动力调谐陀螺输出噪声的方法 J 光学精密工程， 2 0 0 2 ， 1 0 ( 4 ) ： 4 2 0 4 2 4 2 柳贵福， 张树侠 光纤陀螺零漂数据滤波方法的研究 J 中国惯性技术学报， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 6 6 6 9 3 付梦印， 邓志红， 张继伟 K a l m a n 滤波理论及其在导航 系统中的应用 M 北京： 科学出版社 ， 2 0 0 3 4 I R P e t e r s o n ， A V S a v k i n R o b u s t K a l m a n F i l t e r i n g f o r S i g n a l a n d S y s t e m w i t h L a r g e U n e e r t a i n t i e sM B i r k h a u s e r Bo s t o n， 1 9 9 9 5 王连明 机载光电平台的稳定与跟踪伺服控制技术研 究 D 长春： 中国科学院长春光学精密机械与物理研 究所 ， 2 0 0 2 6 赵冠军， 赵嫔娅 一种机载稳定平台伺服控制系统的 设计与实现 J 科学技术与工程 ， 2 0 1 0 ， 1 0 ( 1 8 ) ： 4 5 7 0 45 73 7 郭富强， 于波， 汪叔华 陀螺稳定装置及其应用 M 西安 ： 西北 工业大学 出版社 ， 1 9 9 5 8 蒋志凯 数字滤波与卡尔曼滤波 M 北京 ： 中国科学 技术 出版社 ， 1 9 9 3 ( 上接第 6 1页) 心 、 v 、 ， 、 ， V ， 0 、 ， 、 n， 、 图2 补偿电容支路未串联晶闸管的功率因数曲线图 Ti me A 图3 补偿电容支路串联晶闸管后的功率因数曲线图 4 结语 该文通过分析现有无功补偿电路的不足 ， 提出 了在 电力机车辅助电路移相电容支路 串联晶闸管的 改进方法 ， 消除了在合闸瞬问产生的合闸冲击电流。 通过确定无功补偿 电路的相关参数 ， 在 P S I M仿 真 软件中设计仿真电路 ， 在相同的仿真参数下 ， 对 比移 相电容支路串联晶闸管前后的功率因数 曲线图 ， 证 明了移相电容支路串联 晶闸管后电路的功率因数有 明显提高。 参考文献： 1 冯培燕， 李艳华 谈供 电系统中的功率因数及无功补 偿 J 热电技术 ， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 4 6 4 8 2 秦增煌 电工学 M 北京 ： 高等教育出版社 ， 1 9 9 9 3 陆安定 功率因数与无功补偿 M 上海 ： 上海科学普 及出版社 ， 2 0 0 4 4 刘友梅 韶山4 B型电力机车 M 北京： 中国铁道出 版社 ，1 9 9 9 O 9 8 7 6 5 4 3 2 O O O O O O 0 O O O